井式自動升降機(jī)研究與設(shè)計

唐永剛，郭景坤

處于直立狀態(tài)的壓力容器因在豎直方向上的深度較大，會給施焊和進(jìn)行其它操作的工作人員和相關(guān)設(shè)備進(jìn)入壓力容器，到達(dá)容器底部造成一定的困難。

以往通常采用天車升降吊籠的方式運送工作人員和相關(guān)設(shè)備進(jìn)入壓力容器，但此方法存在明顯的局限性，具體表現(xiàn)在：

（1）吊籠的空間有限，每次不能運送過多的人員和工輔具進(jìn)入壓力容器，并且吊籠在升降的過程中不夠平穩(wěn)。

（2）如果對吊籠防護(hù)不好，吊籠進(jìn)出壓力容器時容易污染、甚至劃傷壓力容器。

為了保證工作人員和壓力容器的安全，我們設(shè)計出一種可以平穩(wěn)升降，承載力較大并且可由被運送者操作的井式自動升降機(jī)，用來運送工作人員和相關(guān)工具進(jìn)出壓力容器。在壓力容器制造過程中，該升降機(jī)還可用來作為其它工序如壓力容器內(nèi)壁清潔和密封面研磨的操作平臺。

目前，該升降機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于某壓力容器的制造中，取得了很好的效果，滿足了裝配工藝和其它工序的使用要求。

1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1 井式自動升降機(jī)結(jié)構(gòu)組成

該自動升降機(jī)由傳動裝置及卷揚機(jī)構(gòu)、升降機(jī)本體、限位裝置、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、吊籃組件、徑向支撐裝置、通風(fēng)管、升降機(jī)存放架及電控系統(tǒng)九部分組成（見圖1和表1）（其中升降機(jī)存放架和電控系統(tǒng)在圖中未顯示）。

該自動升降機(jī)使用前要在升降機(jī)存放架上做功能試驗,合格后采用整體吊裝的方法將其吊入壓力容器，為滿足升降機(jī)的吊裝要求，在升降機(jī)本體內(nèi)部設(shè)有吊耳用于升降機(jī)的整體吊裝。

為防止鐵離子污染不銹鋼壓力容器，應(yīng)在井式自動升降機(jī)本體支撐法蘭上堆焊不銹鋼層，并在壓力容器升降機(jī)安裝面上安裝絕緣橡膠，用于升降機(jī)與壓力容器間的絕緣保護(hù)。

井式自動升降機(jī)在吊裝時應(yīng)緩慢操作，防止損傷壓力容器。

1.2 井式自動升降機(jī)工作原理

圖1 井式自動升降機(jī)簡圖

表1 自動升降機(jī)參數(shù)表

井式自動升降機(jī)在壓力容器內(nèi)安裝后，工作人員進(jìn)入吊籃，按動手持控制盒上的啟動按鈕，升降機(jī)的傳動電機(jī)啟動并通過聯(lián)軸器及減速機(jī)驅(qū)動卷筒軸帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，收放卷筒上的鋼絲繩，由鋼絲繩經(jīng)導(dǎo)向滑輪垂直升降吊籃，使吊籃沿著導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上下運動，以實現(xiàn)運送工作人員和工具進(jìn)出壓力容器的功能。

該升降機(jī)通過手持控制盒控制升降機(jī)的升降與停止，并由行程開關(guān)來控制升降機(jī)的極限位置。升降機(jī)運行手持控制盒可隨著吊籃升降，這樣可以方便被運送的工作人員操作升降機(jī)，使升降機(jī)運行控制更加靈活，尤其使吊籃在上下極限位置之間懸停的位置更加準(zhǔn)確。當(dāng)升降機(jī)吊籃經(jīng)過接近開關(guān)時，接近開關(guān)發(fā)出信號，電機(jī)降速，升降機(jī)緩慢升降，直至極限位置。吊籃沿導(dǎo)向柱運行至下平臺上以后，工作人員打開吊籃中間的入口門，走到升降機(jī)的下平臺上。在下平臺上設(shè)有可以向下打開的門，并且在門上裝有可伸縮的延長梯，工作人員打開下平臺上的門，通過門上的延長梯，即可進(jìn)入壓力容器底部，進(jìn)行焊接等操作。

