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摘要

有轨堆垛机整体及行走机构的设计
摘要
本文详细介绍了有轨堆垛机的整体结构设计 理论和堆垛机行走机构的
设计，其中重点放在了行走机构的设计上，在进行行走机构的设计时，主要是通过对行走机构的传动方案的选取，由运行阻力所决定的行走电机的选
取，由速比决定的减速器的 选取，以及制动装置制动器的选取和克服冲击的
缓冲器等主要部件的选取，来进行设计的。在根据设计要 求对各部件初步选
型后，都进行了校核，保证了选择的合理性。在本文最后部分，对该堆垛机
的 稳定性进行了较为详细的讨论，保证了堆垛机工作时运行的平稳性。
本次设计的有轨堆垛机性能良好、 动作灵活、操作方便、故障率低、维
护简单方便，满足了生产的需要。
关键词
：
有轨堆垛机，机械，行走机构，稳定性


I

摘要
The Design of the Overall structure and walking
mechanism of a Stacker Crane


Abstract
This paper describes in detail the design of the overall structure theory and
walking mechanism of a stacker crane, in my design work I focus on the design
of walking mechanism, when the design begins, I first select the transmission of
the walking mechanism, second I select the motor by the running resistance of the
walking system. Once the motor was selected，the speed ratio between the motor
and the running wheels is definite. And we can select the reducer by the speed
ratio. Other components such as brakes which is used to break when necessary
can be selected by any requests of the system，so is the buffers，and so on.. In
accordance with Design requirements, the initial selected components must be
conducted a check to ensure the rationality of choice. In the last part of this paper,
the stability of the crane is carried out in more detail discussion to ensure the
stacker crane’s working stability.
The design of the crane rail works out in good condition, action and
flexible, convenient operation, low failure rate, maintenance， simple and
convenient to meet the production needs.
Keywords: crane rail，machine，run institutions，stability








I

目录
目录
目录 .................................... ...................... I

1. 绪论 ........... ............................................ 1

1.1 研究背景及内容 ................................. .................................................. .................. 1
1. 1. 1 有轨巷道堆垛机的发展 ...... .................................................. ...................... 1
1. 1. 2有轨巷道堆垛机的类型 ... .................................................. .......................... 1
1. 1. 3有轨巷道堆垛机的发展现状及特点 ................................. .......................... 3
1.2变频调速技术简介 ..... .................................................. ............................................. 4
1.2.1 变频器概述 .................................. .................................................. ................ 4
1.2.2变频器的分类： .............. .................................................. ............................. 4
1.2.3变频器的国内外发展现状 ............................. ................................................ 6
1.3本文研究的内容 ................................... .................................................. ................... 7
2. 堆垛机的结构设计 ........................................... 8

2.1堆垛机的结构特点 .................................. .................................................. ................ 8
2.2堆垛机门架的结构设计计算 ........... .................................................. ....................... 8
2.3 堆垛机门架的弯矩和挠度 ... .................................................. .............................. 10
2.3.1 由于水平载荷产生的弯距 ...................................... .................................. 10
2.3.2 由行走车轮的反力产生的弯距 .................................... ............................ 13
2.3.3 有叉取作业产生的弯矩 ....................................... ..................................... 14
2.4 设计数据计算校核 ......................................... .................................................. .... 14
2.4.1 框架结构的设计数据如下： .................. .................................................. 14
2.4.2 各部分的弯矩 ............................. .................................................. ............. 15
2.4.3 结构构件的弯曲应力 ............ .................................................. .................. 16
3. 堆垛机行走机构的设计计算 .................................. 16

3.1堆垛机行走机构设计的基本原则和要求 ......................... ..................................... 16
3.2 水平运行机构具体布置的主要问题： ................................. ............................. 16
3.3 机构的布置形式 . .................................................. .................................................. 16
3.4 堆垛机设计计算 ............................... .................................................. ........... 16
3.4.1主动行走轮直径的确定 ............... .................................................. .............. 16
3.4.2运行阻力计算 ................ .................................................. ............................. 17
3.4.3.行走电动机功率的计算 ............................. .................................................. 18
3.4.4电动机的发热校验 ............................. .................................................. ........ 18
3.4.5 减速器的选择 ..................... .................................................. ....................... 19
3.4.6验算运行速度和实际所需功率 .................................................. ............... 19

I

目录
3.4.7 验算起动时间 ................................. .................................................. ........... 19
3.4.8 起动工况下校核减速器功率 ............ .................................................. ...... 20
3.5选择制动器 ........................... .................................................. ................................ 21
3.6 选择联轴器 .................................................. .................................................. ......... 21
3.7 缓冲器的选择 ...................... .................................................. ................................. 22
4. 堆垛机稳定性计算 .......................................... 23

4.1堆垛机的稳定性分析 ................................. .................................................. ........... 23
4.2运行中立柱挠度的计算 ................. .................................................. ....................... 23
4.3运行中立柱的稳定性分析 .... .................................................. ................................ 30
结论 ....... .................................................. 35

致谢 .................................... ..................... 36


II

1. 绪论

1. 绪论
近年来，随着企业生产与管理的 不断提高，越来越多的企业认识到物流系
统的改善与合理性对企业提高生产率、降低成本非常重要。堆垛 机是自动化立
体仓库中最重要的起重堆垛设备。本文着重就堆垛机的结构设计进行初步研究。
1.1 研究背景及内容
1. 1. 1 有轨巷道堆垛机的发展
自动化立体仓 库是现代物流中的重要组成部分，它是在不直接进行人工处
理的情况下自动存取物料的系统，是现代工业 社会发展的高科技产物，对提高
生产率、降低成本有着重要意义。在20世纪70年代初期，我国开始研 究采用
有轨巷道式堆垛机(简称堆垛机)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。
巷道堆垛机是自动化立体仓库中的 核心物流设备，是随着自动化立体仓库
的出现而发展起来的专用起重机，它是仓库中使用最广泛的物料搬 运设备，也
是物流仓储系统的最重要设备，其用途是在自动化立体仓库的货架巷道间来回
穿梭运 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[2]。
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[3]。
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，或者相反，在上部导轨上行走，利用地面导轨防
止倾倒[[4]随着立体仓库的发展，巷道堆垛机逐渐替代了桥式堆垛机。在口本从
1967年开始安装 高度为25米高度的堆垛机。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最高达200mmin(小载重量的堆垛机
己达300mmin)，起升速度高达120mmin，货叉伸缩速度达50mmin 。
1. 1. 2有轨巷道堆垛机的类型
有轨巷道堆垛机可按其结构形式、支承方式和运行轨迹等进行分类，一般
可分为以下几种类型:
(1)按结构形式，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< br>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。立柱形式
有方管和圆管两种， 方管可兼作起升导轨，圆管需要附加起升导轨。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。

1

西安工业大学毕业设计（论文）

其结构如图1. 1所示。


图1. 1双立柱有轨巷道堆垛机

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< br>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。单立柱堆垛机的起升
结构，普遍采用钢丝绳传动，由电机减速机驱动卷筒转动，通过钢丝绳牵引 载
货台沿立柱或起升导轨作升降运动。对于钢丝绳传动，传动和布置相对容易，
但定位准确性稍 差。
其结构如图1. 2所示。

图1. 2单立柱有轨巷道堆垛机
(2)按支承方式分类，有轨巷道堆垛机分为悬挂型和地面支承型。
①悬挂型有轨巷道堆垛机
悬挂型有轨巷道堆垛机悬挂在巷道上方的轨道上运行，其运行机构安装在
堆垛机门架的上部。在地面铺 设导轨，使门架下部的导向轮以一定的间隙夹在
导轨的两侧，从而防止堆垛机运行时产生摆动和倾刹。悬 挂式堆垛机有如下优
点:在设计门架时，可以不考虑横向的弯曲强度，钢结构的自重可以减轻，加减速时的惯性摆动小，稳定所需的时间短;其缺点是维修和检查不方便。
35

