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墻壁式旋臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要：墻壁式旋臂起重機(jī)是一種安裝在墻壁上的起重設(shè)備，結(jié)構(gòu)獨(dú)特，安全可靠，具備高效、節(jié)能、省時(shí)省力、靈活等特點(diǎn)，在生產(chǎn)車間運(yùn)用廣泛。
本次課題首先進(jìn)行墻壁式旋臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)形式選擇，然后將所選擇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為力學(xué)模型進(jìn)行受力分析，并選擇零件材料，設(shè)計(jì)零件尺寸。設(shè)計(jì)計(jì)算完成后，運(yùn)用SolidWorks對(duì)所選墻壁式旋臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，分析內(nèi)容包括起重機(jī)整體變形與其所受應(yīng)力，在分析過(guò)程中對(duì)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的部位進(jìn)行了改進(jìn)，最終得到滿足使用要求的起重機(jī)結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：墻壁式旋臂起重機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三維建模
II
Structure Design and Analysis of Wall Jib Crane
Abstract:The wall jib crane is a lifting equipment installed on the wall. It has many features:unique stuctures, safe, reliable, high efficiency, energy saving, time saving, labor saving, flexible and so on.So it is widely used in the production workship.
This paper chose the structure of the wall jib crane first,and then translated the selected structure into mechanical model for stress analysis, and selected the parts material and designed the dimension of the parts. After the design calculation, used SolidWorks to 3D model the selected wall jib crane. The analysis include the overall deformation of crane and it’s stress. Parts can’t up to the design requirements has been improved during the analysis. The crane structure is finally obtained.
Keywords: Wall jib crane； Structure design；3D model
III
目錄
摘要…………………………………………………………………………………………I
Abstract…………………………………………………………………………………II
目錄………………………………………………………………………………………III
1 緒論 1
1.1 本課題研究背景及意義 1
1.2 墻壁式旋臂起重機(jī) 2
1.2.1墻壁式旋臂起重機(jī)簡(jiǎn)介 2
1.2.2 墻壁式旋臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)類型 2
1.3 本課題研究?jī)?nèi)容 3
2 墻壁式旋臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 5
2.1整體受力分析 5
2.2零件具體尺寸設(shè)計(jì) 7
2.2.1 工字鋼型號(hào)選擇 7
2.2.2 計(jì)算各螺栓連接 8
2.2.3 確定拉桿的材料和尺寸 14
2.2.4確定各安裝板的材料及尺寸 14
3 三維建模 19
3.1 建模總體方案 19
3.2零件建模過(guò)程 19
3.2.1 主梁建模過(guò)程 19
3.2.2 拉桿建模過(guò)程 21
3.2.3 安裝板建模過(guò)程 23
3.3 螺栓螺母調(diào)用 27
3.4 裝配體建模過(guò)程 28
4 二維工程圖繪制 32
1.裝配圖繪制 32
IV
2.零件工程圖 33
5 總結(jié) 36
參考文獻(xiàn) 37
致謝 38
V
1 緒論
1.1本課題研究背景及意義