由于在壓力容器內(nèi)部施焊時產(chǎn)生的煙霧不僅會影響到施焊等操作，而且還會對壓力容器內(nèi)部操作者的健康產(chǎn)生不良的影響，所以必須及時將其排出壓力容器。又因為壓力容器內(nèi)部通風(fēng)條件差，使煙霧不容易排出壓力容器，所以需要有一個排煙裝置，基于以上原因，我們?yōu)樽詣由禉C(jī)設(shè)計了通風(fēng)道，安裝在壓力容器外部的風(fēng)機(jī)可以通過通風(fēng)道把焊接時產(chǎn)生的煙霧排出壓力容器，保證壓力容器內(nèi)部的工作環(huán)境的正常及工作人員的健康。

此外，在壓力容器內(nèi)進(jìn)行焊接等操作時用到的一些工具及壓力容器內(nèi)的照明系統(tǒng)需要電源供電，其電源線可以固定在通風(fēng)道的外壁上，這樣，通風(fēng)道又為布線提供了方便，使升降機(jī)布局更加科學(xué)合理。

2 主要部件設(shè)計

2.1 本體設(shè)計

自動升降機(jī)本體的主框架為碳鋼焊接結(jié)構(gòu)件，是本升降機(jī)的主要受力部件，其強(qiáng)度與穩(wěn)定性直接關(guān)系到升降機(jī)能否安全、平穩(wěn)運行，因此，升降機(jī)本體的設(shè)計是整機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵（見圖2）。

圖2 升降機(jī)本體

由于井式自動升降機(jī)工作在壓力容器內(nèi)的有限空間里，為了最大限度地利用壓力容器的內(nèi)部空間，本文中將升降機(jī)本體設(shè)計成帶有法蘭的圓筒形結(jié)構(gòu)，在其底部和內(nèi)部布置筋板以增加結(jié)構(gòu)的剛度。升降機(jī)本體上方是傳動裝置及卷揚機(jī)構(gòu)的安裝平臺，在平臺上為卷揚鋼絲繩留有開口，在內(nèi)裙筒上設(shè)有工作人員進(jìn)出吊籃的門，內(nèi)裙筒內(nèi)部設(shè)有扶手和直梯，方便工作人員進(jìn)出吊籃以及緊急狀況（如停電）時進(jìn)出壓力容器。在升降機(jī)本體上還裝有支撐裝置，自動升降機(jī)在壓力容器內(nèi)安裝就位后，調(diào)節(jié)支撐裝置，使其頂緊壓力容器內(nèi)壁，以實現(xiàn)升降機(jī)的徑向定位。

升降機(jī)本體在工作過程中的受力狀況有兩種：一種是吊籃在上下極限位置之間的任意位置懸停；另一種是吊籃停在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的下平臺上。為此，本文對兩種工況下的升降機(jī)本體做有限元分析，采用20節(jié)點solid186單元，共得到169836個節(jié)點，76702個單元（見圖3）。根據(jù)材料性能及試驗參數(shù)分析兩種工況下的有限元模型，結(jié)果表明該升降機(jī)本體完全能夠滿足使用要求（見表2）。

圖3 有限元模型圖

表2 材料性能及試驗參數(shù)

2.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由導(dǎo)向柱和下平臺組成，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)既對吊籃的升降起到導(dǎo)向作用，又在吊籃運行到下平臺上時對吊籃起支持作用，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的上方以螺栓聯(lián)接的形式安裝于升降機(jī)本體上（見圖4）。