西安工业大学毕业设计（论文）
②地面支承型有轨巷道堆垛机
堆 垛机的运行轨道铺设在地面上，堆垛机用下部行走轮支承和驱动，上部
导向轮用来防止堆垛机倾倒或摆动 。和悬挂型有轨巷道堆垛机相比，这种堆垛
机的立柱主要考虑轨道平面内的弯曲强度，因此，需要加大立 柱在行走方向截
面的惯性矩。由于驱动装置均装在下横梁上，容易保养和维修。
(3)按其运行轨迹形式不同，分为直线运行型堆垛机和曲线运行型堆垛机。
①直线运行型堆垛机
直线运行型堆垛机只能在巷道内直线轨道上运行，不能自行转换巷道。只
能通过其他输送设备 转换巷道，直线运行型堆垛机可以实现高速运行，能够满
足出入库频率较高的立体仓库作业，应用最为广 泛。
②曲线运行型堆垛机
曲线运行型堆垛机行走轮与下横梁是通过垂直轴铰接的，能够 在环形或其
他曲线轨道上运行，不通过其他输送设备便可以从一个巷道自行转移到另一个
巷道。 曲线运行型堆垛机在使用上有局限性，只适用于出入库频率较低的立体
仓库。
本文研究的堆垛机是结构形式为双立柱，支承方式为地面支承型，并且其
运行轨迹为直线型巷道堆垛机。
1. 1. 3有轨巷道堆垛机的发展现状及特点
随着经济全球化步伐的口益加快和信息技 术的快速发展，传统行业和消费
方式正发生着深刻的变化，物流在经济活动中的作用越来越受到企业的重 视，
物流人才的需求也在口益增长。目前，物流人才已经被列为我国12大类紧缺人
才之一，有 报道称“物流人才的需求已超过600万”。物流实验室的建设正是要
搭建一座理论与实践的桥梁，目前 ，我国许多高校已经建立了物流实验室，据
不完全统计，已经有160多所高校建立了自己的物流实验室 。物流实验室为学
生提供实训平台，深化学生对现代物流理论的理解，提高学生的操作能力，内
融机械、电气、电子及计算机等技术于一体的综合技术，在这种技术中，不同
领域和层次的知识与能力融 会在一起。
另外，为了更好的模拟货物在自动化立体仓库各仓储单元内存储的物流过
程，研究 提高物流效率以及堆垛机性能和作业效率方法，许多物流研究中心业
纷纷建立起来。山东大学现代物流控 制实验中心是目前我国第一个现代的物流
控制实验室，在物流调度、物流控制、机械手拣选控制和机器视 觉的综合研究
和开发应用方面目前处于国内领先地位。图1. 3是研究中心的小型仓储系统

图1.3 小型仓储系统

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西安工业大学毕业设计（论文）

1.2变频调速技术简介
1.2.1 变频器概述
目前，交流调速传动已经上升 为电气调速传动的主流。中、小容量范围内，
采用自关断器件的全数字控制PWM变频器己经实现了通用 化。全数字控制方
式的软件功能不但考虑到通用变频器自身的内在性能，而且还融入了大量的实
用经验和技术、技巧，使得通用变频器的RAS三性(Reliability, Availability,
Serviceability，可靠性、可使用性、可维修性)功能得以充实。由于通用变频器
具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作
方便且便于同其他设备接 口等一系列优点，所以应用越来越广泛，社会经济效
益十分显著。
1.2.2变频器的分类：
(1)按照主电路工作方式分类。当按照主电路工作方式进行分类时，变频
器可以分为电压型 变频器和电流型变频器。电压型变频器的特点是将直流电压
源转换为交流电源，而电流型变频器的特点则 是将直流电流源转换为交流电源。
①电压型变频器。在电压型变频器中，整流电路或者斩波电路产 生逆变电
路所需要的直流电压，并通过中间电路的电容进行平滑后输出。整流电路和直
流中间电 路起直流电压源的作用，而电压源输出的直流电压在逆变电路中被转
换为具有所需频率的交流电压。在电 压型变频器中，由于能量回馈给直流中间
电路的电容，并使直流电压上升，还需要有专用的放电电路，以 防止换流器件
因电压过高而被破坏。
②电流型变频器。在电流型变频器中，整流电路给出直 流电流，并通过中
间电路的电抗将电流进行平滑后输出。整流电路和直流中间电路起电流源的作
用，而电流源输出的交流电流在逆变电路中被转换为所需要的交流电流，并被
分配给各输出相后作为交流 电流提供给电动机。在电流型变频器中，电动机定
子电压的控制是通过检测电压后对电流进行控制的方式 实现的。对于电流型变
频器来说，在电动机进行制动的过程中可以通过将直流中间电路的电压反向的方式使直流电路变为逆变电路，并将负载的能量回馈给电源。由于在采用电流
控制方式时可以将能量 回馈给电源，而且在出现负载短路等情况时也更容易处
理，电流型控制方式更适合子大容量变频器。
(2)按照开关方式分类。按照逆变电路的开关方式对变频器进行分类，则
变频器可以分为P AW控制方式，PWM控制方式和高载频PWM控制方式三手
中。
① PAM控制PAM控制是Pulse Amplitude Modulation(脉冲振幅调制)控制
的简称，是一种在整流电路部分对输出电压(电流)的幅值进行控制，而在逆变
电路部分对输出频率进 行控制的控制方式。因为在PAM控制的变频器中逆变电
路换流器件的开关频率即为变频器的输出频率， 所以这是一种同步调节方式。
②PWM控制PWM控制是Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)控制的简

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西安工业大学毕业设计（论文）
称，是在逆变电路部分同时对输出电压(电流 )的幅值和频率进行控制的控制方
式。在这种控制方式中，以较高频率对逆变电路的半导体开关元器件进 行开闭，
并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压(电流)的目的。
③高载频PWM控制这 种控制方式原理上实际是对PWM控制方式的改
进，是为了降低电动机运转噪音而采用的一种控制方式。 在这种控制方式中，
载频被提高到入耳可以听到的频率(10-20KHz)以上，从而达到降低电动机 噪音
的目的。这种控制方式主要用于低噪音型的变频器，也将是今后变频器的发展
方向。由于这 种控制方式对换流器件的开关速度有较高的要求，所用换流器件
只能使用具有较高开关速度的IGBT和 MOSFET等半导体元器件，目前在大容
量变频器中的利用仍然受到一定限制。但是，随着电力电子技 术的发展，具有
较高开关速度的换流元器件的容量将越来越大，所以预计采用这种控制方式的
变 频器也将越来越多。
PWM控制和高载频PWM控制都属于异步调速方式，即变频器的输出频
率不等于逆变电路换流器件的开关频率。
(3)按照工作原理分类。按照工作原理对变频器进行分类，按变频器技术
的发展过程可以分为Uf控制方式、转差频率控制方式和矢量控制方式三种。
①Uf控制变 频器Ulf控制是一种比较简单的控制方式。它的基本特点是
对变频器输出的电压和频率同时进行控制， 通过使Uf(电压和频率的比)的值保
持一定而得到所需的转矩特性。采用Ulf控制方式的变频器控制 电路成本较低，
多用于对精度要求不太高的通用变频器。
②转差频率控制变频器转差频率控 制方式是对Ulf控制的一种改进。在采
用这种控制方式的变频器中，电动机的实际速度由安装在电动机 上的速度传感
器和变频器控制电路得到，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需
转差 频率的和被自动设定。从而达到在进行调速控制的同时控制电动机输出转
矩的目的。转差频率控制是利用 了速度传感器的速度闭环控制，并可以在一定
程度上对输出转矩进行控制，所以和Ulf控制方式相比， 在负载发生较大变化
时仍能达到较高的速度和具有较好的转矩特性。但是，由于采用这种控制方式
时需要在电动机上安装速度传感器，并需要根据电动机的特性调节转差，通常
多用于厂家指定的专用电 动机，通用性较差。
③矢量控制变频器矢量控制是70年代由西德B 1 aschke等人首先提出 来的
对交流电动机的一种新的控制思想和控制技术，也是交流电动机的一种理想的
调速方法。矢 量控制的基本思想是将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电
流分量(励磁电流)和与其相垂直的产生 转矩的电流分量(转矩电流)并分别加以
控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流 的幅值和相位，
即控制定子电流矢量，这种控制方式被称为矢量控制方式。矢量控制方式使对
异 步电动机进行高性能的控制成为可能。采用矢量控制方式的交流调速系统不
仅在调速范围上可以与直流电 动机相匹敌，而且可以直接控制异步电动机产生
的转矩。所以已经在许多需要进行精密控制的领域得到了 应用。

