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机械创新设计范例

日期:2019-06-21 08:19:40 点击:0 来自:本站 作者:

  典型机械设计范例 本次讲座的目的意义: 1、了解机械设计的一般方法与思路: 机械设计是一种创造性的劳动,需要全身心的投入, 要设法拿出自己独到的见解,哪怕是一些不十分成熟方 案,在此基础上开动脑筋去加以完善;这样:可以在与同 事的讨论中找出自身的差距;可以在方案逐步完善的过 程中,使自己焕发出工作热情与信心;可以在设计工作 过程中,使自己逐步成为内行,增长才干,获得进步。 不能从一开始就幻想有现成的资料可以利用,即使 有类似的图纸可以作参考,也必须作充分的消化吸收, 否则,就有可能在设计中重复别人的错误,而且投机取 巧不利于个人的专业进步,也会在周围同事中造成恶劣 的印象。甚至有些是在今后相当一段时间内难以弥补的。 另外,盲目的抄袭,很难领会别人的设计理念,在听到 不同意见时,会变得无所适从,在后续的生产服务中, 2、了解空间机构设计的约束方案: 在机械原理课程中,我们曾经强调,要使空间 运动的机构,具有确定的相对运动,对于各个空间 构件,必须限制其多余的自由度,这在工程设计中 称作导向问题;我们将通过立体仓库堆垛机的结构 设计和传动方案对比,多角度展示机构运动中的约 束方案设计,使相关人士掌握一定的导向技术。 3、进一步强调实践中自学成才的理念: 大学本科教育仅仅是为我们从事专业技术工作 奠定了一个简单的基础平台,大量的专业知识,是 需要我们在各自的专业技术岗位上继续自学成才的 ,可以说,大学期间学到的各科知识,远远不能解 决未来工作的实际问题,真正的专业知识和能力, 需要在实践中学习,就此而言应该是在干中学习; 而不是一切等学好了在干;就此而言,青出于蓝而 胜于蓝大有道理,今天老师把相关的专业知识教给 了学生。未来,学生能处理的实际问题,老师很可 能望尘莫及。主席曾说过:“读书是学习, 使用也是学习,而且是更重要的学习。”这是一条 普遍线、工程设计中辉煌与风险共存,机遇与困难同在 。要把握机遇,挑战困难,不仅需要勇气、更需要 有吃苦耐劳的实干精神。要有责任心,使命感。因 此要在未来的工作中建功立业,还必须具备严肃认 真,一丝不苟的工作态度. 下面就几项典型设备设计方案的推敲,说明上 述论点。 一、薄壁圆筒初圆整专用工艺及设备: 目前我国纺织行业浆纱、印染设备中,多种 规格的烘筒零件为薄壁辊筒,直径规格为Φ570, Φ800,Φ1200毫米;多采用壁厚≤3毫米的 0Cr19Ni19冷轧不锈钢板卷制焊接而成。因其工 作转速高,随着纺织产品档次及生产效率的提高, 对辊筒径向跳动,直线度,动平衡等方面的误差 限制也越来越严格,为此,需要设计专用设备来 满足薄壁圆筒生产加工中的特殊要求。 以Φ800,筒体长2000毫米的辊筒为例,其加 工工艺流程为:下料→卷圆→焊接→修磨焊道( 初圆整)→酸洗钝化→二次圆整检修→精圆整→焊 接两端堵头,心轴→机加工实现心轴与筒体的同轴 抛光 度要求。 传统的二次圆整检修,是采用手工操作的方 式,象敲制铁皮烟筒一样,凭肉眼感觉检查,不 合格再返回来修整,其缺点是生产效率低,占地 面积大,工人劳动强度高,一件产品需要几次反 复修整操作,检修精度也相对较低。为此,我们 设计了专用薄壁筒体圆整检验修整平台。 薄壁筒体圆整检验修整专用平台由两组滚轮组 成,其中4个钢制滚轮为检验轮;另外4个包胶轮为 修整轮。4个钢轮及图上方的两个包胶轮为固定支 承(轴承座位置无法调整),图下方的两个包胶轮 轴承座安在一个活动滑台上,由减速电机及丝杠螺 母驱动;当丝杠驱使平台及从动胶轮上行时,主动 胶轮与从动胶轮中心距减小,放置在检修平台上的 1、底座;2、主动钢轮;3、钢轮通轴;4、7、10、13链轮;5、 12、链条;6、摆线、轴承座;15、主动胶轮;16、多盘无极调速器; 17、电动机;20、驱动螺母;21、丝杠;23、活动滑台;24、滑 座及轨道;25从动胶轮;27、从动钢轮;28、检验平尺。 薄壁筒体会被4个胶轮托起,此时可将检验时发现 的不圆度超差处用木榔头手工修整;修整结束后, 用驱动滑台的减速电机驱使滑台下行,使从动胶轮 与主动胶轮的中心距加大,逐步使平台上的薄壁筒 体脱离胶轮,并支撑在4个检验用的钢轮上。 图上方的两个固定主动钢轮和两个固定主动包 胶轮,都采用通轴连接;在两根通轴上设计安装 有三个链轮,其中两个主动钢轮通轴间的链轮与 两个主动胶轮通轴间的链轮用一链条连接,当两 链轮齿数比为1时,两主动钢轮与主动胶轮之间 可实现同步转动。 两主动胶轮间的另一个链轮,通过链条与摆 线针轮减速机上的链轮连接,由电动机,多盘无 极调速器、联轴器、摆线针轮减速机组成的原动 机系统驱动,即实现两个主动胶轮与两个主动钢 轮的同步转动;当平台上的薄壁筒体由4个胶轮 托起时,由主动胶轮通过与筒体接触处的摩擦力, 驱动薄壁筒体转动;当薄壁筒体由4个钢轮支承 时,也由主动钢轮借助接触处的摩擦力,驱使筒 体转动,转速可由多盘无极调速器在1:10范围 内调整。 在平台的最外边(下方)自由放置一根检验平 尺,其支承高度与筒体在检验钢轮上支撑时轴心线 水平。当筒体由主动钢论驱使转动时,碰动(平移 )检验平尺,并直观的通过筒壁与平尺的间隙, 显示筒体圆周不同位置的不圆度误差,工人可随 机做出记号,以备修整。 思考题 1、什么是非标设备,其基本设计原则是什么? 为是么? 2、薄壁圆筒的基本工艺流程是什么?你认为是否 需要改进?(提出具体修改意见。) 3、薄壁圆筒初圆整专用设备主要解决了什么问题? 4、为什么薄壁圆筒修整与检验不能采用同一套滚轮 机构? 5、该专用设备如何实现检验与修整工序的变换? 如何实现滚筒转速的调整? 显示筒体圆周不同位置的不圆度误差,工人可随 机做出记号,以备修整。 二、精圆整设备: 由于辊筒工作转速较高,设备的转动精度和 运行平衡性精度也有较高要求,因此对筒体零件 的径向跳动、直线度等方面都有严格的公差要求, 在薄壁筒体零件的成形加工工艺中,精圆整工艺 成为影响产品质量的关键,需要专用设备来解决 精圆整工艺的难题。 为解决薄壁筒体精圆整加工的工艺难题,笔者 设计了精圆整专用设备。薄壁筒体精圆整专用设 备的具体结构如图所示:主要由原动力机构、壳 体机架、行星走刀机构、滚压头、活动尾座等部 分组成。 图中1、底座;2、减速机;3、联轴节;4、行星走刀机构 ;5、丝杆; 6、上壳体, 7、下壳体; 8、滚压头; 9、主 1、17.底座 2.减速机 3.联轴节 4.行星走刀机构 5、18.丝杠 6、12.上壳体 7、15.下壳体 8、13.滚压头 9、14.主轴 10.支撑座 11.活动尾座 16.调节螺钉 轴;10、支承坐;11、活动尾架。 .上壳体 2.滚压头 3.主轴 4.下 在精圆整加工前,先将活动尾座转动90°,把 初圆整后的薄壁筒体,套在主轴和滚压头上,由专 用铸铁壳体固定,再回转活动尾座,用滑动轴承支 承固定主轴。精圆整时,原动力机构2通过电机、 皮带轮、蜗杆减速机构,为主轴提供一均匀的输出 转动,转速为100r/min。行星轮走刀机构在支承主 轴转动的同时,通过五个齿轮组成的行星轮系及两 种位置组合变换,驱使固定支承在转动主轴上的丝 杠5以67.33r/min和333.33r/min两种转速转动,其 中低速67.33r/min为工作进给速度。高速333.33 r/min为滚压头快退速度。在转动主轴上设计有长度 大于2000mm的长键槽,其作用是驱使滚压头8在与 主轴同步转动的同时,又用转动丝杠驱使滚压头沿 主轴轴线方向水平匀速移动。 这样,工作进给时, 滚压头以100 r/min的转速和404 mm/min的水平 移动速度,由走刀机座4向尾座11方向复合运动, 最终实现滚压头相对于固定在机架壳体内薄壁筒 体内壁的螺线复合走刀进给运动。滚压头滚轮作 用在筒体内壁上的滚压力由压缩弹簧产生。薄壁 筒体通过滚压头多点滚压力作用,紧贴在专用壳 体内壁,随着滚压头匀速螺旋复合进给运动,产 生相应的弹性、塑性变形,整遍滚压后使刚性壳 体的尺寸形状精度,满足薄壁筒体的各项尺寸公 差要求。 工作进给完成后,滚压头以2000 mm/min的快 退速度返回到走刀机架4的一端,然后松开壳体紧 固螺栓,用顶丝顶起上壳体6,再松轴承10及尾座 11的紧固螺栓,转动尾座90°,即可取出滚压精圆 整后的薄壁筒体零件。 从上述结构动作可见,薄壁筒体的精圆整是通 过无屑滚压工艺来实现的,根据金属变形理论, 工件表面在挤压力作用时,被挤压金属的原子间 会产生相对滑移,由弹性塑性变形造成被滚压表 面的形状改变,并使其内部组织结构和物理性能 也发生变化,使金属被挤压层组织紧密,晶粒细 化,晶格形状也沿着变形方向扭曲延伸。由于薄 壁筒体被固定在一个理想的刚性壳体内,在滚压 力作用时,薄壁筒体不仅会产生不大的径向变形 (因壳体限制),还会轴向产生挤压延伸。