李海洋

摘 要： 本次設(shè)計(jì)的三維升降機(jī)主要是應(yīng)用于噴漆作業(yè)中，輔助工人完成一定空間內(nèi)的噴漆作業(yè)，減少作業(yè)時(shí)間，提高工作效率與安全保障。本次新型三維升降機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用Solidworks軟件進(jìn)行了實(shí)體建模，更加直觀的呈現(xiàn)了三維升降機(jī)的真實(shí)面貌，并應(yīng)用有限元知識，對三維升降機(jī)的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)受力分析，分析了在最大承載狀態(tài)下三維升降機(jī)各部分結(jié)構(gòu)的安全性。此外，還為三維升降機(jī)配置了安全防墜器，確保了安全性。

關(guān)鍵詞： 三維升降機(jī)；有限元；安全防墜器；Solidworks

1.緒論

三維升降機(jī)主要于輔助噴涂大型設(shè)備，不需要工人自己上下移動，只需要站在工作臺上通過控制按鈕，就可以完成空間中上下、前后、左右的瞬時(shí)移動，從而完成不同角度、不同高度的噴漆作業(yè)，極大的節(jié)省了人力成本和時(shí)間成本。

2.總體設(shè)計(jì)

本次所研究的三維升降機(jī)為鏈條鏈輪配合式的三維升降機(jī)，依靠鏈條鏈輪的緊密配合，保證了三維升降機(jī)的平穩(wěn)性。

總體方案設(shè)計(jì)：

鏈條提升式升降機(jī)工作原理是：通過行走減速機(jī)帶到驅(qū)動行走輪完成左右移動，通過升降減速機(jī)控制鏈條與鏈輪完成升降運(yùn)動，通過兩級伸縮氣缸帶動兩級伸縮架完成前后運(yùn)動，從而完成三維空間內(nèi)的移動作業(yè)。如下圖所示：

動力機(jī)構(gòu)選型：

動力機(jī)構(gòu)是三維升降機(jī)中不可缺少的動力設(shè)備。三維升降機(jī)中的動力機(jī)構(gòu)分為兩類：減速機(jī)和氣壓缸。升降機(jī)構(gòu)：減速機(jī)通過軸承帶動驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而控制鏈條繞頂端的從動鏈輪運(yùn)動，從而帶動升降滑架上下運(yùn)動；行走機(jī)構(gòu)：減速機(jī)通過軸承帶動驅(qū)動行走輪依靠摩擦力在軌道上運(yùn)動。對于伸縮機(jī)構(gòu)，兩個(gè)氣壓缸通過伸縮來控制兩級滑架運(yùn)動。

根據(jù)預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)要求，確定三維升降機(jī)的總體方案，完成了動力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備工作。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)是機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分，是各種機(jī)構(gòu)的承載部件，它對保證機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。三維升降機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括主體框架、升降主架、一級滑架和二級滑架四部分，它們都是由型鋼焊接而成的部件，具有重量輕、承載能力大的優(yōu)點(diǎn)。

二級滑架作為承載工人的部件，其上還有許多安全、導(dǎo)向裝置，必須保證一定的平穩(wěn)與強(qiáng)度，同時(shí)還應(yīng)盡量減少其重量，以便最大限度的提高提升有效載荷的能力。主體框架是三維升降機(jī)最重要的承載部件，升降滑架在其上做上下、左后、伸縮運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)工人的空間作業(yè)。因此，其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性是三維升降機(jī)設(shè)計(jì)的可行性的重要驗(yàn)證內(nèi)容。

本次使用結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)和有限元方法對主體框架、升降滑架、一級滑架和二級滑架進(jìn)行力學(xué)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證其自重最輕、安全可靠。

二級滑架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

二級滑架是三維升降機(jī)工作過程中承載工作人員的載體，在工作過程中承受很大的載荷，所以對其承載能力必須嚴(yán)格要求，二級滑架整體為槽鋼與方鋼焊接組成的框架結(jié)構(gòu)。

主體框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

主體框架是三維升降機(jī)的核心結(jié)構(gòu)，是各部分結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)，是整個(gè)三維升降機(jī)安全性的最后保障，對其承載能力必須嚴(yán)格控制，主體框架整個(gè)架身是由槽鋼焊接而成。

完成了三維升降機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了三維升降機(jī)各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)組成。在利用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、Solidworks Simulation有限元等知識，對三維升降機(jī)的各部分結(jié)構(gòu)在最大受力狀態(tài)下的變形情況進(jìn)行了全面的分析計(jì)算，得到了相應(yīng)的變形情況，計(jì)算結(jié)果表明了開始選擇的槽鋼型號滿足要求。

