堆垛机起升机构优化设计.pdf
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1、672023 年第 19 期/DESIGN CALCULATION设计计算堆垛机起升机构优化设计岳森峰1,2 张煜哲1,3 张 辰1,3 赵志理1 倪志强11 北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007 2 机械工业物料搬运工程技术研究中心 北京 1000073 北京市自动化物流装备工程技术研究中心 北京 100007摘 要:堆垛机的起升机构通过钢丝绳与载货台连接,是堆垛机提升过程中的主要受力部件。堆垛机起升机构一般采取卷筒轴与卷筒体、辐板直接焊接的方案,该方案可节约巷道空间,但含碳量高的卷筒轴焊接性能差,焊接过程中易产生裂纹,影响堆垛机运行安全。文中提出了一种堆垛机起升机构优化设
2、计方案,并结合实例对其进行力学验算和仿真论证,经过优化的方案取消了卷筒轴的焊接工艺,大大提高了堆垛机起升机构的可靠性。关键词:堆垛机;起升机构;优化设计;力学验算;仿真论证;焊接中图分类号:TH246 文献标识码:B 文章编号:1001-0785(2023)19-0067-05Abstract:The hoisting mechanism of the stacker,which is connected to the loading platform by the steel wire rope,is the main stressed part in the hoisting proces
3、s.In the hoisting mechanism of the stacker crane,the drum shaft is usually directly welded with the drum body and the radial plate,which saves the roadway space,but the drum shaft with high carbon content has poor welding performance and is easy to crack in the welding process,thus affecting the ope
4、ration safety of the stacker.In this paper,an optimized design scheme of the hoisting mechanism of the stacker crane is put forward,and an example is used to verify and simulate it.The optimized scheme avoids the welding process of the drum shaft,which greatly improves the reliability of the hoistin
5、g mechanism of the stacker crane.Keywords:stacker crane;hoisting mechanism;optimization design;mechanics checking;simulation demonstration;welding0 引言自动化立体仓库在智能制造物流供应链和自动化仓储领域应用广泛,堆垛机是自动化立库的关键组成,堆垛机金属结构中的下横梁、起升装置、伸缩叉部件互相配合,可实现堆垛机运行、起升、伸缩叉 3 个方向的运动,从而实现自动化立库货物的入库、出库功能。堆垛机的性能关系着整个立库的运行性能,起升机构是堆垛机的重要组成
6、部件,通过钢丝绳与载货台、货叉、货物连接,故其安全性能对堆垛机的整机安全十分重要。堆垛机在起升过程作业中,由起升机构中的电动机驱动卷筒绕绳,以实现载货台货物升降的功能。卷筒是堆垛机起升作业过程中的主要受力部件。如图 1 所示,自动化立体仓库行业内堆垛机起升机构卷筒由卷筒轴、卷筒体、辐板等构成,卷筒轴端与起升机构电动机减速器直接连接,卷筒体通过压板与钢丝绳固定端固定,钢丝绳移动端与载货台动滑轮连接。电动机减速器旋转带动卷筒轴连同卷筒体旋转带动钢丝绳缠绕,从而实现载货台及货物的升降。1.卷筒轴 2.卷筒体 3.辐板图 1 起升机构卷筒示意图目前,行业内在起升机构设计过程中为节约堆垛机巷道宽度空间,