墻壁式旋臂起重機(jī)屬于中小型調(diào)運(yùn)裝備，結(jié)構(gòu)獨(dú)特，安全可靠，具備高效、節(jié)能、省時(shí)省力、靈活等特點(diǎn)，可以在三維空間內(nèi)隨意操作，在短距、密集型調(diào)運(yùn)的場(chǎng)合，比其它常規(guī)性吊運(yùn)設(shè)備更顯示其優(yōu)越性，廣泛用于各行業(yè)的不同場(chǎng)所 。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，制造業(yè)不斷發(fā)展壯大，使得用于生產(chǎn)制造的設(shè)備需求量不斷增多，在這些設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程中都必須要使用輕便快捷的起重設(shè)備，而墻壁式旋臂起重機(jī)正是為了適應(yīng)這種生產(chǎn)需求而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，所以壁式起重機(jī)有著實(shí)際的工程需要，其結(jié)構(gòu)隨著生產(chǎn)實(shí)際的不斷變化也需要不斷優(yōu)化，做進(jìn)一步改進(jìn)，使之更加適應(yīng)生產(chǎn)需求，更加方便快捷，更具經(jīng)濟(jì)性。
我國(guó)在墻壁式旋臂起重機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面已經(jīng)有了一定的經(jīng)驗(yàn)，無(wú)論是在設(shè)計(jì)計(jì)算方面還是在三維建模分析方面都有很多極具參考的文獻(xiàn)和成果，雖然如此，但是隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)墻壁式旋臂起重機(jī)的需求量增多的同時(shí)，對(duì)其質(zhì)量和使用壽命也提出了更高的要求，而這些要求都必須從改善結(jié)構(gòu)或改變材料入手，但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，我國(guó)欠缺專業(yè)的結(jié)構(gòu)分析軟件及相關(guān)人才，相關(guān)產(chǎn)品從構(gòu)思到設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試至少需要幾年的時(shí)間，而國(guó)內(nèi)的新產(chǎn)品研發(fā)的周期很短，相對(duì)來(lái)說(shuō)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)試的時(shí)間就更短，而對(duì)于起重機(jī)械來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及相關(guān)的受力、穩(wěn)定性及壽命計(jì)算分析是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，而這也是我國(guó)在目前發(fā)展中需要改進(jìn)的環(huán)節(jié)。其二，國(guó)內(nèi)起重機(jī)在制造的水平上不能滿足設(shè)計(jì)的需要，特別在細(xì)節(jié)精益設(shè)計(jì)方面和國(guó)外存在較大的差距。所以對(duì)墻壁式旋臂起重機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然是我國(guó)發(fā)展起重機(jī)必要的一部分，需要繼續(xù)進(jìn)行更好的研發(fā)。
本次以墻壁式旋臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題，通過(guò)對(duì)起重機(jī)已有文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)及總結(jié)，在了解了起重機(jī)特別是壁式起重機(jī)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)、設(shè)計(jì)過(guò)程中所需注意問(wèn)題及目前設(shè)計(jì)中所面臨的問(wèn)題之后，使我對(duì)起重機(jī)有了更深入的了解，此次設(shè)計(jì)能夠結(jié)合以往他人對(duì)壁式起重機(jī)的設(shè)計(jì)，在起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行更具體的設(shè)計(jì)分析計(jì)算。
1.2 墻壁式旋臂起重機(jī)
1.2.1墻壁式旋臂起重機(jī)簡(jiǎn)介
起重機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型可分為：輕小型起重設(shè)備、橋架式（橋式、門式起重機(jī)）、臂架式（自行式、塔式、門座式、鐵路式、浮船式、桅桿式起重機(jī)）、纜索式 ，而墻壁式旋臂起重機(jī)屬于其中的臂架式起重機(jī)，使用情況如圖1-1所示。
（圖一）
墻壁式旋臂起重機(jī)又稱墻壁吊、 壁柱式旋臂起重機(jī)?？煞譃椋築X型墻壁式旋臂吊 、BX-JKBK型墻壁式旋臂吊，墻壁式旋臂起重機(jī)用于靠近墻壁且起重作業(yè)較為頻繁的場(chǎng)所，在靠近墻壁處服務(wù)于一個(gè)半圓形空間，是一種循環(huán)的、間歇?jiǎng)幼鞯?、短程搬運(yùn)物料的機(jī)械，其旋轉(zhuǎn)工作范圍一般為200 。壁式旋臂起重機(jī)用于吊起輕小型重物，它的起重范圍一般為 ，是一種非常經(jīng)濟(jì)的起重設(shè)備，可以沿著墻壁或者工廠結(jié)構(gòu)，最大化葫蘆使用的工作范圍，或作為高架起重機(jī)及單軌系統(tǒng)的有效補(bǔ)充 。
通常壁式旋臂起重機(jī)是由起升機(jī)構(gòu)（使重物上下運(yùn)動(dòng)）、變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(使物品水平面內(nèi)移動(dòng))，再加上金屬機(jī)構(gòu)，動(dòng)力裝置，操縱控制及必要的輔助裝置組合而成 。本次對(duì)墻壁式旋臂起重機(jī)設(shè)計(jì)只對(duì)其金屬結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，其余機(jī)構(gòu)只進(jìn)行重量選擇。
