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機電工程學院
畢業(yè)設計說明書
設計題目: 橋式碼垛機升降與旋轉結構設計
學生姓名：
學 號：
專業(yè)班級：
指導教師：
年 05 月 29 日
27
目 錄
摘要....................................................................................................................................2
Abstract...............................................................................................................................3
第一章 緒論....................................................................................................................4
1.1 選題的背景及其意義.........................................................................................4
1.2 碼垛機的簡介.....................................................................................................4
1.3 國內外碼垛機的發(fā)展現(xiàn)狀..................................................................................4
第二章 橋式碼垛機升降與旋轉機構總體結構設計.....................................................7
2.1 橋式碼垛機升降與回轉機構傳動方式的選擇....................................................7
2.2 橋式碼垛機升降機構的設計與計算.....................................................................7
2.2.1 定機構的工作級別............................................................................................7
2.2.2 計算鋼絲繩的最大靜拉力并選擇鋼絲繩的種類............................................8
2.2.3 確定最小的卷撓直徑........................................................................................9
2.2.4 選擇電動機并驗算制動力矩............................................................................9
2.2.5 計算機構的傳動比并選擇適當的減速器......................................................10
2.2.6 聯(lián)軸器的選擇..................................................................................................10
第三章 卷筒的設計與計算............................................................................................11
3.1卷筒部件的設計與計算......................................................................................11
3.2卷筒心軸的計算...................................................................................................11
3.3選擇軸承...............................................................................................................13
3.4齒輪連接盤的計算...............................................................................................16
設計總結..........................................................................................................................19
致謝..................................................................................................................................20
參考文獻..........................................................................................................................21
摘 要
隨著科學技術的快速發(fā)展，機械在現(xiàn)代生活中充當著越來越重要的作用，一方面是因為機械行業(yè)的飛速發(fā)展，另一方面是因為社會對機械的大量需求，在機械漫長的發(fā)展軌跡中，新機械的發(fā)明起著不可替代的作用。與此同時,那些一直被使用的機械更是起到了舉足輕重的作用，一個重要的例子，比如橋式碼垛機。橋式碼垛機和大部分的機械一樣，有著漫長的發(fā)展歷史，都是從一開始的簡單再慢慢的發(fā)展成為復雜的機器，從以前的單一結構發(fā)展成為復雜的結構，從單一的作用演變?yōu)槎喾N作用。并且操作的方式也發(fā)生了比較明顯的變化，由以前的人工操作變成了現(xiàn)在的電腦控制。本次設計主要介紹的是傳統(tǒng)的橋式碼垛機的過去、現(xiàn)在以及未來的發(fā)展。
關鍵詞:橋式碼垛機、卷筒、定滑輪、卷筒軸
Abstract
With the rapid development of science and technology，mechanical plays more and more significant impact in contemporary life.For one thing， because of the rapid development of machinery industry，on the other hand is because the social demand for machinery，In mechanical long trajectory，the new mechanical invention plays an irreplaceable role.At the same time，those who have been used machinery has played a pivotal role，an important example，such as bridge type stacker crane.Bridge type stacker crane，like most of the machinery，has a long history，All started with a simple again slowly developed into a complex machine，from the previous single structure become complex structure，developed into a multifunctional from the previous single function.At the same time，the operation mode has obvious changes have taken place，by the previous manual operation into the present computer control.This design is mainly introduced the traditional bridge type stacker crane， past、present and future development.
