剪叉式液压升降机运动学和力学分析及三维造型【含CAD图纸、三维PROE模型】
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本科生毕业设计(论文)题 目:液压升降机运动学和力学分析及三维造型 英文题目:Kinematics and mechanics analysis and three dimensional modeling of hydraulic lift系 :专 业:班 级:学 生:学 号:指导教师1:职称:指导教师2:职称:-1-声 明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得研究结果。论文在引用他人已经发表或撰写的研究成果时，已经作了明确的标识；除此之外，论文中不包括其他人已经发表或撰写的研究成果，均为独立完成。其它同志对本文所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表达了谢意。学生签名：_ 年 月 日导师1签名：_ 年 月 日导师2签名：_ 年 月 日-1-北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）本科生毕业设计(论文)题 目:液压升降机运动学和力学分析及三维造型 英文题目:Kinematics and mechanics analysis and three dimensional modeling of hydraulic lift系 :专 业:班 级:学 生:学 号:指导教师1:职称:指导教师2:职称:-1-声 明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得研究结果。论文在引用他人已经发表或撰写的研究成果时，已经作了明确的标识；除此之外，论文中不包括其他人已经发表或撰写的研究成果，均为独立完成。其它同志对本文所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表达了谢意。学生签名：_ 年 月 日导师1签名：_ 年 月 日导师2签名：_ 年 月 日北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）摘要升降机是一种将人或者货物升降到某一高度的升降设备。在工厂、自动仓库等物流系统中进行垂直输送时，升降机上往往还装有各种平面输送设备，作为不同高度输送线的连接装置。一般采用液压驱动，故称液压升降机。本次本是对液压升降机进行设计，首先确定了该液压升降机结构的结构；接着调查汽车尺寸建立汽车模型以确定升降机的整体结构尺寸；其次建立了升降机构的力学模型并对升降机构不同位置状态进行了受力分析及校核杆件、销轴、螺栓的强度是否满足要求；然后对该剪式液压升降机的液压系统及电气控制系统进行了设计；最后采用AutoCAD软件绘制了该液压升降机的装配图及主要零部件图，并构建了Pro/E的三维模型及运动仿真。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了起重机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD、Pro/E机械设计软件，对今后的工作于生活具有极大意义。关键词：液压；升降机；剪式；三维-46-Kinematics and mechanics analysis andthree dimensional modeling of hydraulic liftAbstractA lift is a lifting device to lift a person or goods to a height. In the factory, automatic warehouse and other logistics system for vertical transportation, the elevator is often also equipped with a variety of plane transportation equipment, as a different height of the transmission line of the connection device. It generally adopts hydraulic drive, hydraulic lift.The design of hydraulic elevator, first determine the structure of the hydraulic elevator structure; then survey - sized car vehicle model was established to determine the overall structure and dimension of the elevator; secondly, establishing the mechanics model