1.2.2 墻壁式旋臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)類型
墻壁式旋臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)類型大概分為兩種，一種為帶斜拉桿的結(jié)構(gòu)如圖1-2（b），一種為不帶斜拉桿的結(jié)構(gòu)如圖1-2（a）。兩種結(jié)構(gòu)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于圖（b）結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，相對(duì)于圖（a）由于主梁、拉桿和墻體部分組成三角形結(jié)構(gòu)，所以其穩(wěn)定性要好，整體變形也小。而圖(a)中的結(jié)構(gòu)由于少了拉桿等零件，可以減少材料使用。在起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若圖(a)中的結(jié)構(gòu)形式可以達(dá)到穩(wěn)定性和變形要求，則可優(yōu)先考慮以減少材料使用。
（a）不帶拉桿形式 （b）帶拉桿形式
圖1-2 墻壁式旋臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)形式
1.3 本課題研究?jī)?nèi)容
1) 確定起重機(jī)參數(shù)
本課題為墻壁式旋臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要對(duì)所選起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模，使所設(shè)計(jì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度使用要求。所選起重機(jī)參數(shù)如下： 起重量：；有效半徑：；起升高度：；旋轉(zhuǎn)角度：180
2) 確定結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容
a) 結(jié)構(gòu)確定
前面提到墻壁式旋臂起重機(jī)總共有兩種主要形式，此處由于起重機(jī)跨度大，懸臂長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，為了減少起重機(jī)整體變形，增加其穩(wěn)定性，此處選擇圖1-2（b）中所示的，帶有斜向拉桿形式的結(jié)構(gòu)。所選起重機(jī)結(jié)構(gòu)形式如下圖1-3：
圖1-3 起重機(jī)結(jié)構(gòu)
b) 相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算
第一步：確定主梁和拉桿的截面形狀，各零件或組件的材料，從而確定各部分的許用強(qiáng)度和剛度；
第二步：對(duì)所選擇結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，并計(jì)算各零件的受力；
第三步：根據(jù)零件受力，由其強(qiáng)度和剛度要求計(jì)算各零件結(jié)構(gòu)尺寸，并對(duì)其進(jìn)行校核。
3）建模
首先對(duì)各零部件根據(jù)計(jì)算所得尺寸使用SolidWorks三維建模軟件進(jìn)行建模，零件模型建好之后，根據(jù)裝配關(guān)系進(jìn)行裝配。
2 墻壁式旋臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1整體受力分析
1) 起重機(jī)受力
所設(shè)計(jì)起重機(jī)起重量，查電動(dòng)葫蘆產(chǎn)品手冊(cè)，選擇電動(dòng)葫蘆的自重。初選主梁為工字鋼截面梁，工字鋼梁型號(hào)為32a,其理論質(zhì)量。
2) 轉(zhuǎn)化力學(xué)模型
圖2-1 起重機(jī)力學(xué)模型
根據(jù)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，將其轉(zhuǎn)化為上圖2-1所示力學(xué)模型，以便進(jìn)行計(jì)算。其中，q為工字鋼的自重，簡(jiǎn)化為分布力，而F為起重機(jī)的起重量Q與電動(dòng)葫蘆的自重G的和。
3) 計(jì)算主梁受力
a) 如圖2-1中所示，距離，，。將主梁分離分析，受力狀況如下圖2-2所示：
圖2-2 主梁受力
b) 根據(jù)《結(jié)構(gòu)力學(xué)》知識(shí)，用力法分析主梁的受力，主梁為二次超靜定結(jié)構(gòu)，撤去B處與拉桿連接的力，以代替，如下圖2-3所示：
列力法典型方程：
（式2-1）
圖2-3 分解受力圖
c) 因?yàn)闉檩S力，所以彎矩為0。參數(shù)，，， 將上述參數(shù)代入式2-1，根據(jù)三角形原理得， ；所以，斜拉桿施加給主梁的拉力。
d) 根據(jù)以上計(jì)算可得主梁受力圖示如下圖2-4（a）,主梁所受彎矩，彎矩圖如下圖2-4（b）所示。
（a） 主梁受力圖
（b） 主梁彎矩圖
圖2-4 主梁受力、彎矩圖
2.2零件具體尺寸設(shè)計(jì)
2.2.1 工字鋼型號(hào)選擇
選取工字鋼材料為Q235，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，得到Q235的抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，取安全系數(shù)為S=2，則該工字鋼梁的許用應(yīng)力，從前面計(jì)算得到主梁所受彎矩最大處位于與拉桿連接處，最大彎矩,所以主梁與拉桿連接的B處為危險(xiǎn)截面。
