[机械仪表]全液压升降机设计

2013届届 分 类 号: 单位代码:10452 毕业 论文 （设计 ）全液压升降机设计全液压升降机设计 姓 名 学 号 年 级 20092009 专 业机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 系（院） 机械工程学院机械工程学院 指导教师 2013 年 3 月 30 日临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 I摘 要施工升降机是建筑施工中必不可少的机械设备之一。我国建筑业的蓬勃发展,对施工升降机的性能提出了更高的要求,各类新型施工升降机的研制成为当前建筑机械行业的热点之一。本课题对施工升降机的总体方案、结构、驱动装置、安全装置分别进行了设计研究。综合比较了几种施工升降机总体方案后,采用钢丝绳卷扬式,其结构简单,受力明确,用户也比较熟悉。安全防坠器、超载保护装置、高度限位装置作为施工升降机的安全保护装置,当施工升降机遇到突发事故时它可以防止吊笼坠落事故的发生,保证人员及货物的安全。在安全保护装置中安全防坠器的作用最为重要,受到了业内人士的广泛重视,因此,对其进行不断地改进以适应行业的发展是十分必要的。本文对现有施工升降机及安全装置进行了深入地分析,研制出了一台施工升降机,为其设计了灵敏度高。可靠性好的安全防坠器及超载保护装置和高度限位装置,并对安全防坠器进行了静力学与动力学分析。本课题所设计的施工升降机是在现有机型的基础上通过研究设计出的一台起重量大、提升高度高、综合使用性能好的施工升降机,其提升形式采用钢丝绳式,额定起重量为 4 吨,提升高度为 100 米。安全防坠器采用楔块式制动,灵敏度高、可靠性好!结构简单!能够有效地防止吊笼坠落事故的发生。关键词：施工升降机；Pro/e；安全防坠器 临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 II ABSTRACTThe Construction hoist is one of the essential mechanical devices in the construction. With flourish development of construction industry in our country, higher demands are also asked for the performance and reliability of the construction hoist. Research and development of new type construction hoist has become a lot topic in construction machinery industry.This topic to the construction elevator overall plan, the structure, the drive, the safety device has separately conducted the design research. After the synthesis has compared several kind of constructions elevator overall plan, uses the steel wire to hoist the type, its structure simple, the stress is clear about, the users also familiar. The security guards against falling, the overload protective device, highly the spacing installment takes the construction elevator the safekeeping of security installment which can avoid the failing of the cage to assure the people and goods safety as soon as the construction hoist meets accident. In the modern construction, the safety anti-failing device plays an important role, which has got widely attention by the professional. Therefore, it is very necessary to improve it for fitting the trade needs constantly. This paper aims at these problems, ameliorated the existing construction hoist and the safety anti-falling device, and designed a new type construction hoist, and then, designed and produced a safety anti-falling device with high sensitivity, good reliability for it, and analyzes its static and dynamic performance.The construction hoist which is designed in this subject. Through improving and optimization the existing type, design a construction hoist that have big lift capacity, high lift height and good comprehensive operational perform, which