of the lifting mechanism and of lifting mechanism of different position state of by force analysis and checking of the bar, a pin shaft, bolt strength whether meet the requirements; then the scissors hydraulic lifts, hydraulic system and electrical control system design. Finally, the software AutoCAD to draw the assembly drawing of the hydraulic elevator and main parts figure, and the construction of the three dimensional modeling and motion simulation of Pro / E.Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of hoisting machinery products and be able to skillfully use AutoCAD, Pro / E mechanical design software, for future work in life is of great significance.Key words: Hydraulic; Lift; Shear type; Three dimensional目 录摘要1Abstract2引 言31 绪 论41.1研究背景及意义41.1.1研究背景41.1.2研究意义41.2升降机概述41.2.1升降机定义41.2.2液压升降机的作用41.2.3液压升降机的特点51.3国内外研究现状51.3.1国外51.3.2国内52总体结构方案及参数选定72.1 升降机结构确定72.2 确定各结构尺寸82.2.1 建立轿车模型82.2.2主要结构尺寸确定82.3初定电机功率102.4平台与叉杆的设计计算112.4.1确定平台的结构材料及尺寸112.4.2确定叉杆的结构材料及尺寸123 受力分析与校核计算173.1位置参数计算173.2动力参数计算193.3液压缸布置方式的分析203.4强度校核计算233.4.1叉杆233.4.2横轴263.4.3连接螺栓的校核274 液压、电气系统的设计与选择304.1液压系统设计与选择304.1.1液压系统设计要求304.1.2液压系统的设计304.2液压缸的计算与选型314.2.1 液压缸的安装位置324.2.2液压缸推力及行程的确定324.2.3液压缸的选型334.3液压泵的计算与选型334.3.1 液压泵工作压力的计算334.3.2 液压泵功率的计算344.3.3 油泵流量的计算344.3.4 油泵的选型354.4电气系统设计354.4.1 电气系统控制设计354.4.2电动机的选择与验算375 基于Pro/E的三维设计395.1 Pro/E软件概述395.2三维模型设计405.2.1底座405.2.2平台415.2.3支架415.2.4油缸425.3三维装配设计42结论43参 考 文 献44致 谢45引 言 升降机是一种将人或者货物升降到某一高度的升降设备。在工厂、自动仓库等物流系统中进行垂直输送时，升降机上往往还装有各种平面输送设备，作为不同高度输送线的连接装置。一般采用液压驱动，故称液压升降机。除作为不同高度的货物输送外，广泛应用于高空的安装、维修等作业。升降机包括：固定升降机、牵引式升降机、车载式升降机、导轨式升降机和特殊形式的升降机等。液压升降机广泛适用于汽车、集装箱、模具制造，木材加工，化工灌装等各类工业企业及生产流水线，满足不同作业高度的升降需求，同时可配装各类台面形式（如滚筒、转盘、转向、倾翻、伸缩），配合各种控制方式（分动、联动、防爆），具有升降平稳准确、频繁启动、载重量大等特点，有效解决工业企业中各类升降作业难点，使生产作业轻松自如。要是通过液压油的压力传动从而实现升降的功能,它的剪叉机械结构，使升降机起升有较高的稳定性，宽大的作业平台和较高的承载能力，使高空作业范围更大、并适合多人同时作业。它使高空作业效率更高，安全更保障。1 绪 论1.1研究背景及意义1.1.1研究背景工程机械是我国装备工业的重要组成部分。为了保证各种工程建设高速度、高质量、低成本施工的进行，工程机械是重要手段。现代化建设速度的快慢取决于工程建设的速度。工程机械发展水平的高低直接影响工程建设的速度，因此工程机械是世界工业发达国家的重点发展行业。我国的机械工业发展较晚，基础较差，但是经过多年的努力，从无到有，从模仿一般的小型机械到自主研发制造大型精密设备，我国的工程机械行业不断地发展为一个机械产品门类齐全，产品技术具有先进水平的工业体系15。剪叉式液压升降台具有结构简单、承载量大、安装空间小、自动化程度高且易于实现集中控制等特点，因此在现代物流、航空、自动化生产线等场合中得到广泛应用17。