圖4 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

導(dǎo)向柱負(fù)責(zé)在吊籃升降時起導(dǎo)向作用，使吊籃平穩(wěn)升降，防止吊籃在升降過程中晃動甚至磕碰壓力容器內(nèi)壁。另外，中空的導(dǎo)向柱不僅可以減輕結(jié)構(gòu)重量，降低成本，而且可以方便控制系統(tǒng)布線，使本升降機(jī)的外觀更加簡潔，美觀。

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的下平臺在吊籃運行到其上時起支持吊籃的作用。在下平臺上設(shè)有可以向下（壓力容器底部）打開的門，在門上裝有延長梯，吊籃運行到下平臺上時，工作人員可以打開吊籃中間的入口門進(jìn)到下平臺上，再打開下平臺上的門，伸出延長梯，通過下平臺上的門和延長梯進(jìn)入壓力容器底部。此平臺由型材焊接而成，可以在滿足使用要求的前提下減輕結(jié)構(gòu)的重量，降低成本。

為了保證工作人員的人身安全，在吊籃外的壓力容器底部能夠與升降機(jī)接觸的地方都裝有橡膠板或橡膠套（見圖5）。另外，在下平臺上導(dǎo)向桿的四周還裝有緩沖橡膠墊，以減小沖擊。

圖5 工作人員防護(hù)布置

2.3 吊籃組件的設(shè)計

吊籃組件用來運載工作人員和工輔具進(jìn)出壓力容器，吊籃組件與卷揚機(jī)間采用鋼絲繩連接，自動升降機(jī)升降時，吊籃上的導(dǎo)向拉桿沿著導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向柱運動，吊籃運行到下平臺上后，工作人員可以打開吊籃中間的入口門進(jìn)入到導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的下平臺上，通過下平臺上的門和延長梯到達(dá)壓力容器底部（見圖6）。為了保證工作人員在吊籃內(nèi)的安全以及避免工具落入壓力容器，對壓力容器造成損傷，在吊籃上裝有欄桿，并在欄桿上布置有鋼絲網(wǎng)。吊籃上載人和工具的地面由花紋鋼板制成，在一定程度上可以起到防滑的作用。在吊籃本體周圍安裝有橡膠膠保護(hù)環(huán)，以保護(hù)壓力容器內(nèi)表面的不銹鋼堆焊層。

為實現(xiàn)吊籃懸停時的徑向定位，在吊籃上面裝有徑向支撐裝置。在吊籃懸停于行程內(nèi)任意位置時（如壓力容器內(nèi)壁清潔時），通過調(diào)整徑向支撐裝置，使其頂緊于壓力容器的內(nèi)壁，防止工作時吊籃徑向晃動（見圖7）。

2.4 傳動裝置及卷揚機(jī)構(gòu)

圖6 吊籃組件

圖7 徑向支撐裝置

傳動裝置和卷揚機(jī)構(gòu)是本升降機(jī)的核心部分，傳動電機(jī)通過連軸器、減速機(jī)、卷筒軸驅(qū)動卷筒正、反方向旋轉(zhuǎn)，卷筒上的鋼絲繩通過導(dǎo)向滑輪垂直升降吊籃（見圖8、表3）。升降機(jī)是載人的設(shè)備，其安全性至關(guān)重要，因此，在傳動裝置上設(shè)有三重安全保護(hù)：帶制動器的電機(jī)，電機(jī)與減速機(jī)間連軸器上的制動器及具有自鎖功能的蝸輪蝸桿減速機(jī)，當(dāng)制動器抱閘失效時，減速機(jī)能夠自鎖，這些安全措施可以在緊急情況下，確保吊籃不發(fā)生墜落，以保障工作人員和設(shè)備及產(chǎn)品的安全。

2.5 技術(shù)參數(shù)確定

（1）減速機(jī)輸出扭矩T1

根據(jù)扭矩平衡條件

圖8 傳動裝置與卷揚機(jī)構(gòu)

