三维升降机的设计与分析

李海洋

摘 要： 本次设计的三维升降机主要是应用于喷漆作业中，辅助工人完成一定空间内的喷漆作业，减少作业时间，提高工作效率与安全保障。本次新型三维升降机的设计应用Solidworks软件进行了实体建模，更加直观的呈现了三维升降机的真实面貌，并应用有限元知识，对三维升降机的各部分结构进行了静态受力分析，分析了在最大承载状态下三维升降机各部分结构的安全性。此外，还为三维升降机配置了安全防坠器，确保了安全性。

关键词： 三维升降机；有限元；安全防坠器；Solidworks

1.绪论

三维升降机主要于辅助喷涂大型设备，不需要工人自己上下移动，只需要站在工作台上通过控制按钮，就可以完成空间中上下、前后、左右的瞬时移动，从而完成不同角度、不同高度的喷漆作业，极大的节省了人力成本和时间成本。

2.总体设计

本次所研究的三维升降机为链条链轮配合式的三维升降机，依靠链条链轮的紧密配合，保证了三维升降机的平稳性。

总体方案设计：

链条提升式升降机工作原理是：通过行走减速机带到驱动行走轮完成左右移动，通过升降减速机控制链条与链轮完成升降运动，通过两级伸缩气缸带动两级伸缩架完成前后运动，从而完成三维空间内的移动作业。如下图所示：

动力机构选型：

动力机构是三维升降机中不可缺少的动力设备。三维升降机中的动力机构分为两类：减速机和气压缸。升降机构：减速机通过轴承带动驱动链轮转动，进而控制链条绕顶端的从动链轮运动，从而带动升降滑架上下运动；行走机构：减速机通过轴承带动驱动行走轮依靠摩擦力在轨道上运动。对于伸缩机构，两个气压缸通过伸缩来控制两级滑架运动。

根据预定的技术指标要求，确定三维升降机的总体方案，完成了动力机构的设计，为进一步的设计做好了准备工作。

3.结构设计

结构是机械系统的重要组成部分，是各种机构的承载部件，它对保证机械系统的稳定、安全运行起到至关重要的作用。三维升降机主要结构包括主体框架、升降主架、一级滑架和二级滑架四部分，它们都是由型钢焊接而成的部件，具有重量轻、承载能力大的优点。

二级滑架作为承载工人的部件，其上还有许多安全、导向装置，必须保证一定的平稳与强度，同时还应尽量减少其重量，以便最大限度的提高提升有效载荷的能力。主体框架是三维升降机最重要的承载部件，升降滑架在其上做上下、左后、伸缩运动，实现工人的空间作业。因此，其强度、刚度和稳定性是三维升降机设计的可行性的重要验证内容。

本次使用结构力学、材料力学和有限元方法对主体框架、升降滑架、一级滑架和二级滑架进行力学分析基础上，进行了结构优化，保证其自重最轻、安全可靠。

二级滑架的结构设计：

二级滑架是三维升降机工作过程中承载工作人员的载体，在工作过程中承受很大的载荷，所以对其承载能力必须严格要求，二级滑架整体为槽钢与方钢焊接组成的框架结构。

主体框架的結构设计：

主体框架是三维升降机的核心结构，是各部分结构功能的基础，是整个三维升降机安全性的最后保障，对其承载能力必须严格控制，主体框架整个架身是由槽钢焊接而成。

完成了三维升降机机械系统的结构设计，确定了三维升降机各个部分的结构组成。在利用材料力学、结构力学、Solidworks Simulation有限元等知识，对三维升降机的各部分结构在最大受力状态下的变形情况进行了全面的分析计算，得到了相应的变形情况，计算结果表明了开始选择的槽钢型号满足要求。

4.安全防坠器的设计

三维升降机因其结构简单、造价低廉、操作容易、工作效率高、使用成本低、维修保养简便等优点在涂装行业喷漆室中得到了广泛的应用。随着人们安全意识的提高，对三维升降机的安全保障性要进一步改善，增设安全防坠装置，以免在工人作业过程中出现突然坠落，引发安全事故。

因此，为三维升降机配备一台符合规范要求、安全可靠、使用方便、反应灵敏、制造简单、造价低廉的安全防坠器，是现阶段三维升降机得到更加广泛应用的关键。

在工人作业过程中，当承载升降装置的链条突然断裂而导致升降装置发生坠落时，在瞬时强制性是升降装置停止坠落的一种机械装置成为安全防坠器。安全防坠器是三维升降机进一步发展的重要体现，它能够有效的防止升降装置的突然坠落。其性能的好坏直接影响着作业人员的人身安全。所以，应该为三维升降机研制一种安全、可靠的安全防坠器，以确保工人作业中三维升降机不会发生坠落事故。

安全防坠器的总体结构设计：

安全防坠器的形式取决于提升设备的形式和布置方式及导向制动轨道的形式，轨道一般分为软性轨道和刚性轨道，软性轨道主要是钢丝绳；刚性轨道长采用型钢，型钢轨道的表面光滑度，以及整体框架结构和升降装置都会影响升降装置的上下运动。

可靠的安全防坠器应具备以下特点：（1）可靠性好，升降装置应能可靠制动而不坠落；（2）灵敏度高，即制动距离小；（3）制动平稳，不产生明显的冲击振动。

要设计性能优越的安全防坠器，应总体考虑各个组成部分。安全防坠器主要由发动机构、传动机构和抓捕机构三部分组成。

正常工作时，提升链条带动主拉杆向上拉起，发动弹簧被压缩（压缩量可根据需要进行调整），由连杆机构带动滑楔下移，使动滑楔与导向轨道间留有足够间隙，保证升降装置能够上下运动。一旦提升链条断裂，主拉杆向上的拉力消失，弹簧迅速动作恢复变形，通过连杆机构挑起动滑楔，同时升降装置在重力作用下向下运动，使动滑楔抱紧导向轨道，达到制动目的。

抓捕可靠性的设计：

抓捕机构是安全防坠器的关键部分。抓捕机构工作的可靠性决定了安全防坠器的可靠性。抓捕机构采用楔块自。

该安全防坠器动作灵活，工作可靠。对各个重要零部件及整机均进行了严格的技术性能测试，各项技术性能指标均能达到设计要求，符合有关技术条件和规程的规定。在链条断裂后提升装置坠落时，安全防坠器抓捕安全可靠。安全防坠器制动后，能迅速恢复运行状态。

5.结论

5.1 结论

通过深入研究，本次完成了特定的三维升降机及其安全防坠器的研究设计工作，取得了如下成果：首先，完成了新的三维升降机的总体结构设计与计算分析，重点解决了运行平稳，二级滑架下垂等核心问题；其次，为该三维升降机设计了一台瞬时式楔块制动的安全防坠器，针对安全防坠器工作过程中的制动力、制动距离以及可靠性进行了分析。

此外，本次研究同样存在着缺陷和不足，还需要进一步提高改进。争取在机构、结构、安全防坠器等各方面性能上更加可靠、完善。

参考文献

[1]《2012年升降机行业国内外市场发展（投资）比较分析报告》.中国报告大厅.

[2] GB/T7588—1995 《升降机制造与安装安全规范》.2003-06-16.

[3] 张德全 《升降机防坠安全保护器的工作原理、使用和调整.建筑机械》.1996 （10）：40-41.