一般 情况下,薄壁筒体受挤压力越大,其塑性变形越 充分,滚压所达到的圆整效果越佳。同时,在被 挤压金属表层还会产生极大的压缩应力,使金属 表层冷作硬化,提高薄壁筒体的表层硬度,强度 极限、屈服极限和疲劳极限等,改善筒体表面粗 糙度,并使零件表面抗腐蚀性能也有所提高。这 一切对薄壁筒体的使用性能提高都是十分有利的。 薄壁筒体精圆整专用设备的主要结构介绍: 1、壳体机架: 壳体机架为铸钢件,壳体分为上 下两半,如图2:1、4 所示,安装筒体零件时, 可将上壳体用顶丝顶起。待筒体零件安装就位后 ,再用螺栓将上下壳体联接固定。壳体内孔壁尺 寸公差及表面粗糙度对薄壁筒体的最后定形精度 有致关重要的直接影响,因此需要专用设备工艺 进行壳体内壁镗孔加工。 .上壳体 2.滚压头 3.主轴 4.下 2、行星轮走刀机构; 走刀机构的具体结构如图3所示。齿轮14用 键与主轴固定联接,齿轮8与套20紧配后空套在 主轴10上,齿轮15与丝杠17固定,丝杠17由两 个托脚11及9固定在主轴10上,由齿轮15并通过 齿轮8驱使转动。双联齿轮5、6与套紧配后,活 套在销轴7上,并沿齿轮支架4作上下、啮合和脱 离的调整移动。 当滚压头按要求工作进给时,通过螺旋操作 手轮使齿轮支架4下移,使双联齿轮5、6与齿轮8 、14处于啮合状态。当齿轮14随主轴同步转动时 ,齿轮14、5、6、8、15及丝杠托脚9组成差动混 合轮系,驱动齿轮15并丝杠17转动,再通过滚压 头圆盘上的 导程 图3 支撑架 托架 主轴 托脚 轴承 套 套 轴套架 齿轮支架 齿轮 齿轮 销轴 齿轮 托架 轴瓦 隔套 主动齿轮 齿轮 套 丝杆 平面 螺母 滚压盘 滚轮架 齿轮轴 滚压轮 螺母传动,使滚压头沿主轴作轴向进给运动。按 图3所示各齿轮齿数,滚压头工作进给时,按主轴 转速n1=100r/min滚压头工作进给时的移动速为: z1 z3 n1 z 2 z 4 n1 i14 ? ? n4 ? ? n1. n4 z1 z3 i14 z2 z4 65? 21 n4 ? 100? ? 114r / min 19? 63 z5 n4 ? nH n4 ? n1 27 H i45 ? ? ?? ?? (n H ? n1 ) n5 ? nH n5 ? n1 z4 63 7 7 n5 ? ? (n4 ? n1 ) ? n1 ? 100? ? 14 ? 67.33r / min 3 3 V1=S×n5=6x67.33=404mm/min,(S为丝杠导程) 图4 齿轮支架 轴套架 主轴 齿轮 托架 连杆 卡爪 导程 图3 支撑架 托架 主轴 托脚 轴承 套 套 轴套架 齿轮支架 齿轮 齿轮 销轴 齿轮 托架 轴瓦 隔套 主动齿轮 齿轮 套 丝杆 平面 螺母 滚压盘 滚轮架 齿轮轴 滚压轮 当滚压头滚压结束,按要求快速返回时,可转 动手轮使齿轮支架4上移,使双联齿轮5、6与齿轮 8和14脱离啮合位置,同时齿轮8被齿轮支架4上的 联动夹紧机构锁紧,如图4所示,变为固定齿轮, n4=0,这时齿轮14、8、15及丝杠托脚9组成行星 轮系, 此时: i H 45 z5 n4 ? nH 0 ? n1 27 ? ? ?? ?? n5 ? nH n5 ? n1 z4 63 7 n ? ? ? (?100) ? 100 ? 333.33r / min 3 5 3、滚压头部分: 滚压头快退速度为: V2=S×n’5 = 6×333.33 = 2000 mm/min 滚压头是薄壁筒体精圆整专用设备的关键部 件,其结构如图5所示。滚压圆盘通过滑键12与主 轴11联接。主轴11的外圆上加工有与滑键12动配 合,且满足工作进给行程需要的长键。在滚压头与 主轴同步转动时,通过丝杠螺母传动,使滚压头沿 主轴轴向移动,实现滚压头相对于筒体内壁的螺旋 线上装有多个等分布置的 弹性滚压轮(图中为3个,也可以设计成4个,6 个)。滚压轮的径向压力是靠压缩弹簧2产生的。 在滚轮架5的一面上加工有相当于直齿条的齿形, 转动齿轮轴1,通过齿轮齿条啮合传动, 图5 1.齿轮轴 2.弹簧 3.滚轮 4.销轴 5.滚轮架 6.压板 7.滚压圆盘 8.螺母 9.撑牙 10.棘轮 11.主轴 12.导向键 13.盖板 14.工件 可调整滚压轮的预加滚压力。撑牙9和棘轮10用于 锁紧齿轮轴1,使其调整后的预加滚压力得以保 持,避免齿轮轴承受冲击载荷时出现反向转动。 4、活动尾座支撑部分: 活动尾座支撑部分如图2所示。滑动轴承10安装 在尾座11上,用矩形导轨联接,使滑动轴承10可相 对尾座沿主轴轴线前后移动,用于支承主轴转动。 当筒体完成滚压的工作进给后,通过快退运动使滚 压头退回至靠近走刀机架4处,然后松开上下壳体6 、7中缝联接处的紧螺栓,通过顶丝使上壳体6抬起 。这时可旋转尾座11上的操作手轮,使轴承座10在 丝杠螺母机构的相对转动中,沿矩形导轨即主轴轴 心线方向向外退出,使轴承座与主轴脱离,(借助 其它辅助机构临时托起主轴),然后松开尾座11上 的压紧螺栓,推动尾座沿设备底座1上的圆弧轨道 转动90°-180°,工件即可沿主轴方向装入或退出。 薄壁筒体精圆整专用设备(号称擂圆机)在郑 州纺织机械厂冷二分厂制作并投入使用后,圆满解 决了薄壁筒体精圆整的工艺难题,确保了产品质量 。按前述走刀运动速度分析计算,每个薄壁圆筒精 整加工中,工作进给五分钟,快退一分钟,加上装 卸工件的辅助时间约九分钟,十五分钟可完成一个 ?800mm薄壁圆筒的精圆整加工,生产效率相对较 高,满足了郑州纺织机械厂生产计划的基本要求。 实践证明,对于薄壁深孔筒体实施滚压加工工 艺,是一种十分行之有效的方法,除获得较高精度 ,改善工作表面粗糙度外,还可以提高筒体零件的 表面硬度,使用性能和抗腐蚀性能。当然,此工艺 方案,工人操作相对比较繁索,为此我们也在实践 中不断探索更为先进、有效的工艺方法。 思 考 题 1、薄壁圆筒精圆整的主要工艺难题是什么?你认为有 哪些较好的解决办法? 2、薄壁圆筒精圆整设备所采用的工艺原理是什么? 3、薄壁圆筒精圆整设备的主运动是什么?它是如何实 现的? 4、薄壁圆筒精圆整设备的擂头调速是如何实现的?简 述其传动比计算方法。 5、薄壁圆筒精圆整设备目前存在的主要问题有哪些? 三、薄壁圆筒切割专用设备: 薄壁筒体零件图如图一所示.在精圆整后,两端 焊接端面堵板,心轴之前,薄壁筒体两端面须精切割 加工,以保正筒体2000±0.5的长度尺寸精度,和两 端面基本平行的形状误差要求,由于板料的形状尺 寸有误差,卷圆焊接后筒体两端面难于平行,加上精 圆整采用冷滚压工艺后,筒体延长度方向有一定量 的延伸,故薄壁筒体的两端面精割,需安排在精圆整 工序之后.此类不锈钢薄壁筒体直径大,壁薄,刚性差 ,无法采用通用机床进行两端面精切割,采用其它简 单工艺如砂轮片切割,割管器切割效果极差,很难满 足加工要求,为此,需设计制造专用的薄壁筒体端面 切割设备. 1、薄壁筒体两端面切割专用设备的结构及工 图1 薄壁筒体零件图 作原理 : 根据郑纺机厂的产品特点及薄壁筒体的加工精 度要求,笔者设计的两端面专用切割设备如图2所示 :设备可分为薄壁筒体固定夹壳与刀架旋转机构两 部分组成. 图 薄壁筒体端面切割专用设备外形图 驱动电机 传动皮带 圆柱齿轮减速机 4.固定中心齿轮 5.行星齿轮 6.旋转刀架 7.上半壳体 8.下半壳体 薄壁筒体固定夹壳分为上下两半,下半壳体8较长, 后部设置有两组定位桩,以解决薄壁筒体两个端面 加工的长度定位要求;上半壳体7很短,也较为轻便, 采用专用螺栓与下半壳体固定连接,安装筒体零件 时,需松开螺栓,拿掉上半壳体,待筒体零件就位后, 再装上半壳体,并用螺栓固定,使被加工壳体紧固定 在夹壳内.上下壳体内圆孔的圆整度由机械加工来 保证,不圆度误差小于0.2毫米。 刀架旋转机构由驱动电机1,皮带轮2,两极圆柱齿 轮减速机3及旋转刀架6等部分组成.其中,旋转刀架6 固定安装在圆柱齿轮减速机3的低速输出轴上,通过 皮带2,齿轮传动减速3,实现刀架低速转动.旋转刀架 6的内部结构如图3所示:由刀头1,导向套2,活动刀杆 3,导向键4,驱动螺杆5 ,蜗轮 6 ,蜗杆轴 8 ,行星齿轮7 1 旋转刀架内部结构 刀头 导向套 活动刀杆 导向键 驱动螺杆 蜗轮 行星齿轮 蜗杆轴 旋转刀架 中心轮 固定法兰 减速机输出轴 圆柱齿轮减速机 图 及旋转刀架9 等部分组成.我们在圆柱齿轮减速机 输出轴12的外壳上固定安装一个中心齿轮10 ,当 旋转刀架 9 低速转动时,与蜗杆轴固联的行星齿轮 7,在围绕中心齿轮10公转的同时,自转驱使蜗杆轴8 转动,蜗杆8又驱使蜗轮6低速转动;蜗轮6与驱动螺 杆5由键联结同步转动,与驱动螺杆5螺纹配合的活 动刀杆3,受导向套2和导向键4约束无法转动,当驱 动螺杆5转动时,活动刀杆3只能沿轴线方向伸出或 缩回.