毕业设计说明书 升降机.doc

物料提升机三维建模与虚拟设计摘 要物料提升机是建筑工地上一种常用的垂直运输机械。与塔式起重机、施工电梯相比较，它的优点在于结构简单，制造容易。安装拆卸灵活，使用方便，价格低廉，是一种投资少，效益显著的施工机具，在建筑施工中广泛使用。物料提升机主要有卷扬机和架体两大部分组成，卷扬机可根据需要向厂家购置成品，架体结构简单，主要有各种型钢焊接或采用螺栓连接组成。由于操作完全由人的行为控制，因而需要安装各种保护装置，防止误操作以防安全事故的发生。物料提升机的安全装置一般有安全停靠装置、断绳保护装置、上下极限限位装置、超载限位器、吊笼安全门、缓冲器、进出料口安全防护门、防砸防护棚、防物料坠落安全立网等安全设施。这些安全装置、设施有的是提升机机具本身要求具备，有的是在现场使用必须采取的安全措施。机具的提供单位和使用单位相互配合完成，才能满足他的安全使用要求。本次设计根据以上要求及国家相关规定龙门架及井架物料提升机安全技术规范的各项要求，查阅了国内外的大量资料，设计了一部物料提升机，其结构主要由天梁、架体、吊栏、底架、井架基础、围栏等部件组成。本文在第一章中首先概括介绍了物料提升机的结构。再进一步介绍了其当今的发展状况，明确了对物料提升机研究的重要性，为设计提供了参考，并提出了此次设计的主要思路及研究手段。在当今市场竞争激烈，计算机软硬件及网络高速发展的技术支持下，虚拟制造技术显得尤为突出。它是一种计算机生成的动态的虚拟环境, 形成一个具有视觉、听觉、触觉甚至味觉和嗅觉的逼真感观世界, 人通过适当的接口置身其中, 获得一种仿佛置身于现实世界的临境感, 并通过各种虚拟设备如立体显示系统、 听觉系统、 触觉与力反馈设备等, 以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互 ( Interaction) , 产生沉浸( Immersion) 感, 对系统进行构想( Imagination)。在本文的第二章中通过对物料提升机进行了受力分析及相关计算，确定了该提升机的结构形式及其运动状态后，根据已有的提升机参考资料，用AUTOCAD绘制出二维工程图，为后面的三维建模提供参考。在计算、二维参考图纸全部准备结束之后，便对其进行三维实体建模。这里采用了美国PTC公司推出的一套三维CAD/CAM参数化设计软件PRO/E进行三维建模、虚拟制造。在本文的第三章中主要详细介绍了物料提升机架体的主要零部件建模及其装配方法。对其他部件也作了简单介绍，并在最后对物料提升机进行了总装配。在全部装配完成后，为了了解整个提升机的自身属性及其工作性能，须对整机架体做一些机械相关分析。这里对整机作了简单的质量属性分析和全局干涉检查。通过对模型的质量属性分析，可以获得模型的体积、总的表面积、质量、重心位置、惯性力矩以及惯性张量等数据。而全局干涉检查可以解决各个零部件间的干涉情况。从最后的分析结果显示该物料提升机符合相关设计要求。关键词：提升机 钢结构 设计计算 Pro/E三维建模 虚拟制造Three-dimensional Modeling and Virtual DESIGN Of Material HoistAbstractMaterial hoist is a common vertical transport machinery on construction site. Compared to the tower crane and construction elevator, the advantage is its simple structure and easy manufacturing. The installation of demolition is flexbile, easy to use, low cost, and is a small investment, efficiency of construction machinery significantly, which is widely used in construction.Material hoist often composed two major parts which is winch and frame. Winch may be needed to purchase products from the manufacturers, and the simple frame always welded or bolted connections with varieties of steel. As a result of operating entirely controlled by human behavior, there need to install a variety of protection devices to prevent the occurrence of safety incidents by disoperation. Material hoist safety devices