伸縮式雙懸臂貨架的設計與應用

張一ZHANG Yi；熊運昌XIONG Yun-chang；劉書欣LIU Shu-xin

（①南陽理工學院，南陽473004；②河南欣欣糧油設備有限公司，南陽473200）

0 引言

近年來，隨著我國機械制造業的不斷發展，國內對長物料的需求越來越大，例如面粉廠中的風網管道、物料管道以及鋼鐵廠生產的型材等等。大多數的中小企業就這些貨品的存放比較凌亂的，直接放在地面堆放在一起，這樣不僅浪費大量的面積，顯得車間雜亂無章，還造成了使用過程中的取貨不便，降低生產效率。因此在企業的發展過程中貨架是必不可少的。對于生產長物料、鋼板的企業和賣家的對懸臂式貨架的需求就更大了。懸臂式貨架的設計出發點就是為了適用于存放長物料、板材及管材。懸臂式貨架具有結構穩定性較強、載重能力好和空間利用率高等特點。

為解決傳統懸臂式貨架的弊端，在參考市面上原有的懸臂式貨架下進行了改進設計。本課題研究設計了一種伸縮式雙懸臂貨架，克服了原本懸臂式貨架在使用方面需要配合叉車，要給叉車留巷道的問題，并且可以同時存放多種型號的鋼管和鋼板，提高車間內土地的使用效率，也讓車間變得更干凈衛生。

1 總體方案及關鍵部分設計

1.1 貨架的整體布局及工作原理

為滿足伸縮式雙懸臂貨架的設計要求，在整體結構布局中設計為三層。第一層和第二層各設計兩個存貨位，這四個存貨位用來存放鋼管。頂層設計一個存貨位用來放置鋼板。伸縮式雙懸臂貨架的整體結構模型如圖1 所示。

圖1 伸縮式雙懸臂貨架三維建模

整體框架采用四根槽鋼、七根工字鋼以及多根撐構成。關鍵傳動部分采用的是齒條齒輪傳動方式，同層存貨位傳動采用的是鏈條式聯軸器進行各個存貨位之間的同步傳動。最外側的兩根槽鋼上安裝的為動力源部分，由人工手搖通過鏈傳遞變速將動力傳遞到存貨位處的齒輪軸所在的軸線上帶動齒輪的轉動，齒輪轉動使上面的齒輪進行移動從而將存貨位在固定懸臂上進行伸出和縮入運動。

伸縮式雙懸臂貨架的工作原理為：一端外立柱上安裝有一個小鏈輪和大鏈輪，由單排鏈進行傳動，小鏈輪帶動大鏈輪。大鏈輪所在的軸上有一個小鏈輪，這個小鏈輪和傳動軸上的同型號小鏈輪通過鏈式聯軸器連接進行傳動動力。內立柱上有伸出的固定懸臂，固定懸臂上安裝的有齒輪，齒輪所在的軸上裝有鏈輪，鏈輪通過鏈式聯軸器和傳動軸相連。這樣外立柱上鏈輪的動力就傳到了齒輪上，固定懸臂上是可以伸縮的存貨位，存貨位上安裝的有齒條，放在齒輪上面。齒輪帶動齒條，齒條所在的存貨位就可以進行伸縮了。

1.2 動力源部分的設計

動力源的方式方式為鏈傳動，由兩個鏈輪和繞在兩輪上的中間繞行件——鏈條所組成。靠鏈條與鏈輪之間的嚙合來傳遞兩上下分布的平行軸之間的運動和動力，屬于具有嚙合性質的強迫傳動。其中，本課題所采用為應用較廣泛的滾子鏈傳動。

根據機械設計手冊對動力源部分的鏈輪和軸進行設計并校核。外立柱上的大鏈輪外徑150mm 左右，小鏈輪的外徑90mm 左右。參考表1 選擇小鏈輪的代號為08B-21，大鏈輪的代號為08B-36。代號為08B 的鏈輪材質為45#，熱處理方式為齒部高頻淬火HRC35-45，表面發黑處理。