Key words:Bridge type stacker crane; drum;crown block;drum shaft
第1章 緒論
1.1選題的背景及其意義
由于社會生產力快速的發(fā)展，產品規(guī)模越來越大以及產品結構越來越復雜，在一定程度上要求作為工廠物資儲存室的物資倉庫需要適當的改建或擴建。但是由于國家的土地有限，所以現(xiàn)有的工業(yè)企業(yè)所占的土地也是有限的,因此倉庫用地已經不能再加大了，所以只能充分合理的利用倉庫，充分利用已有的庫區(qū)面積，同時向其他方向延伸，充分利用庫區(qū)空間。于是人們開始研究如何建成多層庫房。從目前我國的發(fā)展趨勢來看,多層庫房有著光明的發(fā)展前景。與此同時由于企業(yè)的生產與管理一直得到不斷改善與提高,越來越多的企業(yè)明白了物流系統(tǒng)的提高與改善對他們非常重要。
隨著自動化立體倉庫的建立，物流系統(tǒng)更加合理，它把空間充分的、合理的利用了起來,對降低生產成本、加快物流的速度、提高生產率都有著至關重要的意義，現(xiàn)在已經廣泛應用于機電、食品、材料、化工等諸多領域。
1.2碼垛機的簡介
我國的現(xiàn)代物流主要是由自動化立體倉庫構成的，在20世紀70年代初期,碼垛機的立體倉庫第一次出現(xiàn)在了國內，從此我國的自動化立體倉庫進入了一個發(fā)展的黃金期。自動化立體倉庫中主要的核心設備是碼垛機，它是伴隨著自動化立體倉庫的出現(xiàn)而出現(xiàn)的，它是倉庫中物料搬運時使用最廣泛的設備,同時也是物流倉儲系統(tǒng)最重要的設備,
早期的碼垛機結構相對簡單，就是把把一個門架懸掛在橋式起重機的起重小車上，習慣上稱為橋式碼垛機，1962年的時候巷道碼垛機廣泛的出現(xiàn)在了美國，并且隨著立體倉庫的建立，巷道碼垛機慢慢取代了橋式碼垛機。從1970年開始日本生產的碼垛機的安裝高度達到了25米。隨著電腦技術和自動化立體倉庫的發(fā)展,碼垛機已經應用到大量的領域,性能不斷的得到強化,高度也一直在變高。1972年時,已經出現(xiàn)了高度為40米的碼垛機。碼垛機的運行速度也一直在提高,目前碼垛機水平運行速度已經高達220m/min,同時碼垛機的升降速度和貨叉伸縮速度也在不斷提高。
1.3國內外橋式碼垛機的發(fā)展現(xiàn)狀
我國的運輸機械發(fā)展起步于20世紀40年代末，從改革開放前少數幾種水平落后的單機起，到70年代，運輸機械取得了長足的進步，運輸機械發(fā)展到了一個新的階段,結構更加復雜，種類更加齊全，出現(xiàn)了大量專業(yè)的運輸機械生產企業(yè),形成了一批專業(yè)化生產的骨干企業(yè)。大量科研院所開始著手研究運輸機械,許多學校也設立了運輸專業(yè)，培養(yǎng)運輸專業(yè)方面的人才，在全國范圍內成立了運輸協(xié)會，在報紙上發(fā)表了各種專業(yè)的論文，運輸行業(yè)部門開始慢慢形成，這也是原機械工業(yè)部管理的14個大行業(yè)之一。到20世紀末時,種類也越來越多，產品的質量不斷提高，外觀越來越好看，機器的性能也更完善，技術也得到了明顯的提高，我國與先進國家的差距進一步縮小。
目前,我國經過60多年來的不斷努力，新產品、新材料、新工藝不斷的出現(xiàn),我國在研究輸送機械方面也取得了很大的進步。由于計算機技術的日趨完善，利用計算機進行設計，可以使輸送機的整機布置更加簡便與完美，基本零件更加緊湊耐用。因為自控技術與數顯技術的快速發(fā)展,所以大大改善了運輸機的控制和安全保護裝置，使工作的安全性和可靠性大大提高。
碼垛機作為運輸機中重要的一種。主要的種類有懸掛式碼垛機、碼垛機器人、橋式碼垛機等。