開(kāi)始試算時(shí)，可以不先考慮軸力的影響只根據(jù)彎曲強(qiáng)度條件選取工字鋼。這時(shí)抗彎截面系數(shù)
查《材料力學(xué)》型鋼表4 熱軋工字鋼（GB 706-88），選取16號(hào)工字鋼，，截面積。選定工字鋼后，同時(shí)考慮軸力及彎矩M的影響，在進(jìn)行強(qiáng)度校核。在工字鋼危險(xiǎn)截面B的下邊緣各點(diǎn)上壓應(yīng)力最大，且其值為
結(jié)果表明，最大壓應(yīng)力大于許用應(yīng)力，所以重新選擇18號(hào)工字鋼進(jìn)行校核，此時(shí)，截面積。同時(shí)考慮軸力及彎矩M的影響，進(jìn)行校核。工字鋼危險(xiǎn)截面B的下邊緣各點(diǎn)上壓應(yīng)力為
結(jié)果表明，18號(hào)工字鋼可以滿足強(qiáng)度要求，所以選擇工字鋼梁的型號(hào)為18a。
2.2.2 計(jì)算各螺栓連接
圖2-5 螺栓連接編號(hào)
本次起重機(jī)設(shè)計(jì)所選擇結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，所有連接處均選用螺栓連接，將所有螺栓連接進(jìn)行編號(hào)如上圖2-5。本次設(shè)計(jì)中選擇螺栓在無(wú)特殊說(shuō)明下，均為鉸制孔用螺栓，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》螺紋連接部分表5-8和表5-9，選取螺栓性能等級(jí)為4.6，螺母性能等級(jí)為4級(jí)。
由選擇的螺栓連接的性能等級(jí)，可得到螺栓的公稱抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度。查表5-10，選取螺栓連接的安全系數(shù)，抗剪安全系數(shù)，。計(jì)算螺栓的抗拉許用應(yīng)力；抗剪許用應(yīng)力。擠壓許用應(yīng)力
1）計(jì)算1處螺栓
根據(jù)起重機(jī)受力情況，1處螺栓受到拉力與剪力，此處，我們根據(jù)拉力選擇螺栓直徑尺寸，然后進(jìn)行抗剪強(qiáng)度校核。1處共有4個(gè)相同的螺栓，所受總拉力為，每個(gè)螺栓所受拉力，此處螺栓連接為緊螺栓連接，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》式5-36,螺栓直徑
所以選取的螺栓，校核選取螺栓的抗剪強(qiáng)度與擠壓強(qiáng)度是否符合需要。
連接處受到的總剪力，每個(gè)螺栓受到的剪力。的鉸制孔用螺栓承受剪力部分直徑，參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》式5-41，校核抗剪強(qiáng)度
所以，所選擇螺栓的強(qiáng)度不滿足使用要求，要選擇直徑更大的螺栓，選取的螺栓，其抗剪部分直徑。再進(jìn)行抗剪強(qiáng)度的校核：
可見(jiàn)，此時(shí)選擇的螺栓直徑是滿足要求的。之后校核的螺栓的抗擠壓強(qiáng)度是否滿足要求。此處安裝板厚,螺栓與連接件接觸最短處是工字鋼上緣板厚，取其平均厚度，連接處受到的擠壓應(yīng)力:
，
所以滿足擠壓強(qiáng)度要求。綜上，1處選擇的螺栓。
2)計(jì)算2處螺栓
2處為松螺栓連接，由于此處螺栓承受剪力和擠壓力，所以選用鉸制孔用螺栓以能更好承受剪力和擠壓應(yīng)力。此處為單螺栓受力，且所受剪切力和擠壓力，根據(jù)螺栓的擠壓應(yīng)力計(jì)算螺栓直徑，然后利用剪切應(yīng)力校核。
螺栓的每個(gè)剪切面所受剪力，由《材料力學(xué)》式2.24得
所以，先選取的鉸制孔用螺栓。下面利用剪切強(qiáng)度進(jìn)行校核，看所選取螺栓是否滿足要求。螺栓所受剪切應(yīng)力：
滿足剪切強(qiáng)度要求，所以2處選擇的鉸制孔用螺栓。
3)計(jì)算4處螺栓
4處共有4個(gè)螺栓，其受到的力整體為斜拉桿施加的拉力，首先將拉力進(jìn)行分解，如下圖2-7：
圖2-7 力的分解
計(jì)算可得與夾角。計(jì)算可得：
使安裝板受到傾覆力矩，螺栓之間的距離，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式5-16得：
在傾覆力矩下的最大工作載荷：
使安裝板受到拉應(yīng)力，每個(gè)螺栓受到的拉力，經(jīng)分析上側(cè)螺栓受拉，下側(cè)螺栓受壓，可知上側(cè)兩個(gè)螺栓受力最大，其所受總的力：
根據(jù)受力，計(jì)算螺栓直徑：，選取的螺栓，受剪切和擠壓的部分直徑為。
4)計(jì)算5處螺栓
若4、5處選取相同的螺栓，利用4處所選螺栓校核是否滿足5處的強(qiáng)度要求，5處螺栓的受力狀況如下圖2-8所示：
其中，，，。螺栓由力矩引起的最大工作載荷：
圖2-8 受力圖
使安裝板受壓力，分配到每個(gè)螺栓上，壓力，分析知，上側(cè)螺栓受到拉應(yīng)力，下側(cè)螺栓被放松，上側(cè)螺栓受到的合拉力，則上側(cè)螺栓受到的拉應(yīng)力。
除此之外，螺栓還受到由引起的剪切和擠壓應(yīng)力。每個(gè)螺栓，受到的剪切和擠壓力，板厚，則螺栓受到的剪切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力分別為：
可見(jiàn)，所選螺栓滿足強(qiáng)度要求，所以5處也選用的螺栓。
5) 計(jì)算6處螺栓
已知，6處共有4個(gè)螺栓，矩形分布，首先分析6處螺栓的受力狀況，每個(gè)螺栓受到兩個(gè)力一個(gè)矩，受力方向如圖2-9所示：
其中，，，。在、作用下，每個(gè)螺栓受力：
圖2-9 受力圖 在力矩作用下，螺栓受到的最大工作剪力：
，經(jīng)分析可知，位于右上角的螺栓受力最大，下面計(jì)算該螺栓所受的合力：
a.將進(jìn)行分解，x方向上：，y方向上：。
b.右上角螺栓x方向上受到的合力，y方向上受到的合力
