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墻壁式旋臂起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘要：墻壁式旋臂起重機是一種安裝在墻壁上的起重設(shè)備，結(jié)構(gòu)獨特，安全可靠，具備高效、節(jié)能、省時省力、靈活等特點，在生產(chǎn)車間運用廣泛。
本次課題首先進行墻壁式旋臂起重機結(jié)構(gòu)形式選擇，然后將所選擇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為力學模型進行受力分析，并選擇零件材料，設(shè)計零件尺寸。設(shè)計計算完成后，運用SolidWorks對所選墻壁式旋臂起重機結(jié)構(gòu)進行三維建模，分析內(nèi)容包括起重機整體變形與其所受應(yīng)力，在分析過程中對達不到設(shè)計要求的部位進行了改進，最終得到滿足使用要求的起重機結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：墻壁式旋臂起重機；結(jié)構(gòu)設(shè)計；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 2
1.2.1墻壁式旋臂起重機簡介 2
1.2.2 墻壁式旋臂起重機結(jié)構(gòu)類型 2
1.3 本課題研究內(nèi)容 3
2 墻壁式旋臂起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 5
2.1整體受力分析 5
2.2零件具體尺寸設(shè)計 7
2.2.1 工字鋼型號選擇 7
2.2.2 計算各螺栓連接 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
3.2零件建模過程 19
3.2.1 主梁建模過程 19
3.2.2 拉桿建模過程 21
3.2.3 安裝板建模過程 23
3.3 螺栓螺母調(diào)用 27
3.4 裝配體建模過程 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 37
致謝 38
V
1 緒論
1.1本課題研究背景及意義
墻壁式旋臂起重機屬于中小型調(diào)運裝備，結(jié)構(gòu)獨特，安全可靠，具備高效、節(jié)能、省時省力、靈活等特點，可以在三維空間內(nèi)隨意操作，在短距、密集型調(diào)運的場合，比其它常規(guī)性吊運設(shè)備更顯示其優(yōu)越性，廣泛用于各行業(yè)的不同場所 。隨著我國經(jīng)濟發(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正是為了適應(yīng)這種生產(chǎn)需求而設(shè)計開發(fā)的，所以壁式起重機有著實際的工程需要，其結(jié)構(gòu)隨著生產(chǎn)實際的不斷變化也需要不斷優(yōu)化，做進一步改進，使之更加適應(yīng)生產(chǎn)需求，更加方便快捷，更具經(jīng)濟性。
我國在墻壁式旋臂起重機的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面已經(jīng)有了一定的經(jīng)驗，無論是在設(shè)計計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和成果，雖然如此，但是隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，對墻壁式旋臂起重機的需求量增多的同時，對其質(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)計方面，我國欠缺專業(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、制造、調(diào)試至少需要幾年的時間，而國內(nèi)的新產(chǎn)品研發(fā)的周期很短，相對來說用于結(jié)構(gòu)設(shè)計與調(diào)試的時間就更短，而對于起重機械來說結(jié)構(gòu)的設(shè)計及相關(guān)的受力、穩(wěn)定性及壽命計算分析是最重要的一個環(huán)節(jié)，而這也是我國在目前發(fā)展中需要改進的環(huán)節(jié)。其二，國內(nèi)起重機在制造的水平上不能滿足設(shè)計的需要，特別在細節(jié)精益設(shè)計方面和國外存在較大的差距。所以對墻壁式旋臂起重機的結(jié)構(gòu)設(shè)計仍然是我國發(fā)展起重機必要的一部分，需要繼續(xù)進行更好的研發(fā)。
本次以墻壁式旋臂起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析作為畢業(yè)設(shè)計的課題，通過對起重機已有文獻的學習及總結(jié)，在了解了起重機特別是壁式起重機設(shè)計現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、設(shè)計過程中所需注意問題及目前設(shè)計中所面臨的問題之后，使我對起重機有了更深入的了解，此次設(shè)計能夠結(jié)合以往他人對壁式起重機的設(shè)計，在起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計上進行更具體的設(shè)計分析計算。
1.2 墻壁式旋臂起重機
1.2.1墻壁式旋臂起重機簡介
起重機根據(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）、臂架式（自行式、塔式、門座式、鐵路式、浮船式、桅桿式起重機）、纜索式 ，而墻壁式旋臂起重機屬于其中的臂架式起重機，使用情況如圖1-1所示。