are generally contain docking devices、the protection device for rope off、upper and lower limits of limit devices、overload limit、and the safety of passenger hoists doors, bumpers, security entrance and exit into and out of doors, anti-studio smashing protection, anti-material falling safety net safety facilities，etc.Some of these safety devices and facilities are required of their own, and other security measures must be taken to use in the Construction site. The provision of equipment units and the use of units to complete each other in order to meet the requirements of the safe use of it.This design based on the requirements above and in accordance with relevant provisions of the State “Gantry hoist and derrick safety materials, technical specifications” of the request, access to large amounts of data at home and abroad, and designed this material hoist. The main structure are consist of horizontal beam frame body, hanging bar, chassis, head frame foundation, fences and other components. It is a dynamic computer-generated virtual environment to create a visual, hearing, touch and even taste and smell and feel of the real world, human exposure through appropriate interface which seems to obtain a real-world exposure to the flu throughout the Provisional and through a variety of equipment such as a virtual three-dimensional display system, auditory system, tactile and force feedback devices, so as to approach the natural environment and virtual interactive objects, arising from immersion sense of the concept of the system. In the second chapter, through some related analysis and calculation of the material hoist to determine the hoist structure and motion, in accordance with the existing reference materials hoist, a two-dimensional drawing with AUTOCAD engineering drawings for the following three-dimensional modeling to provide reference. In the calculation, two-dimensional drawings of all the preparations for the end of the reference, and then to make three-dimensional solid modeling. Here we use a set of three-dimensional CAD / CAM design software parameters of PRO / E introduced by PTC of the United States to make three-dimensional