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(4)按照用途分类。
按照用途对变频器进行分类时变频器可以分为以下几种类型。
①通用变额器顾名思义，通用变频器的特点是其通用性。这里通用性指的
是通用变频器可以对普通的异 步电动机进行调速控制。
②高性能专用变频器随着控制理论，交流调速理论和电力电子技术的发展，< br>异步电动机的矢量控制方式得到了充分地重视和发展，采用矢量控制方式高性
能变频器和变频器专 用电动机所组成的调速系统在性能上己经达到和超过了直
流伺服系统。
③高频变频器在超精密 加工和高性能机械区域中常常要用到高速电动机。
为了满足这些高速电动机驱动的需要，出现了采用PA M控制方式的高速电动机
驱动用变频器。这类变频器的输出频率可以达到3KHz，所以在驱动两极异步
电动机时电动机的最高转速可以达到180000r min.
④单相交频器和三相变频器 交流电动机可以分为单相交流电动机和三相交
流电动机两种类型，与此相对应，变频器也分为单相变频器 和三相变频器。二
者的工作原理相同，但电路的结构不同。
变频器的特点：
变频器 与异步电动机相结合，可以实现对生产机械的调速传动控制，简称
为变频器传动。变频器传动具有固有的 优势，应用在不同的生产机械或设备上
体现不同的功能，总体来说，变频器传动具有以下几个效能。
1、节能应用主要体现在提高运行可靠性、台数控制和调速控制并用。
2、提高生产效率
(1)保证加工工艺中的最佳运行
(2)适应负载不同工作情况下的最佳转速
(3)使原有设备的增速运转
3、设备的合理化
4、改善和适应环境
1.2.3变频器的国内外发展现状
交流变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向。 近十多年来，随
着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，变频器己经广泛地用于
交 流电动机的速度控制。同时由于电力半导体器件和微处理器的性能不断提高，
作为交流变频调速系统核心 的变频器的性能也得到了飞跃性的提高，并几乎应
用扩展到了工业生产的所有领域。其重要性和发展潜力 不可忽视。
第一代具有通信功能的变频器带有一个独立的“速度包”(Speed Pod);第二< br>代变频器的通信进入点对点模拟信号连接方式。随着计算机技术的发展，带数
字接口的变频器是当 代变频器的通信方式，它具备网络通信能力。当代通信产
品能提供比用户所能使用的更多的数据和1O选 择，但传统的接口技术使用的
是RS485422，它们的抗干扰能力和传输能力都不能满足工业现场的 需要。当
实施控制的时候，通过RS485只能接收少量的实时信息，并且通过人机接口界

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面编程，无法实现变频器参数的 在线监控和优化，从而影响整个控制系统性能
和生产工艺水平的提高。现在，由于现场总线和网络技术的 发展，特别是美国
罗克韦尔自动化的Control Net和Device Net技术，可将带数字 接口的变频器集
成到网络化的平台中，通过PLC、人机界面HIM，甚至与工厂信息管理层共享
实时数据，从而实现变频器参数的在线监控和优化。对于多电动机的同步控制、
协调控制、负载均衡分 配和高速设备等应用场合，其关键参数PID可以按具体
工况条件进行在线优化，对于实现系统控制性能 和水平的提高有重要意义。因
而基于集成化网络的变频器控制将会成为当前世界自动化领域研究的热点。
美国罗克韦尔自动化公司的变频器均可通过各种类型的SCAN port通信
模块与相应的网络连通，包括Control Net, Device Net, DH, DH+和RIO, DH-485
网络，而且它们与法国IE公司的Modbus, Modbus Plus、美国Metasys公司，日
本OMRON公司和德国西门子公司的Prof ibus均可连通。
1.3本文研究的内容
已知仓库货架总高度为12m，间距1.4m, 行走速度：5~240min。要求：（a）
根据运行空间设计结构尺寸；（b）设计行走机构；（c） 根据运行速度进行整体
稳定性的计算。
具体在堆垛机设计中将做以下工作：
对堆垛机的立柱、上下横梁，按照自重最轻原则，完成其选型和截面参数
的计算；
（2） 通过功率、速度等参数的计算、完成堆垛机运行机构的选型和计算；
（3） 对堆垛 机的立柱、上下横梁的强度、立柱轨道疲劳强度、整机静强
度、动强度、局部稳定性和整体稳定性的验算 ；

7

2. 堆垛机的结构设计
2. 堆垛机的结构设计
2.1堆垛机的结构特点
堆垛机主要由下横梁 、货叉机构、立柱、上横梁、平运行机构、 起升机构、
电护装置和电气控制系组成。堆垛机主体结构主要由上横梁、立柱、下横梁和
控制柜 支座组成。上、下横梁是由钢板和型钢焊接成箱形结构，截面性能好，
下横梁上两侧的运行堆垛机由行走 电机通过驱动轴 轮轴孔在落地镗铣床一次
装夹加工完成，确保了主、被动轮轴线的平行，从而提高了 整机运行平稳性；
立柱是由方钢管制作，在方钢管两侧一次焊接两条扃钢导轨 (材质 16Mn)，导
轨表面进行硬化处理，耐磨性好。在焊接中采用了具有特殊装置的自动焊接技
术，有效克服了整 体结构的变形；上横梁焊于立柱之上，立柱与下横梁通过法
兰定位，用高强度螺栓连接，整个主体结构具 有重量轻、抗扭、抗弯、刚度大、
强度高等特点。
2.2堆垛机门架的结构设计计算

门架是堆垛机的主要结构物，有单柱式和矩形框架式。按支承方式，又可
分为安装在货架上的上 部支承式和安装在地面上的下部支承式。不论哪种型式
都带有伸缩货叉和人工驾驶室（有时也没有）的货 合。升降台沿立柱升降，同
时靠地上和顶上的导轨保持走行稳定和支持货叉伸出进行装卸作业时的翻转弯
矩。
在门架上安装有卷扬、走行等机械装置，以及配置有电气控制开关、控制
装置、 配线等。下部支承式的集中放在门架下部。
由于走行起动、停止及加减速时产生的惯性力，门架在通 道的纵向发生挠
曲，整个门架成为振动体，其柱端的振动较大。同样，在通道的直角方向，立
柱 由于货叉作业时的弯矩作用而发生弯曲，使伸长着的伸缩叉的前端的挠度增
大。
柱端振动：和 货叉前端的挠度一超过极限，就成为堆垛机自动定位的障碍，
所以门架应具有足够的强度和挠度小的适当 刚度。
本次毕业设计选取双立柱下部支承式门架进行结构计算。
堆垛机门架设计分三个模块进行设计：
(1) 立柱模块 主要有立柱、导轨和法兰盘组成 ，立柱通过法兰盘与上横
梁和下横梁联结，导轨是载货台沿立柱上下运行的轨道，有时候堆垛机可以没< br>有轨道，载货台直接在立柱上运行。立柱一般采用了端面为矩形、中空的结构，
在满足刚度和强度 的情况下使得重量减轻，节省了材料，而且外形美观。立柱
模块结构如图