这样,当旋转刀架匀速转动时,活动刀杆3及刀 头1缓慢伸出,实现薄壁筒体由内向外的端面切割; 电机反转时,活动刀杆3及刀头1又缓慢缩回。 2.系统传动比计算说明: 刀架旋转机构的运动简图如图4所示:其中带传动比 i1=3,圆柱齿轮减速机传动比i2=40,中心齿轮齿数 Z5=60,行星齿轮齿数 Z6=30,蜗杆头数Z7=1 ,蜗轮齿数Z8=40,电 机转速为 n4=1440r/min. 可算得刀架转速: n4=n1/i1*i2 =1440/3*40 =12r/min; 蜗杆转速: iH65=(n6-n4)/(n5-n4) =-Z5/Z6=-60/30=-2; (n6-n4)/(0-n4)=-2; 图 n6=3n4=3*12 =36r/min; 减速机传动比 带传动比1:3 刀架旋转机构运动简图 蜗轮及螺杆转速: n8=n6/i78=n6×Z7/Z8= 36×1/40 =0.9 r/min; 驱动螺杆螺纹为单头普通螺纹,故刀头每分钟切削进 给深度为1.8毫米,加上辅助工作时间,每小时能完成 5—10件薄壁筒体的两端面加工,加工精度满足了图 纸的要求.该项专用设备投入使用后,圆满解决了薄 壁筒体两端面的切削加工难题,满足了郑纺机厂流水 作业生产线的加工效率要求,为提高产品质量发挥了 积极作用,受到了现场工人的好评. 思 考 题 1、薄壁圆筒两头切割的实用意义是什么? 2、为什么薄壁圆筒两头切割不能采用传统工艺加工? 3、简述薄壁圆筒切割专用设备的工作原理。 4、简述薄壁圆筒切割专用设备的主传动比计算方法。 四、钢制圆筒过盈热装配工艺与技术装备 1、原有钢制圆筒过盈热装配工艺存在的问题: 工业设备中有许多重要零部件是用厚壁圆筒过 盈热装配后加工而成的,如纺织印染机械中的烘 筒,导布辊筒;皮带输送机上的托辊等等,有些 还是压力容器,如图一所示,一般都由心轴 、闷 头、厚壁圆筒体采用高温过盈热装配工艺,将圆 筒两头加热到500--600℃,把闷头热装配在滚筒 内,按照热涨冷缩原理,待滚筒自然冷却后将闷 头抱合成一体;机械加工时,为了尽可能减小动 平衡误差,以圆筒外径为定心基准加工两头心轴 外圆。这样,一方面降低了滚筒零件的加工成本, 减小了心轴与圆筒的不同轴度误差,还减轻了零 件自重,另一方面也节省了材料;因此是机械加 工行业最常采用的制造工艺。 烘筒类零件: 1、心轴,2、闷头;3、厚壁筒体 图一、过盈热装配工艺加热的典型零件 在上述制造工艺中,厚壁圆筒两端加热是实现 热装配工艺的关键,许多工厂采用烧焦碳地炉的 落后工艺,浪费了能源,影响了环保,工人劳动 强度大,生产效率低,安全条件差,特别是一些 直径较大的圆筒,因焦碳深埋不住筒体,造成加 热不均匀、过烧等问题,常须多次返工才能勉强 装配,严重影响了产品质量,是急待解决的工艺 难题。为此,笔者在郑州纺织机械厂参与了厚壁 圆筒过盈热装配炉的工艺方案研讨与设备设计。 2.相对落后的热装配加热工艺 在调研中,笔者看到有些厂家采用开放式煤气 (或天然气)地炉的加热方案,如图二所示,在 一条地沟中设置一个长长的大气式烧咀,烧煤气 或天然气,被加热圆筒按流水线装配工艺沿地沟 滚动加热,为提高加热效果,被加热圆筒上遮盖一 些保温耐火材料。经实地考察,虽然此方案满足了 流水线作业的要求,但大气式烧咀发热量低,多用 于铸工造型烘干,用在地炉上效果极差,经常是贴 近火焰的零件表面温度高,一旦转到上面,温度严 重下降,加热极不均匀;加上保温措施不利,只能 勉强用于小直径的圆筒加热,且零件表面氧化严重 加热温度不够高,现场工人反映不如原有的焦碳地 炉好用。 另外,笔者也看到一些厂家采用的专用台车式 炉加热方案,如图三所示。炉型象简单的铸工定 性炉或锻工炉,需加热圆筒被放置在台车上,将 加热端推入炉膛加热,待加热后出炉热装配,此 方案加热温度比较均匀、到位,但不符和流水线 作业要求,台车一次加热辊筒太少,工作效率太 低;加热辊筒多了,装到最后温度下降太多,影 响装配效果;而且工人高温操作环境恶劣,劳动 强度大,卸车工作条件危险;再加上装料较多或 加热大直径辊筒时,炉膛透热面积较大,热损失 较多,加热效率上不去。此方案因工作效率低, 工人劳动强度大,尽管在许多工厂使用,也不受 现场工人欢迎。 1、煤气烧咀;2、被加热辊筒;3、台车;4、台车式 炉窑;5、吊挂式炉门。 图三、台车式加热炉 3.热装配专用设备的工艺方案及结构设计 1、炉体地沟加热区;2、地沟烧咀;3、耐火纤维侧炉门;4、被加 热辊筒;5、耐火纤维吊挂炉顶;6、炉顶烧咀;7、炉门配重;8、 耐火纤维炉后墙;9、耐火纤维炉前门。 图四、过盈热装配专用加热炉 根据上述方案的调查比较,按照流水线作业的 工艺要求,笔者提出了新的设计方案如图四所示。 采用炉底、后墙、炉顶三面固定,炉前面、两侧 面共三个活动炉门随机调整密封的炉型结构。炉 底地沟采用耐火砖砌制;地沟以上后墙、炉顶采 用硅酸铝耐火纤维轻型结构,具体作法是:先用 槽钢、角钢型材焊成炉体钢架,在钢架上焊接固 定钢板网(也可以是粗铁丝网,但镀锌铁丝不太 好焊接),用细铁丝把耐火纤维压缩块临时捆扎 在钢板网上,再用专门的耐火泥粘接剂外敷在炉 后墙和炉顶表面,透过钢板网孔粘接固定硅酸铝 耐火纤维,形成严密的隔火炉墙,待耐火泥粘接 剂干结后形成坚硬的墙皮壳体,既保护了硅酸铝 耐火纤维使之免于风化和受潮,又密封了炉墙炉 顶,形成可靠的轻型炉顶。(此外,采用传统耐 火砖炉型,很难作成单墙体悬空吊顶。)从而实 现了炉底炉顶炉后墙三面固定的设计要求。炉体 两侧及前面有三扇吊装活动炉门,根据炉膛进料 出料要求随机启动两侧活动炉门,而后随时封闭 ;再根据辊筒直径调整前门开启高度,最大限度 的减少炉膛热量损失,提高加热效率。炉膛采用 上三下四共七个烧咀供热,最大耗气量为每小时 七百立方米。在加热小直径辊筒时,可只采用地 沟里的四个烧咀供热;加热大直径辊筒时上下七 个烧咀同时供热,提高了炉体适应能力,增加了 辊筒与火焰的接触面积与时间,有效提高了加热 速度。此炉汇集了流水线地炉与台车式炉窑的优 势,在炉型设计上有所创新。 1993年4月,该设计项目按图纸施工就绪后,一次 试炉成功,经十年的实际使用,充分显示了各方面 的优越性,具体表现为以下几点: 1).与原焦碳地炉相比,生产效率提高三倍左右, 原来需要二至三班作业完成的热装配任务,现在一 班作业即可十分轻松的完成;原来烧焦碳地炉紧张 时,每日两班尚不能满足车间生产的节拍要求,现 在两日一班即可满足生产计划定额,所以,此炉型 解决了郑州纺织机械厂工业生产的关键。许多外地 厂家也纷纷来厂参观学习,并就相关炉型结构问题 与笔者交换意见,客观展示了该炉型受欢迎的程度。 2)该热装配专用炉的设计成功,可从根本上彻底结 束热装配工艺直接烧煤的落后作业方式,改善了现 场操作工人的劳动条件,大大降低了操作工人的劳 动强度,改善了周围的工作环境,消除了粉尘污 染,解决了郑州纺织机械厂长期悬而未决的技术 难题,受到了现场操作工人的好评。 3)经初步测定,该热装配专用炉热效率在15%以 上。 4.进一步改进意见: 1)目前采用烧咀仍是上世纪五、六十年代使用的 低压煤气烧咀。如能选用新型节能型燃烧装置,定 可进一步提高热效率,降低能耗。 2)由于热装配流水作业的特点,决定了该炉型只 能开放性燃烧,不论炉体是否设计烟道,烟气都会 通过辊筒出现在炉前,造成高温;在炎热的夏天, 炉前工况仍不十分理想,仍需要进一步强化炉前的 通风配套设施。 3)虽然该炉型一次试炉成功,但期间风险重大, 如烧咀阀门不严或炉前通风不良,形成炉前煤气 淤积,贸然点火就回造成严重的人身伤亡事故。 故笔者建议,一定要特别重视炉前配套通风设施 的完善、可靠性。 4)为防止炉顶、后墙透火,硅酸铝耐火纤维的施 工可靠性致关重要,所以,必须由有经验的来施 工,避免炉体工作时透火,造成电线、煤气管道 受热,形成难以想象的重大工伤事故和损失。 思 考 题 1、简述厚壁圆筒热装配加热工艺的主要难题。 2、简述厚壁圆筒热装配专用设备设计的创新点与主要 风险难点。 3、简述厚壁圆筒热装配加热炉提高热工效率所采用的 有效措施。 4、简述厚壁圆筒加热炉的工艺优势及目前存在的问题。 五、平板下料自动切割的环保工艺及技术装备 1、氧乙炔焰,等离子弧自动切割设备的环保问题: 氧乙炔焰,等离子弧全自动切割设备,采用两 台伺服电机驱动割炬作任意平面运动,用计算机编 程控制,可实现8—40毫米不锈钢板,10—200毫 米碳素钢板的零件或毛坯,任意形状尺寸的全自动 切割;其加工精度好,工作效率高,是取代人工氧 乙炔焰切割的重要设备,深受机械加工行业用户的 青睐,并在众多机械加工工厂广泛使用。