7、在卷筒设计制造时一般直接将卷筒轴、卷筒体、辐板等通过焊接的方式直接连接在一起。由岳森峰,张煜哲,张辰,等.堆垛机起升机构优化设计 J.起重运输机械,2023(19):67-71.引 用 格 式68/2023 年第 19 期于传递扭矩很大,卷筒轴一般选用含碳量较高的高强度40Cr 材质(中碳钢);而辐板和卷筒体处的应力较小,一般采用低碳钢材质即可满足使用要求。在制造过程中,虽然辐板和卷筒体的焊接性能好,但因 40Cr 材质的中碳钢卷筒轴焊接性能差,焊接工艺涉及焊前预热,焊后热处理、保温工艺较繁琐,且焊接处理不当易产生裂纹,长期使用可能会出现焊缝开裂现象,严重时还会威胁堆垛机的作业安全,故开展堆垛
8、机起升机构优化设计方案对卷筒形式进行改进很有意义。本文运用机械设计原理,提出一种堆垛机起升机构卷筒的优化设计方案,结合具体工程实例对该方案的设计细节、设计思路、计算过程、材料选型、零件设计进行详细阐述,并在优化设计完成的基础上运用经典力学理论和有限元仿真软件对优化设计方案进行理论力学验算和有限元模拟论证。优化后的堆垛机起升机构采用键连接扭矩传递的形式代替了常用的卷筒焊接工艺以传递扭矩,并在满足实际工况使用要求的同时取消了卷筒轴的焊接工艺。优化后的设计方案简化了堆垛机起升机构卷筒的制造过程,替代了卷筒轴薄弱的焊接位置,大大提升了堆垛机提升过程的安全水平。经实际工程项目验证,优化后的设计方案满足堆
9、垛机长期稳定安全运行的使用要求。1 堆垛机起升机构卷筒优化设计图 2 为优化后起升机构卷筒示意图。优化后的起升机构卷筒由卷筒轴、卷筒体、辐板、轴套 1、轴套 2、平键等组成。其中,卷筒轴与轴套 1、轴套 2 采用过渡配合,轴套 1、轴套 2 与卷筒体通过辐板焊接在一起,轴套2与卷筒轴通过平键传递扭矩。在此结构中,轴套1、轴套 2 均承受径向压力,轴套 2 传递扭矩,轴套 1 不传递扭矩。在优化设计方案中,轴套 1、轴套 2、卷筒体、辐板均为 Q235 材质,卷筒轴为 40Cr 材质,键为 45 号钢材质。该方案中,Q235 材质的低碳钢焊接在一起,40Cr 材质的中碳钢卷筒轴不涉及焊接工艺。因
10、此,优化后的设计方案采用键连接取代了卷筒轴的焊接工艺,消除了不同材质钢材需焊接在一起的问题,简化了堆垛机卷筒的制造工艺,在保证堆垛机起升机构空间不增加的情况下提升了堆垛机起升机构的安全性。1.卷筒轴 2.轴套 2 3.平键 4.辐板 5.卷筒体 6.轴套 1图 2 优化后起升机构卷筒图2 优化设计方案的力学计算以工程中的实际案例对优化设计后起升机构的卷筒方案进行校验,堆垛机的各项参数为:总高度 H 29 750 mm,额定载荷 Q 1 035 kg,货叉净重 Q1 360 kg,载货台净重 Q2 925 kg,载货台起升速度 v 40 m/min,载货台起升加速度 a 0.5 m/s2。堆垛机
11、存取的货物最高位置标高为 27 650 mm,货物最低位置标高为 650 mm,额定起升高度为 27 m,起升机构设计采用双联卷筒,2 根钢丝绳同时牵引载货台,钢丝绳绕绳倍率为 2,需要缠绕的钢丝绳总长为54 m。遵循堆垛机设计标准的要求,钢丝绳采用抗拉强度等级为 1 870 MPa 规格的重要用途钢丝绳,直径为 10 mm,保证钢丝绳的安全系数满足许用要求。设置堆垛机起升机构名义卷筒直径为 520 mm,求得绕绳圈数最小值为 35 圈,同时保留至少 2.5 圈的富余量,即双联卷筒每侧至少保证 37.5 圈的绳槽。用于传递扭矩的键采用 b 28 mm、h 16 mm、L 180 mm 的平键,
12、在卷筒轴和轴套上设计对应键槽,按机械设计手册推荐设计键与轴套对应的配合公差,平键材料选用抗拉强度不低于 590 MPa 性能的 45 号钢材质。结合堆垛机起升货物的动态参数对堆垛机提升工况进行计算校核,结合堆垛机起升机构的设计方案选型得到堆垛机起升电动机减速器参数为:电动机额定功率 P 11 kW,减速器DESIGN CALCULATION设计计算692023 年第 19 期/DESIGN CALCULATION设计计算额定输出转速 n 26 rpm,减速器额定输出扭矩 T 4 110 Nm。由于优化后的方案平键连接处为扭矩传递过程中的薄弱点,故采用力学计算的方式进行优化后的连接处的强度校核。
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