(1)懸掛式碼垛機是自動地將貨物運送到一開始預定的位置,然后再進行人工操作，將貨物包裝好。在貨物被運送到工作中，雖然輸送帶和碼垛機可以自動堆碼，但是必須要有人工進行操作。但其突破了沿用多年的半自動碼垛機須有3條輸運帶的傳統(tǒng),得到了非常好的結果。該機僅設有兩條輸運帶，懸掛式碼垛機與傳統(tǒng)的碼垛機有著許多的不同,構造簡單明了、成本低、資源消耗小、維修費用低等優(yōu)點,特別適合應用于跨度小的倉庫。
(2)碼垛機器人是為了減少人工工作量并且提高碼垛工作效率而研制的，專用的"碼垛機器人"和碼垛機配合工作,從而把貨物進行自動化的堆碼。開始設計的碼垛機器人只有搬運、旋轉、移動和提升貨物的功能，因此這種固定式機器人構造非常簡單。目前許多國家的搬運機器人技術已經日臻完善，有許多的技術和方法可以向他們學習。
機器人碼垛機是用機器搬運替代人工搬運，設備由先進的計算機進行控制。機器人碼垛機只需要在設定的位置抓起和擺放就行了，計算機里的程序控制著兩點之間的軌道，兩點之間做往復的來回運動，可以準確定位。機器人碼垛機不但可以立刻把公司的生產效率和產量提高上來，同時能夠把人工搬運所帶來的誤差降到最低，機器人碼垛機可以隨時隨地長時間的作業(yè),，率也非常的高，可以降低工人的勞動強度，從而節(jié)省加工成本，達到低成本高產出的目的。機器人碼垛機廣泛應用于諸多領域。
（3）橋式半自動碼垛機是現(xiàn)代化企業(yè)成品倉庫的主要作業(yè)機械，廣泛應用于大米、小麥、玉米、飼料、食鹽、肥料、鋼材等行業(yè)成品庫堆包碼垛之用，橋式碼垛機優(yōu)點非常明顯，比如操作簡單、運行平穩(wěn)、效率極高、能夠降低加工生產成本，橋式碼垛機又可分為天軌式橋式碼垛機和地軌式橋式碼垛機。
天軌式橋式碼垛機主要是依靠大車及主皮帶機上的攔包機來回運動，橫輸送橋橫向移動，并且固定攔包機的隨行走小車跟橫輸送橋一樣，輸送橋把貨物送到指定的地點，這是由于斜輸送橋的角度變化。
地軌式橋式碼垛機是由撿拾小車、上下斜輸送橋、斜橋支架、行走體、立柱、橫輸送橋、攔包機轉彎機、橫輸送橋提升動力總成、操作平臺及電器系統(tǒng)等組成。其工作原理是貨物由撿拾小車，經上下斜輸送橋，再由攔包機轉彎機輸送到橫輸送橋上,最后由攔包小車使其到達預定位置。半自動地軌式碼垛機需由人工最后將貨物碼好。該垛機適應10-30m跨度碼垛25-50kg的袋裝物品。
縱觀世界各國碼垛機的發(fā)展的現(xiàn)狀,對今后的動向,可歸納如下:
(1)注重"三化"標準，使我國的碼垛機慢慢達到國際標準。"三化"主要是指碼垛機的標準化、系列化和通用化。對大部分國家而言，產品的"三化"工作必須格外注重，而且必須采用國際標準(ISO)。有部分國家為了促進商品的國際間交流，更是直接采用國際標準而廢除了本國標準。
（2）如果機械產品要想不斷進步、完善，就必須要完成機電一體化。在當代，機電一體化標志著產品的進步與完善。把計算機技術應用在碼垛機上，不僅可以提高機械性能，保證安全性,而且可以實現(xiàn)無人自動操作的目標。
(3)在人機工程學上的應用，碼垛機一般工作的環(huán)境比較差，為了保證工作人員充沛體力和工作的效率，降低工人的工作強度。從人機工程學的角度出發(fā)可以設計部分裝置用來減少振動和降低噪音，以減少加工成本并且進行最合理的投資。
第2章 橋式碼垛機升降與旋轉機構總體結構設計
2.1橋式碼垛機升降與回轉機構傳動方式的選擇
橋式碼垛機的升降與回轉機構是使載貨臺垂直運動的機構,主要的零件有電動機、減速器、聯(lián)軸器、卷筒、動滑輪、鋼絲繩等，電動機提供動力，通過聯(lián)軸器連接減速器帶動鋼絲繩從而使載貨臺升降，鋼絲繩的優(yōu)點是自重量輕，使用安全,工作噪音小，易于維修和保養(yǎng)。
在碼垛機的工作環(huán)境下，為了使升降機構充分發(fā)揮出其優(yōu)點，電動機選用的是帶制動器的電動機。這種電動機在工作時，轉子在磁拉力的作用下會產生一部分的軸向位移，同時打開尾部的制動器。只要一斷電，磁拉力也馬上消失，這時制動器又重新上閘，使電動機立刻停止運行。升降機構的位置位于碼垛機的下部。