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西安工业大学毕业设计（论文）


图2.1立柱模块结构图
(2)上横梁模块 上横梁模块主要有上横梁、上横梁导向轮组、 上横梁法兰
盘和缓冲器等零部件组成，上横梁模块结构图如图2. 9所示。


图2.2 上横梁模块图
上横梁一般很短，是模块零件的支撑部件。上横梁上总共有两对 导向轮组，
通过支架固定在上横梁上，导向轮组夹在天轨两端，防止小型有轨巷道堆垛机
倾倒， 在每组导向轮中有一个偏心轴，用来微调导向轮之间的间距夹紧天轨。
上横梁法兰盘焊接在上横梁的下端 ，通过法兰盘与立柱模块联结，主要用高强
度螺栓来固定。缓冲器固定在上横梁两端，当小型有轨巷道堆 垛机运动到巷道
两端时,缓冲器用来吸收小型有轨巷道堆垛机运行能量，防止事故的发生。
(3) 下横梁模块 下横梁是模块零部件的支撑机构，又是堆垛机的承载构
件，因此它要 有足够的强度和刚度。法兰盘.固定在下横梁的上部，用来固定减
速电机，也是与立柱模块联结的接口。 下横梁导向轮组通过支架固定在下横梁
上，两组导向轮组夹在地轨两端，使小型有轨巷道堆垛机水平运行 时，能够沿
着地轨行走不至于跑偏，起到导向的作用。缓冲器同上横梁的一样，主要用来
吸收堆 垛机运行到巷道两端时发生碰撞产生的能量。


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西安工业大学毕业设计（论文）


图2.3 下横梁模块图
2.3 堆垛机门架的弯矩和挠度
堆垛机的矩形门架是超静定结构。这里按角变位移法解如下：
堆垛机门架的设计计算参数：
Q
1
—上梁及附件重量
Q
2
—货台、货物、附件及搭乘人员的总重量
Q
3
—电气控制盘的重量
Q
4
—卷扬装置的重量

q
—
柱的单位长度的平均重量

作用在门架上的惯性力：H
i
=（

g）Q
i
及 qh
1

g
(

:减速度，g =9.8米 秒
2
)
h
1
~h
4
—下梁中心线分别到Q
1
~ Q
4
的中心高度
l—立柱的中心距
I
1
—立柱AB、DC的断面惯性距

—上梁与下梁端部的偏转角
R—因构件两端变位产生的弯距 E
：
纵弹性模量
C—由构件的中间载荷在杠端产生的弯距，称为载荷项。
K
1
= I
1
h
1
—立柱的刚度 K=Il— 上下梁的刚度
n=K K
1
—刚度比 M—弯距
2.3.1 由于水平载荷产生的弯距
作出作用于框架结构的惯性力图解：


10

西安工业大学毕业设计（论文）
l
B
1
C
B
l
1
C
2
h1
h2
h3
D
h1
4
h4
D

图2.4作用于框架结构的惯性力图解

图2.4 列出角变位移方程
：
M
'
M
'
M
'
M
'
M
'
'
=2EK
（
2

A
+

AB1
''
-3R
）

B
BA
=2EK
1
（2

=2EK
1
（
2

=2EK
1< br>（
2

=2EK
1
（
2

DC'
B
+

+

+

+
'
D
'
A
-3R
'
）

'
B
'
CBC
）

）

-3R
'
）
+C
CD

'
C
'< br>C
'
B
CB
'
C
'
D
CD
M
'
M
'
M
'
其中载荷项：
AD
=2E K
1
（
2

+

'
-3R
'）
-C
DC

=2EK
1
（
2
'
A
+

=2EK
1
（
2

'
D
D
）

DA
+

'
A
）

C
CD
=
（
1h
2
1
）
[H
2
h
2
2
(h
1
-h
2
)
2
+H
3h
3
( h
1
- h
3
)
2
]+q h
2
1

12g
C
DC
=
（
1 h
2
1
）
[H
2
h
2
2
(h< br>1
-h
2
)
2
+H
3
h
3
2
( h
1
- h
3
)]+q h
2
1

12g

有节点的弯距平衡方程式：
M
'
M
'
BA
+ M
'
BC
=0 M
'
AB
+M
'
AD
=0
=0

'
+ M
CB
'
=0 M
CD
'
+ M
DA
DC
由隔离体静力平衡方程式：

11

西安工业大学毕业设计（论文）
M
'
AB
+M
'
'
BA
+ M
'
'
CD
+M
'
'
DC
+H
1
h
1
+H
2
h
2
+ H
3
h
3
+ q h
2
1

2g=0


'
A
+

B
+

C
+

'
=4 R+
（
n6EK
）
(C
DC
- C
CD
-H
1
h
1
-H
2
h
2
-
D
H
3
h
3
-q h
2
1

2g)

由上面各式，可先求出

'
A
、

上下梁内力
—
M
'
立柱内力< br>—
M
'
AB
'
B
、

'
C
、

'
D
、
R
'
再带入可求出
'
M
AD
'
、
M
AD
BC

、
M
'
= - M
'
DC
CB
；
、

DA

= -M
'
CD
AD
、< br>M
'
CB
BA
BC
M
'
= - M
'
、
M
'
= - M
'
图2 列出角变位移方程式
：
M

M

M

BC
AB
=2EK
1
（
2
< br>=2EK
1
（
2


B

A
+

+

C

B
-3R

）
- C
AB

-3R

）
+C
BA

< br>B

ABA
=2EK(2

+

+


C

)
)
D
M

CB
= 2EK(2


C

B
M

CD
=2E K
1
（
2

M

M

M
DC
+

+


D

-3R
）

-3R

）
=2EK
1
（
2
=2EK(2

=2EK(2


A

D

C
AD
+

+

)
)


D

ADA
固端弯距（载荷项）
C< br>AB
=
（
1h
2
1
）
H
4
h
4
(h
1
-h
4
)
2
+ q h
2
1

12g
C
BA
=
（
1 h
2
1
）
H
4
h
4
2
(h
1
-h
4
)+ q h
2
1

12g
C
CD
=C
DC
=C
BC
=C
CB=C
AD
=C
DA

有节点的弯距平衡方程式：
M

AB
+ M

AD
=0 M

BA
+ M

+ M

BC
=0
=0

M

CB
+M

CD
=0 M

有隔离体静力平衡方程式：

12
DC
DA

西安工业大学毕业设计（论文）
M

AB
+ M

+

BA
+M

CD
+ M

+


C
DC
+ H
4
h
4
+q h
2
1

2g
D



BA
+


=4R

+(n6EK)( C
AB
-C
BA
- H
4
h
4
-q
h
2
1

2g)=0


解上面 各式，可先求出


A
、


B
、


C
、


D
、
R

。

再求出上下梁及立柱的内力
有水平载荷产生的弯距，可由图1 图2叠加得出：
M
AB1
= M
'
M
CD1
= M
'
AB
+ M

AB
M
BC1
= M
'
BC
+ M

BC

CD
+ M

CD
M
DA1
= M
'
DA
+ M

DA

又有节点方程式可得
M
AB1
= -M
AD1
M
BC1
= -M
BA1
M
CD1
= -M
CB1
M
DA1
= -M
DC1

门架立柱端部的线变位

：

=

'
+


=h
1
(R
'
+R

)
2.3.2 由行走车轮的反力产生的弯距
受力分析图如下：
列出角变位移方程式：
B
C
h1
a
l
a
A
D
图2.5 行走轮受力分析图
M
BC2
=2EK
（
2
< br>B
+