type use the steel wire. Its rate lift capacity is 4 tons, lift height is 100 meters.These security guards which make use of wedge block for brake. This safety anti-falling device have high sensitivity, good reliability, simple configuration and easy to test, which can availably avoid the failing accident of the cage. Key words: Construction hoists, Pro/e, Safety anti-failing Device临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 III目 录1 1 绪论绪论 .11.1 研究的目的和意义.11.2 国内外研究现状.21.3 本课题的主要研究内容.52 2 施工升降机的总体方案施工升降机的总体方案.62.1 概述.62.2 升降机类型以及受力简化.62.3 各种方案的比较分析.82.3.1 驱动功率.102.3.2 驱动装置输出端径向力FJ.102.3.3 方案的选择对塔身设计的影响.102.3.4 方案的选择.112.3.5 主要技术指标.112.4 塔身和吊笼的结构型式.122.5 传动装里和吊笼的连接方式.122.6 安全保护装里.133 3 施工升降机的起升机构及结构设计施工升降机的起升机构及结构设计.143.1 起升机构设计.143.1.1 电动机.143.1.2 卷筒.153.1.3 减速器.163.1.4 联抽器.173.1.5 制动器.173.1.6 钢丝绳.183.1.7 滑轮.183.2 吊笼的结构设计与计算.193.2.1 吊笼结构受力计算.193.2.2 吊笼总重黄的计算.204 4 安全防坠器的设计安全防坠器的设计.204.1 安全防坠器的使用寿命.214.2 安全防坠器制动形式的研究.214.2.1 滑楔式安全防坠器.214.2.2 偏心轮式安全防坠器.224.2.3 稍式安全防坠器.234.3 技术指标要求.244.4 设计中所要解决的关键技术.254.5 安全防坠器总体方案的制定.254.6 制动力与制动距离的分析.264.6.1 制动力的理论分析.264.6.2 制动距离的理论分析.26临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 IV4.6.3 实际情况的分析.274.7 安全防坠器的具体设计.274.7.1 制动机构.284.7.2 传动机构.294.7.3 驱动机构.304.7.4 其它机构.314.8 安全防坠器的检验标定.345 5 超载保护及高度限位装置设计超载保护及高度限位装置设计.355.1 超载保护装置设计.355.1.1 保护系统设计原理.355.1.2 设计中的注意事项.355.1.3 超载保护装置的检验.355.2 限位装置设计.355.2.1 工作原理.36附附 录录 .37结结 论论 .39参参 考考 文文 献献 .40致致 谢谢 .42临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 11 绪论1.1 研究的目的和意义施工升降机是建筑施工中不可缺少的垂直运输机械,自 1973 年第一台国产齿轮齿条式施工升降机诞生以来,历经 30 多年的不断发展,升降机在结构形式、功能、用途、安全装置等多个方面都有了很大的变化和发展。施工升降机主要用于城市高层和超高层的各类建筑中,这主要因为这样的建筑高度对于使用井字架、龙门架来完成作业是十分困难的。近年来,随着建筑高度的不断增加,架设高度大的施工升降机的需求量也在不断增加。建筑施工升降机除了应用在高层建筑中还可以应用在大桥的建设中,此外,它还可以应用在大型化工厂冷却塔、发电厂的烟囱、广播电视塔以及煤矿等多种施工场合下,施工升降机已成为建筑行业中一种必不可少的机械设备。如今,施工升降机已广泛的应用于建筑工地上,承担着垂直运输人员及货物的工作。但是,毋庸讳言,施工升降机的性能和可靠性还不够完善,安全事故时有发生,造成了人员的伤亡和不可挽回的经济损失,事故的原因主要是施工升降机安全保护装置存在问题,导致了升降机的安全性能下降,从而为施工升降机的正常工作带来了重大的安全隐患,这可能会导致事故的发生。因此,安全保护装置的可靠性、完善性直接影响着人身及货物安全。安全防坠器作为施工升降机最为重要的安全保护装置,它的性能的好坏直接影响到施工人员及货物的安全。因此为施工升降机配备一种安全可靠的安全防坠装置,可以保证施工升降机在工作过程中不会发生事故,从而保证施工人员及货物的安全。本课题的最终目的是研制出一台高性能、高效率、低成本的钢丝绳提升式施工升降机。同时,为该施工升降机设计并制造出一台符合规范要求、安全可靠、使用方便、反应灵敏、制作简单的安全防坠器,以及超载保护装置、高度限位装置,为施工升降机提供可靠的安全保障。在建筑机械的大家族里,施工升降机没有像其它建筑机械那样高的年增长率,但是该行业在今后还是有着巨大的发展空间。我们应该正确认识目前施工升降机存在的不足,通过先进的理论和科技手段全面地掌握施工升降机的各种特性并在此基础上改进我们现有的产品,使其具有更高的科技含量、更强的市场竞争力。本课题所研制的新型施工升降机可以在一定程度上提高施工效率,为建筑施工带来很大的方便,将会有广阔的市场前景。而安全防坠器的性能好坏又是施工升降机能否得临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 2以更广泛应用的一个关键问题,因此,本课题中新型安全防坠器的研制将在一定程度上提高施工升降机的安全性能。1.2 国内外研究现状近年来,国产施工升降机得到了迅速发展,国际著名的 ALIMAK 公司的产品也远不比20 多年前那样风光无限了,我国施工升降机的迅速发展极大程度地冲击了它的市场,这与国产升降机所具有先进的技术性能、过硬的产品质量、明显的价格优势等诸多因素分不开的。