伸缩式双悬臂货架的设计与应用

2020-02-06张一ZHANGYi熊运昌XIONGYunchang刘书欣LIUShuxin

价值工程 2020年35期

张一ZHANG Yi；熊运昌XIONG Yun-chang；刘书欣LIU Shu-xin

（①南阳理工学院，南阳473004；②河南欣欣粮油设备有限公司，南阳473200）

0 引言

近年来，随着我国机械制造业的不断发展，国内对长物料的需求越来越大，例如面粉厂中的风网管道、物料管道以及钢铁厂生产的型材等等。大多数的中小企业就这些货品的存放比较凌乱的，直接放在地面堆放在一起，这样不仅浪费大量的面积，显得车间杂乱无章，还造成了使用过程中的取货不便，降低生产效率。因此在企业的发展过程中货架是必不可少的。对于生产长物料、钢板的企业和卖家的对悬臂式货架的需求就更大了。悬臂式货架的设计出发点就是为了适用于存放长物料、板材及管材。悬臂式货架具有结构稳定性较强、载重能力好和空间利用率高等特点。

为解决传统悬臂式货架的弊端，在参考市面上原有的悬臂式货架下进行了改进设计。本课题研究设计了一种伸缩式双悬臂货架，克服了原本悬臂式货架在使用方面需要配合叉车，要给叉车留巷道的问题，并且可以同时存放多种型号的钢管和钢板，提高车间内土地的使用效率，也让车间变得更干净卫生。

1 总体方案及关键部分设计

1.1 货架的整体布局及工作原理

为满足伸缩式双悬臂货架的设计要求，在整体结构布局中设计为三层。第一层和第二层各设计两个存货位，这四个存货位用来存放钢管。顶层设计一个存货位用来放置钢板。伸缩式双悬臂货架的整体结构模型如图1 所示。

图1 伸缩式双悬臂货架三维建模

整体框架采用四根槽钢、七根工字钢以及多根撑构成。关键传动部分采用的是齿条齿轮传动方式，同层存货位传动采用的是链条式联轴器进行各个存货位之间的同步传动。最外侧的两根槽钢上安装的为动力源部分，由人工手摇通过链传递变速将动力传递到存货位处的齿轮轴所在的轴线上带动齿轮的转动，齿轮转动使上面的齿轮进行移动从而将存货位在固定悬臂上进行伸出和缩入运动。

伸缩式双悬臂货架的工作原理为：一端外立柱上安装有一个小链轮和大链轮，由单排链进行传动，小链轮带动大链轮。大链轮所在的轴上有一个小链轮，这个小链轮和传动轴上的同型号小链轮通过链式联轴器连接进行传动动力。内立柱上有伸出的固定悬臂，固定悬臂上安装的有齿轮，齿轮所在的轴上装有链轮，链轮通过链式联轴器和传动轴相连。这样外立柱上链轮的动力就传到了齿轮上，固定悬臂上是可以伸缩的存货位，存货位上安装的有齿条，放在齿轮上面。齿轮带动齿条，齿条所在的存货位就可以进行伸缩了。

1.2 动力源部分的设计

动力源的方式方式为链传动，由两个链轮和绕在两轮上的中间绕行件——链条所组成。靠链条与链轮之间的啮合来传递两上下分布的平行轴之间的运动和动力，属于具有啮合性质的强迫传动。其中，本课题所采用为应用较广泛的滚子链传动。

根据机械设计手册对动力源部分的链轮和轴进行设计并校核。外立柱上的大链轮外径150mm 左右，小链轮的外径90mm 左右。参考表1 选择小链轮的代号为08B-21，大链轮的代号为08B-36。代号为08B 的链轮材质为45#，热处理方式为齿部高频淬火HRC35-45，表面发黑处理。