c.右上角螺栓受到總的合力
算得受力最大的螺栓受到的合力后，先按照剪力計(jì)算螺栓直徑：
因此，選擇的鉸制孔用螺栓，然后，校驗(yàn)該直徑的螺栓是否符合擠壓強(qiáng)度要求，螺栓所受擠壓應(yīng)力：
綜上所述，此處選擇的鉸制孔用螺栓能夠滿足強(qiáng)度要求。
6）計(jì)算7、8兩處螺栓
由于7、8兩處螺栓連接形式相同，都為單螺栓連接，所以考慮將兩處選為相同的螺栓，根據(jù)兩處螺栓受力的大小可知，7處螺栓受力要大，所以若7處所用螺栓滿足強(qiáng)度要求，則8處的螺栓一定滿足，所以按照7處計(jì)算螺栓的直徑參數(shù)。
7處螺栓的受力狀況如右圖2-10所示：
其中，，，，根據(jù)受力狀況，螺栓下側(cè)受剪切和 擠壓力大。由引起的力 圖2-10 受力圖
由力矩引起的力，可以算得螺栓下側(cè)所受到的合力，按照剪力計(jì)算螺栓直徑：
取，所以要選擇的鉸制孔用螺栓，然后用此直徑校核校核是否滿足擠壓強(qiáng)度要求：
，滿足要求。
綜上所述，7、8處選用的鉸制孔用螺栓。
2.2.3 確定拉桿的材料和尺寸
拉桿為該起重機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要受力件，所以其材料的選擇中要選擇強(qiáng)度較好的材料。本次設(shè)計(jì)拉桿的材料選為45#圓鋼，拉桿的兩頭有螺紋，用來(lái)將拉桿與安裝板固定，也便于調(diào)節(jié)長(zhǎng)度使得起重機(jī)安裝合適。45#鋼是在機(jī)械設(shè)備中常用的一種材料，其抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，設(shè)計(jì)中拉桿安全系數(shù)，由此可以計(jì)算得出拉桿的許用應(yīng)力。
拉桿的螺紋連接處。由于螺紋的小徑處直徑最小，所以強(qiáng)度最差，應(yīng)該按螺紋小徑處計(jì)算拉桿的直徑。拉桿受到的拉力，按照抗拉強(qiáng)度來(lái)確定拉桿的直徑：
這是按照螺紋連接計(jì)算得到拉桿螺紋處的小徑尺寸，而拉桿的真正直徑要大于該值。取拉桿直徑。
綜上所述，拉桿選為直徑為30mm的45#圓鋼。
2.2.4確定各安裝板的材料及尺寸
安裝板是起重機(jī)中重要的零件，材料為Q235。根據(jù)之前螺栓直徑及拉桿直徑的計(jì)算，可以初步確定在各安裝板上螺栓孔的直徑和個(gè)數(shù)。除此以外，安裝板還需要確定加工尺寸，下面補(bǔ)充設(shè)計(jì)安裝板的其余尺寸，包括螺栓孔的位置尺寸及安裝板的整體尺寸。還有主梁上螺栓安裝孔的位置尺寸，從而確定安裝板在主梁上的安裝位置。為了便于分辨安裝，將各安裝板進(jìn)行了編號(hào)，編號(hào)情況如下圖2-11所示：
圖2-11 安裝板序號(hào)圖
1) 安裝板1尺寸設(shè)計(jì)
安裝板1用于將主梁與墻壁上的下安裝板連接，在與安裝板5下的連接中，使用的鉸制孔用螺栓連接，此處螺栓孔直徑為。與主梁連接處有4個(gè)螺栓孔，安裝板的厚度定為，寬度，整體長(zhǎng)度為，具體各尺寸數(shù)值，見(jiàn)圖2-12（單位：mm）。
圖2-12 安裝板1基本尺寸
2) 安裝板2尺寸設(shè)計(jì)
圖2-13 安裝板2基本尺寸
安裝板2用于拉桿安裝板4與主梁的連接，其受力形式為斜向的拉桿拉力，安裝板2和主梁間用四顆的鉸制孔用螺栓連接，需要四個(gè)的安裝孔；和安裝板4間用一顆的鉸制孔用螺栓連接，兩側(cè)板各需要一個(gè)安裝孔，經(jīng)前面計(jì)算得板厚，兩側(cè)板有4個(gè)的倒角，具體尺寸見(jiàn)圖2-13（單位：mm）。
3) 安裝板3尺寸設(shè)計(jì)
安裝板3用于起重機(jī)上端墻壁安裝板5與拉桿安裝板4的連接，受力形式為拉桿的斜向拉力，安裝板3和安裝板5上之間用單個(gè)的螺栓連接，連接需要一個(gè)的通孔；和拉桿安裝板4之間連接，需要的通孔，與安裝板4連接的側(cè)板，板厚，且側(cè)板有倒角，具體尺寸見(jiàn)圖2-14（單位：mm）。
圖2-14 安裝板3基本尺寸
4) 安裝板4尺寸設(shè)計(jì)
圖2-15安裝板4基本尺寸
本次設(shè)計(jì)中安裝板4要用到兩塊，用于拉桿和主梁與墻壁之間的連接，在安裝板4與拉桿連接處要有的孔；與安裝板2、安裝板5上連接的兩側(cè)板有的孔，安裝板厚，其余外形及定位尺寸見(jiàn)圖2-15（單位：mm）。
5) 安裝板5上尺寸設(shè)計(jì)
安裝板5上用于將起重機(jī)安裝在墻壁上，受力為斜向下的拉力，與墻壁的連接用4個(gè)的鉸制孔用螺栓，需要有4個(gè)的孔；與安裝板4的連接用一個(gè)的螺栓，兩側(cè)板要有的孔。安裝板厚，其余尺寸見(jiàn)圖2-16（單位：mm）。
圖2-16 安裝板5上基本尺寸
6) 安裝板5下尺寸設(shè)計(jì)
安裝板5下與安裝板1和墻壁連接，和墻壁連接處用4個(gè)的鉸制孔用螺栓，需要有4個(gè)的安裝孔；和安8裝板1連接處用的鉸制孔用螺栓連接，需要有一個(gè)的孔。安裝板的板厚，其余尺寸見(jiàn)圖2-17（單位：mm）。
圖2-17 安裝板5下基本尺寸
7) 主梁安裝孔尺寸設(shè)計(jì)
起重機(jī)主梁選取18#工字鋼。上面需要加工安裝孔，用來(lái)連接安裝板1、安裝板2以及限定電葫蘆位置的角鋼，安裝板1和安裝板2的安裝所用螺栓直徑及安裝孔的大小已在前面說(shuō)明，安裝角鋼的孔為的小孔，主梁的總長(zhǎng)度，其余具體尺寸見(jiàn)圖2-18(a)和2-18(b)（單位：mm）。
(a) 主梁主視圖
(b) 主梁俯視圖
圖2-18 主梁安裝孔
3 三維建模
3.1 建?？傮w方案