现代设计理论是施工升降机发展的基础。近年来,随着各种理论的迅速发展,给国产施工升降机的迅速崛起奠定了强大的理论基础,特别是结构动力分析、有限元模型计算、优化方法、机械振动与模态分析、计算机辅助设计等。人们把这些理论应用到施工升降机的研究与开发上,给施工升降机的发展带来巨大变化利用这些理论人们可以全面掌握任何高度位置上标准节的任何部位的应力状态,可以得到施工升降机悬臂部分的动态特性以及由吊笼提升速度的加大给施工升降机带来的影响。总而言之,利用这些理论,可以完全掌握施工升降机各方面的结构特性和工作状态。施工升降机作为垂直运送人员及物料的提升机械,它主要是由塔身、吊笼、起升机构和附墙结构组成,当然施工升降机还包括控制系统和安全装置。这些年来,施工升降机的标准节一直没有大的变化,并且不论多大的架设高度,采用的基本都是从上到下规格相同的钢材。吊笼虽然有多种型式,但都是型钢焊接而成。近年来,国外施工升降机的提升速度已由 40r/min 提高到了 60r/min、80r/min 甚至高达 96r/min,单笼额定载重量在 3 吨以上,而国产施工升降机的提升速度在 2436 m/min 之间,单笼额定载重量基本上不超过 2 吨。目前,虽然国产施工升降机己经取得了很大的发展,但是仍然存在着许多不足之处。首先,没有应用不同公称尺寸的材料作为标准节来分段架设。根据现代设计理论可以全面地掌握施工升降机在每个架设高度任何截面上的应力状态,从结构受力状态分析,无论架设高度是多高的施工升降机其底部的标准节都是承受应力最大的部分,而随着施工升降机架设高度的增加其应力状态更加恶劣。而当架设高度一定时,施工升降机上部标准节的应力状态要比下部的标准节理想的多,通过对施工升降机结构的有限元模型计算和模态分析也同样可以验证这一结论。因此,将施工升降机按架设高度分段,选取不同截面形式的材料作为标准节,可以大大减少施工升降机的钢材消耗量、减轻自重、降低生产成本。临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 3其次,产品形式较为单一,没有根据建筑工程与架设高度的需要而采用不同结构的施工升降机。三角型截面的标准节,由于少了一根主弦杆,在成本、钢材消耗量、安装的便利等方面有着很大优势,对于架设高度为 100 米以下的建筑,使用该种施工升降机有着巨大的价格优势。可见,根据各种不同的建筑需要,采用不同截面形状的标准节,能够真正提高性价比。根据建筑工程与架设高度的需求,可采用大额定提升起重量的施工升降机,目前国内绝大多数的厂家生产的施工升降机的最大额定起重量是 2 吨每笼,从提高工作效率的角度考虑,可以选择单笼的最大额定起重量为 3 吨或以上的机型。大额定起重量产品的需求已经受到了施工升降机厂家的重视,瑞典 AUMAK 公司生产的SCANDO650 施工升降机的额定起重量己经达到了 3.2 吨。再次,升降机没有广泛地采用变频器来改善施工升降机的速度特性。变频器在改善速度特性方面是起着极其重要的作用。过去,变频器由于技术还不成熟,而且价格较高,大多数施工升降机厂家是不会考虑安装变频器作为主要改变速度特性的装置。这些年来变频器已广泛使用在各种改变速度特性的场合,而且技术成熟了,体积减小了,价格降低了,这些都为施工升降机在改变提升速度的同时改善启、制动特性带来了可能。正因为使用变频器,对施工升降机可以实现理想的自动平层功能,而且大大提高了施工升降机的档次以及整机的安全性和舒适性,产品性能、可靠性和寿命也进一步提高。最后,吊笼自重过大,影响了额定起升载重量。施工升降机作为垂直运送人员和物料的提升机械,其吊笼是完成提升任务的具体执行装置。目前吊笼多是两根主立柱焊接的钢结构,周围有钢丝保护网,吊笼前后分别安装着单、双开吊笼门,顶部有活动板门,配备的专用梯可作为紧急出口,也可以在顶部进行架设、维修和保养等工作。目前吊笼的最主要缺陷是自重过大带来的不良影响,特别是应用在高层或超高层建筑物上时影响尤其显著。施工升降机是以各类钢材为主结构的组件,因此它的利润空间是很小的。对于施工升降机,其利润是随其架设高度的增加而增加的。如果在整个架设高度上都使用同样规格的标准节和主弦杆,经济投入势必较大,同时从整个结构受力状态来说,它也是不理想的。而如果能够根据载荷、危险截面位置、架设高度将结构分成几段为其分别选取不同公称尺寸的标准节和主弦杆,则可大大地降低施工升降机的生产成本。将整个架设高度简单的分成二段或三段,按受力状态为各段的标准节和主弦杆选择合理的公称尺寸,则可达到这个目标。改进施工升降机的速度特性是改善其产品综合性能的一个主要方面,它可以提高施工效率。随着高层和超高层的建筑量的不断增加,改进施工升降机的速度特性显得尤为重要。而速度特性的改进,绝不能以影响其产品性能为代价,提升速度增加的同时,还要临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 4具备良好的运行性能、安全性和可靠性。因此,变频器在现代施工升降机上应用得越来越广泛。提高额定起重量对国产施工升降机来说,是在今后发展中需要解决的主要问题之一。施工升降机经过了多年的发展,仍然基本上沿用原来的机型模式,真正意义上的突破还不多见,目前对大额定起重量施工升降机的需求己初现端倪,提高额定载重量将是今后施工升降机的发展方向。根据 GB/T100541996施工升降机技术条件要求施工升降机必须具备安全防坠器,同时对安全防坠器的各种性能指标也做出了规定。升降机古代就有,一个绞盘、一根绳子加上滑轮,就能够组成升降机了。但是,如果要用升降机载人,就必须解决安全防坠落问题,这是相当复杂的事情,业内人士称安全防坠落问题是升降机发展道路上的世界难题。150 年前,美国人奥的斯发明了安全钳,从此开创了升降机载客时代,他的名字也就是当今全球最大的电梯厂商的厂名。高楼里的电梯,运行自如,由电脑控制,运行的平稳程度远远超过施工升降机,主要是使用钢丝绳传动的原因。但是 100 多年来,用钢丝绳传动的升降机在室外露天作业的安全防坠落问题未能解决。室内电梯上的安全钳不能在环境恶劣的室外露天可靠工作,原因是这种安全钳在露天作业时容易失灵,不能可靠地防止吊笼坠落。