表3 傳動系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

式中，η1—卷揚機(jī)構(gòu)機(jī)械效率，取0.99；m—最大起重量（kg）；D—卷筒直徑（mm）。

取 T1=8700 N·m

（2）減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

式中，v—吊籃升降速度（mm/s）。

根據(jù)減速機(jī)輸出的扭矩T1和轉(zhuǎn)速n1，確定蝸輪蝸桿減速機(jī)與卷筒間的聯(lián)軸器為GCL19110×167/110×167。

（3）減速機(jī)輸出功率P1

將相關(guān)參數(shù)代入式（2），得P1=1.1 kW

（4）電機(jī)功率P

式中，ξ—安全系數(shù)，對于起升機(jī)構(gòu)，取4.5；η—蝸輪蝸桿減速機(jī)的機(jī)械效率，取0.7[1]。

取 P=7.5 kW

選取功率P=7.5 kW，轉(zhuǎn)速n=720 r/min的電機(jī)。

再由電機(jī)輸出扭矩：

得 T=100 N·m

據(jù)此確定電機(jī)與蝸輪蝸桿減速機(jī)間的聯(lián)軸器為LXZ248×112/40×112。

（5）電機(jī)制動器制動轉(zhuǎn)矩

式中，ξ0—電機(jī)制動器安全系數(shù)，取1.5；T—電機(jī)輸出扭矩 （N·m）。

得 T0=150 N·m。

（6）減速機(jī)公稱速比i

（7）液壓制動器制動力矩的確定

自動升降機(jī)是載人裝備，其制動的可靠性至關(guān)重要，因此，為了確保壓力容器內(nèi)施工的工作人員和壓力容器的安全，制動器的安全系數(shù)應(yīng)選稍大一些，本文取安全系數(shù)ξ2=3.4，根據(jù)T2=ξ2T得液壓制動器的制動力矩T2=340 N·m，所以選擇YWZ7-200/50E制動器。

2.6 卷筒軸強(qiáng)度與剛度校核

卷筒軸是卷揚機(jī)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，其強(qiáng)度與剛度的大小直接關(guān)系到自動升降機(jī)的安全運行，因此，要對卷筒軸進(jìn)行分析與校核，卷筒軸材料為45#鋼，其切應(yīng)力應(yīng)符合

式中，WT—軸的抗扭截面系數(shù)，WT=0.2d3；T—軸所承受的扭矩；［τT］—45#鋼的許用剪切應(yīng)力。

當(dāng)軸上有鍵槽時，應(yīng)適當(dāng)增大軸頸，單鍵增大3%。可算得

由計算結(jié)果可知，卷筒軸所受的剪切應(yīng)力小于材料的許用剪應(yīng)力，且安全裕度合適，所以該卷筒軸能夠滿足使用要求。

為進(jìn)一步驗證卷筒軸的可靠性，本文采用有限元分析的方法對卷筒軸的剛度進(jìn)行校核，選用ANSYS11.0對卷揚裝置建模，為方便計算，取模型的一半作為研究對象，采用二十節(jié)點六面體SOLID186和SOLID95兩種單元劃分網(wǎng)格，共得到116499個節(jié)點，60548個單元。設(shè)定材料的彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85×10-6kg/mm3。在軸和軸承、軸承和支座間建立接觸（見圖9），劃分網(wǎng)格后模擬實際工況在卷筒的外沿切線方向施加4 t的載荷，得到卷筒軸的位移云圖（見圖 10）。

圖9 卷筒軸有限元模型圖

圖10 卷筒軸位移分布云圖

由有限元分析結(jié)果可知，卷筒軸的最大位移為0.013 mm，能夠滿足使用要求。

2.7 限位裝置與運行控制

為防止吊籃運行時超過極限位置，破壞升降機(jī)，造成安全隱患，在升降機(jī)的上、下極限位置分別設(shè)有兩個限位開關(guān)，雙限位開關(guān)可以增加限位裝置的可靠性，一旦一個失靈，還有另一個可以正常工作，保證升降機(jī)及操作者的安全。

