立体仓库巷道式堆垛机设计
1 绪论
1.1 本课题研究的背景及意义
我国现在正处于工业化、城市化发展的高速期，未来一段时间内，土地资源和劳动力资源将会成为制约企业发展的瓶颈，鉴于此，建造立体仓库是未来企业发展趋势，自动化立体仓库是现代物流中的重要组成部分，是实现物流系统合理化的关键。它具有空间利用率高，便于实现自动化管理，实时自动结算库存货物种类和数量等许多优点，对加快物流速度、提高劳动生产率、降低生产成本很重要，已开始应用于汽车、电子、医药、烟草、建材、邮电等许多行业。
堆垛机是自动化立体仓库中最重要的搬运、起重、堆垛设备，对立体仓库的出入库效率有决定性影响，是立体仓库能否达到设计要求的关键设备之一。而我国在堆垛机制造技术上和世界发达国家有很大差距，鉴于我国未来物流业发展的广阔空间，堆垛机技术落后必将成为限制我国自动化立体仓库发展的瓶颈，使我国在国际物流业竞争中处于不利地位。鉴于以上因素，发展堆垛机技术有积极意义。 1.2 有轨巷道堆垛机的发展现状
有轨巷道堆垛起重机是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，通常简称为堆垛机。其主要用途是在高层货架仓库的巷道内沿轨道运行，将位于巷道口的货物存入货格，或者相反，取出货格内的货物运送到巷道口，完成出入库作业。
20世纪70年代初期，我国开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库，1980年我国第一座自动化立体仓库在北京汽车制造厂投产，从此自动化立体仓库在我国得到了迅速发展。据不完全统计，到目前已建成三百余座。堆垛机做为立体仓库中最重要的起重运输设备，也得到了较快的发展。
早期的堆垛机是在桥式起重机的起重小车上悬挂一个门架，利用货叉在立柱上的上下运动及立柱的旋转运动来搬运货物，通常称之为桥式堆垛机。1960年左右在美国出现了巷道堆垛机，这种堆垛机是在地面的导轨上行走，利用货架上部的导轨防止倾倒。随着立体仓库的发展，巷道堆垛机逐渐替代了桥式堆垛机。
随着计算机控制技术和自动化立体仓库的发展，堆垛机的应用越来越广泛，技术性能越来越好，高度也在不断增加，到1970年实现了由货架支承的高度为40米的堆垛机。堆垛机的运行速度也不断提高，目前堆垛机水平运行速度可达200m/min，起升速度高达120m/min，货叉伸缩速度达50m/min。2004年国际物流综合展览会上推出的超高效能巷道堆垛机“H-V1”，走行速度500m/min，加减速0.5G，处理能力每小时500箱，实现了自动化立体仓库存取效率的飞跃。
80年代初期，巷道堆垛机的运行能力主要由机械的速度模式来决定，速度控制是将子母电机或变极电机进行复合，机械式地进行速度切换来控制高速、低速运行。因此，
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最高行走速度不超过100m/min，最高升降速度不超过20m/min，在高速化上受到了制约。于是，在速度控制方面采用了直流电机的电压切换控制方式，使巷道堆垛机的最高行走速度达到125m/min，最高升降速度达到30m/min。但是，伴随高速化的另一个重要问题是停止，为了滑动停止就必须降到很低的速度。当进行速度切换时，由于急加减速而形成的或是由于制动停止而引起的冲击，诱发了机械的振动。
现代堆垛机多使用变频调速，速度控制更加平稳，解决了变速时的冲击问题，但是在堆垛机制动器抱闸停止时，也会产生冲击，在堆垛机机架较高的情况下，造成机架晃动，目前只能通过改善控制减小冲击，尚无更好的解决办法。
目前，我国巷道堆垛机的性能参数和可靠性有待进一步提高。国产堆垛机的质量相对国外堆垛机而言差距较大，为使国产堆垛机赶超国际水平，应加强自主研究和开发。 1.3 本课题设计任务及要求
此堆垛机用于机械加工工厂的毛坯、零件仓库，仓库货架总高度为10m，货物单元长、宽尺寸为1200x1000mm，额定负载800kg，最高行走速度120m/min，最高升降速度30m/min，最高货叉速度30m/min，首层货架高度600mm，负载单元器具为托盘或货箱，货叉数为双货叉，每小时出入库20次，平均工作周期3min。