曾有许多业内人士制造过钢丝绳传动式的施工升降机,但都没有成功,失败的主要原因在于不能十分有效地解决安全防坠落问题。近 20 年来,随着施工升降机行业的迅速发展,安全防坠落问题己经变得非常严峻,引起了广泛的重视,所以业内人士加大了对该问题的研究力度。经过不断努力,终于研制出几种性能相对较好的安全防坠器,如偏心轮式、销式、楔块式等。但是由于技术条件的原因普遍也都存在着一定的弊端,所以就要求对安全防坠器进行不断的改进。传统的安全防坠器由于可靠性差、灵敏度低等诸多缺点,现在己经逐渐被淘汰。而随着科技的不断进步,各式各样新型式的安全防坠器的出现,必将为施工升降机提供更可靠的安全保障。安全防坠器作为施工升降机的安全保护装置,虽然在性能上已经取得了很大的进步,但是随着施工升降机行业的迅速发展,对安全防坠器的性能提出了越来越高的要求。在不断的试验中安全防坠器的一些缺陷逐渐显现出来,如低温条件下响应慢、制动装置磨损以后可靠性差、构造复杂、制作成本较高、保养维护费用高等一系列问题有待解决。施工升降机的安全防坠问题,一直受到国内外业内人士的广泛关注,为保证施工升降机工作时人员及货物的安全,防止吊笼坠落事件发生,许多设计人员都在致力研制出临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 5高性能的安全防坠器。根据国内外施工升降机行业对安全防坠器提出的性能要求,新型安全防坠器的设计主要向以下几个方面发展:1.在施工升降机工作过程中,一旦发生断绳,安全防坠器应立即动作,将吊笼制停,即可靠性要好；2.当安全防坠器动作时,其制动距离要小,即灵敏度要高；3.安全防坠器不论在任何载荷(不超过升降机的额定载荷,包括吊笼自重)下一旦发生断绳,应可靠动作,冲击力要小,并且不对导轨、井架和装置结构造成损坏,即随机性要强；4.吊笼上两个安全防坠器应当设计相同并同时作用,即均衡性要高；5.安全防坠器应能适应不同规格的吊笼,且安装该装置时,不对简易升降机操作和机构作较大改动,即结构应简单,适用性要广；6.安全防坠器起作用时,排除故障应安全简便。连续重复 30 次断绳模拟试验,对结构无损坏,能重复使用,即重复性要好。1.3 本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容包括以下 3 个方面:1.施工升降机研制综合各方面因素及用户需求,完成施工升降机的总体方案的设计以及起升机构的设计与选择。在总体设计方案的基础,完成吊笼和塔身结构的设计。2.安全防坠器的研究开发在完成施工升降机的设计后,首先通过对现有的各种安全防坠器的使用寿命、制动形式及制动性能的分析与研究,确定为该施工升降机设计的安全防坠器的形式;然后确定安全防坠器的技术指标,制定总体设计方案,并对安全防坠器的工作过程、制动力、制动距离、可靠性进行分析；最后设计出符合要求的安全防坠器；并在设计完成后提出了安全防坠器的检验标准。3.超载保护装置及高度限位装置的研究开发在人货两用的施工升降机中,超载保护装置和高度限位装置必不可少,在完成施工升降机的设计后为其设计了超载保护装置和高度限位装置,进一步保障了升降机的安全性。临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 62 施工升降机的总体方案2.1 概述施工升降机作为一种运输机械主要应用于城市高层和超高层建筑的建设中,随着建筑行业的迅速发展,施工升降机在建筑施工中发挥着越来越重要的作用,主要承担着垂直运输施工人员及货物的工作。施工升降机按其传动种类主要分为钢丝绳式和齿条式两种。按提升形式主要分为拽引式和卷扬式。钢丝绳提升式升降机具有结构简单,易于生产制造,性价比高的特点,在建筑行业中得到广泛的应用。同时,钢丝绳具有强度高、弹性大、韧性好、耐磨并能承受冲击荷载等特点,它破断前有断丝现象的预兆,容易检查、便于预防事故。所以本课题研制的为钢丝绳提升式升降机。本课题所研制的施工升降机为钢丝绳提升式施工升降机可以载人载货两用。施工升降机系统组成包括机械系统、控制系统、安全装置。机械系统主要由吊笼、塔身、起升机构组成。吊笼是由角钢焊接成的长方形空间框架,吊笼与塔身相邻一侧装有支撑滚轮,吊笼借助钢丝绳经过天轮架与起升机构相连,用来载货载人。塔身是由若干标准节用螺栓连接而成的多支点空间析架用来传递和承受载荷。起升机构以电动机为动力源,通过一定的传动形式,带动卷筒转动收放钢丝绳来传递牵引力从而将施工人员货物提升到一定高度或返回指定地点。控制系统用来控制升降机运行启停调速等。安全装置用来保证升降机的运行安全,避免事故的发生。2.2 升降机类型以及受力简化各类钢丝绳式升降机以结构简单、操作方便、适用性好、投资和使用成本低廉,深得中小型施工企业的青睐。注重了安全防坠性能后,施工升降机的总体设计、传动和导轨架结构的力学性能,己是许多同行在关注的课题。在同样的提升能力、刚性、强度、稳定性的前提下,能否用料更合理些、提升功率更小些?总体方案的设计选择,起了关键的作用。施工升降机主要由导轨架、驱动装置、吊笼、安全装置、电气系统、地面围栏等部件组成。影响料耗、功耗的,主要是驱动、吊笼、导轨架的组合形式。按导轨架与吊笼的不同组合可以有:导轨架内吊笼式,导轨架外侧吊笼式,双柱龙门架式。按驱动装置的不同可以有:驱动装置在吊笼内部(或上部)的自驱动式,驱动装置在导轨架顶部的提升式,由地面卷扬机提升的卷扬式,由地面曳引轮摩擦驱动的曳引式。曳引式还可区分临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 7为:曳引装置在导轨架一侧的曳引侧置式,曳引装置包容在导轨架中间的曳引中置式,曳引绳与悬挂绳分开、曳引绳两端分别系在吊笼和对重底部的笼底曳引式。不同的方案对驱动装置的功率消耗、输出轴的径向受力有很大差异。导轨架的顶部弯矩、顶部轴向压力、顶架滑轮的用量、钢丝绳的张力和用量、风载也大小不一,因此导轨架受力不同、从驱动装置、导轨架结构设计中涉及的主要力学参数来分析:只需比较不同总体方案的驱动装置输出端的径向载荷和牵引力 Fq(见 2l),就大体能比较出驱动装置的寿命、制造成本和功耗大小(使用成本)。