C
）

M
AB2
=2EK< br>（
2

A
+

B
）


13

西安工业大学毕业设计（论文）
M
BA2
= 2EK
（
2

B
+

A
）
M
CB2
=2EK
（
2

C
+
B
）

M
CD2
=2EK
（
2
C
+

D
）

M
DC2
=2EK（
2

D
+

C
）

MAD2
=2EK
（
2

A
+

D）
+C
M
DA2
=2EK
（
2

D
+

A
）
-C
固端弯距
：
C=V
a



A
=n(2+n)C2EK (n+1)(n+3)

B
= -nc 2EK(n+1)(n+3)

A
= -

D


B
= -

C

M
AB2
=[1(n+1)(n+3)][(2n+3)
Va
]
M
BA2
=[1(n+1)(n+3)](n
Va
)
M
DA2
=[1(n+1)(n+3)][n(n+2)
Va
]

在此
，
M
AB2
= - M
DC2
M
BA2
= - M
BC2
M
CB2
= - M
CD2
M
DA2
= - M
AD2

V：
走行车轮的反力，按12（堆垛机总重量+载重）求出。

2.3.3 有叉取作业产生的弯矩
由于货叉作业，在门架上及与走行方向成直角的方向增加了弯矩，产生了
扰度。但是，此弯矩相比前两种相差很大，而且不会在货叉伸出的情况下走行，
所以可以认为最大弯矩 为M
1
和M
2
合成的弯矩。
2.4 设计数据计算校核
2.4.1 框架结构的设计数据如下：
上下梁（槽钢200*90*8，I=8360厘米
）
柱（290*7.9矩形钢管44角钢，I=19014厘米
）
l
=3m
h
1
=20m
h
2
=18m
h
3
=2m
h
4
=1m
a
=0.5m
Q
1
=350kg
Q
2
=2300kg
Q
3
=400kg
Q
4
=400kg
q
=0.85kgcm

g
=0.1
H
i
=0.1Q
i

堆垛机总重量（自重+载重）=2000kg

14
4
4

西安工业大学毕业设计（论文）
载重增加25%作为试验载荷，为500*（1+25%）=625kg
根据1.1.3的讨 论，关于载荷的补加系数，对堆垛机的冲击系数

=1.4，作
业系数M*=1.1。 则载荷组合为M*
（
S
G
+S
L
+S
H
）
。
2.4.2 各部分的弯矩
n=KK
1
=Ih
1< br>I
1
l=
2.73

固端弯矩：
C
AB
=24.9Nm
C
BA
=28.6 Nm
C
CD
=57.4 Nm
C
DC
=
34.5 Nm
R=R
'
+R

=0.0018+0.00075=0.00255
走行停止时产生振动的立柱上端的线变位：


=1780

0.00255=4.54cm
(注：

值容许范围一般在2.5—5cm,符合要求)
由水平载荷产生的各部分的弯矩：
M
AD1
=M*
（
M
'

M
BC1
= M*(M
'
BC
AD
+M

B C
AD
）
=1.1

（186.5+76.5）=289.4 Nm
+M

)
=1.1

(170.7+73.4)=266.1 Nm
M
CB1
= M*(M
'
M
DA1
= M* (M
'
CB
+M

CB
)
=1.1

(178.2+73.4)=276.8 Nm
DA
)=1.1

+M< br>DA

(176.2+75)=276.3 Nm
由走行轮的反力产生的各部分的弯矩:
V=M*
(8000-2300-


2300)2=4906kg
固端弯矩:
C
=4906

45=220. 8Nm
因此:
M
AB2
=
87.4 Nm
M
BA2
=28.2 Nm
M
DA2
=133.4 Nm
最大弯矩:
M
AB
= -289.4+87.4= -201 Nm

M
BA
= -266.1+28.2= -237.9 Nm

M
BC
=266.1-28.2=237.9 Nm

M
CB
=276.8+28.2=305.0 Nm

M
CD
= -276.8-28.2= -305.0 Nm

M
DC
= -276.3-87.4= -363.7 Nm

M
DA
=276.3+133.4=409.7 Nm

15

西安工业大学毕业设计（论文）

M
AD
=289.4-133.4=156.0 Nm
2.4.3 结构构件的弯曲应力
上下梁的断面系数Z=498 cm
3
,柱的断面系数Z
1
=789cm
3

则:

AB
= -2560Ncm
2


BA
= -3010Ncm
2



BC
=4780 Ncm
2


CB
=613 Ncm
2



CD
= -3870 Ncm
2


DC
= -4610 Ncm
2



DA
=8230 Ncm
2


AC
=2870 Ncm
2

随着堆垛机往复运动,这些 应力交变出现,在下梁A和D点产生最大应力振
幅.如用应力比法,则K= -28708230= -0.35,按切口分类为a,可查出疲劳许用应力
为12500 Ncm
2
.故能满足上述弯曲应力条件。


16

3 堆垛机行走机构的设计计算
3. 堆垛机行走机构的设计计算
3.1堆垛机行走机构设计的基本原则和要求
首先，堆垛机的驱动型式设计成“下部支承下部 驱动型”，该型式的走行装
置安装在下梁上，通过减速装置驱动走行轮，走行轮支承堆垛机的全部重量，
在单轨上走行。
水平运行机构的设计的一般设计步骤：
1. 确定机架结构的形式和水平行走机构的传动方式；
2. 计算各传动件的结构尺寸；
3. 确定运行机构的具体安装位置。
对运行机构设计的基本要求是：
1. 机构要紧凑，重量要轻，且能满足要求；
2. 维修检修方便，机构布置合理。
3.2 水平运行机构具体布置的主要问题：
1. 因为下横梁时主要的承载部件，机架的运行速度很高，而且 在受载之后
向下挠曲，机构零部件的安装可能不十分准确，所以如果单从保持机构的运动
性能和 补偿安装的不准确性着眼，凡是靠近电动机、减速器和车轮的轴，最好
都用浮动轴。
2. 为 了减少立柱的扭转载荷，应该使机构零件尽量靠近立柱；尽量靠近端
梁，使端梁能直接支撑一部分零部件 的重量。
3. 对于行走机构的设计应该参考现有的资料，使安装运行机构的平台减
小，占用 巷道的空间最小，总之考虑到堆垛机的设计和制造方便。
3.3 机构的布置形式
水平运行 机构由电机、减速机、车轮组、缓冲器等组成。它的布置形式多
种多样，但比较合理的驱动形式如图1和 图2所示的两种。图1采用的是一般
卧式减速器。图2采用套装式减速器，与车轮组安装时较简便，并能 使运行机
构的总体布置紧凑。综合考虑后，本次设计选用图2驱动形式。

图3.1 采用一般的卧式减速器

图3.2 采用套装立式减速器

3.4 堆垛机设计计算
3.4.1主动行走轮直径的确定
走行轮有主动轮与从动轮各1个，由于堆垛机在操作货叉时的反作用力会
对走行轮产生侧压， 为了防止走行轮由于侧压脱轨与走行中的爬行现象，需安

16

西安工业大学毕业设计（论文）
装侧面导轮驱动轮的末端齿轮采用轮轴直接连接的驱动方式。
走行轮的允许载重量等各参数间有下列关系式：
240k
P
'
=KD
'
（B-2r）（kg） 且
K
=（kgcm
2
）
240v
式中，P
'
—允许载重量（kg） D
'
—车轮的踏面直径（cm）
B—钢轨宽（cm） r—钢轨头部的圆角半径（cm）
K—许用应力系数（kgcm
2
） v—走行速度（mmin）
k—许用应力（球墨铸铁的许用应力为50）（kgcm
2
）
首先确定
B=6.4cm，r=0.2cm, k=50 kgcm
2
, v=240mmin
则
K
=
24050
240k
==25（kgcm
2
）
240v
240240
P
'
=20002=1000kg
则代入上式可得
：D
'
=6.7cm，则车轮的轴径为d
min
C
3
Pn
=11.2mm
取d =50mm,车轮直径可适当取大为D=100mm
轴上的轴承选取代号为1310，基本尺寸为：d=50mm, D=100mm, B=27mm.