剪叉式升降平台是应用非常广泛的一种升降装置，剪叉式升降平台的结构决定了其功能和特点，具有结构稳固、运行可靠、安全高效、故障率低、维护方便等一系列优点，因此广泛用于车站、码头、桥梁、大厅、厂房、室内外机械安装、设备维修、建筑保养等场合。1.1.2研究意义升降机不论是在工业生产还是我们的日常生活中都有着非常重要的作用。给我们带来许多便捷、便利。升降机有许多特色的功能，电梯在我们生活中的好多地方都会用到，升降机就如电梯的性能大同小异，我们在升降机的使用过程中也可以针对自己的需求对升降机的具体参数进行设置。升降机在我们生产中的应用非常普遍，可见升降机在我们的生活中的重要性。然而在我们生产中升降机也有着非常重要的作用，尤其是货物高空操作。1.2升降机概述1.2.1升降机定义升降机是一种将人或者货物升降到某一高度的升降设备。在工厂、自动仓库等物流系统中进行垂直输送时，升降机上往往还装有各种平面输送设备，作为不同高度输送线的连接装置。一般采用液压驱动，故称液压升降机。除作为不同高度的货物输送外，广泛应用于高空的安装、维修等作业。升降机包括：固定升降机、牵引式升降机、车载式升降机、导轨式升降机和特殊形式的升降机等。1.2.2液压升降机的作用液压升降机广泛适用于汽车、集装箱、模具制造，木材加工，化工灌装等各类工业企业及生产流水线，满足不同作业高度的升降需求，同时可配装各类台面形式（如滚筒、转盘、转向、倾翻、伸缩），配合各种控制方式（分动、联动、防爆），具有升降平稳准确、频繁启动、载重量大等特点，有效解决工业企业中各类升降作业难点，使生产作业轻松自如。1.2.3液压升降机的特点 升降平台升降系统是靠液压驱动的，所以叫做液压升降台。是一种多功能的装卸机械设备。它主要广泛适用于模具制造，化工罐装以及集装箱，汽车之类的各种工厂企业及生产流水线。液压升降平台可以满足于不同作业高度的升降需求，配装各类台面形式，采用合适的控制方式，使得升降是平稳准确，可以频繁启动，且承载量大，从而能够有效的解决工业企业中各类升降作业时的难题，方便生产。1.3国内外研究现状1.3.1国外当前国外制造升降平台的国家比较多，如意大利、芬兰、美国、英国等国家。国外升降平台生产在有的国家已有几十年的历史，升降平台在机械产品中占有相当大的比重。根据叉臂的数量分单节和多节升降平台，还有固定式（图1.1）、超低式（图1.2）、移动式（图1.3）等各种型式。目前升降平台的驱动力多用液压驱动，在仓库、航空、工业、码头等场所广泛运用。特别在高空作业升降平台及商业货物平台中己形成系列化的生产，如英国起重有限公司，他们根据各类仓库的装卸需求，生产适应商业货物系统方面不同型号的升降平台，大部分高空作业搬运作业其技术先进。还有Geda公司的Multilift系列施工升降平台，这台施工升降机可以通过电子显示装置对“高度预定控制系统”进行操作。通过该系统，要使升降平台轻松地停靠在不同高度，操作员只需简单的按钮操作就可。该升降平台配有嵌入式的控制装置，使升降平台的急停急走不再发生。美国专家Hashem 等根据剪叉式液压升降机的特点提出采用并联连接剪叉臂的结构形式，之前的升降机主要是串联连接剪叉臂，串联连接限制了其工作台面的增加，并联连接不仅可以增加工作面积，还能够大大增加其稳定性1-2。1.3.2国内随着中国城镇化的扩展，道路，桥梁等基础设施的建设不断增多，需求不断扩大，升降平台以及升降机的种类需求也不断增加。而且近几年，液压升降平台发展正处在一个发展的高峰期，并且逐步向产业化和集群模式发展。现在不管是在建筑工地、市政施工、企业、工业、工厂、装潢、酒店还是私家庭院，升降机以及是到处可见，使用也是非常广泛。因此，升降平台市场发展前景广阔。我国升降平台市场进入高速发展阶段，有望保持高速发展态势。目前国外生产升降机比较知名的企业有爱知公式、JLG公司和 Alter 公司等。在国内主要有山东济阳和江苏镇江两大生产基地。比较知名的国内企业有徐州重工，浙江定力和京城重工等企业 6。国内的升降平台的制造起步比国外的晚，但是近几年的发展相对较为迅速，主要表现在产品种类的不断增加。如沈阳北方交通中共集团研制了 54m 的高空消防救援车。目前，徐州重型机械有限公司正在研发 80m 的高空消防车，在此之前，它已经成功研制了 22-68m 的高空消防救援车。杭州爱知公司也研发完成了绝缘型高空作业车。在剪叉机构的强度、刚度方面的研究，郭克希等人通过对剪叉式机构的演变方式的分析对比，得到了变异剪叉结构，并对该结构进行了研究，通过对该空间展开式剪叉机构的强度分析，得出了该机构的关键结构尺寸，从而设计出一种新型的能够广泛应用于各种特殊的场合的机动平台9。胡小舟等人分析了剪叉式升降机的受力，建立了其力学模型，然后利用 Matlab 软件进行分析，研究了影响油缸最大推力的关键参数10。张荣敏等人对剪叉机构的结构参数进行了分析，并利用 ANSYS /APDL 的优化设计模块对剪叉臂进行结构优化分析，得出剪叉臂的最优参数11。邓宏光等人根据剪叉式升降平台的结构特征，建立了起升结构的力学方程，并确定了起升结构的关键参数12。