导轨架的成本取决于对其刚度、强度和稳定性的要求,换句话说,就是取决于导轨架截面特性参数。各类不同设计方案,导轨架结构的受力大小可以用最大独立高度,在工作状态下的受力情况作分析比较。图22 为最大独立高度时的受力简图:载荷、吊笼、对重、顶架、钢丝绳等的自重共同作用,可简化成顶部轴向压力 Qt、顶部弯矩 Mt,顶架的风载形成的侧向力 Ft,吊笼和载荷在最高工作位置时的风载形成侧向力 Fl。吊笼和载荷形成的偏载弯矩 Ml,导轨架风载形成风载集度 qf。 qFjFqFjFF图 21 卷筒拽引轮受力简图 临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 8tM1MtF1FtQfq图 22 最大独立高度时的受力简图2.3 各种方案的比较分析下面以卷扬式(方案 A)、拽引侧置式(方案 B)、拽引中置式(方案 C)和底笼拽引式(方案 D)为主作分析。不同方案的同一参数,在参数脚标的第二位用 1、2、3、4 区别。临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 9ABCD临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 10 图 23 方案2.3.12.3.1 驱动功率驱动功率 卷扬式额定提升功率可表达为: (2l)eepeVGGKP式中 额定功率；eP 功率系数；pK 额定载荷；eG 吊笼自重；G 额定速度。eV 拽引式由于对重自的作用,额定提升功率表达为:zG (22)ezepeeeVGGGKPPP431显然,在相同的提升能力下,拽引式的额定功率可以设计的小一些。2.3.22.3.2 驱动装置输出端径向力驱动装置输出端径向力F Fj j还是以同样的提升能力进行比较,卷扬式施工升降机的输出端径向力可达为: (23)GGFeji几种拽引式的输出端径向力表达相同,可表达为: (24)zejGGGF从式子可以看出,在相同拽引力下,拽引式的输出端径向力比卷扬式要大小的径向力使拽引轮、拽引绳寿命延长,对驱动输出部分的轴轴承支座要求也低。提升能力相同时,驱动装置的电动机、减速箱、拽引轮、制动器、联轴器、支座设计依据的主要差别是和。ePjF2.3.32.3.3 方案的选择对塔身设计的影响方案的选择对塔身设计的影响各类不同方案中,塔身结构的受力大小可以用最大独立高度,在工作状态下的受力情况作分析比较。可简化成顶部轴向压力、顶部弯矩,顶架的风载形成的侧向力tQtM,吊笼和载荷在最高工作位置时的风载形成侧向力。吊笼和载荷形成的偏载弯矩tF1F,塔身风载形成风载集度。提升能力相同时 6 个外载荷中,在不同方案中1Mfq1F1M相差不多。影响力较大的是,。在笼底曳引式中,可以是最小的,也tMtQfqtMtQfq临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 11可以是比较小的。在曳引侧置式中,都可能是最大的,与其它方案比较时可居tQfqtM中。影响力较小的,它的值在笼底曳引式中居中,在曳引侧置式和曳引中置式中有可tF能最大。6 个外载荷对塔身的综合影响,会使塔身的材料消耗、制造成本在不同的方案中有差别:曳引侧置式、曳引中置式会料耗大些,成本高些,卷扬式的其次,笼底曳引式的最低。2.3.42.3.4 方案的选择方案的选择卷扬式施工升降机的大多数指标在方案比较时适中,重要的是该方案受力明确,结构简单,用绳量最少,使用维修简单,用户最熟悉。综合各方面考虑,最终选择提升形式为卷扬式的钢丝绳提升式施工升降机。本课题所设计的钢丝绳提升式施工升降机原理简图如图 23 所示,其工作原理是:起升机构的驱动装置通电以后,驱动装置带动卷筒转动,通过起升钢丝绳提升吊笼,使吊笼沿着塔身的导轨架运动,完成运输施工人员及货物的工作。图 2-4 碑钢丝绳提升式施工升降机2.3.52.3.5 主要技术指标主要技术指标本课题所设计的施工升降机的主要技术指标如表 21 所示。临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 12表 21 施工升降机主要技术指标参数名称单位指标额定载荷量KG4000额定提升速度m/min22最大提升高度m100标准节高度m1.62.4 塔身和吊笼的结构型式施工升降机的塔身是由若干标准节用螺栓连接而成的多支点的空间析架,其功能是用来传递和承受载荷。标准节的截面型式有正方形、矩形和三角形。标准节的长度一般为 1.5m 左右,塔身的主弦杆、腹杆多选用等边角钢制造而成。按照塔身的结构施工升降机可分为单柱和双柱两种,本课题所研制的施工升降机采用单柱双吊笼,每个吊笼各有自己的驱动装置,并可以独立的上、下移动,可以提高运送客货的能力,效率远远超过双柱式施工升降机。标准节的截面型式为正方形,使其具有更高的承载能力。吊笼是由角钢焊接成的长方形空间框架,吊笼与塔身相邻一侧装有支撑滚轮,吊笼借助钢丝绳经过天轮架与起升机构相连。吊笼的自重对施工升降机的其中性能影响较大,设计时应力求使其自重最轻。2.5 传动装里和吊笼的连接方式传动装置是施工升降机的核心部分,其机械性能决定了整机的先进性安全性及舒适性,而传动机构与吊笼的联接方式又直接影响整机,如受力情况寿命及舒适性等,联接方式可分为笼内式和悬挂式两种,目前国内绝大部分产厂家都是采用笼内式即传动装置布置于吊笼内部,用高强度螺栓紧固于吊笼主要承力结构的两立柱之上；悬挂式则是把传动装置布置于吊笼顶部,通过销轴联接吊笼。前者为直接驱动吊笼上下运动,而后者则是间接牵引吊笼使之上下运行,两种形式的传动板都可以采用非弹性联接或弹性联接与立柱或传动架紧固。由于传动架可整体加工,故悬挂式传动装置的安装板还可以与传动架的立柱焊接成一整体。值得注意的是,刚性联接的制作工艺过程比较严格,要求较高的加工精度来保证安临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 13装后的整机技术性能。如:解决振动问题,保证各导向轮与导轨立柱间的精度以及驱动小齿轮与标准节齿条间的精度关系。而弹性联接方式在制作工艺上要求比前者较为简单,容易满足要求。