modeling and virtual manufacturing. In Chapter 3 of this article described in detail in the main rack of materials to upgrade the main components and assembly modeling approach. There also made a introduce for other parts briefly, and in the final made the total assembly of this material hoist. Upon completion of all the assembly, in order to gain a better understanding of their own hoist and its performance attributes, we should do some mechanical analysis to the whole body aircraft. Here briefly on the whole the mass attribute analysis and global interference checking. Through the analysis of the mass attributes for the model, we can get the size of available models, with a total surface area, mass, center of gravity location and inertia moment of inertia tensor data, and so on. And global interference checking can solve the interference between the various components. From the final results of the analysis, we can see that the material hoist line with the relevant design requirements.Key Words：Hoist; steel; Design calculation; Pro/E modeling; virtual manufacturing目 录摘 要ABSTRACT第一章 引 言11.1 物料提升机概述11.2 物料提升机的研究现状11.3 本次设计的主要思路和方法2第二章 物料提升机的设计计算32.1 设计计算概述32.2计算模型建立42.3计算工况确定42.4计算载荷确定52.5各工况下的载荷分析计算92.6整机架体应力分析102.7天梁应力计算162.8小把杆强度校核172.9整机扶墙架设计计算19第三章 物料提升机主要零部件的三维建模及装配303.1 概述303.2 物料提升机主要零部件的三维建模313.2.1结构架体的建模313.2.2天梁的建模403.2.3停层器的建模453.2.4吊栏的建模463.2.5井架基础的建模473.2.6围栏的建模473.2.7底架的建模493.3 物料提升机主要零部件的装配503.4 小结52第四章 物料提升机相关机械分析534.1 模型的质量属性分析534.2 装配干涉检查55第五章 总 结56参考文献57致 谢59第一章 引 言1.1 物料提升机概述井架提升机，简称并字架或井架，俗称绞车架，是在传统的钢井架基础上发展起来的，是由钢结构立柱、吊笼、卷扬机、钢索、滑轮及导向装置、附墙支撑和超高位限制器等组成。由于它制作简单，成本低廉，使用方便，综合经济效益高，颇受施工企业的欢迎。在我国一些地区的高层建筑施工中，用井架提升机作为起重运输机械主机的补充，特别在高层建筑的装修阶段，使用井架提升机可获得较好的经济效益。井架提升机的优点有投资小、费用省、操作简单、占地少和效率高等，可是井架提升机只能进行垂直运输，不能进行水平运输，更不能同时进行垂直和水平运输，所附摇头拔杆的起重量和回转半径均属有限，能活动的空间不大。因此用以承担高层建筑结构施工是存在困难和本便的。此外，在司机监控、自动停层以及操作精确方面，也是难以同塔式起重机相竞争的。然而，在高层和超高层结构施工中，持别是在钢结构高层建筑施工中，在进行平行流水立体交叉作业快速施工和装修工程提前插入的情况下，由于井架起重机的费用低廉，安装容易和运输量大，因此，它在解决垂直运输作业的沉重负担方而所能发挥的作用是不容忽视和低估的1.2 物料提升机的研究现状井架起重设备的钢塔架可由杆件拼装而成，也可由若干单片衍架组拼而成，或者是标准节装配而成。标准节长一般为23m，但也有长达5m的。塔架的断面尺寸及主弦杆的规格主要取决于井架起重量、吊厢容量及尺寸、塔架自由高度及最大垂直升运高度。对井架物料提升机的传统设计方法，通常是根据施工要求，对井架架体进行载荷计算，包括吊重级索具等重量，滑轮组引出索拉力，架体自重，风载荷等。