2总体结构方案及参数选定2.1 升降机结构确定此次课题设计的内容为剪切式液压升降机，剪切式升降机的发展较迅速，种类也很齐全。按照剪切的大小分为大剪式升降机（又叫子母式），还有小剪（单剪）升降机 ；按照驱动形式又可分为机械式、液压式、气液驱动式；按照安装形式又可以分为藏地安装，地面安装。因为此次设计所要举升的重量为2t以下的轿车 ，所以采用小剪式液压驱动升降机就完全可以。为了适合大小维修厂，对地基没有过多要求，地面安装即可。整体结构形式如图2.1所示。图2.1 液压升降机整体结构形式剪切式液压平板升降机由机架、液压系统、电气三部分组成。设置限位装置、升程自锁保护装置等以保证升降机安全使用，保障维修工人的生命安全。剪切式升降机有两组完全相同的升降机构，分别放于左右两侧车轮之间，因两侧结构完全相同，可以左右互换。升降机由电气系统控制，由液压系统输出液压油作为动力驱动活塞杆伸缩，带动两侧举升臂同时上升、下降、锁止2。升降机一侧上下端为固定铰支座，举升臂由销连接固定在铰支座上。另一侧上下端为滑轮滑动，举升臂通过轴与滑轮连接。升降机在工作过程中，以固定铰支座一侧为支点，滑轮向内或向外滑动，使升降机上升下降，当达到适当的举升位置时，利用液压缸上的机械锁锁止。剪切式升降机使用方便，结构简单，占地面积小，适用于大多数轿车、汽车的检测、维修及保养，安全可靠3。2.2 确定各结构尺寸2.2.1 建立轿车模型根据丰田和大众轿车的车身信息确定一个使用较广的车模：它的车身参数有车身长4.7m，宽1.75m，高1.5m，轴距2.1m，前后轮距平均为1.5m，车自重1.5t，该轿车模型集丰田轿车外型，奥迪外型，大众车系于一体，具有较广的代表性。2.2.2主要结构尺寸确定（1）剪切式升降机已知的主要技术参数如表2.2所示表2.2 主要技术参数技术数据数值单位举升重量3T举升高度3502000Mm提升时间60S要求升降机的提升速度是经1min时间内升降机能升高到1m，实际升高1.65m，并且升降机在各高度工作时，都能自锁。设计过程中参考了广力牌GL3.0/A小剪式升降机，上海繁宝剪式升降机，Jumbo Lift NT 剪式举升平台的外形及运动形式。（2）升降机各部分尺寸 （a）支撑平台尺寸因剪切式升降机放于两轮胎之间的下部，所以升降机在使用过程中要保证升降机不能与轮胎发生干涉2。根据轿车轴距为2.6m，轿车轮胎直径一般不超过700mm，为避免干涉，升降机平台两端与轮胎边缘要有一定距离，取平台边距轮胎边缘之间距离为150mm，则平台外型长。平台宽一般为500mm600mm左右，我们取平台宽为Bp=550mm。举升时，重量作用在整个平台上，力并不集中，所以平台不宜过厚，增加升降机重量，取外型高为70mm，实厚为15mm，只在四周加工凸台边缘，平台尺寸如图2.2所示。图2.2 平台尺寸（b）举升臂尺寸因平台长La=1600mm，固定铰支座和滑动滚轮分别放于平台下，降低到最低点时举升臂不能超出平台边缘，与汽车相干涉，所以固定铰支座和滑动滚轮要与平台有一定的距离，取支座距平台边缘的距离为150mm。则固定铰支座与滑动滚轮之间距离。升降机压缩到最低位置时，升降机高为350mm,(底座到平台面的距离)。 如图2.3所示底座厚为15mm，滚轮直径D=50mm ，滚轮处轴径Dz=24mm ，为了避免滚轮直接磨损底座，设计时，加工滚轮滑道，滑道厚为10mm，滑道宽35mm，滑道长为750mm。上下两滚轮之间的距离为根据勾股定理求举升臂长L , 求得L=1306mm，举升臂宽110mm，厚为20mm。图2.3 升降机压缩到最低点时的状态（3）升降机升高到1m时尺寸变化升降机向上举升时，滑轮向内侧滚动，液压系统向上伸缩，固定铰支座和滑动铰支座之间距离缩短，平台与底座之间距离越来越大。升降机升高到1m时，升降机上下两滑轮之间的距离为，因举升臂长L=1306mm，固定铰接处与滑轮之间的距离为Lb,由勾股定理得 ，则Lb=896.15mm，滑动轮滑动距离Lx=1300-896.15=403.75mm。升降机升高到1m时，结构状态如图2.4所示。图2.4 升高到 1m 时升降机主视图和左视图因我们的举升臂宽为110mm，所以连接处螺栓轴径适当取Ds=30mm，滑动滚轮处轴径取Dz=24mm，滑轮总宽为30mm，与滑道实际接触尺寸为25mm，另外5mm为阶梯凸台,直接与举升臂接触，减小摩擦。2.3初定电机功率剪切式升降机举升重量2t，升降机自身及其附件的重量再加上一部分的余量为0.8t，所以取 W=3.8t 。初定电机功率，不考虑工作过程损失。举升平台上方放有汽车时，设计上升速度为 Vw = （2.2）S=2000-350 =1650 (mm) 由公式（2.2）得 Vw= =0.0275m/s=1.65m/min 载车板上升功率 Pw= （2.3）Fw=mg （2.4）其中m=4.6kg，g=10N/kg 由公式（2.4）Fw =3.810 =38 KN Vw取1.65 m/min由公式（2.3）得 Pw= =1.04（KW） 取整理前面计算的数据如表2.4。