本次毕业设计对堆垛机的机械结构进行设计，主要包括门架结构、行走机构、升降机构、货叉伸缩机构。设计出更合理堆垛机门架结构,在保证其强度及刚度条件下尽量减轻整机重量，同时，设计出能减轻堆垛机制动时晃动的辅助天轨制动装置和更加简单可靠的断绳保护装置。
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2 堆垛机总体方案的确定
堆垛机工作于立体仓库货架之间，为节省空间，加大有限空间存货量，现代立体仓库货架间距做的很窄而高度很高。堆垛机在此环境下工作，决定其整体结构高而窄，为防止倾倒，将堆垛机行走轨道设计成上下双轨，下部地轨起支撑和引导作用，上部天轨可支持堆垛机直立行走，保证不发生倾倒事故。
高而窄的结构也造成堆垛机沿高度方向刚度不足，在起停过程中振动严重，会延长定位时间，影响效率，也会造成堆垛机定位不准确，无法正常工作。为减轻刚度不足造成的影响，堆垛机设计中要非常注意机构的动刚度。 2.1 有轨巷道堆垛机门架结构选型
按传统门架结构形式堆垛机可分为双立柱有轨巷道堆垛机和单立柱有轨巷道堆垛机：
(1)双立柱有轨巷道堆垛机
双立柱有轨巷道堆垛机由两根立柱、上横梁、下横梁和带货叉的载货台组成，立柱、上横梁和下横梁组成一个长方形的框架，一般称为机架。这种堆垛机的最大优点就是强度和刚性都比较好，能快速起、制动，并且运行平稳。一般用在起升高度较高、起重量较大和水平运行速度较高的立体仓库中，其缺点是自重较大。
(2)单立柱有轨巷道堆垛机
单立柱有轨巷道堆垛机的机架由一根立柱、下横梁和上横梁组成。立柱多采用型钢或焊接制作，立柱上附加导轨。整机重量较轻，消耗材料少，因此制造成本相对较低，但刚性稍差。由于载货台和货物对立柱有偏心作用，以及行走、制动时产生的水平惯性力作用，使单立柱有轨巷道堆垛机在使用上有较大的局限性。不适于起重量大和水平运行速度高的堆垛机。
通过对比分析，本设计中堆垛机应用于机械零件及毛坯的搬运，受力较大。单立柱堆垛机结构刚度小，设计大刚度门架较困难。且本设计针对加大仓库存货量的中型仓库，库高为10米，单立柱结构做到10米高，会显著提高成本，不够经济。故本设计采用双立柱有轨巷道堆垛机，这种堆垛机强度和刚性都比较好，能快速起、制动，并且运行平稳。用在起升高度较高、起重量较大
图2.2 单立柱有轨巷道堆垛机 图2.1 双立柱有轨巷道堆垛机
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和水平运行速度较高的立体仓库中，符合本设计的任务要求。 2.2 货叉伸缩机构 2.2.1 货叉结构
货叉伸缩机构是堆垛机存取货物的执行机构，置于堆垛机载货台上，可以横向伸缩以便向两侧货格送入或取出货物。一般按叉子的数量分为单叉货叉，双叉货叉和多叉货叉，其中多叉货叉多用在特长货物的堆垛。
由于工作需要，堆垛机货叉在收回状态下的长度要小于巷道的宽度，但伸展后的长度却要大大长于巷道宽度。为了从结构上实现这个要求，必须采用多级伸缩式货叉，目前最常用的是3级直线差动式货叉。底叉固定在载货台上，动力装置安装在底叉上，通过传动机构驱动中叉相对底叉运动，中叉和上叉之间装有直线差动机构，使中叉相对底叉运动时，上叉相对中叉以2倍速运动，从而实现大距离伸叉的要求。 2.2.2 中叉板的驱动
中叉的运动是通过安装在底叉板或载货台上的电动机和传动机构驱动执行机构实现的，传动方案有齿轮齿条传动和链条传动。
1.齿轮齿条式伸缩叉
如图2.3，电动机及减速机构安装在载货台上，齿条固定在中间叉上，齿轮固定在载货台中部，驱动齿条从中点，向左或向右移动大约自身长度的的一半。前叉可以从中间叉的中点，在链条或钢丝绳驱动下向左或向右伸出比自身稍长的长度。
图2.3 齿轮齿条式伸缩叉伸缩机构
2.链条链轮式伸缩叉
如图2.4，固定叉安装在载货台上，固定货叉、中、上叉之间由链轮链条进行连接，电动机通过驱动链轮由链条带动中间叉运动，从固定叉中点向左或向右伸缩，在中叉向左或向右伸缩时，由另外两条链带动上叉以三倍速度伸缩。
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