3.4.2运行阻力计算
(1)小型有轨巷道堆垛机的运行时的静阻力
小型有轨巷道堆垛机沿轨道直线运行时，行走轮与轨道之间以及行走轮与
轴承之间，都存在着摩 擦阻力，另外轴与轮毂之间也存在着滑动摩擦阻力、因
此，为了简化讨论，假定全部载荷作用在一个行走 轮上。当行走轮沿着轨道滚
动时，其受力情况如图3.2所示。

图3.3摩擦阻力计算

由弯矩平衡条件得
：

即有

考虑其它阻力的附加阻力，乘以一个系数K即



17

西安工业大学毕业设计（论文）
式中 M--- 驱动力矩(MPa)；
P+G---堆垛机的额定起重量和自重之和(N)；
f--- 行走轮滚动摩擦系数；
D、d---分别为车轮直径和轴径(mm)；
μ--- 轴承摩擦系数。
由表4-10、表4-11、表4-12分别查得：滚动阻力系数 f=0.04cm，轴承摩
擦系数μ=0.02，附加阻力系数k=2，代入上式中：
当满载时的运行摩擦阻力：
W =20000×（0.02×0.050.1+2×0.04×10-20.1）×2
=720N
当小型有轨巷道堆垛机在室内运行时，风阻力和轨道斜坡阻力较小，经常
忽略不 计；所以小型有轨巷道堆垛机的静阻力等于其摩擦阻力。
于是计算得到满载时的运行阻力为720N.
3.4.3.行走电动机功率的计算
有轨巷道堆垛机的运行机构的电动机的功率，是根据堆垛 机满载稳定运行
时的静阻力进行计算。按照运行静阻力、运行速度计算机构的静功率。静功率
( kw)的计算公式为

式中W--- 运行机构稳定运行时的静阻(N)；
V---堆垛机的运行速度(mmin)取240mmin计算；
Z---堆垛机运行机构的驱动电机数，一般取Z=1；
η--- 运行机构传动的总效率,一般取0.8。
代入有
720240
N=
3.2KW

600000.9
查[2]表31-27选用电动机Y 112-M-2；Ne=4KW，n
1
=2890rmin
，电动机的重量G
d
=45kg，电机轴D=28mm，长L=400，效率85.5%。
3.4.4电动机的发热校验
等效功率：
Nx=K25·r·Nj

=0.75×1.3×3.2
=3.12KW
式中K
25
—工 作类型系数，由[1]表8-16查得当JC%=25时，K
25
=0.75
r—由[1]按照起重机工作场所得t
q
t
g
=0.25，由[1]图8-3 7估得r=1.3
由此可知：N
x
e
,故初选电动机发热条件通过。

18

西安工业大学毕业设计（论文）
选择电动机：YR160M-8
3.4.5 减速器的选择
车轮的转数：
n
c
=V
dc
（π·Dc）=240

1000

100=764rmin
机构传动比：
i
。
=n
1< br>n
c
=2890764=3.78

根据传动比初选择减速器型号为：ZDH10
3.4.6验算运行速度和实际所需功率
实际运行的速度：
V
dc
=240×3.9293.78=249mmin
误差：
ε=（V
dc
- V
dc
） V
dc

=（249-240）240×100%=3.75%<15%合适
实际所需的电动机功率：
Nj=Nj·V
dc
V
dc

=3.2×249240=3.3KW
由于N
‘
j
e
,故所选的电动机和减速器都合适
3.4.7 验算起动时间
起动时间：
n1
Tp=
375(m MqMj)
2

(QG)D
C
2
mc(GD)


2
i
0



式中 n
1
=2890rpm
满载时运行静阻力矩：
Mj（Q=Q）=
M
m(QQ)
i


0

=
720
=205N·m
3.90.9
空载运行时静阻力矩：
Mj（Q=0）=
M
m(Q0)
i


0

=
504
=178N·m
3.780.95
初步估算高速轴上联轴器的飞轮矩：
(GD
2
)
ZL
+(GD
2
)
L
=0.78 N·m

19

西安工业大学毕业设计（论文）
机构总飞轮矩:
( GD
2
)
1
=(GD
2
)
ZL
+(GD< br>2
)
L
+(GD
2
)
d

=5.67+0.78=6.45 N·m
满载起动时间:
n1
t
q(QQ)
=
375(mMqMj)
289 0
375(282.967.7)
2

(QG)D
C
2
mc(GD)



2
i
0


=
200000.25

21.156.45


3.93.90.9

=8.91s
空载启动时间:
n1
t
q(Q0)
=
375(mM qMj)
2890
375(282.967.7)
2

(Q G)D
C
2

mc(GD)



= < br>2
i

0

200000.25


21.156.45

3.93.90.95

=5 .7s
起动时间在允许范围内。
3.4.8 起动工况下校核减速器功率
起动工况下减速器传递的功率:

p
d
v
dc
N=

60
m

QG
v
dc
式中Pd=Pj+Pg=Pj+
g60t
q(QQ)
=720+
20000249
=7746.2N

10608.91< br>m
--
运行机构中,同一级传动减速器的个数,m

=1.

20

西安工业大学毕业设计（论文）
因此N=
720249
=3.89KW
600.951
所以减速器的[N]< br>中级
=4KW>N,故所选减速器功率合适。
3.5选择制动器
由[1]中所述,取制动时间tz=5s
按空载计算动力矩,令Q=0,得:
n< br>1
1


Mz=

M

j

m

375t
z

式中
M

j

=
2

GD
C



2

mc(GD)
1

2




i
0




(p
p
p< br>mmin
)D
c

2i

0


3361344

0.50.95

212.5
=-19.2N·m
Pp=0.002G=20000×0.002=40N
Pmin=G
(



d1

)
2
D
c
2
0.14
)
2
=720N
20000(0.00060.02
=
0.5
2
M=2---- 制动器台数.两套驱动装置工作


1

2890
28900.5
2
0.95


Mz=

19.2

21.150.645
2
2

375 5

3.2


=41.2 N·m
现选用YWZ-20025的制动器，查[1]表18-10其制动力矩M=50 N·m，为
避免打滑，使用时将其制动力矩调制3.5 N·m以下。
3.6 选择联轴器
根据传动方案,每套机构的高速轴和低速轴都采用浮动轴.
1.机构高速轴上的计算扭矩：
M

js
=
M
I
n
I
=110.6 ×1.4=154.8 N·m
式中M
I
—连轴器的等效力矩.
MI=

1
M
el
=2×55.3=110.6 N·m

21

西安工业大学毕业设计（论文）

1
—等效系数 取

1
=2查[2]表2-7
4000
=55.3 N·m
705
由[2]表33-20查的:电动机Y 160M1-8,轴端为圆柱形,d
1
=48mm,L=110mm;由
Mel=9. 75*
[2]19-5查得ZLZ-160-12.5-iv的减速器,高速轴端为d=32mm,l= 58mm,故在靠电机
端从由表[2]选联器ZLL（浮动轴端d=40mm;[M
I
]=630N·m,(GD
2
)
ZL
=0.063Kg·m,
2重量G=12.6Kg） ；在靠近减速器端，由[2]选用两个联轴器ZLD，在靠近减速
器端浮 动轴端直径为d=32mm;[M
I
]=630 N·m, (GD
2
)
L
=0.015Kg·m, 重量
G=8.6Kg.
高速轴上转动零件的飞轮矩之和为：
(GD
2
)
ZL
+ (GD
2
)
L
=0.063+0.015=0.078 Kg·m
与原估算的基本相符，故不需要再算。
2.低速轴的计算扭矩：
''
M< br>'
js
M
'
js
i
0