表2.4 剪切式升降机主要技术参数举升重量2000kg举升高度3502000mm实际上升高度1650mm总宽2000mm总长2060mm平台长/宽1600/550mm举升臂长1306mm平台间宽900mm上升时间50s下降时间40s电机功率1.1KW电源220V/380V/50Hz额定油压18MPa整机重量800kg滑轮移动距离896.15mm2.4平台与叉杆的设计计算2.4.1确定平台的结构材料及尺寸平台位于升降台的最上部，是支撑件的组成部分。汽车能够在升降台上平稳的停放就是平台起了关键的作用。在进行维修作业之前首先得驶上平台。需要说明的是平台并不是一个简单的钢板，而是在下面有滑道，因为升降台叉杆臂上有滑轮，滑道的作用就是使滑轮在滑道内来回滑动，使升降台完成举升和回落动作。下底板也如此，如下图4-1。图4-1 下底板结构简图根据上面汽车尺寸参数，确定平台的长度为2600mm，宽度450mm，材料采用热轧钢板。其形状见图纸。需要说明的是平台并不是一个简单的钢板，而是在下面有滑道，因为升降台叉杆臂上有滑轮，滑道的作用就是使滑轮在滑道内来回滑动，使升降台完成举升和回落动作。叉杆是升降台最主要的举升部件，是主要的受力机构。对其设计的成功与否关系到整个设计工作的成败，选材45号钢，热轧钢板。叉杆的外形图如图4-2所示。图4-2 叉杆的外形图2.4.2确定叉杆的结构材料及尺寸对支撑叉杆进行受力分析：首先定义每根杆的名称编号，如图4-3：图4-3 支撑叉杆受力分析图对于杆3、杆4的活动铰联接在水平方向上除了摩擦力没有其它外力，所以可以忽略不计，现在只考虑其竖直方向上的受力就可以了。经过分析杆3的受力情况如图：计算其最大弯矩及轴向力：经力学分析，当升降台处于最低位置，时，所受弯矩最大，如图。当升降台处于最高位置，时，轴向力最大，如图，（正值为拉力，负值为压力）。杆4受力情况同杆3。下面再分析一下杆1,对杆1作受力分析，如图对D点做力矩分析：，可得 = -110.1N。计算弯矩，由上图可转化成下图来分析： 根据以上条件画弯矩图，如下：图4-4 杆1弯矩图由此图可知，杆1的最大弯矩在C点。经计算当时，有最大值，即拥有最大弯矩，同样此时也拥有最大的轴向力。首先将，W=9800N，P=11.6W（P与W的关系值根据上述的公式求得）代入以上各式，求得的值如下图：则。计算轴向力，同样将杆1的受力分析图再转化为轴向力图分析，如图：经分析计算，CD段受到的轴向压缩力最大，。由于刚刚计算出的杆3与杆4的最大弯矩和最大轴向力都小于杆1的值，故不对杆3杆4计算工作应力。计算杆1该状态下的工作应力，设叉杆横截面积A=bh,如图： 则该状态下的工作应力为其中， 叉杆实际工作应力,材料许用应力， 材料的极限应力，对于45号钢，为340Mpa n安全系数,一般为大于1的值，这里取n=2。根据经验初选h=0.1m。由此式可以看出弯矩对工作应力的影响较轴向力要显著的多，所以在计算时应以最大弯矩为主要计算对象。杆1所承受的最大工作应力。杆1的C截面拥有最大弯矩，即可以认为C截面拥有最大的工作应力。我们按照最大工作应力来选取合适的叉杆截面。将h=0.1m代入上式：最大工作应力。这里取，即叉杆的横截面为10025。3 受力分析与校核计算3.1位置参数计算由图3-1可知图3-1位置参数示意图 （1） （2）上式中：H任意位置时升降平台的高度；C任意位置时铰接点F到液压铰接点G的距离；L支撑杆的长度；支撑杆固定铰支点A到铰接点F的距离；T机架长度（A到G点的距离）；活塞杆与水平线的夹角。以下相同。将（2）式代入（1）式，并整理得。 （3）设代入（3）式得。 （4）在（4）式中，升降平台的初始高度；液压缸初始长度。双铰接剪叉式升降平台机构的运动参数计算：图3-2 运动参数示意图图中，是F点的绝对速度；是B点绝对速度；是AB支撑杆的速度；是液压缸活塞平均相对速度；是升降平台升降速度。由图3可知： （5）在（5）式中，液压缸活塞平均相对运动速度；升降平台升降速度；支撑杆与水平线的夹角。以下相同。3.2动力参数计算图3-3动力参数示意图图中，P是由液压缸作用于活塞杆上的推力，Q是升降平台所承受的重力载荷。通过分析机构受力情况并进行计算（过程省略）得出：升降平台上升时； （6）升降平台下降时（6）、（7）式中，P液压缸作用于活塞杆的推力；Q升降平台所承受的重力载荷；f滚动摩擦系数；b载荷Q的作用线到上平板左铰支点M的水平距离。由于滚动轮与导向槽之间为滚动摩擦，摩擦系数很小（f=0.01）,为简化计算，或忽略不计，由（6）、（7）式简化为：。 （8）3.3液压缸布置方式的分析从直观的角度分析考虑，如下图：图3-4液压缸工作示意图我们可以从图上看出，液压缸的尾部是连接在右侧支撑杆活动的区域的，液压缸的头部是连接在杆1的右端（偏向杆1的活动铰连接）。因此，我们针对实际升降台剪叉机构中液压缸常用的布置方式存在的问题，提出了另一种相对布置方式，将液压缸布置在与之相对称的左侧，即与剪叉机构的固定支点在同一侧，来进一步分析讨论。（1）问题的提出液压缸驱动的剪叉机构再各种升降台中广泛应用，因安装的空间不同，其折合后的高度也必然就不同，所以液压缸在剪叉机构内的布置要受到折合后高度的约束。