4.安全防墜器的設(shè)計(jì)

三維升降機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、操作容易、工作效率高、使用成本低、維修保養(yǎng)簡便等優(yōu)點(diǎn)在涂裝行業(yè)噴漆室中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著人們安全意識的提高，對三維升降機(jī)的安全保障性要進(jìn)一步改善，增設(shè)安全防墜裝置，以免在工人作業(yè)過程中出現(xiàn)突然墜落，引發(fā)安全事故。

因此，為三維升降機(jī)配備一臺符合規(guī)范要求、安全可靠、使用方便、反應(yīng)靈敏、制造簡單、造價(jià)低廉的安全防墜器，是現(xiàn)階段三維升降機(jī)得到更加廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

在工人作業(yè)過程中，當(dāng)承載升降裝置的鏈條突然斷裂而導(dǎo)致升降裝置發(fā)生墜落時(shí)，在瞬時(shí)強(qiáng)制性是升降裝置停止墜落的一種機(jī)械裝置成為安全防墜器。安全防墜器是三維升降機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的重要體現(xiàn)，它能夠有效的防止升降裝置的突然墜落。其性能的好壞直接影響著作業(yè)人員的人身安全。所以，應(yīng)該為三維升降機(jī)研制一種安全、可靠的安全防墜器，以確保工人作業(yè)中三維升降機(jī)不會發(fā)生墜落事故。

安全防墜器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

安全防墜器的形式取決于提升設(shè)備的形式和布置方式及導(dǎo)向制動軌道的形式，軌道一般分為軟性軌道和剛性軌道，軟性軌道主要是鋼絲繩；剛性軌道長采用型鋼，型鋼軌道的表面光滑度，以及整體框架結(jié)構(gòu)和升降裝置都會影響升降裝置的上下運(yùn)動。

可靠的安全防墜器應(yīng)具備以下特點(diǎn)：（1）可靠性好，升降裝置應(yīng)能可靠制動而不墜落；（2）靈敏度高，即制動距離小；（3）制動平穩(wěn)，不產(chǎn)生明顯的沖擊振動。

要設(shè)計(jì)性能優(yōu)越的安全防墜器，應(yīng)總體考慮各個(gè)組成部分。安全防墜器主要由發(fā)動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)和抓捕機(jī)構(gòu)三部分組成。

正常工作時(shí)，提升鏈條帶動主拉桿向上拉起，發(fā)動彈簧被壓縮（壓縮量可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整），由連桿機(jī)構(gòu)帶動滑楔下移，使動滑楔與導(dǎo)向軌道間留有足夠間隙，保證升降裝置能夠上下運(yùn)動。一旦提升鏈條斷裂，主拉桿向上的拉力消失，彈簧迅速動作恢復(fù)變形，通過連桿機(jī)構(gòu)挑起動滑楔，同時(shí)升降裝置在重力作用下向下運(yùn)動，使動滑楔抱緊導(dǎo)向軌道，達(dá)到制動目的。

抓捕可靠性的設(shè)計(jì)：

抓捕機(jī)構(gòu)是安全防墜器的關(guān)鍵部分。抓捕機(jī)構(gòu)工作的可靠性決定了安全防墜器的可靠性。抓捕機(jī)構(gòu)采用楔塊自。

該安全防墜器動作靈活，工作可靠。對各個(gè)重要零部件及整機(jī)均進(jìn)行了嚴(yán)格的技術(shù)性能測試，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，符合有關(guān)技術(shù)條件和規(guī)程的規(guī)定。在鏈條斷裂后提升裝置墜落時(shí)，安全防墜器抓捕安全可靠。安全防墜器制動后，能迅速恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)。

5.結(jié)論

5.1 結(jié)論

通過深入研究，本次完成了特定的三維升降機(jī)及其安全防墜器的研究設(shè)計(jì)工作，取得了如下成果：首先，完成了新的三維升降機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析，重點(diǎn)解決了運(yùn)行平穩(wěn)，二級滑架下垂等核心問題；其次，為該三維升降機(jī)設(shè)計(jì)了一臺瞬時(shí)式楔塊制動的安全防墜器，針對安全防墜器工作過程中的制動力、制動距離以及可靠性進(jìn)行了分析。

此外，本次研究同樣存在著缺陷和不足，還需要進(jìn)一步提高改進(jìn)。爭取在機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、安全防墜器等各方面性能上更加可靠、完善。

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