再对其进行验算，包括弯矩平面内外稳定性验算，井架架体基础的验算等。经过这一系列复杂的运算之后，开始按要求进行产品生产，然后在对井架的强度，负载能力等一系列要求进行实验，当某一环节出现问题或其强度不够时，在返回重新设计，直至满足各项要求，才可投入市场。这种传统的设计方法新产品的更新周期长，成本高，而且并能完全满足要求。目前计算机软硬件的高速发展，先进制造技术不断涌现，虚拟制造以其全新的的制造体系和模式已成为现在制造技术与系统发展的必然趋势。1.3 本次设计的主要思路和方法本次设计首先查阅、分析了国内外有关提升设备的相关资料，根据任务书上提供的参数进行设计计算，并依据所得数据和相关参考图纸进行二维工程图的绘制，然后在掌握了Pro/E建模软件后，建立物料提升机的主要零部件的三维实体模型并进行装配，最后运用前面做创建的三维实体模型进行，质量属性分析，运动仿真，干涉检查等相关分析，并对结果进行评价、总结。通过本次设计，最终要使自己掌握必备的制图、计算、调研、查阅文献等基本能力和基本工艺知识以及较强的计算机应用能力。第二章 物料提升机的设计计算2.1 设计计算概述WTJ1000型物料提升机钢结构设计主要依据JGJ88-92龙门架及井架物料提升机安全技术规范、GB/T13572-1993塔式起重机设计规范及GB50017-2003钢结构设计规范进行，应满足上述规范标准所规定的强度、刚度及稳定性等的要求。WTJ1000型物料提升机主要适用于多高层建筑、塔式建筑、桥梁等工程的施工，是垂直运送建筑材料的一种高效率的施工机械。WTJ1000型物料提升机的主要构造为：整机架体为2300×2000mm的矩形截面，标准冲天为70×70×7的角钢，节点长度为1500mm；吊笼在井架体中间上下垂直运动，两侧由滑轮导向；吊笼上下运动由卷扬机通过钢丝绳带动，牵引钢丝绳的一端固定在天梁上，另一端从吊笼顶部滑轮绕过，经天梁上两个改向滑轮后至卷扬机。整机架体通过扶墙架与建筑物相连，每隔6m设一道扶墙架，在整机架体的上部可根据用户的需要装备把杆。该机独立高度为12 m，标准型高度设计成24m，最大搭设高度定为60m。该机的主要技术性能参数如下：额定起重量 10 kN额定提升速度 25 m/min独立高度 12 m标准搭设高度 24 m最大搭设高度 60 m吊笼净空尺寸（长×宽×高） 2025×1770×2000 mm 钢丝绳直径 11 mm防坠器制动距离 100 mm 本设计计算书计算高度按照最大搭设高度60m来进行。计算主要针对WTJ1000型物料提升机设计所确定结构形式对选定材料的强度、刚度及稳定性等进行工程计算和采用有限元方法进行复核计算。2.2 计算模型建立计算按架体搭设高度60m（40个节距）进行，此时扶墙架设置共10道，附着架之间间距为6m，自由端高度为6 m。计算模型如图2.1所示。 取坐标系xyz，在xy平面内，将立柱结构看作为支承在弹性支座上的连续梁，而在yz平面内，将立柱结构看作为支承在钢性支座上的连续梁。2.3计算工况确定根据WTJ1000型物料提升机使用工况及可能出现的情况，计算时考虑以下载荷组合工况。2.3.1非工作工况 此时吊笼停在地面。架体上作用有全部静载荷及非工作状态风载荷。 图2.12.3.2工作工况（一） 此时吊笼满载升降。架体上作用有全部自重载荷及工作状态风载荷与工作动载荷。2.3.3 工作工况（二） 此时吊笼停在地面不工作，把杆起吊额定载荷。架体上作用有全部自重载荷及工作状态风载荷与把杆起吊载荷。2.3.4 安装工况此时吊笼静止于空中，钢井架上作用有全部自重载荷及工作状态风载荷。2.4计算载荷确定2.4.1提升机各部件自重确定根据WTJ1000型物料提升机设计图纸及结构尺寸计算相关零部件重力如下：（1）井架架体（每个1.5m节距） 1900 N （2）天梁 1664N （3）小把杆 1004N（4）吊笼（带防坠装置等） 4602N（5）钢丝绳 262 N2.4.2井架体各计算单元自重 标准井架体每1.5m自重1900N，假设模型梁各单元自重以集中载荷形式作用于该单元下端之节点上，则每个单元上的架体自重如下表2.4.1所列：节点09 作用有N1=1900×4=7600 N 表2.4.1节点作用力（N）节点作用力（N）076005760017600676002760077600376008760047600976002.4.3作用于顶部的非工作状态下的垂直载荷考虑天梁、滑轮、钢丝绳等自重，计算值如下：N2=1664+262=1926 N2.4.4小把杆自重载荷作用于架体的垂直载荷及所引起的偏载力矩根据设计小把杆安装在节点9部位，可看成作用于节点9上。垂直载荷为： N3=1004 N偏载力矩为： N4=1004×1524=1.53×106（N.mm）图4.1图2.2 2.4.5 吊笼满载工作时作用于顶部的垂直动载荷N5=1.35×（4602+10000）=19712（N）2.4.6 吊笼满载工作时作用于顶部的偏载力矩天梁沿架体对角线方向布置，如图2.2所示，由于卷扬机牵引钢丝绳在天梁上绕过的改向滑轮偏心布置而形成偏载力矩。