郑州纺织 机械厂现有两台全自动切割机,一台是瑞典ESAB 公司生产的数控火焰等离子切割机,最大切割宽度 为2500毫米,最大切割长度为4700毫米;厚度:等 离子切割不锈钢板8—40毫米;氧乙炔焰切割碳钢 板10—200毫米;切割速度:等离子:450—110 mm/min;氧乙炔焰:450—180 mm/min;另一台是 哈尔滨华崴焊切成套设备有限公司生产的数控火焰 等离子切割机,型号DHG 5011;导轨跨距5000毫 米,导轨总长14400毫米;有效切割宽度4300毫 米,有效切割长度12400毫米;最大空行程速度 12000mm/min;切割速度6000 mm/min;切割厚度: 氧乙炔焰切割碳钢5—200毫米,等离子切割不锈 钢1—50毫米。然而,氧乙炔焰,等离子弧在中厚 度钢板切割时,会产生大量的有害气体烟尘,并伴 有很大的噪音;这也是长期困扰用户,影响操作现 场工人健康的一大突出问题。 2、氧乙炔焰,等离子弧全自动切割的环保工 艺及设施: 为了排除氧乙炔焰,等离子弧在中厚度钢板切 割时产生的有害气体烟尘,笔者在郑州纺织机械厂 设计过专用防尘排烟设备,如图一所示:中厚板全 自动切割设备的排烟系统由集烟箱及板料支撑架, 抽风系统两大部分组成。被切割的整张钢板盖放在 集烟箱上方,由集烟箱内的许多尖点03支撑,在集 烟箱与上盖钢板间形成相对封闭空间,并由抽风系 统10在此封闭空间内形成负压,所有缝隙作为补风 口。当全自动切割设备在割炬5处切割钢板时,产 生的有害气体由集烟箱内的负压吸入收集起来,通 过吸风罩09,排烟管道及抽风系统10排出厂房。 图一、中厚板全自动切割设备排烟系统 集烟箱及板料支撑架; 纵向筋板; 横向筋板及板料支撑尖点 ; 被切割板料; 割炬; 割炬夹持器; 横梁轨道及割炬横向驱 动系统; 纵向轨道及割炬纵向进给驱动系统; 烟尘收集吸风罩; 排烟管道及抽风系统。 采用这一方案,在整张钢板刚开始切割时,由 于补风面积小,负压大,排烟效果尚可;但上盖 钢板被切除一半或一半以上时,补风面积太大, 负压衰减严重,常需要工人铺盖其他平板调整负 压,给操作工人带来许多麻烦。有些工人懒于调 整负压,结果厂房内经常乌烟瘴气。加上抽风机 的抽风噪音,使厂房噪音高达100分贝以上。另 外、吸风罩09、排烟管道10占据了厂房内很大的 空间,又不允许磕碰,使操作工人感到十分不方 便。将污浊的烟尘直接排放到厂房外大气中也十 分不妥。 为解决上述问题,笔者设计了第二套环保工艺 方案如图二所示:加大加高原来的集烟箱,变集 烟箱为集水箱,拆除原有的通风管道,在原有的 吸风罩位置增设循环水系统,循环水系统由水泵 管路及集水槽组成。被切割钢板依然用尖点支撑 平放在集水箱内,此时集水箱内水面低于被切割 钢板平面,以便于氧乙炔焰割炬点火。欲切割钢 板时,先点燃割炬,然后将集水槽内的循环水用 水泵抽入集水箱,让水淹没钢板,使割炬在水下 切割。这样,切割钢板时产生的有害气体烟尘全 部淹没并大部分溶解在水中。采用此工艺方案, 厂房内空气质量大为提高,有害气体浓度明显降 低,节省了原有排风管道占据的空间,并且使厂 房内噪音控制在70分贝以下。操作工人的工作条 图 、全自动切割水循环系统排烟装置 、集烟箱及板料支撑架; 、纵向筋板; 、横向筋板及板料支撑尖点; 、被切割板料; 、割 炬; 、割炬夹持器; 、横梁轨道及割炬横向驱动系统; 、纵向轨道及割炬纵向进给驱动系统; 、水泵及抽水管道; 、电磁阀及排水管道; 、集水箱。 件得到了明显的改善。 尽管氧乙炔焰、等离子弧割炬水下切割效果 不错,但也产生了新的问题,当被切割钢板局部 变形或局部支点不平使钢板局部翘起时,由于浑 浊的循环水淹没了割炬切割位置,无法看清割炬 的切割状态,当割炬碰着水下的翘起钢板高点时, 要么割炬被撞坏;要么割炬偏转变形,影响了零 件的切割效率与质量。为此,需设计专用装置, 将割炬的异常状态反馈给操作工人,以便于操作 工人及时调整处理。 3、自动切割机水下切割防撞机构的基本结构及工 作原理 笔者设计的全自动切割机机械式水下切割防撞 机构如图二所示:该机械式防撞机构代替原切割机 图二、机械式防撞机构装配图 割炬夹头; 割炬夹头; 球面座; 球面端盖; 顶块; 滑套; 撞块; 连接块; 滑键; 壳体; 弹簧; 底盖。 的割炬夹持器06,并安装固定在相应位置;防撞机 构主要由:割炬夹头01、02;球体接头03、04;滑 套06及相关的壳体10,球面端盖04,弹簧11等部分 组成。割炬夹头分为01、02两部分,通过螺栓连接 固定割炬,并用螺钉将02固定在球面座03上。球面 座03的大凸球面与球面端盖04的凹球面配合铰接; 受力时,球面座03可相对球面端盖04转动。球面座 03小球面端用螺钉固定有两个顶块05,其凸曲面与 滑套06一端的两个凹曲斜面想吻合;当割炬受阻使 球面座03相对壳体10偏转时,球面座03上的顶快05 将通过凸曲面迫使不能转动的滑套06沿轴线的通 键槽内滑动,并限制滑套06转动。滑键09上用螺钉 安装固定有连接块、撞块08、07,透过壳体10上的 长圆通孔与滑套06同步沿壳体10键槽滑移,并以 撞块07撞击行程开关(或接近开关)产生报警信 号,并使割炬驱动电机断电制动。滑套06由弹簧 11顶紧,在人工调整割炬高度时及时复位。 在割炬正常切割工作时,防撞机构内所有零 件静止不动,相当于一个刚性的割炬夹持器。因 球面座03与滑套06环形平面接触,割炬向下的重 力无法使球面座03向下偏转。因此沿割炬轴线上 下方向的作用力对防撞机构都不产生任何影响。 当割炬向右行走碰到工作阻力时,通过夹头01 、02迫使球面座03压迫滑套06克服弹簧11的阻力 滑移,并使撞块07撞击行程开关,发出警报信号 ,使驱动电机断电制动。 当割炬前后行走碰到工作阻力时,引起割炬偏 转,进而使夹头01、02,球面座03及凸块05同步 偏转,通过与滑套06吻合的斜面,迫使不能转动的 滑套06并撞块07沿水平线滑移,同样撞击行程开关 产生报警信号,使驱动电机断电制动。 当操作工人接到报警信号,调整好割炬相对钢 板的切割距离后,防撞机构复位,切割机又可以继 续切割。 氧乙炔焰、等离子弧全自动切割设备,采用文 章介绍的水下切割工艺及装置,较圆满的解决了工 作现场的环保问题。故笔者认为,文章介绍的环保 工艺及装置,具有十分重要的推广价值与实用意义。 思 考 题 1、简述等离子弧、氧乙炔焰数控切割专用环保设备的 实用意义。 2、简述等离子弧、氧乙炔焰数控水下切割的优势与问 题,简述防撞机构的工作原理。 六、宽砂带磨削去除薄板零件毛刺的设备 薄板平面零件冲压加工或激光切割.等离子弧切 割后,周边总会产生一些飞边毛刺。采用通用平面 磨床修理周边毛刺、飞边,效率低,工时费用较高 。采用电动砂轮机和砂布带轮手工修理,工时费用 低,但工人操作安全性较差,工作效率不高。当厚 度不大的平板类小零件品种、数量较多时,需要设 计专用设备来处理平板类零件周边的飞边毛刺加工 工艺问题。 一、去毛刺专用砂带磨削设备的结构特点及工 作原理: 根据宽砂带磨削,一次磨削宽度大,磨削效率 高的特点,笔者设计了专用宽砂带磨削设备,如图 图1 宽砂带磨削去毛刺志用设备 1砂带磨削头 2 宽砂带 3 压缩弹簧 4 浮动从动带轮 5 磁性工作台 6 磨削工件 7 传送带机构 8 料箱及挡板 9 蜗轮 10 丝杠 11 蜗杆 机手轮 12 皮带张紧机构 1所示:主要由砂带磨削主动力头1,传送带机构 7及磁性工作台5三部分组成。该专用设备采用 500mm宽砂带,由皮带传动方式组成砂带磨削头 ,由电动机直接驱动。砂带的张力由两组压缩弹 簧3产生,并自动调整。 需去毛刺的平板类工件由人工摆放到传送带7的 右端,摆放时零件的飞边毛刺面朝上,由传送带 自动输向磨头。当进入工作台5的磁性区域时,靠 磁铁将零件吸贴在帆布传送带上。当砂带对工件 表面磨削时,依靠工作台的磁性,吸住工件与输 送带同步通过砂带磨削区域。当传送带驱使工件 离开工作台磁性区域时,工件自动消磁,到达传 送带左端主动轮7处,依惯性力方向自动脱离传送 带,甩入料箱8中。 二、几点工艺问题的说明: 1、宽砂带磨削: 目前砂带磨削在国内已有了多年的成功经验, 主要用于木工抛光,而且砂带宽度多小于200mm ,这是由于砂带环形粘接后,喇叭口问题始终解 决不好,砂带越宽,砂带两端张力相差越大,越 容易出现砂带起皱,走偏。笔者设计的砂带磨削 设备采用500mm宽砂带,由于从动带轮两端采用 两组压缩弹簧3自动张紧,对先天形成的喇叭口有 一定的适应性。另外,主动带轮采用鼓形,中间大 ,两头小,使砂带中间张力大于两端。从动带轮两 边加工有旋向相反的螺旋槽,在从动带轮与砂带接 触产生摩擦力的同时,两边向外产生不大的拉力。 本设备在试验阶段,没有出现十分明显的砂带起 皱,走偏现象,但应注意使工件摆放均匀,尽可 能避免宽砂带两边摩擦力相差太大。 2、磁性工作台的调整: 磁性工作台的调整包括磁力调整与工作台高度 位置调整。 在砂带对工件磨削时,工作台磁力太小,将无 法驱使工件与输送带同步通过磨削区域,甚至会使 工件沿砂带运动方向飞出去,造成工伤事故。但磁 力太大,又会增加皮带输送机的工作阻力。因此, 针对不同厚度尺寸工件的固定需要,工作台磁力应 能调整。