因此,就某种程度而言能补偿一些由于标准节及传动装置的制作精度及装配误差而产生对齿轮齿条啮合的影响,避免产生传动副损坏的现象。另外,弹性联接对吊笼起制动时能起到一定的缓冲作用,使整机起制动更平稳。弹性联接不足之处在于,因升降机起制动冲击频繁,橡胶块所承受的挤压力及摩擦力较大,故长时间使用后应经常检查高强螺栓的松紧状况及调整齿条背上的压轮和侧向导轮的间隙。从以上分析及实践证明可得出的结论是传动板与吊笼立柱或传动架的连接应优先选用弹性联接式。2.6 安全保护装里对于客货两用的施工升降机,对其工作的可靠性要求较高。因此,装有几种不同的安全保护装置。其中有吊笼安全防坠器、平层制动器、重量限制器限位开关等。1.安全防坠器当驱动吊笼的钢丝绳松弛或断裂时,安全防坠器的制动楔块在弹簧的作用下向上托起,与导轨架摩擦而实现制动,将吊笼停止在导轨架上。当驱动吊笼的钢丝绳张紧并向上拉时,制动斜块对导轨产生的压力消除,回到原位。制动楔块与导轨间平时应保持一定的间隙,保证吊笼可以上、下自由运动。制动楔块与滑道间要定期加润滑油以防止生锈,保证动作的灵活性。安全防坠器是施工升降机最为重要的安全保护装置,其性能好坏决定着吊笼发生坠落事故时施工人员及货物的安全,所以对其性能有比较高的要求,安全防坠器的具体设计工作将在第四章进行。2.平层制动器在吊笼上装有手动制动装置,当扳动制动手柄时,制动楔块与导轨架的无缝钢管之间产生摩擦力,实现制动。手动制动装置是在吊笼停止在导轨架上,施工人员装卸货物时保证安全而使用的。3.重量限制器当吊笼的装载量超过施工升降机的额定起重量时,重量限制器应即时动作,切断总电源,以防止施工升降机在超载情况下工作发生吊笼坠落事故。4.限位开关钢丝绳卷扬式施工升降机均设置了限位开关,其作用是当吊笼运行超出限位开关位置时,限位装置将切断总电源而使施工升降机停止工作。限位开关为非自动复位型,动作后只能通过手动复位才能使吊笼重新启动,限位开关安装在导轨架和吊笼上。临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 143 施工升降机的起升机构及结构设计3.1 起升机构设计起升机构是建筑施工中不可缺少的提升设备。它既可单独使用,也可作为其它起重机械上的主要启动设备,因此得到了广泛的应用。它是以电动机为动力源,通过一定的传动形式,带动卷筒转动收放钢丝绳来传递牵引力,从而将施工人员货物提升到一定高度或返回指定地点的重要设备。本课题所设计的施工升降机采用交流电动机驱动,工作级别 A6 级。该施工升降机的起升机构主要由电动机联轴器、制动器、减速器、卷筒、支架等部件组成。起升机结构如图 31 所示其工作原理为:电动机 1 通过弹性柱销联轴器 2 和减速器 4 连接,其中联轴器外缘安装有电力液压块式制动器 3,减速器 4 和卷筒5 连接,卷筒通过轴承座固定在支架 6 上,以达到传递转矩的作用,最终通过钢丝绳 7 实现提升货物的目的。1电动机；2弹性柱销连轴器；3制动器；4减速器；5卷筒；6支架；7钢丝绳图 3l 起升机构3.1.13.1.1 电动机电动机电动机为起升机构的主要执行元件,在系统中的作用非常重要, 良好的电气性能,临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 15会改善驱动机构的性能,提高系统可靠性,降低制造成本。电动机静功率，就是电动机稳定运行状态时的功率，即电动机匀速运动时所消耗的功率。电动机静功率: (3l)KWFVPj417.171000式中 电动机静态功率(KW)；jP额定起升载荷（N)为 40000N；F起升速度(m/s)为 0.41m/s；V机构总效率为 0.952。电动机过载能力效验: (32)1000FVHPmn式中 基准接电持续率时的功率(KW)为 22KW；nP考虑电压降及转矩允差以及静载试验超载的系数为 1.15；H电机个数为 1 个；一电动机过载倍数为 1.5；m选择电动机为绕线型异步电动机 YZR200L6。YZR 系列是最新设计的绕线子电动机,具有过载能力大、机械强度高、效率高、噪声低、振动小、堵转转矩高、运行可靠等特点,适用于驱动各种类型的起重冶金机械或其它类似设备的专用产品。3.1.23.1.2 卷筒卷筒卷筒直径: (33)mmdeD2661 式中 卷筒的名义直径(mm)D卷筒与钢丝绳的直径比为 15.778e临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 16钢丝绳直径(mm)为 18mmd (34)mmdDD2840式中 卷筒的计算直径(mm)0D卷筒转速: （3min/3 .490rDavnt5）式中 一卷筒的转速倒(r/min)；tn滑轮组倍率为 107.3。a卷筒长度: (3mndDndlL56. 02 . 11 . 16)式中 多层卷绕卷筒的长度(m)；L多层卷绕钢丝绳总长度(m)为 330m；l多层卷绕的圈数为 10。n3.1.33.1.3 减速器减速器减速器额定功率: (37) KWPPd2712. 11212式中减速器额定功率(kw)； P起升载荷动载系数为 1.77。2传动比: (38)284.20tdnni式中 传动比。i取传动比 =20。i减速器轴端最大径向载荷验算: (39) NSFF228002max式中 输出轴端允许的最大径向载荷（N） ； F临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 17输出轴端最大径向载荷（N） ；maxF钢丝绳最大静拉力（N）为 12880N。S卷筒弯矩验算: (310) mNdDSTTT6 .40352)6(2 . 12max式中 钢丝绳最大静拉力在卷筒上产生的扭矩伽(Nm)； T输出轴允许的短暂最大扭矩侧(Nm)。maxT选择减速器型号为 QJRD335。3.1.43.1.4 联抽器联抽器最大扭矩: (311) mNTKTt375.251式中 联轴器许用扭矩（Nm） ； tT工作级别系数为 0.062。K选择联轴器型号为 TLL4 型带制动轮弹性套柱销联轴器。3.1.53.1.5 制动器制动器制动转矩: (312)mNiSDKTzz075.23620式中 制动器制动转矩困(Nm)；zT制动安全系数为 84.59。