N6=19172÷2×（238+1524）=1.69×107（N.）a) 小把杆满载工作时作用于架体的垂直动载荷小把杆满载工作时受力如图2.3所示，其自重引起的力在上面已经计算，在此没有考虑。上图中，由MO=0可得： Q×5575Cos60°=Ta×6000Sin 图2.3式中：Q小把杆额定提升载荷，为5000N。 =arctg 5575 Cos60°/（6000-5575Sin60°）=67.19°Ta= Q×5575Cos60°/6000Sin67.19°=5000×2787.5/5530.8=2520（N）图2.3中，小把杆吊重时对架体的作用力点为O点和A点，O点为支反力Rx、Ry，A点为Ta， To=Q=5000N，吊重对架体的垂直载荷为： N7=Ta Cos+ Ry=2Q=10000（N）b) 小把杆满载工作时作用于架体的偏载力矩 N8 =（Ta Cos+ Ry）×1524+6000×Ta×Sin=1.524×107+1.393×107=2.917×107（N.）2.4.7 外界风载荷计算外界风载荷可由下式求出：NW=C·Kh·q·A式中：q风压，取工作状态q=250N/m2，非工作状态q=700N/m2。Kh风压高度变化系数，取工作状态Kh=1.0，取非工作状态 Kh=（h/10）0.3，Kh值计算如下表2.4.2所列。C风力系数，取工作状态C=1.3，取非工作状态C=1.1A迎风面积，A1、A2为架体结构轮廓面积，如图2.4所示。表2.4.2 单元 工况12345678910工作状态Kh1.01.01.01.01.01.01.01.01.01.0非工作状态Kh0.861.061.191.301.391.471.541.601.661.99 图2.4(1)当风沿XY平面（侧向）吹时，迎风面积A为：A=（A1+A2）式中：结构充实率=0.4、折减系数=0.4，则风载荷为：NW侧=C·Kh·q·A= C·Kh·q·（A1+A2）=0.4 C·Kh·q（A1+0.4A2）（2）当风沿截面对角线方向吹时，迎风面积取侧向风力的1.2倍，则风载荷为：NW斜=1.2 C·Kh·q·A= C·Kh·q·（A1+A2）=0.48 C·Kh·q（A1+0.4A2）分解到XY和YZ平面内的风力为NX-Y和NY-ZNX-Y=0.48 C·Kh·q（A1+0.4A2）Cos（arctg2000/2300） =0.36 C·Kh·q（A1+0.4A2）NY-Z=0.48 C·Kh·q（A1+0.4A2）Sin（arctg2000/2300） =0.31 C·Kh·q（A1+0.4A2）根据上面的侧面吹风载荷和对角线吹风载荷的计算分析可看出，在风沿XY平面，即侧向吹时最为不利，因此这里仅计算侧向风载荷。 NW侧=0.4 C·Kh·q（A1+0.4A2）式中：A1=b1l、A2=b2l，b1、b2为宽度，l为沿Y方向长度。则沿Y方向线性风载荷N线为：N线= NW侧/l=0.4 C·Kh·q（A1+0.4A2=0.4 C·Kh·q（b1l+0.4 b2l）/l =0.4 C·Kh·q（b1+0.4 b2）因此可得到：工作状态：N线=0.4×1.3×1.0×250×（2+0.4×2.3）=380（N/m）非工作状态：N线=0.4×1.1×Kh×700×（2+0.4×2.3）=900 Kh（N/m）各单元线性风载荷如表2.4.3所列：表2.4.3 单元工况12345678910工作状态380380380380380380380380380380非工作状态774954107111701251132313861440149417912.5各工况下的载荷分析计算2.5.1非工作工况-截面（在图2.1中的单元1）受力：N-=7600×10+1926+1004=78930（N）M-= N线·l2/4=774×62/4×103=0.7×107（N.mm）-截面（在图2.1中的单元10）受力： N-=7600+1926+1004=10530（N） M-= N线·l2/2=1791×62/2×103+1.53×106=3.38×107（N.mm）2.5.2 工作工况（一）-截面（在图2.1中的单元1）受力： N-=7600×10+1926+1004+19712=98642（N）M-=1.69×107+380×62/4×103=2.03×107（N.mm）-截面（在图2.1中的单元10）受力：N-=7600+1926+1004+19712=30242（N）M-=1.69×107+380×62/2×103+1.53×106=2.53×107（N.mm）2.5.3 工作工况（二）-截面（在图2.1中的单元1）受力： N-=7600×10+1926+1004+10000=88930（N） M-=2.917×107+380×62/4×103=3.26×107（N.mm）-截面（在图2.1中的单元10）受力： N-=7600+1926+1004+10000=20530（N）M-=2.917×107+380×62/2×103+1.53×106 =3.75×107（N.mm）2.5.4 安装工况：安装工况假设无扶墙架的自由高度为12米，此时因为可以不考虑有偏载载荷，如单从轴向力（Y轴方向）考虑，其应力无工作工况、非工作工况-截面来得大，故在此不再计算。