=154.8×15.75×0.95=2316.2 N·m
3.7 缓冲器的选择

小型有轨巷道堆垛机在运动过程中控制系统失控时，就会和巷道口的机械
装置发生碰撞，为了减小碰撞时对堆垛机造成的危害，在小型有轨巷道堆垛机
上的下横梁上分别安装了 缓冲器。缓冲器主要用来吸收发生碰撞时所产生的能
量，缓冲器的缓冲容量T按式(3.14)计算：
2
Gv
0
T=
2g
G—带载起重机的重量G=20000N
V
0
—碰撞时的瞬时速度，V
0
=（0.3～0.7）V
dx

g—重力加速度取10ms
2

2
2
Gv
0
200 00

0.54


则W动=
2g210
=4000 N m

所选缓冲器的缓冲的容量Tn应满足T n≥T的计算公式，查表选择缓冲器
型号为：DPZ-160（860 822 46）


22

4 堆垛机稳定性计算

4. 堆垛机稳定性计算
4.1堆垛机的稳定性分析
由于堆垛机在启动、加速、制动过程 中惯性力的作用，使堆垛机的立柱在
巷道纵向方向发生弯曲振动，并由材料力学知识可知，发生在立柱顶 端的弯曲
挠度最大，这样导致了堆垛机在对高层货架进行存取作业时定位精度不高，影
响工作的 稳定性，而且，这种振动是影响精度的主要原因之一，特别是在堆垛
机速度提高以后，这种振动的振幅越 大。由实验可知，运行速度及加速度越大，
振幅越大。柱端振幅一旦超过极限值将发生存取故障。为此研 究堆垛机高速运
行时立柱在惯性力及其他载荷作用下沿巷道纵向挠度问题及振动问题对于解决
提 升运行速度带来的问题有一定的帮助。
4.2运行中立柱挠度的计算
4.2.1数学模型的建立
堆垛机在静止、运行、制动过程中，其立柱不同程度的受到外力的作用，
导致立柱产生挠度和振动。通过大量的实验表明，静止时的静挠度是一定的，
但是在运行过程中随着加速度的不同，立柱的挠度也逐渐发生变化，立柱的变
形与加速度很很大的关系。此时定位装置若安装在立柱及上、下横梁上，误差
将会增大，定位精度很难得到保证，容易引起事故。所以，堆垛机在提升速度
时要充分考虑加速度与挠度的变化关系。本课题选取的堆垛机是按照半闭环进
行速度的调速控制，每条运行曲线是根据实际情况通过大量实验得出的，因此
每条运行曲线的速度变化是不同，这样加速度的变化对堆垛机立柱的影响也不
一样。本小节通过对立柱挠度的分析，得出立柱顶端的变形量，并确定随着加
速度的提高，对立柱的影响。
根据各零件的布置，将堆垛机简化为三维与二维模型，并对模型进行挠度
计算和振动分析。图4-1、 4-2分别为堆垛机的三维与二维模型。

图4-1 堆垛机三维简化图

图 4-2 堆垛机二维简化图

23

西安工业大学毕业设计（论文）
由二维简化图可知，下横梁为刚性体，双立柱相当于悬臂梁，双立柱与下
横梁构成一刚性架，在外力作用下，立柱产生弯曲变形，_立柱柱端的挠度可以
用叠加法进行 计算。由于堆垛机为双立柱，两个立柱在外力作用下产生的挠曲
变形在天轨的连接作用下几乎一致的，故 本课题只对其中一个进行挠度分
析计算(后面的振动分析亦只分析一个立柱的)。
4.2.2立柱挠度的计算分析
堆垛机立柱的受力分析如图4-3所示。

图4-3 堆垛机立柱的受力分析
由叠加法可知，立柱顶端的挠度f1为:
f1=f F +f M +f q (4-1)



图4-4 立柱顶端挠度
——由惯性力F,引起的立柱柱端挠度，m
35

西安工业大学毕业设计（论文）
——各部分质量引起的惯性力，N


（4-2）
（4-3）
——货物及货叉质量，上横梁及导轮质量，提升机构质量，电控柜质
量，
行走机构质量；
——各质量的坐标；
A——堆垛机的加速度，
——立柱材料的杨氏弹性模量，
I——立柱横截面对中性轴的J惯性矩，
H——立柱高度m；
——由各质点质量对立柱轴线的力偶引起的立柱柱端挠度m
——各质点质量对立柱轴线的力偶，N.m
G——重力加速度，；
（4-4）
——立柱自重产生的惯性均匀分布力引起的立柱柱端挠度，m
（4-5）
——立柱自重均匀分布质量，kgm
——下横梁与立柱连接处的转角，rad
——下横梁的挠曲线方程:
(4-6)
(4-7)
— 由惯性力对立柱轴线的力偶引起的下横梁与立柱连接处的转角，rad
——由
——由
引起的转角
引起的转角
25

西安工业大学毕业设计（论文）
如图4-5所示

图4-5 堆垛机立柱及下横梁弯曲图
(4-8)


(4-9)

(4-10)


(4-11)
—— 各质量重力引起的下横梁与立柱连接处的转角，rad

（4-12）


——由
——由
:引起的转角
引起的转角

26

西安工业大学毕业设计（论文）
（4-13）
(4-14)


(4-15)

(4-16)
——下横梁自重作用引起的下横梁与立柱连接处的转角，rad
(4-17)
(4-18)

(4-19)


27

西安工业大学毕业设计（论文）

(4-20)
——下横梁材料的杨氏弹性模量，MPa
——下横梁的长度，m
——下横梁截面对中性轴的惯性矩，ma
——立柱轴线到堆垛机前后行走轮的距离，m

——F横梁均匀分布力，kgm
(4-21)

(4-22)


(4-23)
由于立柱是受压受弯构件，考虑到轴向压力作用使其挠度增加，其挠度为:
(4-24)
其中, ,
(4-25)
对于悬臂梁来说，由欧拉公式可得:


(4-26)
28

西安工业大学毕业设计（论文）
金属结构中的钢制压杆其安全系数取1.8~3.0. 取

表4-1堆垛机各技术参数
=13

立柱惯性矩为: I1= 1.847

10-3 m4
下横梁惯性矩为: I2= 3.28

10-3 m4
堆垛机在运行中根据当前位置与存储在PLC中的目 的地址相比较，选择一
条适当的运行曲线到达目的货位，因此在运行中的加速度并不是匀加速直线运动，并且每选择一条运行曲线时，堆垛机在运行时的加速度变化是不同的，而
顶端的挠度f=f1+ f2=

1

+

2与堆垛机运行时的加速度有关，由此可 知，立
柱顶端的挠度在加速度达到最大即a=0.6ms2时，挠度最大。将以上数据带入
公式 ，可得:

=0.0316m
其中，C 1 =0.0067 C2 -0.0168;