（圖一）
墻壁式旋臂起重機又稱墻壁吊、 壁柱式旋臂起重機?？煞譃椋築X型墻壁式旋臂吊 、BX-JKBK型墻壁式旋臂吊，墻壁式旋臂起重機用于靠近墻壁且起重作業(yè)較為頻繁的場所，在靠近墻壁處服務(wù)于一個半圓形空間，是一種循環(huán)的、間歇動作的、短程搬運物料的機械，其旋轉(zhuǎn)工作范圍一般為200 。壁式旋臂起重機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，或作為高架起重機及單軌系統(tǒng)的有效補充 。
通常壁式旋臂起重機是由起升機構(gòu)（使重物上下運動）、變幅機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)(使物品水平面內(nèi)移動)，再加上金屬機構(gòu)，動力裝置，操縱控制及必要的輔助裝置組合而成 。本次對墻壁式旋臂起重機設(shè)計只對其金屬結(jié)構(gòu)部分進行設(shè)計，其余機構(gòu)只進行重量選擇。
1.2.2 墻壁式旋臂起重機結(jié)構(gòu)類型
墻壁式旋臂起重機結(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，對于圖（b）結(jié)構(gòu)來說，相對于圖（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。在起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計中若圖(a)中的結(jié)構(gòu)形式可以達到穩(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 墻壁式旋臂起重機結(jié)構(gòu)形式
1.3 本課題研究內(nèi)容
1) 確定起重機參數(shù)
本課題為墻壁式旋臂起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要對所選起重機金屬結(jié)構(gòu)部分進行設(shè)計、建模，使所設(shè)計起重機金屬結(jié)構(gòu)滿足強度使用要求。所選起重機參數(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)計計算內(nèi)容
a) 結(jié)構(gòu)確定
前面提到墻壁式旋臂起重機總共有兩種主要形式，此處由于起重機跨度大，懸臂長度過長，為了減少起重機整體變形，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)。所選起重機結(jié)構(gòu)形式如下圖1-3：
圖1-3 起重機結(jié)構(gòu)
b) 相關(guān)設(shè)計計算
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度和剛度；
第二步：對所選擇結(jié)構(gòu)進行受力分析，并計算各零件的受力；
第三步：根據(jù)零件受力，由其強度和剛度要求計算各零件結(jié)構(gòu)尺寸，并對其進行校核。
3）建模
首先對各零部件根據(jù)計算所得尺寸使用SolidWorks三維建模軟件進行建模，零件模型建好之后，根據(jù)裝配關(guān)系進行裝配。
2 墻壁式旋臂起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計計算
2.1整體受力分析
1) 起重機受力
所設(shè)計起重機起重量，查電動葫蘆產(chǎn)品手冊，選擇電動葫蘆的自重。初選主梁為工字鋼截面梁，工字鋼梁型號為32a,其理論質(zhì)量。
2) 轉(zhuǎn)化力學模型
圖2-1 起重機力學模型
根據(jù)起重機的結(jié)構(gòu)形式，將其轉(zhuǎn)化為上圖2-1所示力學模型，以便進行計算。其中，q為工字鋼的自重，簡化為分布力，而F為起重機的起重量Q與電動葫蘆的自重G的和。
3) 計算主梁受力
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》知識，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) 因為為軸力，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
2.2.1 工字鋼型號選擇
選取工字鋼材料為Q235，查《機械設(shè)計手冊》，得到Q235的抗拉強度，屈服強度，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處為危險截面。
開始試算時，可以不先考慮軸力的影響只根據(jù)彎曲強度條件選取工字鋼。這時抗彎截面系數(shù)
查《材料力學》型鋼表4 熱軋工字鋼（GB 706-88），選取16號工字鋼，，截面積。選定工字鋼后，同時考慮軸力及彎矩M的影響，在進行強度校核。在工字鋼危險截面B的下邊緣各點上壓應(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號工字鋼進行校核，此時，截面積。同時考慮軸力及彎矩M的影響，進行校核。工字鋼危險截面B的下邊緣各點上壓應(yīng)力為
結(jié)果表明，18號工字鋼可以滿足強度要求，所以選擇工字鋼梁的型號為18a。
2.2.2 計算各螺栓連接
圖2-5 螺栓連接編號
本次起重機設(shè)計所選擇結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，所有連接處均選用螺栓連接，將所有螺栓連接進行編號如上圖2-5。本次設(shè)計中選擇螺栓在無特殊說明下，均為鉸制孔用螺栓，查《機械設(shè)計》螺紋連接部分表5-8和表5-9，選取螺栓性能等級為4.6，螺母性能等級為4級。