減速器可以選用JZQ型減速器，它是一類特別適合起重機的低硬度齒面的減速器,制造過程相對簡單,供貨充足。卷筒為與減速器配合的自制卷筒，通過齒輪連接盤與減速器的低速軸齒輪軸端相連。這種卷筒的特征是卷筒軸不受轉矩作用，只受到彎矩作用,封閉式傳動，不容易受到外界環(huán)境的影響。
2.2橋式碼垛機升降機構的設計與計算
起重量 M=300kg， 升降速度 v=0.5m/s， 接電持續(xù)率 JC=25%， 升降高度 H=8m
2.2.1 定機構的工作級別
碼垛機工作級別根據碼垛機使用條件的兩個重要數據——載荷狀態(tài)和利用等
級來劃分，是碼垛機設計的依據，現(xiàn)在根據碼垛機實際運行情況選定三個參數如
下：利用等級T4，載荷情況L2，工作級別M4。
2.2.2 計算鋼絲繩的最大靜拉力并選擇鋼絲繩的種類
該機構采用單聯(lián)滑輪組，此時 ：m=n
m——滑輪組倍率
n——懸掛物品撓性件分支數
升降機構以省力鋼絲繩滑輪組作為執(zhí)行構件，選取懸掛物品撓性件分支數n
為2，滑輪組倍率m為2。
鋼絲繩承受的最大靜拉力為：
Smax=Q÷qaη=300×9.81÷（2×1×0.98)=1502N
Q——升降載荷（N）, Q=Mg, g=9.81m/(s×s)
M——升降重量（㎏）
qa——滑輪組分支數
q——滑輪組倍率
a——滑輪組鋼絲繩卷入卷筒的根數
η——機構總效率，取為0.98
這個機構中q=2，a=1
根據承受的最大靜拉力選擇6×7型的鋼絲繩，鋼絲繩的強度極限
σt=1570Mpa， 取選擇系數C=0.099
鋼絲繩直徑??
取鋼絲繩直徑d=6mm
鋼絲繩的最小破斷拉力F=8.34KN（纖維芯鋼絲繩）
鋼絲繩的安全系數為n=1000F÷Smax=1000×8.34÷1502=5.55≥4.5
2.2.3 確定最小的卷撓直徑
取彎曲頻率系數n2=1，卷筒的工作級別系數n1=16，滑輪的工作級別
系數n1=18，卷筒的最小直徑：
滑輪的最小直徑：
設計采用的是齒輪連接盤式的單層卷繞單聯(lián)卷筒，取以繩槽底測量的卷筒
直徑：Dd=140mm，則以鋼絲繩圈中心測量的卷筒直徑為146mm
卷筒為標準槽形的卷筒，槽距t=7mm，則總長為
取L=300mm，故滿足設計要求
卷筒槽形的槽底半徑R=3.3mm
卷筒的壁厚為：
取，卷筒強度計算：
其中Fmax=1502N，mm，，P=7mm
材料為鑄造碳鋼ZG270--500，則
，故滿足設計要求
2.2.4 選擇電動機并驗算制動力矩
選擇的是繞線式交流感應電動機
電動機的靜功率為：
Pst=Q÷1000m=300×9.81×0.5÷1000÷0.85÷1=1.73KW
——額定起升速度（m/s）
——機構效率，開始時近似定為
m——機構電動機個數
選用Y100L1—4型電動機，功率為2.2KW，額定力矩為2.3Nm，同步轉速
為1430r/min
取M=2.3，對繞線電動機，H=2.1，因此
滿足設計要求，取制動安全系數為k=1.75，效率取為0=1，于是可得：
Tb=kQR0÷qi=1.75×300×9.81×1.73×1÷2÷23.34=190.7KNm
滿足設計要求，其中Tb——最小制動轉矩
卷筒半徑——R，R=146÷2=73mm
2.2.5 計算機構的傳動比并選擇適當的減速器
傳動系統(tǒng)的總速比為電動機額定轉速與卷筒轉速之比
卷筒轉速根據升降速度v計算：
nd=Dd=30×1000÷3.14÷146=65.44r/min
傳動總速比為i=1430÷65.44=21.85
選用JZQ標準減速器的第IV檔速比，i=23.34
額定功率為3.1KW,額定轉速為1500r/min
JZQ—250型減速器，質量為100kg
2.2.6 聯(lián)軸器的選擇?