zK选择制动器的型号为 YW315500。启制动时间验算: (313) 155. 9qqtTjTqTnts5 . 1式中启动时间(s)；qt电动机平均启动转矩（Nm)；qT电动机静阻力矩（Nm)；jT 推荐启动时间(s)。 qt临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 18启动加速度验算: (314) 24. 0qqqatva2/37. 0sm式中 启动平均加速度回(m/s2)；qa 平均升降加速度推荐值(m/s2)。 qa3.1.63.1.6 钢丝绳钢丝绳钢丝绳工作静拉力: (315)NaFFs19000式中 钢丝绳的最大工作静拉力(N)。sF钢丝绳破断拉力: (316)NnFFs1154000式中 钢丝绳的破断拉力(N)；oF安全系数为 6。n钢丝绳直径: (317)SFCdmin式中 钢丝绳的许用最小直径(mm)；mind安全系数为 0.029。C由式(317),取=4mm,满足使用要求。d3.1.73.1.7 滑轮滑轮滑轮直径: (318)mmdeDj6 .313式中 滑轮直径(mm)；jD滑轮与钢丝绳直径比系数为 17.42。e由式(318),取D=350mm,选择铸造 E 型滑轮。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。施工升降机机械系统的结构主要包括吊笼和塔身临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 19两部分,它们都是由型钢焊接而成的格构式部件,具有重量轻、承载能力大的优点。吊笼作为提升物品的承重部件,其上还作用有多种安全、导向装置,必须保证具有一定的强度,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。塔身是施工升降机最重要的承载部件,吊笼在其上做上下运动,实现物品的垂直输送,其在承受吊笼作用力的同时还受到风载的影响,此外,塔身还必须具有承受起升钢绳断裂时安全防坠器对其的瞬时冲击的能力,因此其强度、刚度和稳定性是施工升降机设计的重要验算内容。在使用结构力学对吊笼和塔身进行力学分析基础上,进行结构优化,保证其自重最轻、安全可靠。3.2 吊笼的结构设计与计算吊笼是施工升降机工作工程中运送施工人员及货物的载体,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。吊笼为整体框架结构,如图所示。3.3L 2.2B 2H 图 32 吊笼 3.2.13.2.1 吊笼结构受力计算吊笼结构受力计算吊笼主要受力构件为底面的四根槽钢,其受力计算如下: (319)mNBFMQ1500022式中 底面单根槽钢所受弯矩（Nm） ；B临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 20起重载荷(N)为 27272.7N；QF吊笼的宽度(m)。B (320)WM4 MPa170式中 截面系数(cm3)；W许用应力(MPa)。 由式(320)得,22.06 cm3 W主要受力构件选 10 号槽钢。3.2.23.2.2 吊笼总重黄的计算吊笼总重黄的计算吊笼自重为: (321)KgmmmmGL2 .6114321式中 吊笼自重作(kg)；LG10 号槽钢的总质量(kg)为 317Kg；1m角钢 40 x6 的总质量(kg)为 106Kg；2m角钢 80 x6 的总质量(kg)为 98Kg；3m顶板的质量(kg)为 90.2Kg。4m安全防坠器自重100kg,其它部件为50kg。FGG吊笼总重为： (322)GGGGFL式中 吊笼总重量(kg)。G将、带入式(3 一 22)得,800kg。LGFGGG4 安全防坠器的设计施工升降机作为一种垂直运输机械,因其具有结构简单、造价低廉、操作容易、工临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 21作效率高、使用成本低、维修保养简便等优点在建筑施工中得到了广泛的应用。随着它在建筑施工中的广泛应用,除对导轨形式、行走方式、导轮结构有特定的要求外,对安全防坠器的要求更为严格。为施工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、制作简单、造价低廉的安全防坠器,是施工升降机得以更广泛应用的一个关键问题。在施工升降机工作过程中,当吊笼在驱动装置失效或提升钢丝绳断裂而发生坠落时,限制吊笼的运行速度并使其停止坠落的一种机械装置称为安全防坠器。安全防坠器是施工升降机最为重要的安全保护装置,它能限制吊笼的超速运行,并有效防止吊笼坠落。其性能的好坏直接影响着施工人员及货物的安全。所以应该为施工升降机研制一种安全、可靠的安全防坠器以确保施工升降机在工作过程中不会发生吊笼坠落事故,从而确保施工人员及货物的安全。4.1 安全防坠器的使用寿命标准规定,防坠安全器的使用寿命为 5 年,但实践证明可以灵活确定。一般情况下,施工升降机不会因吊笼钢丝绳或主要传动机件的断裂而发生吊笼坠落事故。因此,防坠安全器极少出现制动的动作。但为了确保其能随时正常工作,使用施工升降机的单位,对防坠安全器须每季度人为地动作一次。对于使用期己超过 5 年的防坠安全器,如果机器养得好,或使用时间不连续、磨损小、更换过的零件少,以及前一次鉴定时各项数据都良好,即只要其维修与鉴定费之和少于新防坠安全器价值的 1/5,就可以允许其继续使用 1 到 2 年。这样,既可减少资源浪费,又可降低施工成本。4.2 安全防坠器制动形式的研究目前,钢丝绳提升式施工升降机安全防坠器按制动形式不同,大致分为滑楔式、偏心轮式及销式三类。4.2.14.2.1 滑楔式安全防坠器滑楔式安全防坠器滑楔式安全防坠器结构示意图如图 41 所示,它主要由动滑楔、定滑楔控制系统组成。其制动原理为:当控制机构将动滑楔向上推动时,动滑楔相对定滑楔产生水平位移,动滑楔与导轨接触后产生摩擦力,摩擦力阻滞动滑楔随吊笼一起下滑,而此时动滑楔与定滑楔相对水平位移继续增大,导致动滑楔与导轨摩擦力也继续增大,直至制动为止。这类安全防坠器制动快捷迅速,平稳冲击小,但对动滑楔的制作精度、导轨的直线度和平整度要求较高。