由選擇的螺栓連接的性能等級，可得到螺栓的公稱抗拉強度，屈服強度。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）計算1處螺栓
根據(jù)起重機受力情況，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，然后進行抗剪強度校核。1處共有4個相同的螺栓，所受總拉力為，每個螺栓所受拉力，此處螺栓連接為緊螺栓連接，根據(jù)《機械設(shè)計》式5-36,螺栓直徑
所以選取的螺栓，校核選取螺栓的抗剪強度與擠壓強度是否符合需要。
連接處受到的總剪力，每個螺栓受到的剪力。的鉸制孔用螺栓承受剪力部分直徑，參考《機械設(shè)計》式5-41，校核抗剪強度
所以，所選擇螺栓的強度不滿足使用要求，要選擇直徑更大的螺栓，選取的螺栓，其抗剪部分直徑。再進行抗剪強度的校核：
可見，此時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:
，
所以滿足擠壓強度要求。綜上，1處選擇的螺栓。
2)計算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)力計算螺栓直徑，然后利用剪切應(yīng)力校核。
螺栓的每個剪切面所受剪力，由《材料力學》式2.24得
所以，先選取的鉸制孔用螺栓。下面利用剪切強度進行校核，看所選取螺栓是否滿足要求。螺栓所受剪切應(yīng)力：
滿足剪切強度要求，所以2處選擇的鉸制孔用螺栓。
3)計算4處螺栓
4處共有4個螺栓，其受到的力整體為斜拉桿施加的拉力，首先將拉力進行分解，如下圖2-7：
圖2-7 力的分解
計算可得與夾角。計算可得：
使安裝板受到傾覆力矩，螺栓之間的距離，由《機械設(shè)計》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)兩個螺栓受力最大，其所受總的力：
根據(jù)受力，計算螺栓直徑：，選取的螺栓，受剪切和擠壓的部分直徑為。
4)計算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，所選螺栓滿足強度要求，所以5處也選用的螺栓。
5) 計算6處螺栓
已知，6處共有4個螺栓，矩形分布，首先分析6處螺栓的受力狀況，每個螺栓受到兩個力一個矩，受力方向如圖2-9所示：
其中，，，。在、作用下，每個螺栓受力：
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，下面計算該螺栓所受的合力：
a.將進行分解，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，先按照剪力計算螺栓直徑：
因此，選擇的鉸制孔用螺栓，然后，校驗該直徑的螺栓是否符合擠壓強度要求，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度要求。
6）計算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處所用螺栓滿足強度要求，則8處的螺栓一定滿足，所以按照7處計算螺栓的直徑參數(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
拉桿為該起重機設(shè)計中的一個重要受力件，所以其材料的選擇中要選擇強度較好的材料。本次設(shè)計拉桿的材料選為45#圓鋼，拉桿的兩頭有螺紋，用來將拉桿與安裝板固定，也便于調(diào)節(jié)長度使得起重機安裝合適。45#鋼是在機械設(shè)備中常用的一種材料，其抗拉強度，屈服強度，設(shè)計中拉桿安全系數(shù)，由此可以計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，所以強度最差，應(yīng)該按螺紋小徑處計算拉桿的直徑。拉桿受到的拉力，按照抗拉強度來確定拉桿的直徑：
這是按照螺紋連接計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算，可以初步確定在各安裝板上螺栓孔的直徑和個數(shù)。除此以外，安裝板還需要確定加工尺寸，下面補充設(shè)計安裝板的其余尺寸，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，將各安裝板進行了編號，編號情況如下圖2-11所示：
圖2-11 安裝板序號圖
1) 安裝板1尺寸設(shè)計
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個螺栓孔，安裝板的厚度定為，寬度，整體長度為，具體各尺寸數(shù)值，見圖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
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)板各需要一個安裝孔，經(jīng)前面計算得板厚，兩側(cè)板有4個的倒角，具體尺寸見圖2-13（單位：mm）。
3) 安裝板3尺寸設(shè)計
安裝板3用于起重機上端墻壁安裝板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上之間用單個的螺栓連接，連接需要一個的通孔；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
圖2-15安裝板4基本尺寸
本次設(shè)計中安裝板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圖2-15（單位：mm）。
5) 安裝板5上尺寸設(shè)計
安裝板5上用于將起重機安裝在墻壁上，受力為斜向下的拉力，與墻壁的連接用4個的鉸制孔用螺栓，需要有4個的孔；與安裝板4的連接用一個的螺栓，兩側(cè)板要有的孔。安裝板厚，其余尺寸見圖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