研究課題要求對(duì)墻壁式旋臂起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，建模內(nèi)容就是對(duì)前面計(jì)算所得起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)部分根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸建出相應(yīng)零件模型，然后將零件按照裝配要求組裝成完整的裝配體用于分析，再將裝配體和零件轉(zhuǎn)化為工程圖。
本次建模軟件選用SolidWorks，具體內(nèi)容是對(duì)主梁、拉桿及各安裝板進(jìn)行零件建模，其余螺栓連接需要的螺栓、螺母等標(biāo)準(zhǔn)件在標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)內(nèi)按尺寸要求調(diào)用。建模順序是先對(duì)主梁建模，再對(duì)拉桿建模，最后對(duì)各安裝板進(jìn)行建模，完成之后根據(jù)所用到的螺栓、螺母尺寸類型要求在標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)內(nèi)選擇，生成相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)零件。零件建模完成后按照安裝要求組裝成壁式起重機(jī)，并能符合相應(yīng)運(yùn)動(dòng)要求。
3.2零件建模過(guò)程
3.2.1主梁建模過(guò)程
1) 主梁拉伸
利用SolidWorks軟件，新建零件，首先選定基準(zhǔn)面，根據(jù)18#工字鋼的截面形狀和尺寸在草圖中繪制工字鋼截面如圖3-1(a)。繪制完成后退出草圖，選擇拉伸命令，輸入工字鋼長(zhǎng)度數(shù)值，完成拉伸。這樣得到未經(jīng)加工的標(biāo)準(zhǔn)18#工字鋼如圖3-1(b)。
(a)工字鋼草圖 (b) 工字鋼拉伸軸測(cè)圖
圖3-1工字鋼建模
2) 主梁安裝孔
利用拉伸命令完成18#工字鋼的建模后，要在工字鋼梁上對(duì)安裝板1、安裝板2及限位角鋼的安裝孔進(jìn)行建模。
首先對(duì)安裝板1和限位角鋼的安裝孔進(jìn)行建模，選定繪制草圖的前視基準(zhǔn)面，在相應(yīng)的尺寸位置繪制草圖如圖3-2(a)，草圖繪制完成后退出草圖，選擇拉伸切除命令，即在主梁的對(duì)應(yīng)位置上完成安裝孔的建模如圖3-2(b)。
(a) 安裝孔草圖
(b) 安裝孔特征
圖3-2 主梁安裝孔建模
安裝孔2的特征建模步驟和安裝孔1及角鋼安裝孔建模步驟一樣，只是在選擇草圖基準(zhǔn)面時(shí)不同，安裝孔1和角鋼安裝孔草圖繪制在前視基準(zhǔn)面上，而安裝孔2的草圖繪制在工字鋼的上側(cè)表面上，按照定位尺寸等相關(guān)參數(shù)將草圖繪制完成后，再次選擇拉伸切除命令，即可建模得到如下圖3-3所示安裝孔2的特征。
圖3-3 安裝孔2特征
3.2.2拉桿建模過(guò)程
前面設(shè)計(jì)計(jì)算中已確定拉桿為直徑的45#圓鋼，且在拉桿的兩端各有的螺紋用于拉桿與安裝板的連接。建模過(guò)程中，首先選擇前視基準(zhǔn)面繪制直徑為30的圓，完成后退出草圖選擇拉伸命令，拉伸長(zhǎng)度，拉伸完成就得到直徑長(zhǎng)3330的圓拉桿如下圖3-4。
圖3-4 圓鋼拉伸
得到圓拉桿后利用“掃描切除”命令，對(duì)拉桿端部的螺紋建模：首先用草圖命令在拉桿端面繪制添加螺旋線/渦狀線的基圓，繪制完成后，選擇工具欄曲線下的螺旋線/渦狀線，在螺旋線特性欄中輸入螺紋的螺距，及螺紋線對(duì)應(yīng)的螺紋線圈數(shù)，選擇正確的螺紋旋向如圖3-5(a)，就能在拉桿端部生成螺旋線如圖3-5(b)。
(a) 螺旋線參數(shù) (b) 生成螺旋線
圖3-5 繪制螺旋線
生成螺旋線后，選擇螺旋線端部正對(duì)的基準(zhǔn)面繪制掃描截面，拉桿連接所用螺紋類型為三角形螺紋，繪制掃描截面為等邊三角形，草圖面為右視基準(zhǔn)面，與拉桿圓柱面相交部分線段長(zhǎng)度為螺紋螺距，繪制截面如圖3-6(a)，截面繪制完成后，退出草圖，選擇工具欄中的“掃描切除”命令，掃描輪廓選擇三角形，掃描路徑選擇螺旋線，即可建立圖3-6(b)拉桿螺紋特征。
(a) 掃描輪廓繪制
(b) 拉桿螺紋
圖3-6 螺紋特征建立
在拉桿的另一端用同樣的方法建立螺紋特征，完成螺紋特征后，拉桿建模完成，保存零件。
3.2.3安裝板建模過(guò)程
介紹安裝板的建模過(guò)程時(shí)，由于安裝板2、安裝板4和上下安裝板5結(jié)構(gòu)形式相同，建模過(guò)程也類似，只是尺寸上的不同，所以只以安裝板2作為示例進(jìn)行介紹；而安裝板1和安裝板3則分別介紹其建模過(guò)程。
1) 安裝板2建模
安裝板2的建模首先選定基準(zhǔn)面，按照其側(cè)面形狀尺寸參數(shù)繪制出凹字形的截面輪廓如圖3-7(a)所示，繪制草圖結(jié)束后，選擇工具欄中的“拉伸”命令，將草圖拉伸成安裝板2的初始模型如圖3-7(b)。
(a) 安裝板2輪廓草圖 (b) 安裝板2初始模型
圖3-7 拉伸特征
初始模型建好后，使用“拉伸切除”命令，對(duì)安裝孔建模，先對(duì)下面4個(gè)安裝孔建模，選擇底部上側(cè)安裝面繪制草圖如圖3-8(a)，草圖繪制完成，選擇工具欄“拉伸切除”命令。完成后選擇工具欄“圓角”命令下的倒角，對(duì)安裝板側(cè)面上的四個(gè)邊角進(jìn)行倒角，在彈出的倒角特征欄中選擇要倒角的四條邊線，輸入距離，角度，點(diǎn)擊確定，就可得到圖3-8(b)所示的安裝孔和倒角。兩側(cè)板的安裝孔建模步驟與上面所述4個(gè)安裝孔的步驟一樣，只是在選擇繪制草圖的基準(zhǔn)面時(shí)要選擇與側(cè)板平行的基準(zhǔn)面，本例中選擇前視基準(zhǔn)面，由于前視基準(zhǔn)面位于兩側(cè)板中間位置，在拉伸切除時(shí)要選擇兩側(cè)對(duì)稱拉伸。兩側(cè)板安裝孔的建模過(guò)程不再具體詳述，參照上面四個(gè)安裝孔的過(guò)程即可。