临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 2232411滑轨；2动滑块；3定滑块；4控制机构图 41 滑块式安全防坠器4.2.24.2.2 偏心轮式安全防坠器偏心轮式安全防坠器偏心轮式安全防坠器结构如图 42 所示,它的制动机构由偏心轮机构组成,其制动原理为:当控制机构将偏心轮向上旋转后,偏心轮与滑轨接触,产生摩擦,随着吊笼继续下滑,偏心轮继续旋转,由于偏心的原因,偏心轮对导轨的正压力增大,摩擦力也继续增大,直至制动为止。这类安全防坠器的制动迅速平稳,但对偏心轮制作精度、滑轨的直线度和平整度要求较高,加工难度大。临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 2347635211滑轮；2滑轮架；3导向轮；4钢丝绳；5偏心轮； 6导轨；7弹簧图 42 偏心轮式安全防坠器 4.2.34.2.3 稍式安全防坠器稍式安全防坠器销式安全防坠器机构如图 43 所示,它的制动器由销机构组成,其制动原理为:当控制机构将销弹出后,根部卡在吊笼横梁上,端部卡在塔身横杆上而制动。这类安全防坠装置制动时间短,结构简单,比较经济实用。但销对塔身横杆由于消耗重力功和惯性动能而产生很大冲击,故要求滑销、吊笼横梁和塔身的强度较高。临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 24453862711滑轮；2滑轮架；3导向轮；4钢丝绳；5弹簧；6吊笼横梁；7卡销；8踏身横杆图 43 销式安全防坠器上述几种安全防坠器结构各有利弊,应该针对升降机具体特性和使用工况选用最佳的安全防坠器。4.3 技术指标要求制动时间与制动距离是安全防坠器最为重要的性能指标,根据施工升降机规范设定具体的设计指标参数为:制动时间:t0.55；制动距离:S0.lm。在满足以上两个设计指标的同时,应尽量提高安全防坠器的可靠性,同时,还应该考虑到如何简化机构,使其便于安装调试。临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 254.4 设计中所要解决的关键技术安全防坠器的主要作用是在施工升降机的工作过程发生事故时防止吊笼坠落,确保施工的安全。因此,对其使用性能有较高的要求。1.对制动力的要求要求安全防坠器在制动过程中能够提供足够大的制动力,以保证在吊笼下落一定距离后及时将吊笼制动,以免造成人员及货物的损失；2.对响应时间的要求安全防坠器的响应时间不宜过长,如果响应时间过长,则吊笼的下落距离较大,如果在起升高度较小的时候发生事故,此时防坠器还没来得及工作,吊笼已经落地,即使未落地,由于吊笼做自由落体运动,响应时间越长,吊笼的速度越大,这样就会产生巨大的冲击载荷,可能会造成吊笼或导轨的破坏；3.对可靠性的要求安全防坠器制动必须可靠,不可以自动或电动复位。所以本设计所研制的安全防坠器应主要从制动力大,响应快,可靠性好这几个关键技术入手。4.5 安全防坠器总体方案的制定在本课题的进行中,安全防坠器的设计最初采用了齿轮锥鼓型渐进式防坠器,并进行了一系列的零部件设计及总体设计,但由于机构太过复杂,模型难以有效的简化,得不到可靠的制动时间与制动距离,最终没有采用齿轮锥鼓型防坠器。通过对现有制动形式的进一步的研究与分析,本课题所设计的安全防坠器最终采用了瞬时式楔块制动。该安全防坠器主要由驱动机构、传动机构和制动机构三部分组成。1.驱动机 构驱动机构是当提升钢丝绳断裂时安全防坠器动作的动力源。它的形式有电动、液压、气动,还可以采用弹簧、人工控制形式。对于驱动机构的设计,应尽量使其结构简单、动作灵敏,并根据实际情况合理地选用驱动形式。本文采用弹簧作为安全防坠器的驱动机构；2.传动机构 传动机构的作用是实现由发动机构到制动机构之间运动的传递,其形式有很多种,本文设计的传动机构主要由齿轮齿条与连杆构成,这是因为齿轮齿条机构具有传动准确、工作灵活可靠,便于安装调试的优点；3.制动机构 制动机构的作用是当施工升降机发生故障时,在驱动机构的带动下完成对吊笼的制动,安全防坠器制动机构形式的选择取决于提升设备的式和布置方式以及轨道的形式。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。该施工升降机采用钢丝绳提升吊笼,轨道采用刚性轨道,材料为普通无缝钢管。由于导轨表面的光滑度,以及导轨与塔身之间的连接板都会影响吊笼的上下运动,因此为了防止吊笼在上临沂大学机械工程学院 2013 届本科毕业设计 26下运动过程中出现被卡、搁的情况,本文将制动楔块做成非封闭的形式。本设计采用双向制动机构,该机构有两个相对的动滑楔,布置在导轨两侧,两个动滑楔由导轨两侧等距抱紧。动滑楔与导轨表面相接触,具有承载能力大,制动准确,工作可靠的优点。同时,通过在动滑楔与定滑楔之间加入润滑脂,可以减小动滑楔与定滑楔之间的相对摩擦,保证制动过程中动滑楔动作灵活与制动可靠,并能迅速复位。4.6 制动力与制动距离的分析在安全防坠器的制动过程中,吊笼必须满足以一定的加速度做减速运动的条件下,才能起到安全保护的作用。制动力越大时,制动时间越短,则制动距离也越小。所以在设计安全防坠器时,应充分考虑到安全防坠器所能提供的最大制动力是否能够满足制动时间的要求。在设计时,必须首先确定起重量、制动力和制动距离,起重量的大小已经在施工升降机设计中规定,下面对制动力与制动距离进行分析。4.6.14.6.1 制动力的理论分析制动力的理论分析制动力是指当钢丝绳断裂以后,克服吊笼重力,并为吊笼提供一定向上的加速度的力。 (44)QagF式中制动力（N)；F制动加速度(m/s2)。需要指出的是,根据有关规定,安全防坠器制动加速度不应小于 0.5g 4.6.24.6.2 制动距离的理论分析制动距离的理论分析制动距离是指从安全防坠器开始动作到吊笼被制动停止时,吊笼所下降的距离。 (45)HSS0式中制动距离(m)；S从钢丝绳断裂时刻到开始制动时刻吊笼下降的距离(m)；0S一开始制动时刻到完成制动时刻吊笼下降的距离(m)。H (46)gtVV0式中一开始制动时刻吊笼的速度(m/s)；V一吊笼的初速度(