根据文献甘肃大学学报的有关液压缸驱动剪叉机构的运动学及动力学分析一章，得知在这种布置方式的情况下，如图：图3-5 液压缸布置在左侧液压缸活塞运动速度与台面升降速度的关系式为 （1） 活塞推力与台面荷重的关系式为 （2） 式中，以上两式的推导基于工程中常用的液压缸布置方式，即液压缸下支点与剪叉机构的固定支点在同一侧，如上图。这种布置方式的优点是液压缸的有效行程比较短，这在台面升程范围比较大的场合较为适用。存在的问题是在剪叉机构折合后的高度h较小的情况下（即角较小），所需液压缸的推力将大大增加。在液压缸最高工作压力限定的情况下，这将使得所用的液压缸的直径增大，以致在折合后的剪叉机构中难以布置；或采用两个直径较小的液压缸取代一个大直径的液压缸，不过这将增加一对液压缸的支座，同时带来机械加工、液压缸安装以及液压系统的复杂性，加大了整个装置的成本。（2）两种布置方式的分析和比较为了解决以上提出的问题，可考虑将液压缸反向布置（即采用第一种设计方案），计算一下该方案的有关参数再将两者作以比较。如图：图3-6液压缸布置在右侧这里仍用瞬时速度中心法来求解活塞运动速度。杆上点、点的瞬时转动中心为F点，D点、A点的速度为：台面升降速度：点的运动速度：活塞运动速度：（）式中，依据虚位移原理有：（）由图分析可得：经变分后：代入式（），整理后得活塞推力：（）式（）和式（）的正确性可以用机械能守恒原理来证明，即将式（）与式（）进行比较，再各参数都相同的条件下，显然，液压缸布置再右侧时的推力较液压缸布置在左侧时小；而式（）与式（）比较，则液压缸布置在右侧时的活塞速度较液压缸布置在左侧时高。可见，活塞推力的减小是以活塞速度的提高为代价换来的。液压缸布置在剪叉机构的右侧，使得液压缸的活塞推力减小，这就可以选用直径较小的液压缸，有利于液压缸在剪叉机构中的布置；带来的问题是液压缸的有效行程较长，如果台面升程范围不大，液压缸行程的增加也是有限的。3.4强度校核计算3.4.1叉杆对支撑叉杆进行受力分析首先定义每根杆的名称编号，如图：对于杆3、杆4的活动铰联接在水平方向上除了摩擦力没有其它外力，所以可以忽略不计，现在只考虑其竖直方向上的受力就可以了。经过分析杆3的受力情况如图：计算其最大弯矩及轴向力：经力学分析，当升降台处于最低位置，时，所受弯矩最大，如图。当升降台处于最高位置，时，轴向力最大，如图，（正值为拉力，负值为压力）。杆4受力情况同杆3。下面再分析一下杆1,对杆1作受力分析，如图对D点做力矩分析：，可得 = -110.1N。计算弯矩，由上图可转化成下图来分析： 根据以上条件画弯矩图，如下：由此图可知，杆1的最大弯矩在C点。经计算当时，有最大值，即拥有最大弯矩，同样此时也拥有最大的轴向力。首先将，W=9800N，P=11.6W（P与W的关系值根据上述的公式求得）代入以上各式，求得的值如下图：则。计算轴向力，同样将杆1的受力分析图再转化为轴向力图分析，如图：经分析计算，CD段受到的轴向压缩力最大，。由于刚刚计算出的杆3与杆4的最大弯矩和最大轴向力都小于杆1的值，故不对杆3杆4计算工作应力。计算杆1该状态下的工作应力，设叉杆横截面积A=bh,如图： 则该状态下的工作应力为 其中， 叉杆实际工作应力,材料许用应力， 材料的极限应力，对于45号钢，为340Mpa n安全系数,一般为大于1的值，这里取n=2。根据经验初选h=0.1m。由此式可以看出弯矩对工作应力的影响较轴向力要显著的多，所以在计算时应以最大弯矩为主要计算对象。杆1所承受的最大工作应力。杆1的C截面拥有最大弯矩，即可以认为C截面拥有最大的工作应力。我们按照最大工作应力来选取合适的叉杆截面。将h=0.1m代入上式：最大工作应力。这里取，即叉杆的横截面为10025。3.4.2横轴选取套联在活塞杆端部的横轴，根据总体结构布局确定横轴长度需要220mm，由于是单耳环联接，其内径CD=50，横轴的外径也应为50mm,但考虑到二者需要相对滑动，应使横轴的外径略小于50mm,这里取d=48mm。单耳环的宽度值EW=60mm。将叉杆要联接到横轴处的孔进行加长处理，使两者接触面积适当的增大以减小弯曲应力及及剪应力。因此可按下图分析横轴所受应力：当时，P=113680N，可求得。作用于横轴上的力P是均匀分布的，分布距离为60mm，故集度为：，截面O上的最大弯矩为，截面C和D上的剪力（这里没有考虑剪力与弯矩的正负）。其弯曲应力为剪应力对于其它几个销轴，由于所受的应力都小于上述值，在不改变材料的基础上选择直径各为35mm、40mm是完全可以的，这里就不一一校核了。3.4.3连接螺栓的校核螺栓在升降机中起连接作用，主要承受剪切变形。校核时只考虑剪切变形就可以。以下是对图2.4中的1、3、4处的螺栓进行强度校核。螺栓材料为Q235-A钢，许用剪切应力=98MPa。（1）1处螺栓受的剪切力如图3.15所示图3.15 1处螺栓所受剪切力图（a）升降机在最低点时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为 竖直方向承受的应力为 根据第三强度理论 =53.89MPa满足强度要求。