(a) 安裝孔草圖 (b) 安裝孔特征圖
圖3-8 拉伸切除特征
2) 安裝板1建模
對(duì)于安裝板1，首先對(duì)其與安裝板5連接的空心圓柱進(jìn)行建模。選擇上視基準(zhǔn)面，繪制兩個(gè)同心圓草圖如圖3-9(a)，將草圖拉伸即可得到圖3-9(b)所示的空心圓柱特征。
(a) 空心圓柱草圖 (b) 空心圓柱
圖3-9 拉伸特征
建模完成后，對(duì)與主梁連接的板進(jìn)行建模，開(kāi)始建模時(shí)，要新建基準(zhǔn)面：點(diǎn)擊工具欄中“參考幾何體”命令下的基準(zhǔn)面，在彈出的命令欄中選擇右視基準(zhǔn)面為第一參考，距離一欄輸入側(cè)板的長(zhǎng)度如圖3-10(a)，點(diǎn)擊確定就能建立符合需要的基準(zhǔn)面如圖3-10(b)。
(a) 基準(zhǔn)面命令欄 (b) 新建基準(zhǔn)面
圖3-10 基準(zhǔn)面建立
建得基準(zhǔn)面后，在所建基準(zhǔn)面上繪制安裝板1與主梁連接的側(cè)板側(cè)面草圖3-11(a)，然后拉伸該草圖，拉伸過(guò)程中選擇“成型至一面”命令，成形到之前建好的外圓柱面，即可拉伸得到安裝板1的初始特征如圖3-11(b)。
(a) 側(cè)板草圖 (b) 側(cè)板模型
圖3-11 側(cè)板建模
安裝板1的初始外形建模完成后，選擇安裝孔所在表面為基準(zhǔn)面，按照定位尺寸與加工尺寸要求，繪制安裝孔草圖如圖3-12(a)，繪制草圖結(jié)束后，退出草圖繪制，在工具欄中選擇“拉伸切除”命令，用所繪草圖對(duì)側(cè)板進(jìn)行切除，然后，工具欄中選擇“圓角”命令，對(duì)空心圓柱的邊線倒的圓角，即可得到如圖3-12(b)所示的安裝板1。
(a) 安裝孔草圖
(b) 安裝孔
圖3-12 安裝孔建模
3) 安裝板3建模
安裝板3建模的首先也是建立空心圓柱模型，該步建模過(guò)程同安裝板1，只是繪制同心圓的尺寸不同，所以該步過(guò)程參考安裝板1的過(guò)程?？招膱A柱建模完成后，選擇上視基準(zhǔn)面繪制側(cè)板的草圖如圖3-13(a)，將草圖兩側(cè)對(duì)稱拉伸，可得到側(cè)板如圖3-13(b)。
(a) 側(cè)板草圖 (b) 側(cè)板模型
圖3-13 側(cè)板拉伸
初始模型建好后，要對(duì)側(cè)板的安裝孔進(jìn)行拉伸切除，選定右視基準(zhǔn)面，按照定位尺寸與加工尺寸繪制安裝孔的草圖如圖3-14(a)，利用草圖對(duì)側(cè)板進(jìn)行拉伸切除，再對(duì)安裝板3的相應(yīng)邊線進(jìn)行倒角和倒圓角，就能得到圖3-14(b)所示的安裝板3。
(a) 側(cè)板草圖 (b) 安裝板3
圖3-14 安裝板3建模
3.3螺栓螺母調(diào)用
1) 螺栓調(diào)用
螺栓是標(biāo)準(zhǔn)件可以在SolidWorks中的Toolbox插件中直接調(diào)取標(biāo)準(zhǔn)件使用，減少建模時(shí)間。下面以的鉸制孔用螺栓為例介紹調(diào)用過(guò)程：
a) 在SolidWorks初始界面點(diǎn)擊右側(cè)的“設(shè)計(jì)庫(kù)”圖標(biāo)，在彈出的工具欄中，雙擊選擇toolbox。
b) Toolbox插入下點(diǎn)擊現(xiàn)在插入，然后在彈出的各文件夾下選擇“Gb”即“國(guó)標(biāo)”文件夾如圖3-15(a)所示。
c) 在彈出的子文件夾中選擇“bolts and studs”即螺栓文件夾，再選擇六角頭螺栓子文件夾下的“六角頭鉸制孔用螺栓 A和B級(jí) GB/T27-1988”一項(xiàng)，右鍵點(diǎn)擊“生成零件”選項(xiàng)。
d) 在彈出生成螺栓屬性的命令欄中，選擇的螺栓，長(zhǎng)度選擇如圖3-15(b)，點(diǎn)擊確定即能得到滿足使用要求的簡(jiǎn)化螺栓如圖3-15(c)。
(a) 文件夾選擇 (b) 螺栓屬性 (c) 螺栓
圖3-15 螺栓調(diào)用
2) 螺母調(diào)用
螺母標(biāo)準(zhǔn)件的調(diào)用過(guò)程與螺栓類似，以的螺母為例介紹調(diào)用過(guò)程。前兩步的打開(kāi)過(guò)程和螺栓一樣，只是從第三步中“Gb”下的子文件夾中要打開(kāi)“螺母”文件夾如圖3-16(a)，在螺母文件夾內(nèi)選擇“六角螺母”文件夾，選擇“六角螺母 C級(jí) GB/T 41-2000”型螺母。在彈出的螺母屬性欄中選擇的螺母如圖3-16(b)，選擇完屬性點(diǎn)擊確定，就能得到符合要求的螺母如圖3-16(c)。
(a) 螺母文件夾 (b) 螺母屬性 (c) 螺母
圖3-16螺母調(diào)用
3.4裝配體建模過(guò)程
前面幾節(jié)已經(jīng)介紹了該設(shè)計(jì)墻壁式旋臂起重機(jī)零件的建模過(guò)程。零件建模完成后，要將所有零件按照裝配關(guān)系在SolidWorks中裝配成完整的起重機(jī)模型。下面介紹裝配的具體過(guò)程：
1) 零件導(dǎo)入
在SolidWorks中新建裝配體后，首先要插入零部件，本例中首先導(dǎo)入工字鋼主梁，接著導(dǎo)入其它零件，為了裝配過(guò)程中不產(chǎn)生混淆，相同或類似的零件最好等上一個(gè)相似零件裝配完成后再導(dǎo)入另一個(gè)。
2) 配合
配合的過(guò)程就是將導(dǎo)入的零件按照裝配關(guān)系裝配的過(guò)程，介紹配合過(guò)程時(shí)，類似的配合及所用命令相同的配合只選取單例介紹。
a. 安裝板1與主梁配合
安裝板1與主梁的配合首先選定安裝板1的某個(gè)安裝孔，讓其與主梁上與之對(duì)應(yīng)的安裝孔以同軸方式配合；第一步配合完成后選擇選擇主梁腹板的某個(gè)面和安裝板側(cè)板的面重合；該步完成后就能得到配合完成的安裝板1與主梁如圖3-17。
圖3-17 安裝板1配合
b. 下安裝板5裝配