该专用设备的工作台选用M 7120平面磨 床的工作台,采用工作台与帆布传送带间贴加非导 磁材料的办法,通过固定不同厚度的不锈钢板或四 氟塑料板,来调整工作台对工件的磁力大小。 在平板零件去毛刺磨削时,针对不同厚度的工 件,工作台相对磨削头的位置高度,需作相应调 整。另外,磨削力的大小很大程度取决于磨头对 工件的正压力,磨削力的调整,也需要由工作台 高度调整来实现。该专用设备的工作台高度位置 的调整,通过图1所示机构中蜗轮蜗杆和丝杠螺 母传动机构来实现。如图1所示,转动手轮驱动 蜗杆,带动蜗轮9转动。蜗轮9的中心加工有螺母 ,与螺母配合的丝杠与工作台固定在一起,由螺 母推动丝杠与工作台上下移动,由此实现工作台 高度方向的位置调整。由于丝杠螺母和蜗轮蜗杆 传动都有自锁性,且传动比大,故工作台位置及 磨削力调整可十分可靠。 3、磨削速度调整: 磨削速度是影响磨削力的另一个要素,针对不 同形状、尺寸的零件磨削要求,磨削速度应在一定 范围内可调。按图1所示的设计方案,砂带线速度 调节相对比较困难,故磨削速度可通过传送带线速 度的调整来实现。本设备的传送带主动轮,由电动 机通过一台锥形盘手动调速器驱动,故传送带的线范围内手动调整。 砂带磨削与砂轮磨削相比,工作效率高,设备 费用低,但由于机械振动问题和宽砂带制作自身质 量问题,平面磨削质量不如砂轮平面磨床的磨削质 量,故宽砂带磨削在金属表面加工的应用方面进展 迟缓。但本课题实践证明,砂带磨削去毛刺工艺还 是十分成功的。 思 考 题 1、简述与传统磨削工艺相比,宽砂带磨削的优势与 缺点。 2、简述宽砂带磨削需要解决的主要工艺难题。 七、堆垛机存取货叉行程增倍机构的设 计与应用 现代纺织业生产管理中,纺织产品和原材料采 用现代化立体仓库周转储运是发展方向,而且也最 具备实现的客观条件。现代储运立体仓库通常可分 为固定的立体货架和自动化堆垛机两部分,由堆垛 机实现物料自动化入库出库的动作要求。堆垛机的 主要机械动作有:转运车巷道运输行走,货物周转 箱自动提升下落,货叉伸缩向立体货架存物取货; 其中,货叉的自动伸缩机构设计难度最大,主要表 现为: 1)为了尽可能合理的利用立体货架空间,自动伸 缩货叉机构在满足刚度要求的前提下,应尽可能降 低自身高度,结构也不宜复杂庞大。 2)为使货物在立体货位上摆放整齐,稳定可靠, 货叉伸出行程应大于等于物品周转货箱的长度。 3)为使堆垛机存物取货动作灵活可靠,货叉伸缩 机构应尽可能减小摩擦阻力和机构运动间隙。 4)根据巷道堆垛机的工作空间限制,为使货叉结 构紧凑,尽可能降低造价,伸缩货叉的原动机应尽 可能重量轻,体积小,并能用最小的动作行程,满 足货叉双向伸缩的工作行程要求。 针对上述要求,笔者认识到:堆垛机伸缩货叉 必须采用一种能使原动机动作行程增倍的双向驱动 直线运动机构,为此,笔者的货叉伸缩设计方案选 择了齿轮齿条组成的直线、轮齿齿条组成的直线差动机构工作原理: 图1所示为一个双联齿轮和两个齿条组成的直线为从动齿 条,双联齿轮1的分度圆直径D1大于齿轮2的分度圆 直径D2,当滚动的双联齿轮的齿轮1沿固定齿条1滚 动时,由双联齿轮2驱动的从动齿条2将以双联齿轮 中心运动相反的方向水平移动。其相对运动的距离 :L=(D1-D2)πn ,式中n为双联齿轮转过的圈 数。按此计算公式,当双联齿轮D1=D2时,不论双 联齿轮转过的圈数为多少,齿条1与齿条2走过的相 对距离为零; 图2、直线、齿轮齿条直线所示为一个滚动齿轮和两个齿条组成的直 线差动机构,与图一相比,从动齿条2在滚动齿 轮的上方,根据相对运动原理,滚动齿轮与固定 齿条的节点为二者的速度瞬心,当滚动齿轮相对 于固定齿条1滚动时,从动齿条2将沿滚动齿轮中 心运动相同的方向,以滚动齿轮中心两倍的速度 平行移动。这样,就形成了从动齿条2相对于滚 动齿轮中心速度与行程的增倍机构,为满足堆垛 机货叉伸缩的动作要求提供了理论依据。 2、堆垛机三层货叉直线差动行程增倍机构的组成 与工作原理: 图3所示为一般设计人员最容易想到的存取货叉 机构,它以步进电机作为驱动元件,步进电机固定 在中间货叉3上,下叉8固定在堆垛机升降平台上, 下叉齿条5用螺栓固定在下叉上;与此对应,上叉2 上也固定有上叉齿条;这样,固定在中叉3上的步 进电机7直接驱动齿轮6,即可实现上叉2相对中叉3 物料集装箱;2.上叉;3.中叉;4.上叉齿条;5.下叉齿条;6.驱动齿轮;7.步进电机 ;8.下叉;9.导向滚轮。 图3.齿轮齿条直线差动行程增倍机构示意图 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 三层货叉结构设计 的直线差速平移运动。另外,在各层货叉间采用滚 动轴承作导向滚轮,一方面减小了相对运动的摩擦 阻力,减小了运动间隙,提高了直线差动行程增倍 货叉机构的运动精度、灵活性与可靠性。 该设计方案结构简单,动作平稳、灵活、准确; 适用于运动精度要求较高的中小零件立体库。但依 此方案为避免齿轮齿条啮合脱落,上叉2不可能充 分外伸到下叉8以外,可能会影响到物料集装箱1进 入立体库的准确位置要求。 为使上叉充分外伸,满足物料集装箱入库的自 动定位要求,可采用图4所示的四层货叉直线差动 增倍机构。该机构采用两套驱动齿轮,除步进电机 直联的主动齿轮6外,在第三层货叉上通过轴承座 12固定两个驱动齿轮13,在第二层货叉3与第四层 物料集装箱;2.第三层货叉;3.第二层货叉;4.三层货叉齿条;5.下叉齿条;6.驱动齿 轮;7.步进电机;8.下叉;9.导向滚轮;10.四层货叉齿条;11.四层货叉;12.四层货叉 驱动齿轮轴承座;13.四层货叉驱动齿轮;14.二层货叉固定齿条。 图4.四层货叉直线差动行程增倍机构示意图 货叉11间形成又一套直线差动行程增倍机构,由此 增加了上叉的外伸行程。但是,该结构的缺点也十 分明显,一方面使整个存取货机构更加复杂;另一 方面增加了货叉的自身高度,必将增加立体库每一 层的高度,增加了立体库无效存储空间的比例。另 外,上述两种设计方案均采用步进电机作驱动元件 ,成本太高,使众多用户望而却步。 图5所示为笔者设计的堆垛机三层货叉直线差 动机构,图a为三层货叉中间断面图。图c为三层货 叉伸展开的示意图;图b为三层货叉收缩后的结构 示意图。其固定货叉1固定在巷道转运小车的自动 上升降平台上;并在固定货叉1上安装有固定齿条 5和原动机—双向液压油缸3,在油缸两活塞杆端安 装有两个可转动的滚动齿轮4,滚动齿轮4上方设置 a) 图 3 三层直线差动货叉结构及工作原理示意图 、固定叉;2、链轮;3、双向油缸;4、滚动齿轮;5、下叉齿条; 6.上叉齿条;7.中间货叉;8、导向滚轮;9、链条;10、上叉; 11、上叉滚轮。12.链轮支承座; 有固定在中层货叉7上的从动齿条6,这样,当油缸 驱动齿轮4在固定齿条上滚动时,通过从动齿条驱 使中层货叉以活塞杆双倍的速度与行程沿滚轮中心 运动方向平移。 根据货叉存物取货的双向伸缩行程要求,采用 双层货叉行程增倍机构是不够的,还必须实现第三 层货叉的行程增倍直线差动。为了实现上层货叉的 增倍平移,笔者在中间货叉两端设置有两个可转动 的链轮,这两个链轮相当于滑轮组的两个动滑轮, 如图3b所示,与左端链轮啮合的链条分别固定在上 下货叉的右端;与右端链轮啮合的链条分别固定在 上下货叉的左端。这样链轮与链条传动就相当于齿 轮与两根柔性齿条的定比传动;与齿轮齿条传动时 ,速度、行程增倍机构原理相同,当中间货叉7水平 移动时,通过链轮链条传动,上叉10就以中间货 叉两倍的速度与行程沿滚轮中心移动方向水平移 动。这样,当双向油缸驱动活塞杆并滚动齿轮4 水平行走1/6固定货叉长度的行程时,中间货叉7 相对固定货叉1水平移动1/3的固定货叉长度行程; 而上叉8相对中间货叉5水平移动了2/3的固定货叉 长度行程;相对固定货叉1水平移动了一个固定货 叉长度行程,最终满足了货叉伸缩的行程动作要 求。同时,为了最大限度的缩小货叉机构的结构 尺寸,双向油缸的液压泵站设置在巷道转运小车 上。 三层货叉直线差动机构的结构特点如图3b所示, 在上叉的全部行程中,中间货叉5相对下叉1行走 1/3行程;上叉8相对中间货叉5行走2/3行程,上 叉与中间货叉之间;中间货叉与下叉之间均有合 适的导向接触面长度,保证了三层货叉伸出时的 相对刚度要求。最重要的是,三层货叉采用了齿 轮齿条组成的直线差动行程增倍机构,能使双向 驱动油缸用固定货叉自身长度的1/3动作行程,满 足上层货叉双向伸缩固定货叉自身长度的工作要 求,这是其他设计方案难以实现的。 笔者设计的链传动三层货叉直线差动机构,在 郑州纺织机械厂冷二分厂模具立体仓库和机加工二 分厂零件管理立体库中,经多年使用效果良好,而 且其结构紧凑,动作灵活,造价合理,受到了现场 工程技术人员的一致好评。 