（b）举升到1m时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为 竖直方向承受的应力为 根据第三强度理论 经计算满足强度要求。（2）3处螺栓受的剪切力如图3.16所示图3.16 3处螺栓所受剪切力图（a）升降机在最低点时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为 竖直方向承受的应力为 根据第三强度理论 经计算满足强度要求（b）举升到1m时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为 竖直方向承受的应力为 根据第三强度理论 经计算满足强度要求。（3）5处螺栓受的剪切力如图3.17所示图3.17 5处螺栓所受的剪切力图（a）升降机在最低点时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为 竖直方向承受的应力为 根据第三强度理论 经计算满足强度要求（b）举升到1m时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为 竖直方向承受的应力为 根据第三强度理论 经计算满足强度要求。校核后的结果表明螺栓材料为Q235钢是符合要求的。4 液压、电气系统的设计与选择4.1液压系统设计与选择4.1.1液压系统设计要求液压升降机液压系统，除要求能在一定的范围内从汽车两侧将汽车同步举升和下降外，还要求其能使汽车在任意高度停止并保持不动。以便不同身高的工人，在维修不同位置时可以任意调整高度，最方便的进行维修。因此，液压系统必须具有定位保持功能。另外，因汽车的重量较大，一但液压系统出现故障，升降机举升臂在汽车重力的作用下会迅速下滑，可能会对车下维修工人的生命安全造成威胁，升降机上面的汽车也有被摔坏的危险。所以，为了防止这样的情况发生，升降机必须具有机械锁装置。机械锁由分别安装在举升油缸外侧和活塞杆顶部与举升臂相联的销轴上的两根锯齿形齿条组成。安装在油缸外侧的齿条固定不动，而安装在销轴上的齿条则随活塞杆上下移动，并且能绕销轴做一定角度的摆动，已实现两根齿条的分离和啮合。当举升臂处于定位状态或液压系统出现障碍、油压低于一定数值时，动齿条就会在自身重力和弹簧力的作用下与静齿条啮合，机械锁锁死，使举升臂不会下滑，这样就确保维修工人和汽车不会出现危险。4.1.2液压系统的设计在设计过程中，要保证汽车被水平举起而不发生侧偏，两侧升降机上升过程中必须始终保持同一高度，活塞的运行速度必须时刻保持相等。升降机液压回路必须同步。 升降机的液压回路16如图4.1所示，主要有两部分组成：机械锁回路、升降回路。1.左机械锁液压缸 2.右机械锁液压缸3. 两位三通电磁阀 4.滤油器 5.液压泵 6.溢流阀7.三位四通电磁阀 8.普通调速阀 9.比例调速阀 10. 左升降缸 11.右升降缸图4.1 液压升降机液压控制回路（1）机械锁回路机械锁回路由油缸1、油缸2和两位三通电磁阀3组成。当电磁阀YA1得电时，两位三通电磁阀3左位工作，压力油进入液压缸1、2下腔，驱动活塞向上移动，将机械锁打开，此时举升臂可自由上升或下降。当YA1失电时，两位三通阀处于右位工作时，油缸下腔与邮箱直接相通，腔内油压为零时，油缸活塞在缸内弹簧和机械锁动齿条自重的作用下收回，机械锁闭合，举升臂被锁住，不能移动。此时工人可以进行各种维修工作。（2）升降回路升降回路由三位四通阀7、普通调速阀8、比例调速阀9、左升降液压缸10、右升降液压缸11组成。当三位四通阀7的YA2得电时，YA3失电时，油液上升，通过调速阀到达缸10、11。当YA2失电时，YA3得电时，两油缸下降。液压升降机液压控制回路是用电液比例调速阀控制的同步回路，回路中使用了一个普通调速阀8和一个比例调速阀9.它们装在由多个单向阀组成的桥式回路中，并分别控制着液压缸10、11的运动，当两个活塞出现位置误差时，检测装置就会发出信号，调节比例调速阀的开度，使液压缸11的活塞跟上液压缸10的运动而实现同步。这种回路的同步精度较高位置精度可达0.5mm，费用低，系统对环境适应性强。下面是剪切式升降机液压控制回路进行总结后的工作行程表6.1。表4.1工作行程表电磁铁升降机上升升降机下降YA1+YA2+-YA3-+4.2液压缸的计算与选型油缸是液压系统执行元件，也是升降机构的直接动力来源。通常油缸分为活塞式和浮拄式两类。活塞式均为单向作用，其缸体长度大而伸缩长度小、使用油压低（一般不超过14MPa）。浮拄式为多级伸缩式油缸，一般有25个伸缩节，其结构紧凑，并具有短而粗、伸缩长度大、使用油压高（可达35MPa），易于安装布置等优点。剪切式升降机多采用活塞式液压缸，动力源直接输送。4.2.1 液压缸的安装位置由第三章对升降机力学结构模型的分析与建立，设计中已经大致确定出液压缸的安装位置。d为液压缸下安装点与举升臂中心销孔距离(平行于举升臂) , f为上安装点与举升臂端销孔的距离, d= 250mm, f = 500mm。举升臂与水平面的夹角为，液压缸与水平方向之间的夹角为 由tan=升降机在最低点时，举升重量均匀分布在平台上。