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毕业设计说明书升降机
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-dimensionalModelingandvirtualDESIGNofmaterialhoist
Abstract
Materialhoistisacommonverticaltransportmachineryonconstructionsite.Comparedtothetowercraneandconstructionelevator,theadvantageisitssimplestructureandeasymanufacturing.Theinstallationofdemolitionisflexbile,easytouse,lowcost,andisasmallinvestment,efficiencyofconstructionmachinerysignificantly,whichiswidelyusedinconstruction.
Materialhoistoftencomposedtwomajorpartswhichiswinchandframe.Winchmaybeneededtopurchaseproductsfromthemanufacturers,andthesimpleframealwaysweldedorboltedconnectionswithvarietiesofsteel.Asaresultofoperatingentirelycontrolledbyhumanbehavior,thereneedtoinstallavarietyofprotectiondevicestopreventtheoccurrenceofsafetyincidentsbydisoperation.Materialhoistsafetydevicesaregenerallycontaindockingdevices、theprotectiondeviceforropeoff、upperandlowerlimitsoflimitdevices、overloadlimit、andthesafetyofpassengerhoistsdoors,bumpers,securityentranceandexitintoandoutofdoors,anti-studiosmashingprotection,anti-materialfallingsafetynetsafetyfacilities，etc.Someofthesesafetydevicesandfacilitiesarerequiredoftheirown,andothersecuritymeasuresmustbetakentouseintheConstructionsite.Theprovisionofequipmentunitsandtheuseofunitstocompleteeachotherinordertomeettherequirementsofthesafeuseofit.
ThisdesignbasedontherequirementsaboveandinaccordancewithrelevantprovisionsoftheState“Gantryhoistandderricksafetymaterials,technicalspecifications”oftherequest,accesstolargeamountsofdataathomeandabroad,anddesignedthismaterialhoist.Themainstructureareconsistofhorizontalbeamframebody,hangingbar,chassis,headframefoundation,fencesandothercomponents.Itisadynamiccomputer-generatedvirtualenvironmenttocreateavisual,hearing,touchandeventasteandsmellandfeeloftherealworld,humanexposurethroughappropriateinterfacewhichseemstoobtainareal-worldexposuretothefluthroughouttheProvisionalandthroughavarietyofequipmentsuchasavirtualthree-dimensionaldisplaysystem,auditorysystem,tactileandforcefeedbackdevices,soastoapproachthenaturalenvironmentandvirtualinteractiveobjects,arisingfromimmersionsenseoftheconceptofthesystem.Inthesecondchapter,throughsomerelatedanalysisandcalculationofthematerialhoisttodeterminethehoiststructureandmotion,inaccordancewiththeexistingreferencematerialshoist,atwo-dimensionaldrawingwithAUTOCADengineeringdrawingsforthefollowingthree-dimensionalmodelingtoprovidereference.Inthecalculation,two-dimensionaldrawingsofallthepreparationsfortheendofthereference,andthentomakethree-dimensionalsolidmodeling.Hereweuseasetofthree-dimensionalCAD/CAMdesignsoftwareparametersofPRO/EintroducedbyPTCoftheUnitedStatestomakethree-dimensionalmodelingandvirtualmanufacturing.InChapter3ofthisarticledescribedindetailinthemainrackofmaterialstoupgradethemaincomponentsandassemblymodelingapproach.Therealsomadeaintroduceforotherpartsbriefly,andinthefinalmadethetotalassemblyofthismaterialhoist.Uponcompletionofalltheassembly,inordertogainabetterunderstandingoftheirownhoistanditsperformanceattributes,weshoulddosomemechanicalanalysistothewholebodyaircraft.Herebrieflyonthewholethemassattributeanalysisandglobalinterferencechecking.Throughtheanalysisofthemassattributesforthemodel,wecangetthesizeofavailablemodels,withatotalsurfacearea,mass,centerofgravitylocationandinertiamomentofinertiatensordata,andsoon.Andglobalinterferencecheckingcansolvetheinterferencebetweenthevariouscomponents.Fromthefinalresultsoftheanalysis,wecanseethatthematerialhoistlinewiththerelevantdesignrequirements.
KeyWords：
Hoist;steel;Designcalculation;Pro/Emodeling;virtualmanufacturing
摘要Ⅰ
ABSTRACTⅡ
第一章引言1
1.1物料提升机概述1
第二章物料提升机的设计计算3
2.5各工况下的载荷分析计算9
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2—3m，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12m，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10kN
额定提升速度25m/min
独立高度12m
标准搭设高度24m
最大搭设高度60m
吊笼净空尺寸（长×宽×高）2025×1770×2000mm
钢丝绳直径11mm
防坠器制动距离≤100mm
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6m。
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2.1
2.3.
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）1900N
（2）天梁1664N
（3）小把杆1004N
（4）吊笼（带防坠装置等）4602N
（5）钢丝绳262N
2.4.2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0～9作用有N1=1900×4=7600N
表2.4.1
节点
作用力（N）
节点
作用力（N）
0
7600
5
7600
1
7600
6
7600
2
7600
7
7600
3
7600
8
7600
4
7600
9
7600
2.4.3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=1926N
2.4.4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=1004N
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×6000Sinβ图2.3
式中：
Q—小把杆额定提升载荷，为5000N。
β=arctg[5575Cos60°/（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=TaCosβ+Ry=2Q=10000（N）
b）小把杆满载工作时作用于架体的偏载力矩
N8=（TaCosβ+Ry）×1524+6000×Ta×Sinβ
=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=1.1
A—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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
工作状态Kh
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
非工作状态Kh
0.86
1.06
1.19
1.30
1.39
1.47
1.54
1.60
1.66
1.99
图2.4
（1）当风沿XY平面（侧向）吹时，迎风面积A为：
A=α（A1+βA2）
式中：
结构充实率α=0.4、折减系数β=0.4，则风载荷为：
NW侧=C·Kh·q·A=C·Kh·q·α（A1+βA2）
=0.4C·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=1.2C·Kh·q·A=C·Kh·q·α（A1+βA2）
=0.48C·Kh·q（A1+0.4A2）
分解到XY和YZ平面内的风力为NX-Y和NY-Z
NX-Y=0.48C·Kh·q（A1+0.4A2）Cos（arctg2000/2300）
=0.36C·Kh·q（A1+0.4A2）
NY-Z=0.48C·Kh·q（A1+0.4A2）Sin（arctg2000/2300）
=0.31C·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=0.4C·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=
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