八、物流立体库的结构设计概述: 现代物业生产管理中,各种产品和原材料采用 现代化立体仓库周转储运是发展方向,现代储运立 体仓库通常可分为立体货架和自动化堆垛机两部分 ,按照货物存储方式,立体仓库又可分为货叉式和 辊道式两种;货叉式立体仓库的货架为固定钢架, 货架上不需要任何机械传动装置,由堆垛机实现物 料自动化入库出库的动作要求。堆垛机的主要机械 动作有:转运车巷道运输行走,货物周转箱自动提 升下落,货叉伸缩向立体货架存物取货;图一所示 为8列13行7层立体仓库总体结构示意图。 07 06 05 01、出库平板车; 02、货架; 03、堆垛机: 04、巷道地轨; 05、堆垛机底盘; 06、立柱; 07、天轨。 04 03 02 01 立体仓库示意图 立体仓库示意图 19 20 18 17 16 15 14 13 12 11 10 09 08 07 06 05 04 03 02 01 货叉式立体仓库机械传动机构原理图 01、地轨; 02、车轮; 03、链轮; 04、下平板; 05、链轮; 06、减速电机; 07、货架立柱; 08、货架承重横担 09、中间平板; 10、三层货叉机构 11、货盘; 12、配重; 13、链轮; 14、上平板; 15、支撑架; 16、天轮; 17、天轨固定钢架 18、天轨; 19、货叉提升电机 20、导向立柱。 如图所示为单轨货叉式立体仓库一个巷道存货 单元的机械传动结构图,下底盘04采用带编码器的 减速电机06通过链传动驱动,由程序控制实现巷道 车在同一排巷道内的行走,用光电开关或干簧管实 现巷道内行走的认址定位;由于下底盘是双轮单轨 行走,重心又高,为保证堆垛机巷内行走的安全稳 定性,在货架上空固定有工字钢制成的天轨18,由 堆垛机上平板14处设置的天轮16导向,来保障巷道 车行走的稳定性要求。上下平板间采用双立柱支撑 ,同时双圆立柱20也作为货叉升降的导柱。货叉10 的升降与定位方案与下平板原理相同,只是程序要 复杂一些,因为货叉上升的货位高度应略高于货架 指定层高10--20毫米,使货叉伸出时与货架悬空, 以避免与货架干涉并减小货叉的伸缩阻力;待货叉 伸缩到位后由升降系统控制下降20—30毫米,将货 盘(料箱)11放置在货架的承重横担08上,与此同 时,货叉与料箱脱离接触,货叉悬空收缩回到原始 位置。因此,货叉堆垛机每一次存放货物的顺序动 作应该是:①将物品货盘放置在货叉上(货叉处于 原始收缩状态);②由行走机构驱使堆垛机行走到 指定的行位;③由升降机构提升货盘到指定的层位 ;④货叉10伸出,将货盘11送入指定的货位;⑤升 降机下降15—25毫米,将货盘11放置在货架的承重 横担上,使货盘与货叉脱离;⑥货叉缩回到原始状 态;⑦货叉再次下降到堆垛机合适的原始高度;⑧ 堆垛机行走出巷,回到原始位置,准备执行下一个 任务指令。 货盘的升降采用链传动方案:在上平板上设置 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 三层货叉结构设计 有带编码器的减速电机19,通过上平板处的链轮 提升系统13,实现中间平板 09两个(或四个)受 力吊点的同步升降;在固定有三层货叉的中间平 板09上,设置有轴瓦式导向机构,以实现货盘升 降时的平稳、顺畅。另外为减轻货盘升降阻力, 在链轮提升系统的一端,还设置有配重12,以平 衡中间平板和三层货叉的自重。 图3所示为三层货叉结构和工作原理图,它以 带编码器的减速电机7作为驱动元件,减速电机7 固定在中间货叉3上,下叉8固定在堆垛机升降平 台09上,下叉齿条5用螺栓固定在下叉8上;与此 对应,上叉2上也固定有上叉齿条4;这样,固定 在中叉3上的减速电机7直接驱动齿轮6,即可实现 上叉2相对中叉3的直线差速平移运动。另外,在各 层货叉间采用滚动轴承作导向滚轮,一方面减小了 相对运动的摩擦阻力,减小了运动间隙,提高了直 线差动行程增倍货叉机构的运动精度、灵活性与可 靠性。 货叉式立体仓库的优点是:货架结构简单,总 体造价相对较低,所有机械故障全部集中在堆垛机 上,故障率较低;机械维护比较方便。因此一般的 货盘;2.上叉;3.中叉;4.上叉齿条;5.下叉齿条;6.驱动齿轮;7.减速电机;8.下叉 ;9.导向滚轮。 图3.齿轮齿条直线差动行程增倍机构示意图 中小型物品存放,多采用货叉式立体仓库。 货叉式立体仓库的缺点是:当物品体积庞大, 重量超重(超过500公斤)时,可能使货叉伸缩行 程过长,刚性不足;影响货叉动作的准确性和灵活 性;同时,由于货叉的存取动作需要一定的空间, 这对于每一个货位可能算不了什么,但对于整个立 体仓库而言,空间浪费太大。另外,三层货叉采用 的是行程增倍机构,当存物太重时,物体的惯性可 能影响堆垛机动作的平稳性。因此生产实践中,对 于一些超大超重的物品存放,多采用辊道式立体仓 库。 辊道式立体仓库的总体布局,行走、升降机构 的动作原理、定位形式与前面所述的货叉式立体仓 库大致相同,只是货架结构和堆垛机货盘存取托辊 驱动机构有较大的差异。 如图所示为钢板立体库的货盘,针对薄钢板存 放重量、尺寸大,钢性差的特点,货盘底部用方钢 管焊接形成承重框架,以满足整叠钢板储运过程中 的强度刚度要求;而用薄钢板焊接形成的货盘,只 起到限位导向作用。 图示钢板存放辊道式立体仓库,每一行两边分 别各设置有一台减速电机22,通过立轴02、圆锥齿 轮03、04;可驱动该行每一层的货架上的每一个承 重横托辊同步转动,在每一个货架存储单元内有一 根横轴07,横轴07上装有一个电磁离合器05和两个 链轮06,当该存货单元的电磁离合器05按控制指令 吸合时,可将立轴02的转动通过横轴上的两个链轮 经链传动传递给每一个承重横托辊11,实现该存货 钢板存放货盘 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 0216 03 12 17 18 19 14 15 08 01 20 09 21 22 25 26 23 24 01、天轨; 02、立轴; 03、圆锥齿轮; 04、圆锥齿轮; 05、电磁离合器; 06、链轮; 07、横轴; 08、天轮; 09、货盘存取托辊 机构升降驱动电机 10、横轴; 11、货架横托辊; 12、链轮; 13、天轨固定钢架 14、丝杠驱动齿轮 15、圆锥齿轮; 16、联轴器; 17、导向立式托辊 18、导向立柱; 19、货盘存取托辊 机构升降传动丝杠 20、上平板; 21、底盘; 22、货架托辊驱动 减速电机; 23、货盘存取驱动 托辊机构; 24、底盘驱动电机 25、货盘; 26、货架固定立撑 辊道式立体仓库机械传动系统图 29 18 17 19 12 25 27 12 11 28 23 07 27 06 05 04 03 17 03、圆锥齿轮; 04、圆锥齿轮; 05、电磁离合器; 06、链轮; 07、横轴; 11、货盘驱动横 托辊; 12、链轮; 17、货盘导向立 托辊; 18、导向立柱; 19、货盘存取驱动 托辊机构升降 传动丝杠。 23、货盘存取驱动 托辊机构; 27、轴承座; 28、制动插销排; 29、导向轮机构; 货架俯视平面和堆垛机货盘存取驱动托辊机构平面图。 单元内所有承重横托辊的同步转动,进而完成该单 元内货盘的进库出库任务;反之,如果该存货单元 的电磁离合器没有吸合,则该存货单元内装在横轴 上的圆锥齿轮04要么不转(该行货架没有接到动作 指令,电机22并立轴02处于静止状态),要么空转 (该行某一层存货单元有存取货物的动作要求); 此时横轴07上的链轮06和该存货单元内的所有承重 横托辊处于静止状态。为了避免货盘进出货架时走 偏,造成货盘与货架干涉,甚至货盘被卡死,在货 架上还设置有多个无动力驱动的立式导向托辊17, 十分有效的限制货盘进出方向。同时,为了防止货 架上现存的货盘在机械振动条件下自动出库,造成 不应有的事故,货架的后部设置有固定立撑26,作 为货盘入库的死限位;货架前部(面临堆垛机处) 设置有制动插销排,作为安全防护装置,它由弹簧 顶出,可用电磁铁吸合复位。 与前述货叉式立体库不同的是,钢板立体库的 堆垛机采用货盘存取辊道驱动机构,采用单独的减 速电机,可驱使货盘承重辊道双向同步转动,以完 成货盘在库内双向存取的动作要求。其货架和堆垛 机存取货机构的平面结构如图所示,其货盘导向与 安全制动防护装置,与前述货架相同。 另外,堆垛机存取货托辊驱动机构的升降,采 用丝杠螺母传动来实现,在堆垛机上平板处有一台 固定的减速电机,通过圆锥齿轮驱动横轴10转动; 在横轴10的两端固定有两个圆锥齿轮15,可驱使与 两根丝杠19一体的圆锥齿轮14同步转动;在存取或 托辊驱动平台23上与两丝杠配合处,固定有两个螺 母,受导向轮机构29的制约,当两丝杠19同步转动 时,存取货托辊驱动平台23只能沿丝杠轴线方向升 降平移。导向轮29采用偏心轴调整导向间隙,提高 了平台23的导向精度与操作的方便程度。 