安裝板5下與安裝板1和墻壁連接，和墻壁連接處用4個的鉸制孔用螺栓，需要有4個的安裝孔；和安8裝板1連接處用的鉸制孔用螺栓連接，需要有一個的孔。安裝板的板厚，其余尺寸見圖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
起重機主梁選取18#工字鋼。上面需要加工安裝孔，用來連接安裝板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明，安裝角鋼的孔為的小孔，主梁的總長度，其余具體尺寸見圖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
研究課題要求對墻壁式旋臂起重機金屬結(jié)構(gòu)部分進行設(shè)計分析，建模內(nèi)容就是對前面計算所得起重機金屬結(jié)構(gòu)部分根據(jù)設(shè)計尺寸建出相應(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)容是對主梁、拉桿及各安裝板進行零件建模，其余螺栓連接需要的螺栓、螺母等標準件在標準零件庫內(nèi)按尺寸要求調(diào)用。建模順序是先對主梁建模，再對拉桿建模，最后對各安裝板進行建模，完成之后根據(jù)所用到的螺栓、螺母尺寸類型要求在標準零件庫內(nèi)選擇，生成相應(yīng)標準零件。零件建模完成后按照安裝要求組裝成壁式起重機，并能符合相應(yīng)運動要求。
3.2零件建模過程
3.2.1主梁建模過程
1) 主梁拉伸
利用SolidWorks軟件，新建零件，首先選定基準面，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，輸入工字鋼長度數(shù)值，完成拉伸。這樣得到未經(jīng)加工的標準18#工字鋼如圖3-1(b)。
(a)工字鋼草圖 (b) 工字鋼拉伸軸測圖
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，要在工字鋼梁上對安裝板1、安裝板2及限位角鋼的安裝孔進行建模。
首先對安裝板1和限位角鋼的安裝孔進行建模，選定繪制草圖的前視基準面，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面時不同，安裝孔1和角鋼安裝孔草圖繪制在前視基準面上，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拉桿建模過程
前面設(shè)計計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。建模過程中，首先選擇前視基準面繪制直徑為30的圓，完成后退出草圖選擇拉伸命令，拉伸長度，拉伸完成就得到直徑長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的基準面繪制掃描截面，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，草圖面為右視基準面，與拉桿圓柱面相交部分線段長度為螺紋螺距，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安裝板建模過程
介紹安裝板的建模過程時，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作為示例進行介紹；而安裝板1和安裝板3則分別介紹其建模過程。
1) 安裝板2建模
安裝板2的建模首先選定基準面，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，對安裝孔建模，先對下面4個安裝孔建模，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，對安裝板側(cè)面上的四個邊角進行倒角，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個安裝孔的步驟一樣，只是在選擇繪制草圖的基準面時要選擇與側(cè)板平行的基準面，本例中選擇前視基準面，由于前視基準面位于兩側(cè)板中間位置，在拉伸切除時要選擇兩側(cè)對稱拉伸。兩側(cè)板安裝孔的建模過程不再具體詳述，參照上面四個安裝孔的過程即可。
(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
對于安裝板1，首先對其與安裝板5連接的空心圓柱進行建模。選擇上視基準面，繪制兩個同心圓草圖如圖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，對與主梁連接的板進行建模，開始建模時，要新建基準面：點擊工具欄中“參考幾何體”命令下的基準面，在彈出的命令欄中選擇右視基準面為第一參考，距離一欄輸入側(cè)板的長度如圖3-10(a)，點擊確定就能建立符合需要的基準面如圖3-10(b)。
(a) 基準面命令欄 (b) 新建基準面
圖3-10 基準面建立
建得基準面后，在所建基準面上繪制安裝板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，用所繪草圖對側(cè)板進行切除，然后，工具欄中選擇“圓角”命令，對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，該步建模過程同安裝板1，只是繪制同心圓的尺寸不同，所以該步過程參考安裝板1的過程?？招膱A柱建模完成后，選擇上視基準面繪制側(cè)板的草圖如圖3-13(a)，將草圖兩側(cè)對稱拉伸，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，要對側(cè)板的安裝孔進行拉伸切除，選定右視基準面，按照定位尺寸與加工尺寸繪制安裝孔的草圖如圖3-14(a)，利用草圖對側(cè)板進行拉伸切除，再對安裝板3的相應(yīng)邊線進行倒角和倒圓角，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