安裝板1與下安裝板5配合首先選定安裝板5側(cè)板安裝孔與安裝板1的圓柱孔配合，然后選擇安裝板5相應(yīng)平面與安裝板1側(cè)板面平行，就可配合完成安裝板1與下安裝板5如圖3-18。
圖3-18 安裝板5裝配
c. 安裝板4裝配
將安裝板2按照安裝板1所介紹的方式裝配到主梁上后，就可以繼續(xù)將安裝板4與安裝板2進(jìn)行配合，首先要先將安裝板4的螺栓安裝孔與安裝板2的側(cè)板安裝孔進(jìn)行同軸配合，再選擇安裝板4的側(cè)板面與安裝板2的側(cè)板面重合，然后選擇配合安裝板4的下側(cè)面與主梁的上端面夾角為（拉桿的安裝角）；安裝板4即裝配完成如圖3-19。
圖3-19 安裝板裝配
d. 其它零件裝配
其它安裝板零件裝配過(guò)程，與前面所介紹各安裝板的裝配相似，用到的都是相同的命令，所以不再詳細(xì)介紹。螺栓螺母的裝配與拉桿的裝配類似，裝配步驟是先配合圓柱面的同軸，然后裝配接觸面重合即可。
將所有零件依照前面所述裝配方法，按照裝配關(guān)系裝配完成即可得到圖3-20所示完整的壁式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)。
圖3-20 起重機(jī)裝配體
4 二維工程圖繪制
前面已把壁式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模工作完成，起重機(jī)要完成生產(chǎn)必須要有完整的二維工程圖作為生產(chǎn)指導(dǎo)。所以，該課題的設(shè)計(jì)過(guò)程還要繪制完整的裝配體及零件的二維工程圖。下面以裝配體和安裝板1工程圖為例介紹二維工程圖的繪制過(guò)程，其余零件工程圖繪制過(guò)程與之相同。
本次設(shè)計(jì)選擇SolidWorks軟件來(lái)繪制工程圖。因?yàn)樵诜治鲞^(guò)程中起重機(jī)零件和結(jié)構(gòu)方面有改動(dòng)，所以在工程圖介紹部分以改進(jìn)后滿足要求的裝配體和零件進(jìn)行說(shuō)明。
1.裝配圖繪制
圖4-1 表零件剖視圖
在SolidWorks中新建A3工程圖文件，導(dǎo)入裝配體后可自動(dòng)生成裝配體的三視圖，為了標(biāo)注安裝板1和安裝角鋼的螺栓螺母，對(duì)裝配體進(jìn)行A-A剖視和D-D剖視，如圖4-1所示；為了表達(dá)安裝板5處螺栓與安裝孔的裝配關(guān)系對(duì)裝配進(jìn)行B-B剖視和C-C剖視，如圖4-2所示；點(diǎn)擊工具欄上“自動(dòng)零件序號(hào)”命令，即可按裝配順序生成零件序號(hào)；點(diǎn)擊“注解”命令，對(duì)裝配體進(jìn)行必要的裝配尺寸、配合公差和總體尺寸的標(biāo)注，生成裝配圖明細(xì)表，寫明技術(shù)要求。即完成裝配體的工程圖如圖4-3。
圖4-2 表裝配關(guān)系剖視圖
圖4-3 裝配體工程圖
2.零件工程圖
在SolidWorks中新建A4工程圖文件，導(dǎo)入安裝板1后生成三視圖，點(diǎn)擊工具欄 “注解”命令，對(duì)安裝板1主視圖進(jìn)行部分加工及定位尺寸標(biāo)注，并對(duì)左側(cè)安裝孔進(jìn)行粗糙度標(biāo)注如圖4-4所示；在其它視圖中標(biāo)注其它必要的加工尺寸如圖4-5所示，寫明技術(shù)要求；在圖的右上角標(biāo)注其余粗糙度要求為Ra12.5；即完成安裝板1工程圖如圖4-6。
圖4-4 主視圖尺寸標(biāo)注
(a) 左視圖尺寸標(biāo)注
(b) 俯視圖尺寸標(biāo)注
圖4-5 其他視圖尺寸標(biāo)注
圖4-6 安裝板1工程圖
5 總結(jié)
說(shuō)明書第1章簡(jiǎn)單介紹了壁式起重機(jī)的相關(guān)知識(shí)，記述了我國(guó)壁式起重機(jī)的發(fā)展歷程和前景，剖析了國(guó)產(chǎn)起重機(jī)發(fā)展過(guò)程中存在的問(wèn)題，并指出設(shè)計(jì)改進(jìn)起重機(jī)結(jié)構(gòu)是壁式起重機(jī)發(fā)展關(guān)鍵。
第2章對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，特別是起重機(jī)的受力分析部分，將所運(yùn)用的結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)按步驟進(jìn)行了說(shuō)明；此外，還包含每個(gè)零件和標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸計(jì)算和強(qiáng)度校核。
第3章闡述零件的建模過(guò)程，對(duì)每個(gè)零件的建模過(guò)程都做了詳細(xì)介紹，該章側(cè)重于零件的建模過(guò)程。
第4章對(duì)于裝配體的裝配過(guò)程和二維工程圖的繪制只介紹了使用過(guò)的命令，具體的操作過(guò)程需要讀者實(shí)際練習(xí)。
本文的特色在于，設(shè)計(jì)計(jì)算部分詳細(xì)記述了受力分析及零件設(shè)計(jì)過(guò)程，包括其中所涉及的知識(shí)要點(diǎn)及參考文獻(xiàn)；建模過(guò)程中對(duì)每個(gè)零件的建模過(guò)程都做了詳細(xì)的介紹，對(duì)不了解SolidWorks軟件的讀者有很好的幫助。
但由于對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)的掌握程度與個(gè)人學(xué)識(shí)能力有限，文章難免會(huì)有不足與疏漏之處，敬請(qǐng)諒解。
參 考 文 獻(xiàn)
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致 謝
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