与货叉式立体仓库相比,辊道式立体仓库的堆 垛机结构简单,动作平稳、可靠,动作空间小,整 体空间利用率高,在存取货物的过程中,由于导向 、防护限位机构的作用,辊道的转动限制比较灵活 ,降低了对辊道驱动电机的控制要求和难度,给整 体设备的自动控制创造了更大的操作发展空间;其 缺点是:每一个货位都要有一套辊道驱动装置,每 一行货架都设置有两台驱动电机,货架整体造价较 高;同时也给后续的设备维护,故障检测排除增加 了费用和难度。 正确可靠地存取货箱,准确地认址定位是关 键。认址方法是:在巷道地基上相对于每列货 格安装一固定的认址片(挡板),在堆垛机底部安 装4个光电开关(GDI和GD2)与(GD3和GD4)随堆垛 机一起前后运动,每经过一列货格,光电开关通 过认址档板发出一脉冲信号到PLC,从而达到列认 址目的;同样,在堆垛机立柱上相对干每一层安 装一认址片,在其升降台安装光电开关GD5和GD6 随升降台一起上下运动,达到层认址的目的。光 电开关的脉冲输入信号作为PLC内部认址计数器的 计数信号,计数器的当前值作为速度控制的据。 当堆垛机到达目的货格即计数器的计数值计到零 时,发出停车信号使其停止运行。升降台上的光 电开关GD3又用PLC内部的计数器接收光电脉冲, 升降台每经过一层,计数器减1计数,从而达到层 方向认址的目的。 堆垛机对其定位精度要求是很高的。比如列定 位,要求堆垛机能停在目的列货格的中心线mm。否则,由于误差的积累,在货叉存 取货箱时易碰到货架或发生其他事故。但是发出停 车信号后,堆垛机由于惯性还会滑行一点,这样, 光靠计数认址很难达到精确定位的目的。为此我们 把认址结构片做成如下图1所示的形式。用1号光电 开关作为认址计数开关,计数到零时发出停车信 号,然后再利用1号和2号开关作精确定位。如果1 号2号开关同时有信号,说明已停准;如果只2号开 关有信号,说明己超过,点动堆垛机回退,再检测 比较;如果只1号开关有信号,说明还未到中心 点,点动堆垛机前进,再检测比较;这样达到准确 定位的目的。 GD1 GD2 思 考 题 1、简述立体仓库的基本结构、组成、功能和实用意义。 2、简述三层货叉机构的工作原理。 3、简述四层、五层货叉机构的优缺点。 4、简述辊道式立体仓库的优缺点。 5、简述立体仓库堆垛机的基本动作要求与实施措施。 6、简述堆垛机的基本认址原理。 九、轮胎立体仓库的结构设计研讨 一、轮胎传统存放方式存在的问题; 传统轮胎的存放比较简单,多是直接堆放在库房中, 带来的问题是: 1、轮胎的出入库总是先进后出,最先入库的轮胎总是堆 放在库房的最里头、最下头,最不容易取出的角落里,橡 胶的自然老化,会直接影响轮胎的使用; 2、无法合理的利用库房空间,杂乱无章的堆放,高度低了 不能合理利用空间;高度高了,存取困难;另外,重力造 成轮胎堆放过程中的挤压变形,也不利于轮胎的使用。 3、不利于盘存清点,容易造成管理混乱。为此,不论是轮 胎的生产部门,还是轮胎的经销、使用部门,也都期望着 一种更加合理的轮胎存放方式和结构合理的立体仓库[1]。 二、轮胎立体库的可行性分析及结构方案设计; 根据轮胎的外形特点,轮胎的立体存放具有许多其他产 品没有的优点: 1、轮胎可借助于重力作用,在有斜度的平面滚道内动; 其出库比其他物品更容易。 2、轮胎存取不需要专用托盘[2],这样既节省了货架的空 间高度,又降低了立体仓库的管理用,对于堆垛机的动 作要求也降低了难度要求[2]。 3、轮胎具有弹性,不怕磕碰,重量有限,中间圆孔有利 于多层货叉的存取操作。 由此,笔者提出了轮胎立体仓库的结构方案,如图一 所示: 一般货物立体仓库内的货架分为行、排、层,堆垛机 占据的巷道为行,每一部堆垛机负责左右两行货架上的 货物存取;每一行货架又分为若干排,堆垛机在巷道内 从外向里纵向行走,目的是将货物送达指定的排位;每 一排位又分为若干层,图一所示的货架为四层(最下层 堆垛机因高度限制,无法将货物向货架内 存取,所以可视为无效层);每一层的送达是通过堆垛机 升降认址来实现的;当堆垛机到达指定的排层货位后,由 多层货叉机构双向伸缩将货箱送入指定的货位,完成一次 货物的存放动作要求。与其他货架不同的是,轮胎立体库 又将每一排层货位分为若干列,图一所示的立体库分为11 列,每个轮胎只占据货架的某一行、一排、一层、一列货 位,这样有利于每一个轮胎的单独存取操作、管理。当然 只有每一列的轮胎存取必须由外向内进行。 01 02 03 04 05 06 07 08 14 13 12 11 10 09 图一 轮胎立体仓库主视图 01堆垛机中间平板及多层货叉;02堆垛机立柱;03天轨;04天轮;05堆垛机上平板; 06立体库天梁;07入库存放轮胎;08立体库货架;09堆垛机下平板;10巷道行走驱动链 轮;11驱动轮轴承座;12巷道行走驱动轮;13地轨;14巷道行走驱动减速电机。 入库轮胎吊挂在堆垛机的多层货叉上,由堆垛机经巷 道行走、提升,用多层货叉送入立体库货架中。即使象其 他物品存取方式一样,由于不需要货盘,轮胎圆孔可自动 对中、定心;货架的结构可以相对简单,由于多层货叉伸 缩+货盘高度、造成的货架内高度空间浪费[3],在轮胎立 体库中可减小为零。这是其他物品立体库存放货架无法实 现的。当然其缺陷也是显而易见的:由于轮胎需要吊挂在 货叉两侧,不像其他货物的货盘,料箱是放置在中间平板 多层货叉的正中间,因此,巷道的宽度相对较大,从本质 上说,也是对立体仓库总体空间的一种浪费[3];此外, 堆垛机多层货叉虽然可以双向伸缩,但是每一次存放轮胎 时,轮胎只能吊挂在货叉的某一侧(不能双侧吊挂,否则 向货架内存放时,必然有一侧轮胎会掉落),所以每一次 存放轮胎时,货叉只能向挂轮胎的一侧方向伸缩。其三, 用堆垛机存取轮胎,工作效率不够高。为了提高轮胎的出 库效率,针对轮胎的外形特点,笔者对轮胎库货架,作了 进一步设计改进,如图二所示; 01 02 03 04 05 06 07 图二、轮胎立体库左视图. 01气动推杆;02库内轮胎;03气动插板1;04斜板; 05气动插板2;06气动插板3;07气动插板。 图二为轮胎立体库的左视图,用多层货叉送入立体库货 架的轮胎先停放在货架的最里头,气动插板1的作用是稳 定轮胎,防止轮胎如库后滚动,造成货叉下降时轮胎与 货叉接触,影响货叉出库。当多层货叉退出货架后,气 动插板1回缩,用气动推杆01推动轮胎进入货架斜板04, 轮胎沿着库内斜面向下滚动。轮胎出库时,根据出库数 量的要求,协调气动插板2,气动插板3的动作来完成。 如要出库3个轮胎,可依次回缩1、2、3层的气动插板3 ,则1、2、3层最后面的轮胎就会排队下落到出口;再 缩回气动插板4,三的个轮胎就会自动从立体库中出来。 如果要出库6个轮胎,先依次缩回四层末端的气动插板3 ,依次放出4个轮胎,等四层末端的气动插板3复位后, 再依次缩回1,2层的气动插板2,使1、2层的轮胎全部 下滚到末端,让1、2层的气动插板2复位阻隔后续的轮 胎后,再依次缩回1、2层末端的气动插板3,依次再放出 两个轮胎。采用此货架方案,大大加快了轮胎的出库效 率,也使货架的结构更为简单,造价和安装制造精度要 求大为降低。此外,轮胎的入库行程,全部限于最里头 的一排,进而简化了堆垛机的巷道行走控制要求。 作为轮胎立体仓库,另一个关键的要害机构是堆垛机 的多层货叉存取货机构。它不仅要满足双向伸缩动作要求 ,还要使货叉的伸缩距离尽可能大,以最大限度的提高库 房总体存货效能。笔者设计的三层货叉存取货机构及工作 原理[4],可见本刊2005年第3期;笔者设计的四层货叉存 取货机构,如图三所示: 07 06 05 04 03 02 01 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 图三 四层货叉存取货机构 01中间平板及固定一层货叉;02 一、二层货叉间导向滚轮;03 固定叉上齿条; 04 二层货叉;05 驱动电机;06 驱动齿轮;07 二、三层货叉间导向齿轮; 08 三层货叉上齿条;09 三层货叉;10 三、四层货叉间导向滚轮;11四层货叉; 12 三层货叉上轴承座;13四层货叉上齿条;14 三层货叉上驱动齿轮;15 二层 货叉上齿条;16 固定叉上导向槽;17 入库轮胎。 根据三层货叉齿轮齿条传动增倍原理[4],固定在二 层货叉上的驱动电机05并驱动齿轮06转动时,将驱动第 三层货叉以二层货叉两倍的速度和位移前行;同样二、 三、四层货叉组成的三层货叉机构也推动第四层货叉以 第三层货叉两倍的速度和位移向前伸出,实现比三层货 叉[4]更大的工作行程。值得说明的是:图三所示的四层 货叉机构,因为自身高度大于三层货叉机构,用在其他 物品存放的立体仓库中,将增加每层货架内的无效空间 高度,影响了立体仓库的综合利用空间[3],所以在大 多数堆垛机上应用不多;在轮胎立体库中,四层货叉伸 入轮胎的圆孔中心,在圆孔空间允许的前提下,可显著 增加货叉伸缩行程[5],十分有效地提高了库房总体存 货效能。