2.6整机架体应力计算2.6.1 架体立柱应力计算 立柱的截面性质 立柱截面为2300×2000的矩形，节距为1500，每一节距节点用4个M14螺栓联结（每根主冲天上、下各2个）。立柱主冲天为70×70×7角钢。 图2.5单根主冲天截面性质：A1=9.424 (cm2) Ix1=43.09 (cm4) rz1=1.99 (cm) rx1=2.14 (cm)组合截面性质： Ix=4×(43.099.424×1062)= cm4 rx=( Ix/4A1)1/2=(/4×9.424)1/2=106 (cm) Wx= Ix/rx=/106=3997 (cm3) Iy=4×(43.099.424×912)= cm4 ry=( Iy/4A1)1/2=(/4×9.424)1/2=91 (cm)Wy= Iy/ry=/91=3432 (cm3) 非工作工况应力计算 -截面计算 =N/pgA0.9Mx/WxN=78930 (N)Mx=0.7×107 (N.mm)1=M/N·AX0/Iy=(0.7×106/78930)×(4×106×9.424/)=0.12 hx=(x240A/A0)1/2 式中： A0腹杆面积之和 x=l/rx=1×600/106=5.66 hx=(5.66240×4×9.424/2×4.803)1/2=13.74 由1和hx查表得：pg=0.89=78930/0.89×4×9.424×1020.9×0.7×107/3997×103 =23.51.6=25.1(MPa)=170(MPa) -截面计算同理：N=10530 (N)M=3.38×107 (N.mm)1=(3.38×106/10530)×(4×106×9.424/)=4.1x=l/rx=2×600/106=11.3 (=2)hx=(11.3240×4×9.424/2×4.803)1/2=16.87由1和hx查表得：pg=0.241=10530/0.241×4×9.424×1020.9×3.38×107/3997×103 =11.597.61=19.2(MPa)=170(MPa) 工作工况（一）应力计算 -截面计算N=98642 (N)M=2.03×107 (N.mm)1=2.03×106×0.01279/98642=0.263同中 x= 5.66 hx=13.74由1和hx查表得：pg=0.85=98642/0.85×37.696×1020.9×2.03×107/3997×103=30.784.57=35.35(MPa)=170(MPa) -截面计算 N=30242 (N) M=2.53×107 (N.mm)1=2.53×106×0.01279/30242=1.07hx=16.87同由1和hx查表得：pg=0.489=30242/0.489×37.696×1020.9×2.53×107/3997×103=16.415.7=22.11(MPa)=170(MPa) 工作工况（二）应力计算 -截面计算N=88930 (N)M=3.26×107 (N.mm)1=3.26×106×0.01279/88930=0.47同 x= 5.66 hx=13.74由1和hx查表得：pg=0.658=88930/0.658×37.696×1020.9×3.26×107/3997×103=35.857.34=43.19(MPa)=170(MPa) -截面计算N=20530 (N) M=3.75×107 (N.mm)1=3.75×106×0.01279/20530=2.34hx=16.87(同6.1.3.2)由1和hx查表得：pg=0.261=20530/0.261×37.696×1020.9×3.75×107/3997×103=20.868.44=29.3(MPa)=170(MPa)2.6.2 主冲天应力计算 单肢主冲天材料为70×70×7角钢，节距为1.5m，节点如看作为两端铰支(=1),则计算长度l0=1.5m。单肢截面特性： ry0=1.38 (cm) A=9.424 (cm2)对四肢组成的偏心压杆，其单肢稳定应对最小刚度轴y0-y0轴进行计算，如图2.6所示，参见图2.5。 图2.6= l0/ry0=150/1.38=108.7=120由值查表得=0.545单肢最大轴向压力计算 N=N/4M/2a非工作工况-截面 N=78930(N) M=0.7×107 (N.mm) N=78930/40.7×107/2×1820=21655(N)上式中a值因截面为矩形，两个方向值不同，这里为简化计算，按偏安全原则取小值代入上式计算（下同）。 非工作工况-截面 N=10530(N) M=3.38×107 (N.mm) N=10530/43.38×107/2×1820=11718(N) 工作工况(一)的-截面N=98642 (N)M=2.03×107 (N.mm)由于天梁布置结构的特定形式，轴向力N在分解到主肢杆上时，不能平均分，应根据不同载荷分别对待。架体自重四主肢平均分、天梁自重及