螺栓是標準件可以在SolidWorks中的Toolbox插件中直接調(diào)取標準件使用，減少建模時間。下面以的鉸制孔用螺栓為例介紹調(diào)用過程：
a) 在SolidWorks初始界面點擊右側(cè)的“設(shè)計庫”圖標，在彈出的工具欄中，雙擊選擇toolbox。
b) Toolbox插入下點擊現(xiàn)在插入，然后在彈出的各文件夾下選擇“Gb”即“國標”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 GB/T27-1988”一項，右鍵點擊“生成零件”選項。
d) 在彈出生成螺栓屬性的命令欄中，選擇的螺栓，長度選擇如圖3-15(b)，點擊確定即能得到滿足使用要求的簡化螺栓如圖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
螺母標準件的調(diào)用過程與螺栓類似，以的螺母為例介紹調(diào)用過程。前兩步的打開過程和螺栓一樣，只是從第三步中“Gb”下的子文件夾中要打開“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 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裝配體建模過程
前面幾節(jié)已經(jīng)介紹了該設(shè)計墻壁式旋臂起重機零件的建模過程。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模型。下面介紹裝配的具體過程：
1) 零件導入
在SolidWorks中新建裝配體后，首先要插入零部件，本例中首先導入工字鋼主梁，接著導入其它零件，為了裝配過程中不產(chǎn)生混淆，相同或類似的零件最好等上一個相似零件裝配完成后再導入另一個。
2) 配合
配合的過程就是將導入的零件按照裝配關(guān)系裝配的過程，介紹配合過程時，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的某個安裝孔，讓其與主梁上與之對應(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金屬結(jié)構(gòu)。
圖3-20 起重機裝配體
4 二維工程圖繪制
前面已把壁式起重機的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模工作完成，起重機要完成生產(chǎn)必須要有完整的二維工程圖作為生產(chǎn)指導。所以，該課題的設(shè)計過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程，其余零件工程圖繪制過程與之相同。
本次設(shè)計選擇SolidWorks軟件來繪制工程圖。因為在分析過程中起重機零件和結(jié)構(gòu)方面有改動，所以在工程圖介紹部分以改進后滿足要求的裝配體和零件進行說明。
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，導入裝配體后可自動生成裝配體的三視圖，為了標注安裝板1和安裝角鋼的螺栓螺母，對裝配體進行A-A剖視和D-D剖視，如圖4-1所示；為了表達安裝板5處螺栓與安裝孔的裝配關(guān)系對裝配進行B-B剖視和C-C剖視，如圖4-2所示；點擊工具欄上“自動零件序號”命令，即可按裝配順序生成零件序號；點擊“注解”命令，對裝配體進行必要的裝配尺寸、配合公差和總體尺寸的標注，生成裝配圖明細表，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，導入安裝板1后生成三視圖，點擊工具欄 “注解”命令，對安裝板1主視圖進行部分加工及定位尺寸標注，并對左側(cè)安裝孔進行粗糙度標注如圖4-4所示；在其它視圖中標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 主視圖尺寸標注
(a) 左視圖尺寸標注
(b) 俯視圖尺寸標注
圖4-5 其他視圖尺寸標注
圖4-6 安裝板1工程圖
5 總結(jié)
說明書第1章簡單介紹了壁式起重機的相關(guān)知識，記述了我國壁式起重機的發(fā)展歷程和前景，剖析了國產(chǎn)起重機發(fā)展過程中存在的問題，并指出設(shè)計改進起重機結(jié)構(gòu)是壁式起重機發(fā)展關(guān)鍵。
第2章對起重機設(shè)計計算過程進行了詳細介紹，特別是起重機的受力分析部分，將所運用的結(jié)構(gòu)力學知識按步驟進行了說明；此外，還包含每個零件和標準件的尺寸計算和強度校核。
第3章闡述零件的建模過程，對每個零件的建模過程都做了詳細介紹，該章側(cè)重于零件的建模過程。
第4章對于裝配體的裝配過程和二維工程圖的繪制只介紹了使用過的命令，具體的操作過程需要讀者實際練習。
本文的特色在于，設(shè)計計算部分詳細記述了受力分析及零件設(shè)計過程，包括其中所涉及的知識要點及參考文獻；建模過程中對每個零件的建模過程都做了詳細的介紹，對不了解SolidWorks軟件的讀者有很好的幫助。
但由于對起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)知識的掌握程度與個人學識能力有限，文章難免會有不足與疏漏之處，敬請諒解。
參 考 文 獻
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致 謝
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