表1 08B 系列鏈輪代號及主要尺寸

并且進行了鏈輪主要尺寸的驗算如下：

分度圓直徑：

齒頂圓直徑：

小鏈輪da1max=d1+1.25p-d0=85.21+1.25×12.7-8.51=92.6mm

大鏈輪da2max=d2+1.25p-d0=145.72+1.25×12.7-8.51=153.1mm

齒根圓直徑：

小鏈輪df1=d1-d0=85.21-8.51=76.7mm

大鏈輪df2=d2-d0=145.72-8.51=137.21mm

注：p 為鏈節距，z 為鏈齒數，d0為鏈條滾子直徑，單位為mm。

按照設計計算結果對比可得，08B 系列鏈輪符合伸縮式雙懸臂貨架的制作要求，可作為外購件，在后續確定軸孔尺寸和鍵槽尺寸后進行購買使用，并且依據設計對動力源部分進行加工。

1.3 存貨位部分的設計

存貨位的移動靠的是齒輪齒條傳動方式，存貨位上安裝齒條，固定懸臂上安裝齒輪軸，存貨位在固定懸臂上伸縮移動形成可伸縮懸臂。主要是靠中間傳動部分將動力源處的轉動傳遞到齒輪軸上使齒輪轉動帶動齒條的移動。

根據《機械設計手冊》中齒輪傳動部分設計并結合本貨架的傳動實際，選用的觸動方式為直齒圓柱齒輪齒條傳動，由于本貨架的傳動速度不高，故選用7 級精度（GB10095-88）。根據《機械設計》中齒輪齒條材料選擇原則，選擇小齒輪材料為40Cr（調質），硬度要求為28-32HRC。齒條材料為45 號鋼（調質），硬度要求為28-32HRC。材料為40Cr 合金鋼的齒輪，當840-860℃油淬，540-620℃回火時，調質硬度可達28-32HRC，可改善組織、提高綜合機械性能；選小齒輪齒數Z1=25。根據存貨位的伸出長度選擇齒條的長度為900mm。

按齒面接觸強度進行齒輪和齒條和設計，并且進行校核設計出圖紙并加工出齒輪和齒條。將存貨位傳動部分所需的零部件進行安裝。

齒條固定在存貨位底部形成一個整體，齒輪安裝在軸上和齒條進行傳動，左右兩邊為兩個軸承，一是可以起到限位作用，防止齒輪在軸上錯位；二是防止存貨位上的力通過齒條直接壓在齒輪上增加摩擦力，可以增加傳動效率，保護齒輪齒條的作用。軸的兩端為兩個鏈輪，和傳動部分的鏈輪連接，將動力源部分的轉動傳遞到存貨位處。

2 貨架主體結構設計

根據CECS23-1990《鋼貨架結構設計規范》及GBJ17-1988《鋼結構的設計規范》，按貨架型材的強度標準（N/mm2）GB6723-86 指標選擇內立柱為Q195-235 的冷彎型鋼。查表2 得Q235 冷彎型鋼的抗拉、抗壓、抗彎為f=205N/mm2，抗剪為fv=120N/mm2，端面承壓fce=310N/mm2。所以選擇工字鋼的型號為GB/T706-2016Ⅰ20b。

表2 鋼材的強度設計值（N/mm2）

工字鋼的型號選擇為GB/T706-2016Ⅰ20b，上面焊接鋼板用來和固定懸臂連接，一端焊接底板一端焊接頂板并增加肋板以保證其穩定性。工字鋼上焊接的鋼板作為連接板，由于固定懸臂和內立柱的連接方式為螺栓連接，所以連接板上應加工出孔。在通過對內立柱和固定懸臂整體受力分析，依照CECS23-1990《鋼貨架結構設計規》中螺栓的抗剪設計承載力逆推出選用8 個8.8 級M12 的螺栓。連接板選用的為8 個厚的鋼板，上面螺栓孔的加工方式采用的激光切割，這樣加工出來的孔的位置和大小都更精準，便于與固定懸臂上的連接板進行連接。在內立柱的制作過程中需要先將焊接在工字鋼上的底板、頂板、肋板連接板使用激光切割機加工出備料，然后將角鐵使用臥式鋸床截出來所需的長度再在上面鉆孔，最終依次按照圖紙將這些配件焊接在工字鋼上。單個伸縮式雙懸臂貨架需要七根內立柱。內立柱間用橫撐和斜撐進行連接成一個整體，增加整體的強度和穩定性。

3 結束語

根據機械產品設計的標準流程進行了科學合理的設計并制定了可實現的加工制作路線。根據加工制作路線和生產圖紙，最終制造的伸縮式雙懸臂貨架經過現場調試可以滿足預定設計要求并在使用過程中不出現卡死、搖動吃力的情況。