此聯(lián)軸器為減速器高速軸使用的聯(lián)軸器，而減速器低速軸通過卷
筒上的齒輪連接盤直接與卷筒連接。
聯(lián)軸器采用調節(jié)性能較好的梅花形彈性聯(lián)軸器
選用LM3型梅花形彈性聯(lián)軸器即可，轉動慣量為0.0009kg.㎡，
能長期傳遞的最大轉矩為200Nm，滿足設計要求。
第3章 卷筒的設計與計算
3.1卷筒部件的設計與計算
卷筒的名義直徑為D=140mm
螺旋的節(jié)距為t=7mm
卷筒長度L=200mm
壁厚
鋼絲繩的最大靜拉力為Smax=1502N
3.2卷筒心軸的計算
選用的軸為45號鋼，并且要經過調質處理
通過受力分析和做草圖同時得到卷筒心軸的支點位置和卷筒心軸的 受力
簡圖及力矩圖，如下圖3-1、3-2所示
圖3-1
3-2
1. 左右兩個支座的支反力
=1502（316－25.5）＋1502×46.5÷316=1602N
=1502×(316－46.5)+1502×25.5÷316=1402N
軸右輪轂支承處的最大彎矩?為
M=×46.5=1402×46.5=65190N.mm
軸左輪轂支承處的最大彎矩?為
由上面兩式可得，應選用右輪轂支承處的最大彎矩
2. 疲勞強度的計算
對于疲勞強度的計算應采用等效彎矩，選定等效系數為
等效彎矩為：
彎曲應力為：
軸的載荷變化為對稱循環(huán)
選用軸的材料為45號鋼
許用彎曲應力為：
其中n為安全系數，取n=1.6
k為應力集中系數，
其中為與零件幾何形狀有關的應力集中系數，取
其中 為與零件表面加工光潔度有關的應力集中系數
取
因此
，所以滿足強度要求
3. 靜強度計算
卷筒軸屬于升降機構低速軸零件，其動力系數取為
許用應力為：
，故卷筒軸的強度滿足設計要求
3.3選擇軸承
由于卷筒軸上的左軸承的內、外圈以同樣轉速轉動，故無相對運動，
可按照額定靜載荷來選擇。右軸承的外座圈固定，內座圈與軸一同
旋轉，內座圈與軸一同旋轉，應按照額定動負荷來選擇
1. 左端軸承?
軸承的額定靜負荷， ，其中為額定靜負荷，
為當量靜負荷，為安全系數，取=1.04
選用調心球軸承，型號為1205，軸承的額定靜負荷，
左軸承的當量靜負荷：
表示動負荷系數，取值為1.1
選取，安全，滿足設計要求
2. 右端軸承
右端軸承也選擇1205，其額定動載荷
右軸承的徑向負荷：
軸向負荷
設軸承工作時數，查機械設計手冊1205的軸承e=0.27，令e，由于x=1，y=2.4，故當量動載荷
軸承的壽命：
n為軸承內外圈的相對轉速，單位是r/min
c為軸承的額定動載荷，單位是N
故
故動負荷
安全強度滿足設計要求
3. 繩端固定裝置設計與計算
由鋼絲繩的直徑大小為6mm，選擇壓板固定裝置并將壓板的繩槽
改用的梯形槽，雙頭螺柱的直徑為M6?，已知卷筒長度計算中
采用的附加圈數為，繩索與卷筒繩槽間的摩擦系數為。
則作用在繩端固定處力的大小為：
壓板螺柱受到的拉力大小為：
其中表示的是壓板梯形槽與鋼絲繩的換算摩擦系數
并且當時，
螺柱由拉力和彎矩作用的合成應力為：
其中 Z=2（螺柱數） （螺紋內徑）
螺柱材料為Q—235，屈服極限為
所以許用拉伸應力為：
可取安全系數，計算得：
滿足強度條件要求，故設計通過
3.4齒輪連接盤的計算
1. 選擇齒輪連接盤材料?
