基于Solidworks的腳踏式貨物升降機結構設計

陳 璐，陳 博，宋健波，陳奕豪

(吉林建筑科技學院，長春 130114)

升降機是通過改變勢能進行運輸的大型機械設備，即通過動力機械拖動柔性件鋼絲繩及貨物進行上下運動完成運輸過程。升降機是一種工程機械，其結構與技術應用均較為成熟。目前，國內外對升降機的研究均集中于數字控制與自動化技術研究，如遠程遙控與自動控速，多繩拖拽用以提高升降機的工作效率，增加安全系數等[1-3]。

基于小型工程施工場所，充分考慮了缺乏電力設備的環境下，結合貨物升降機結構與工作原理，設計了一種人力腳踏式的驅動方式，采用齒輪機構與螺紋連接的傳動方式，實現貨物上下運輸與中途停止。簡易的腳踏式貨物升降機省工、省費用、安全，大大減輕了勞動強度，提升了施工進度。

1 腳踏式貨物升降機的結構設計

設計的腳踏式貨物升降機結構主要包括驅動機構、傳動機構、制動機構與繞線機構。

1.1 驅動機構

升降機的動力系統是驅動機器的動力來源。傳統的動力系統主要分為強制式、曳引式和直頂液壓式三種。強制式動力系統主要采用電動葫蘆或電動卷揚機進行強制驅動；曳引式主要采用曳引機驅動，利用鋼絲繩曳引輪之間的摩擦驅動；直頂液壓式主要通過液壓動力源，把油壓入油缸，使柱塞做直線運動，直接使升降機運動。

本項目設計的貨物提升機完成了缺乏電力設備下的貨物提升，驅動機構采用人力進行動力輸出，即踏板結構，如圖1所示。通過轉動踏板，將踏板軸的動能傳遞到主軸上，實現貨物的提升與下降。

圖1 踏板驅動方式

1.2 傳動機構

傳動機構主要采用齒輪傳動，如圖2所示。主動軸即為踏板軸，當踏板轉動時，主動軸隨其轉動，產生動力；主動軸上齒輪與從動軸上齒輪相嚙合，運動從動輪傳遞到從動輪。從動軸上的齒輪與繞線機構的齒輪相嚙合，控制金屬繩的升高及降落。

圖2 傳動機構

1.3 制動機構

在貨物垂直運輸中，上升與下降是相反的兩個過程，必須能夠隨時使貨物停止在空中，因此需要有制動機構。本項目的制動機構采用螺紋連接與棘輪共同作用，如圖2所示。從動軸上齒輪與軸采用螺紋連接的方式，利用螺紋的自鎖性，起到一定的制動作用。棘輪作為一種間歇運動機構，其獨特的結構能夠實現順向轉動，逆向停止。當轉動踏板時，主動軸上的齒輪與從動軸上的齒輪嚙合，從動軸上齒輪與軸之間采用的螺紋連接能夠壓緊棘輪帶動從動軸轉動，實現貨物向上運動；當踏板停止轉動時，棘輪機構中棘爪卡住棘輪，使其不能逆向轉動，主軸停止轉動，貨物能夠停在半空中；反向轉動踏板時，主動軸齒輪反轉，此時棘爪將棘輪松開，齒輪被擋圈擋住，帶動從動軸反向轉動，使貨物向下運動。在傳動機構與制動機構的共同作用下，使貨物實現上升和下降，還能使貨物在空中自鎖，不會在重力的作用下快速降落。

2 基于Solidworks 軟件的結構建模與仿真

2.1 Solidworks 軟件

Solidworks是世界上第一個基于Windows開發的三維CAD系統，利用數值參數完成3D幾何體建模過程，生產3D零件與裝配體，再根據工程實際需要作出2D視圖并完成尺寸標注，完成零件圖與裝配圖。根據幾何約束能夠進行受力分析與運動分析，因此Solidworks軟件廣泛應用于機械設計、模具設計、結構優化設計、有限元分析、動漫設計等。

2.2 腳踏式貨物升降機三維建模

根據設計與計算的各項幾何參數與運動參數，利用Solidworks軟件對腳踏式貨物升降機進行三維建模，主要零部件如圖3所示。

圖3 主要結構設計

3 結語

本項目根據小型工地電力不足的情況，利用Solidworks軟件設計了一款簡易的腳踏式貨物升降機。該設計的難點在于如何利用傳動機構與制動機構實現物體的升降，抵抗重力停留在半空中。經過對樣機的生產與實驗，證明本設計安全可靠，成本低，具有一定的實際應用特點。后續研究將集中在如何增大重物的質量，完成更嚴謹的可靠性分析并解決潤滑問題。