三維升降機的設計與分析

李海洋

摘 要： 本次設計的三維升降機主要是應用于噴漆作業中，輔助工人完成一定空間內的噴漆作業，減少作業時間，提高工作效率與安全保障。本次新型三維升降機的設計應用Solidworks軟件進行了實體建模，更加直觀的呈現了三維升降機的真實面貌，并應用有限元知識，對三維升降機的各部分結構進行了靜態受力分析，分析了在最大承載狀態下三維升降機各部分結構的安全性。此外，還為三維升降機配置了安全防墜器，確保了安全性。

關鍵詞： 三維升降機；有限元；安全防墜器；Solidworks

1.緒論

三維升降機主要于輔助噴涂大型設備，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、左右的瞬時移動，從而完成不同角度、不同高度的噴漆作業，極大的節省了人力成本和時間成本。

2.總體設計

本次所研究的三維升降機為鏈條鏈輪配合式的三維升降機，依靠鏈條鏈輪的緊密配合，保證了三維升降機的平穩性。

總體方案設計：

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

動力機構選型：

動力機構是三維升降機中不可缺少的動力設備。三維升降機中的動力機構分為兩類：減速機和氣壓缸。升降機構：減速機通過軸承帶動驅動鏈輪轉動，進而控制鏈條繞頂端的從動鏈輪運動，從而帶動升降滑架上下運動；行走機構：減速機通過軸承帶動驅動行走輪依靠摩擦力在軌道上運動。對于伸縮機構，兩個氣壓缸通過伸縮來控制兩級滑架運動。

根據預定的技術指標要求，確定三維升降機的總體方案，完成了動力機構的設計，為進一步的設計做好了準備工作。

3.結構設計

結構是機械系統的重要組成部分，是各種機構的承載部件，它對保證機械系統的穩定、安全運行起到至關重要的作用。三維升降機主要結構包括主體框架、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、承載能力大的優點。

二級滑架作為承載工人的部件，其上還有許多安全、導向裝置，必須保證一定的平穩與強度，同時還應盡量減少其重量，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最重要的承載部件，升降滑架在其上做上下、左后、伸縮運動，實現工人的空間作業。因此，其強度、剛度和穩定性是三維升降機設計的可行性的重要驗證內容。

本次使用結構力學、材料力學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行力學分析基礎上，進行了結構優化，保證其自重最輕、安全可靠。

二級滑架的結構設計：

二級滑架是三維升降機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格要求，二級滑架整體為槽鋼與方鋼焊接組成的框架結構。

主體框架的結構設計：

主體框架是三維升降機的核心結構，是各部分結構功能的基礎，是整個三維升降機安全性的最后保障，對其承載能力必須嚴格控制，主體框架整個架身是由槽鋼焊接而成。

完成了三維升降機機械系統的結構設計，確定了三維升降機各個部分的結構組成。在利用材料力學、結構力學、Solidworks Simulation有限元等知識，對三維升降機的各部分結構在最大受力狀態下的變形情況進行了全面的分析計算，得到了相應的變形情況，計算結果表明了開始選擇的槽鋼型號滿足要求。

4.安全防墜器的設計

三維升降機因其結構簡單、造價低廉、操作容易、工作效率高、使用成本低、維修保養簡便等優點在涂裝行業噴漆室中得到了廣泛的應用。隨著人們安全意識的提高，對三維升降機的安全保障性要進一步改善，增設安全防墜裝置，以免在工人作業過程中出現突然墜落，引發安全事故。

因此，為三維升降機配備一臺符合規范要求、安全可靠、使用方便、反應靈敏、制造簡單、造價低廉的安全防墜器，是現階段三維升降機得到更加廣泛應用的關鍵。

在工人作業過程中，當承載升降裝置的鏈條突然斷裂而導致升降裝置發生墜落時，在瞬時強制性是升降裝置停止墜落的一種機械裝置成為安全防墜器。安全防墜器是三維升降機進一步發展的重要體現，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人員的人身安全。所以，應該為三維升降機研制一種安全、可靠的安全防墜器，以確保工人作業中三維升降機不會發生墜落事故。

安全防墜器的總體結構設計：

安全防墜器的形式取決于提升設備的形式和布置方式及導向制動軌道的形式，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，以及整體框架結構和升降裝置都會影響升降裝置的上下運動。

可靠的安全防墜器應具備以下特點：（1）可靠性好，升降裝置應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，不產生明顯的沖擊振動。

要設計性能優越的安全防墜器，應總體考慮各個組成部分。安全防墜器主要由發動機構、傳動機構和抓捕機構三部分組成。

正常工作時，提升鏈條帶動主拉桿向上拉起，發動彈簧被壓縮（壓縮量可根據需要進行調整），由連桿機構帶動滑楔下移，使動滑楔與導向軌道間留有足夠間隙，保證升降裝置能夠上下運動。一旦提升鏈條斷裂，主拉桿向上的拉力消失，彈簧迅速動作恢復變形，通過連桿機構挑起動滑楔，同時升降裝置在重力作用下向下運動，使動滑楔抱緊導向軌道，達到制動目的。

抓捕可靠性的設計：

抓捕機構是安全防墜器的關鍵部分。抓捕機構工作的可靠性決定了安全防墜器的可靠性。抓捕機構采用楔塊自。

該安全防墜器動作靈活，工作可靠。對各個重要零部件及整機均進行了嚴格的技術性能測試，各項技術性能指標均能達到設計要求，符合有關技術條件和規程的規定。在鏈條斷裂后提升裝置墜落時，安全防墜器抓捕安全可靠。安全防墜器制動后，能迅速恢復運行狀態。

5.結論

5.1 結論

通過深入研究，本次完成了特定的三維升降機及其安全防墜器的研究設計工作，取得了如下成果：首先，完成了新的三維升降機的總體結構設計與計算分析，重點解決了運行平穩，二級滑架下垂等核心問題；其次，為該三維升降機設計了一臺瞬時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行了分析。

此外，本次研究同樣存在著缺陷和不足，還需要進一步提高改進。爭取在機構、結構、安全防墜器等各方面性能上更加可靠、完善。

參考文獻

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[3] 張德全 《升降機防墜安全保護器的工作原理、使用和調整.建筑機械》.1996 （10）：40-41.