其次,四层货叉采用非对称结构设计,主要是 为了减小货叉宽度,以利于轮胎圆孔内的伸缩动作。为 了减小相邻货叉间滑移运动的摩擦阻力,在相邻货叉间 的滑移滚道上,设置有滚动轴承制作的导向滚轮,最大 限度的减小了货叉伸缩的的运动阻力;同时也有效减小 了货叉间的运动间隙。图四为四层货叉机构展开后的示 意图。从图中可以看出,由于轮胎是吊挂在堆垛机货叉 的两头,第一、二、三、四层货叉的外伸端全部插在轮 胎的圆孔内。当四层货叉伸出展开时,由于第二层、第 三层货叉驱动齿轮非对称外伸的部分结构,始终不与轮 胎接触,不会造成轮胎入库、出库的运动干涉。 16 01 02 04 07 06 05 09 10 14 11 17 图四 、四层货叉机构展开图 01堆垛机中间平板及固定第一层货叉;02一、二层货叉间的导向滚轮;04 第二层货叉 05驱动电机;06驱动齿轮;07二、三层货叉间的导向滚轮;09第三层货叉;10三、四货 叉间的导向滚轮。11第四层货叉;14第三层货叉上的驱动齿轮;17入库轮胎。 图五 三、四层货叉机构的伸缩行程长度比较 图五所示为三、四层货叉伸缩的行程长度比较:根据 三层货叉齿轮齿条增倍行程的动作原理,为避免齿轮齿条 脱节,图中第一、三层的重合长度B不得小于100mm;假设 图中A=1000mm,则三层货叉的外伸长度不得大于900mm, 这就意味着三层货叉上的货盘长度必须小于900mm,否则, 由货叉送入的货盘,有一部分会露出货架,造成堆垛机再 次存取货物的运动干涉。(即使这样,存放货物时,货盘 还必须仔细对齐的放在货叉将要伸出的一侧,否则还须再 缩短货盘长度尺寸)这就很大程度的影响了立体仓库的库 存效能。 采用四层货叉机构,在B大于100mm的前提下,按照前 述假设尺寸,第四层货叉的外伸长度D可达到1200mm,所 增加的300mm相对长度,不仅可把与货叉长度(1000mm) 相当的货盘轻易送入货架(不产生任何干涉),对于轮胎 立体库来说,还可以增加货架的列位数,减少行位数,进 而减少堆垛机数量,可有效降低轮胎立体库的的总体造价 ,有效增加轮胎库容量,有效提高了轮胎立体库的整体库 存效能。 参照四层货叉机构的传动原理,在货叉动作高度许可的 条件下,还可以设计五层、六层货叉机构,有效增加货叉 伸缩的距离长度。但多层货叉自身的叠加高度和外伸后的 整体刚度,以及个层货叉间运动间隙的叠加累计误差,是 制约四层以上货叉机构应用的技术关键。 三、结语: 笔者设计的轮胎立体仓库,可作为综合立体仓库的部 分单元结构,也可作为专用轮胎立体仓库的建设方案;采 用此设计方案可合理存取轮胎,推陈出新,避免入库轮胎 先进后出的弊端;可大大提高轮胎出库效率,降低工人的 劳动强度,改善工人的工作条件;采用相关的自动化检测 装置,借助于计算机应用技术的帮助功能,可自动盘存清 点,随机显示整体库存,实现立体库的全方位现代化管理 思 考 题 1、与前面所述立体仓库所存放物品相比,轮胎有哪些特 殊的差异?(从立体库存放特点而言) 2、轮胎采用立体库存放,有哪些优越性? 3、文中所述轮胎立体库的结构特点有哪些? 4、在库容量一定的前提下,如何降低轮胎立体库的造价? 5、为什么轮胎立体库的存取货机构采用非对称形式?它是 优点吗? 十、双环转盘式轿车存放立体库的研究与分析 1、建造立体车库的意义: 随着现代汽车工业的高速发展和人民生活水平 的提高,大型商场、会场门前的停车,越来越成为 迫切需要解决的问题。目前许多商场、会场门前的 停车场,占据了太多的空间场地,既影响了市容交 通,又带来了许多安全事故隐患。因此,立体库存 车方案,越来越受到社会的广泛关注;目前网上报 道的立体车库,需由专用牵引车,将客户的车体牵 引到车库设定的车位;工作效率低,成本高,占地 面积大,自动化程度低,而且外观形象太差,并没 有受到社会的青睐。为了更好的解决停车问题,笔 者提出了旋转式立体车库的设计构想。 2、旋转式立体车库的设计方案: 笔者的旋转式立体车库设计方案如图一所示, 车库为双环8层立体结构,外环大径35米,小径25 米;内环大径24、9米,小径14米;车库内外圈各 有一个汽车升降机构。外圈的升降机构专用于汽车 提升,内圈的升降机构专用于汽车下降。另外,在 车库的四周还设置有若干专供司机出入的电梯。当 一辆外来的汽车需要停车时,司机可在车库某一指 定的管理位置领到一个车牌,上面写着该车应该停 泊的库层车位,汽车排队由外圈提升机将该车连同 司机一起提升到指定的库层,在车体上升时,车库 已按车库管理中心的信号,将设定的空位转到提升 机门口。在提升机与车库一起停稳后,由司机本人 将车开到车牌指定的车位,将车锁定后,通过其它 外环车库;2、内环车库;3、固定环形通道;4、载车下降电梯 ;5、乘客电梯;6、载车主下降电梯;7、载车提升电梯。 图一、双环旋转式立体车库平面布局图。 乘人电梯下降到地下层,离开车库;取车时,也在 底下层由乘人电梯上升,按车牌找到自己的车位, 上车后,用车牌发出离库信号;车库计算中心接受 到信号后,按先后顺序排序操作,由计算中心控制 双环车库,以最短的路径为司机准备好出库通道。 此时,内圈的升降机构也停在相应位置,开门迎候 司机出库。当司机接受到计算中心发出的出库指令 时,将车开进内圈的出库升降机构,下降到地下车 库;由底下专用车道离开车库,由此完成旋转式立 体车库的一次存取车过程。 二、旋转式立体车库的可行性分析 按上述设计方案,每个车位为一扇形面。假如 每个车位以小径处3米长为界,内环可设置14个车 位,外环可设置26个车位(按小轿车型设计,车 长小于5米);内环预留3个车位作机动通道,每层 可存放37辆车,全库地上八层可存放296辆车。按 每辆泊车占地3米×6米=18平方米,962平方米的圆 形立体车库可代替5328平方米的平面停车场地。而 且商场、会场前,一个圆形立体车库,近2000平方 米的广告面积,带来的广告效应与经济效益,也是 十分可观的。 作为存车的客户,存车、取车由车主与管理控 制中心协调进行,比较符合车主的心理;车体进入 车库后,就象进入了一个黑箱,除司机外,没人知 道车体的准确位置,增加了存车的安全性,盗贼即 使有偷车的妄想,没有车牌也无法将车开出车库。 另外,因车主参与了整个存取过程,可最大限度的 简化车库的设置与机构(不再需要其他的牵引装置 与机构),减少了车库的管理人员。 3、几个相关的技术问题与对策 1)车库旋转驱动功率: 由于旋转立体车库为焊接刚架结构,假设内环 自重30吨,外环自重50吨,加上存车重量,内环 11X1.5X8=132吨;外环26X1.5X8=312吨,要使立 体车库转动,需要很大的动力。为了最大限度的减 少工作负载,立体车库底盘采用V型环滚道加钢球 滚动体,组成平面推力滚动轴承结构;设滚动摩擦 系数为0.05;则形成:内圈负载力矩T1=(132+30) X10000X7X0.05=567000NM;外圈负载力矩 T2 = (312+50)X10000X17.5X0.05=3167500NM,按内 圈线V/πD1= 60X0.2/14 π = 0.273 r/min; n2= 60V/π D2= 60X0.3/35 π = 0.164 r/min; P1= 567000X0.273/9550 = 16.2KW; P2 =3167500X0.164/9550 = 54.4KW .旋转立体车 库的驱动功率在常规可接受的范围以内。 2)传动方案: 按常规设计方案,要使底盘旋转,最容易想到 的是减速电机加齿轮传动。因为底盘齿圈最大外径 为35米,如此大的齿圈,加工难度大,成本费用 高,现场安装精度(多块对接园整精度)难以保 证;为了最大限度的降低成本,笔者的设计方案如 图二所示:采用链轮滚柱传动,在上底盘V型环轨 道外侧,加工一环型槽,零件图如图三所示:在环 槽上按1″链节距(25、4毫米)打4325个Φ15.88 外环底板;2、内环底板;3、立柱;4、基础地板;5、钢球;6、上底板V形环槽;7、下底 板V形环槽;8、油马达;9、链轮;10、支承架。 图二、双环旋转立体车库底盘驱动示意图 图三、上底盘V形环槽截面示意图 mm的圆孔,安装4325个圆柱销,用圆柱销槽轮代替 大齿圈;虽然V型环轨道和大型环槽都需要数控加 工,都有对接难度,但是比大齿圈加工制造成本要 低许多,也降低了安装精度要求。另外,转盘式立 体车库要求驱动功率太大,减速机构庞大,至少结 构设计比较困难,外形也太不美观;为了简化传动 机构,笔者的设计方案采用油马达驱动主动链轮, 并由此驱动环槽滚柱转动。为使结构美观,驱动可 靠,底盘环槽滚柱可采用3—5处油马达串联驱动, 这样也有利于速度,驱动功率的调整。按前面所述 传动方案,双环转盘式立体车库需要两套液压驱动 系统驱动内外两环转盘;液压泵站可设置在较远处 ,可增加美。

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