齒輪連接盤選用45號鋼，經過調質處理 HBS=245---275HBS
2. 按齒面接觸疲勞強度設計與計算
，確定齒輪連接盤內齒輪傳動精度等級，第2
C公差組精度等級為7級，齒輪連接盤內齒輪的分度圓直徑為：
齒寬系數按齒輪相對軸承為懸臂布置取為:，內齒輪的齒數為
，內齒輪轉速與卷筒轉速相同，內齒輪的轉矩為：
?
載荷系數為：
使用系數為：，動載荷系數為：
齒向載荷分布系數為：， 齒間載荷分布系數為：
則載荷系數k的初值為：
彈性系數為：，節(jié)點影響系數為：
重合度系數為：，許用接觸應力為：
接觸疲勞極限應力=570
則應力循環(huán)次數得：
則接觸強度得壽命系數為：，硬化系數為：
接觸強度安全系數為：，
故的設計初值為：=
齒輪模數，所以取m=2mm
內齒輪分度圓直徑的參數圓整值為：
由于齒寬系數為：，所以齒輪齒寬為：
，對于一般齒輪有：，
齒頂高為：
齒根高為：
齒頂圓直徑為：
齒根圓直徑為：
選取與齒輪連接盤相配的減速器，其低速軸齒輪軸端的模數為2mm，
齒數為40。
3. 齒根彎曲疲勞強度校核計算
表示齒形系數，內齒輪=2.60
表示應力修正系數，內齒輪=1.60
表示重合度系數，
許用彎曲應力位：
彎曲疲勞極限位：， 彎曲壽命系數為：
尺寸系數， 安全系數，則
,所以有
故滿足強度要求，設計合理。
?
設計總結
本次畢業(yè)設計對于我來說比較困難,首先我不太懂軟件設計這方面的知識,其次碼垛機在學習中接觸的也不多。但我還是選擇了這個設計題目,因為碼垛機肯定會在機械行業(yè)發(fā)揮越來越重要的作用,借助于電腦會幫助我們更好的完成設計工作。
碼垛機的設計工作可以參照設計手冊一步步來做,這些工作大多都是重復的工作而且涉及到大量的計算,所以用程序來解決是非常好的。在碼垛機選型設計工作中都會涉及到查表,這也是機械設計特點,需要查找大量的資料。好在能夠借助互聯(lián)網解決這一問題。通過網上查找,將問題都解決了。
通過這次畢業(yè)設計,我學到了很多書本上學不到的東西，發(fā)現(xiàn)只要自己邁出第一步問題就已經解決一半。其次就是在解決問題過程中,我發(fā)現(xiàn)有時看似是一個很大的問題其實它是由一個個小問題堆積而來的,所以自己在解決問題的時候不能因為小就認為他沒問題,但一個小問題給你帶來無數的問題時,它就不在是一個小問題了,所以,有問題要盡早解決。還有就是在這個過程中，我又把大學學過的知識又學了一遍，加深了印象，自己的動手能力也得到了提高。
致謝
通過這次畢業(yè)設計，我從中學到了很多東西，讓我受益匪淺，感觸頗深。首先，我要感謝河南工業(yè)大學和機電工程學院對我的培養(yǎng)和教育，是他們給了我這四年學習的機會，使我無論在知識上還是在生活經驗上都有了長足的進步。
其次，我要感謝學校為我們提供充裕的電子資源和書刊資料。正是通過查閱大量的信息資料才使我順利的完成畢業(yè)設計，解決設計中遇到的難題。
再次，我要真誠地感謝我的指導老師王星老師。正是由于他豐富扎實的專業(yè)知識、豐富的實踐經驗以及孜孜不倦的敬業(yè)態(tài)度和耐心的教誨，幫助我順利的完成畢業(yè)設計，他的這些精神使我終身受益。
最后，我要感謝自己同班的同學，大學四年的生活，讓我們難舍難分。他們給予了我足夠的耐心和無私的幫助。我深深地感謝他們！
再次對所有幫助過我，教導過我，關心過我的人表示衷心的感謝！
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