1=0.01005

2 =0.0252
根据堆垛机的制造和组装要求，要求堆垛机下横梁的水平弯曲
其中B为主从动轮距。
由
，

29

西安工业大学毕业设计（论文）
（4-27）
下横梁弯曲挠度的最大值在中间位置x=2.265 m时有:
v(2.265)=1.421

10-4m
由上式结果可知:
f中点= v(2.265)

B1000=48851000=4.885mm
即:堆垛机在调速以后以最大的加速度运行时，下横梁的水平弯曲在控制范围
之内，不影响堆垛机的整体结构的稳定。
4.3运行中立柱的稳定性分析
堆垛机启 动以后，在达到最大加速度以前，一直是以非匀加速运行的，
所以在运行过程中，其立柱的振动的振幅也 是不停的改变。当加速度达到最大
时，立柱柱端的振幅也最大，对此时柱端进行振动分析，得出最大振幅 ，用以
解决在提升速度以后引起的振动问题。建立堆垛机振动模型，并解决其振动问
题。由于双 立柱堆垛机的两个立柱在运行过程中以共同的频率，共同振幅的振
动的，所以在本文仅对其中一个立柱进 行振动分析，该立柱相当于一个悬臂梁.
堆垛机是由无穷多个质点构成的弹性系统，并且在构件的连接处采用弹性
阻尼隔振技术，求解 这样的多自由度系统有一定的难度。为了简化计算，把
堆垛机简化成理想状态下的单质点的振动。


30

西安工业大学毕业设计（论文）

图4-7堆垛机振动模型
由上一节可知，把堆垛机立柱简化为悬臂梁，并根据材料力学知识我们可
以得知，悬臂梁的静挠度S在外力P的作用下为:
（4-28）
此时，悬臂梁起弹簧的作用，自由端产生的静变形所需要的力就是梁的弹
簧系数k,


（4-29）


图4-8悬臂梁
根据梁端的振动微分方程：

得出立柱的振动频率为:
（4-30）
（4-31）
(4-32)
其中，m'为悬臂梁在自由端的等效质量。
换算质量系统与原来的多质点系统具有相同振形和相同的频率。换算质量
在工程中经常用的有两种方法:刚度法和能量法。
能量法的换算原理为具有换算质量的系统于原多质点系统在振动时的最
大动能相同。假定梁自由振动的振动形式和悬臂梁在自由端加一集中静载荷时
的静挠度曲线一样。在梁端在载荷P的作用下，悬臂梁自有端的挠度为:
,在截面X处的挠度为:
仍然近似按比例，即:
(4-33)

31
,在自由振动中，梁各点的振幅

西安工业大学毕业设计（论文）
其中为梁的自由端的振幅。设质量m的自由振动可以表示为.
而梁的振动可以表示为:

全梁动能的最大值为:
(4-34)

(4-35)
所以， ，

带入公式(4-32)得出立柱悬臂梁的振动频率为:

（4-36）
在以下前提条件下，本课题选用的系统仿真为悬臂梁的弯曲振动，即:梁
的各截面的中心轴在同一平面内，且在此平面内作弯曲振动，在振动过程中仍
应用平面假设，不计转动惯量和剪切变形的影响，同时截面绕中心轴的转动与
横向位移相比可以忽略不计。


图4-9梁的振动模型
以表示梁的横向位移，它是截面横截面积的x和时间t的函数，以
f(x, t)表示作用于梁上的单位长度的横向力。系统的参数是单位体积质量
，横截面积A（x），弯曲强度, E为弹性模量，横截面对垂直于
x和Y轴且通过横截面形心的轴的惯性矩。取微段d x，如上图所示，用Q（x,
t）
表示剪切力，M(x, t)表示弯矩。在铅直方向Y方向的运动方程为:

32

西安工业大学毕业设计（论文）

简化方程得：

微段的转动方程为:
（4-37）
（4-38）
(4-39)
简化方程得:
(4-40)
将上式带入公式，可得:

由材料力学知识得知:
(4-41)

综合以上公式得:
(4-42)
(4-43)
这就是梁的振动微分方程，其中包括四阶空间导数和二阶时间导数。
连续系统的振动问题同离散系统的振动问题在处理上有相同的地方，连续
系统中的各点同时到达最大幅值，又同时离开平衡位置。用数学语言讲，系统
振动的位移函数Y(x} t)在时间上和空间上是分离的，即，位移函数可以用下面
的式子表达:
式中，Y(x)表示梁的振动位形，只依赖于变量；
F(t)表示梁的振动规律，只以来于变量。
将式带入，并由波动方程得:
（4-44）
本模型中梁的单位体积、横截面积，横截面对中心主轴的惯性矩都
为常数，所以 方程可以简化为:
（4-45）
单独考虑立柱顶端的振动时，此时顶端的振动为单自由度，振幅函数为:

33

西安工业大学毕业设计（论文）
（4-46）
由此确定立柱顶端的振幅在加速度最大时，即:

柱端振幅最大，
（4-47）
式中:
A max—加速度最大时立柱顶端的挠度;
V max—堆垛机运行最大速度:

两者之间的相对误差为:

在堆垛机行业标准中，规定堆垛机立柱的振幅控制在0.0501m之内，根据
计算结果可知，堆垛机 运行速度提高到240mmin以后，立柱的振动振幅控制在
安全范围之内。


34

结 论
结 论
本次设计从门架设计以及几个主要 重点机构的结构设计着手，分析了堆垛
机的运行机理。论文首先从堆垛机的特点及组成形式开始，接着分 析门架的受
力情况及推导出门架的弯矩及挠度关系式，再设计出数据进行校核，最终设计
出了满 足承受重载，高而窄的双立柱门架；
详细重点设计了行走机构的结构设计，首先列出了行走机构的常见 传动方
案，并通过计算完成行走机构各个部件的选型并确定了尺寸及电机、减速器的
选取，最终 设计出了满足条件、灵活、适用、简捷、方便的行走机构，并绘制
出了行走机构零件图和装配图；最后对 堆垛机运行过程中的整体稳定性进行了
分析计算。
本次设计，囊括了大学四年所学知识的方 方面面，是我在以后的学习工作
之前，对各个学科课程的一次深入的综合性的练习，锻炼了自己发现问题 、分
析问题、解决问题的能力，并为以后的工作学习打下良好的坚实的基础。本次
设计是对四年 以来学习的总结，并锻炼了总体设计的能力。
由于本人能力有限，以及时间上的仓促，设计中难免有考 虑不周与设计不
正确的地方，希望各位老师能够给予谅解，并提出您的宝贵建议，我将不胜感
激 ！

35

致谢
致谢
能顺利完成本 次毕业论文设计，首先与我的指导老师田老师的悉心教导是
分不开的，在此，我先向田老师致以我深深的 谢意！
本次论文设计从论文的选题、撰写、修改直到打印完成自始自终都是在田
老师的悉心指 导和勉励下完成的。田老师渊博的学识、敏锐的思维、民主而严
谨的作风使我受益非浅；田老师一丝不苟 的钻研精神，严谨求实的治学态度，
执着忘我的工作作风，独树一帜的思维方式，无时无刻不在影响着我 ，让我终
身难忘。他的言传身教，将永远指导着我今后的学习和工作。
感谢机械教研室的诸位 老师，在进行毕业论文工作中所给予的帮助，他们
的不倦教诲和点拨是我今日点滴知识的来源。
感谢图书馆、资料室、微机室的各位老师的关心和帮助。
还要感谢我的学友和朋友对我的关心 和帮助，他们的启发和友爱互助的精
神给予我论文写作极大的帮助。
最后，再次向他们表示忠心的感谢！


36

参考文献

参考文献
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