表1 08B 系列链轮代号及主要尺寸

并且进行了链轮主要尺寸的验算如下：

分度圆直径：

齿顶圆直径：

小链轮da1max=d1+1.25p-d0=85.21+1.25×12.7-8.51=92.6mm

大链轮da2max=d2+1.25p-d0=145.72+1.25×12.7-8.51=153.1mm

齿根圆直径：

小链轮df1=d1-d0=85.21-8.51=76.7mm

大链轮df2=d2-d0=145.72-8.51=137.21mm

注：p 为链节距，z 为链齿数，d0为链条滚子直径，单位为mm。

按照设计计算结果对比可得，08B 系列链轮符合伸缩式双悬臂货架的制作要求，可作为外购件，在后续确定轴孔尺寸和键槽尺寸后进行购买使用，并且依据设计对动力源部分进行加工。

1.3 存货位部分的设计

存货位的移动靠的是齿轮齿条传动方式，存货位上安装齿条，固定悬臂上安装齿轮轴，存货位在固定悬臂上伸缩移动形成可伸缩悬臂。主要是靠中间传动部分将动力源处的转动传递到齿轮轴上使齿轮转动带动齿条的移动。

根据《机械设计手册》中齿轮传动部分设计并结合本货架的传动实际，选用的触动方式为直齿圆柱齿轮齿条传动，由于本货架的传动速度不高，故选用7 级精度（GB10095-88）。根据《机械设计》中齿轮齿条材料选择原则，选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度要求为28-32HRC。齿条材料为45 号钢（调质），硬度要求为28-32HRC。材料为40Cr 合金钢的齿轮，当840-860℃油淬，540-620℃回火时，调质硬度可达28-32HRC，可改善组织、提高综合机械性能；选小齿轮齿数Z1=25。根据存货位的伸出长度选择齿条的长度为900mm。

按齿面接触强度进行齿轮和齿条和设计，并且进行校核设计出图纸并加工出齿轮和齿条。将存货位传动部分所需的零部件进行安装。

齿条固定在存货位底部形成一个整体，齿轮安装在轴上和齿条进行传动，左右两边为两个轴承，一是可以起到限位作用，防止齿轮在轴上错位；二是防止存货位上的力通过齿条直接压在齿轮上增加摩擦力，可以增加传动效率，保护齿轮齿条的作用。轴的两端为两个链轮，和传动部分的链轮连接，将动力源部分的转动传递到存货位处。

2 货架主体结构设计

根据CECS23-1990《钢货架结构设计规范》及GBJ17-1988《钢结构的设计规范》，按货架型材的强度标准（N/mm2）GB6723-86 指标选择内立柱为Q195-235 的冷弯型钢。查表2 得Q235 冷弯型钢的抗拉、抗压、抗弯为f=205N/mm2，抗剪为fv=120N/mm2，端面承压fce=310N/mm2。所以选择工字钢的型号为GB/T706-2016Ⅰ20b。

表2 钢材的强度设计值（N/mm2）

工字钢的型号选择为GB/T706-2016Ⅰ20b，上面焊接钢板用来和固定悬臂连接，一端焊接底板一端焊接顶板并增加肋板以保证其稳定性。工字钢上焊接的钢板作为连接板，由于固定悬臂和内立柱的连接方式为螺栓连接，所以连接板上应加工出孔。在通过对内立柱和固定悬臂整体受力分析，依照CECS23-1990《钢货架结构设计规》中螺栓的抗剪设计承载力逆推出选用8 个8.8 级M12 的螺栓。连接板选用的为8 个厚的钢板，上面螺栓孔的加工方式采用的激光切割，这样加工出来的孔的位置和大小都更精准，便于与固定悬臂上的连接板进行连接。在内立柱的制作过程中需要先将焊接在工字钢上的底板、顶板、肋板连接板使用激光切割机加工出备料，然后将角铁使用卧式锯床截出来所需的长度再在上面钻孔，最终依次按照图纸将这些配件焊接在工字钢上。单个伸缩式双悬臂货架需要七根内立柱。内立柱间用横撑和斜撑进行连接成一个整体，增加整体的强度和稳定性。