自動升降機(jī)的運行是通過手持控制盒控制的，手持控制盒上有三個檔位：上升，下降，停止。當(dāng)升降機(jī)吊籃上升到極限位置時，電機(jī)停止工作，抱閘制動，手持控制盒操作向上無效。當(dāng)?shù)趸@下降到極限位置時，電機(jī)停止工作，抱閘制動，手持控制盒操作向下無效。升降機(jī)吊籃經(jīng)過上接近開關(guān)時，接近開關(guān)發(fā)出信號，電機(jī)降速，升降機(jī)緩慢上升，直至上極限位置。同樣，吊籃經(jīng)過下接近開關(guān)時，接近開關(guān)發(fā)出信號，電機(jī)降速，升降機(jī)緩慢下降，直至下極限位置。通過手持控制盒控制，升降機(jī)可在行程范圍內(nèi)任意位置懸停，滿足壓力容器制造過程中的一些工序需求，如壓力容器內(nèi)壁清潔。

3 井式自動升降機(jī)存放架

自動升降機(jī)投入使用后在壓力容器外是整體存放的。為此，設(shè)計了自動升降機(jī)存放架。該存放架由立柱，連接梁和支撐座等組成。箱形立柱通過螺栓把合在下部支撐座上，立柱之間安裝連接梁以增加整個架體的剛度，下部支撐座通過螺栓與地面把合。該存放架的各焊接件之間用螺栓連接以便于部件的拆裝與存放。在進(jìn)行功能實驗和使用后存放時，只要采用整體吊裝的方法，將升降機(jī)本體法蘭的下端面置于存放架支撐面上即可（見圖11）。

圖11 自動升降機(jī)存放架

4 井式自動升降機(jī)的通用性

目前，壓力容器產(chǎn)品品種規(guī)格和數(shù)量越來越多，因此設(shè)計本自動升降機(jī)時應(yīng)考慮設(shè)備的通用性以適應(yīng)不同品種規(guī)格的壓力容器。因壓力容器的差異主要表現(xiàn)在直（內(nèi)、外）徑和深度方向尺寸上。要實現(xiàn)自動升降機(jī)的通用性，就要適應(yīng)壓力容器在深度和直徑上的變化，在深度上可以通過調(diào)整下平臺延長梯的伸出長度來適應(yīng)。因此，我們主要解決通用升降機(jī)的安裝及徑向固定問題。為了使該升降機(jī)可應(yīng)用于內(nèi)徑不同的壓力容器，本文專門設(shè)計出一個支撐環(huán)，將升降機(jī)本體法蘭下端面置于支撐環(huán)上表面，升降機(jī)和支撐環(huán)以螺栓連接，避免升降機(jī)和支撐環(huán)的相對運動。工作時采取整體吊裝的方法，將支撐環(huán)和升降機(jī)吊入壓力容器，安裝在壓力容器內(nèi)部的支撐面上（見圖12）。

圖12 帶支撐環(huán)的升降機(jī)

為解決徑向支撐裝置的通用性問題，專門為不同種類的壓力容器設(shè)計了本體上的頂緊桿及吊籃上徑向支撐裝置中的一些零件，使用時只要將其換上即可（見圖13）。

圖13 井式自動升降機(jī)與存放架

5 結(jié)語

目前，該井式自動升降機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于某壓力容器的制造中，本次設(shè)計成功解決了安全、平穩(wěn)運送工作人員和相關(guān)工具進(jìn)出壓力容器的問題以及升降機(jī)通用性的問題，有效防止了運送過程中對壓力容器的污染甚至損傷，滿足相關(guān)工序的使用要求，提高工作效率。

[1]濮良貴，紀(jì)名剛.《機(jī)械設(shè)計（第八版）》.高等教育出版社.2006年5月.