但当升降机开始工作向上举升时，左侧滑轮向内侧移动，上升过程中举升重量不变，但相对升降机竖直向上的作用力方向，举升重物的质心前移，为防止发生前翻状况，液压缸活塞杆端作用在滑动轮所在一侧的上方举升臂上。左侧也为轿车的车头方向。升降机在最低位置时，液压缸的安装如图4.2所示。图4.2 液压缸的安装方向4.2.2液压缸推力及行程的确定由前面的计算可知，液压缸所需的最大的推力为 P=324.08KN。液压缸行程的确定 ：我们所设计的升降机从最低位置350mm升高到2000mm，实际上升行程为1650mm。因升降机活塞杆与水平方向夹角与有如下关系：，当升降机在最低点时液压缸的长度。当升降机达到2000mm时， tan= 经计算得液压缸总长度为 ，则液压缸活塞杆伸长量为395mm，取400mm，即液压缸的行程为400mm。（Hg=1900mm f=500mm d=170mm L=1306mm Lb=896mm）4.2.3液压缸的选型根据上述计算的液压缸安装距Sc和液压缸所需的最大推力P=324.08KN，查阅资料9升降机构液压缸选用双作用单级活塞杆缸HSG-L-180/90-E2231-400-337。这种工程用液压缸主要用于各种工程机械、起重机械及矿山机械等的液压传动。4.3液压泵的计算与选型升降机构常用油泵分为齿轮油泵与柱塞泵两类。齿轮泵多为外啮合式，在相同体积下齿轮泵比柱塞泵流量大但油压低。柱塞泵最大特点是油压高（油压范围1635MPa），且在最低转速下仍能产生全油压，固可缩短举升时间。中轻型升降机构上多采用齿轮泵，重型升降机构常采用柱塞泵，此次设计选用齿轮泵。4.3.1 液压泵工作压力的计算 （6.1）式中14:液压泵的最大工作压力 （N/m2）；液压缸的最大工作压力，（Mpa）；Mpa （6.2）式中：油缸最大作用力（N）；油缸横截面积（m2）。由式（6.2）解得 MPa为液压泵的出油口到缸进油口处的压力损失。用调速阀及管路复杂的系统这里取,则=26.484MPa。4.3.2 液压泵功率的计算当忽略输送管路及液压缸中的能量损失时，液压泵的输出功率应等于液压缸的输入功率又等于液压缸的输出功率。但在实际工作中，机械损失和能量损失是不可避免的，在计算中，必须要考虑。液压泵的输出功率为： （6.3） 式中：0液压泵的输出功率（W） 液压缸的输出功率 (W) V液压缸匀速伸长的速度 (m/s)液压泵输出到液压缸的端的机械损失，取0.759；液压缸中及管路能量损失，取0.79；举升时间(s)，取t=60s。由式（6.3）得 =12.346kW液压泵的输入功率： （6.4）式中：P液压泵的输入功率液压泵的总效率，因我们所设计的升降机属于中轻型升降机，选择齿轮泵即可。齿轮泵的总效率一般为0.60.7，取0.65。则由式（6.4）得到输入功率为。4.3.3 油泵流量的计算液压泵的输入功率与流量有如下关系 （6.5）式中： Pp油泵最大工作压力，(N/m2)；液压泵的流量（m3/s）；液压泵的总效率,=0.6514。4.3.4 油泵的选型根据上述计算输入的功率P、的值，查阅资料9，选择P197-G50型号的高压齿轮泵。额定工作压力为28MPa，最大为28 MPa，工作转速为2400r/min，输入功率为65.9KW,油泵排量为50ml/r,液压泵质量为14.3Kg。 P7600 、P5100、P3100、P237、P197型高压齿轮泵，广泛用于各种工程机械、升降机械、起重机械、压路机、装载机、推土机。具有体积小压力高、排量大、噪声低、性能好、寿命长等优点。4.4电气系统设计任何复杂的控制线路，都是由一些元器件和单元电路组成。常用的控制电器有组合开关、按钮、交流接触器、中间继电器、热继电器、熔断器、自动空气断路器。4.4.1 电气系统控制设计电气系统主要控制两侧升降机的同步上升、下降。达到所需位置后，升降机都能安全锁止。开关示意图和控制电路图如下：图4.3 电气系统开关示意图图4.4 升降机主控制电路图及说明控制电路图表4.2 升降机主控制线路的电器元件目录表符号名称及用途符号名称及用途Q1三相组合开关作电源引入及短路保护用FU1熔断器作短路保护作用FR热继电器作电动机过载保护作用KM交流接触器作电动机起动、停止用KA1动合开关控制机械锁的打开与闭合KM0吸引线圈SB0总开关按钮SB3升降机下降按钮SB1升降机上升按钮SQ动断开关作上升限位保护用SB2锁止按钮KT延时开关机械锁上升下降缓冲作用C接三相电动机N接地端M电动机（1）上升按动上升SB1按钮，此时电机M立即启动运转，机械锁打开，平台会立即上升。松开上升按钮SB1，该机将立即停止上升。电路：总开关SB0闭合按下SB1 KA1接通机械锁打开 KM01线圈通电KM主触点闭合电动机正转;升降机上升到规定位置 SB1断开按下SB2KA1接通机械锁闭合KM02线圈断电进行锁止。（2）下降当按下下降按钮SB3时，剪切式升降机先立即上升，等延时约12秒钟自动转为下降(这样可以保证在下降前将保险爪从保险齿条内抬起而不被卡住)。在下降的同时，保险爪将因两位三通电磁阀YA1通电打开而自动抬起，此时，电动机M也同时停止运转。电路：按下SB3按钮KA1接通机械锁打开KM03线圈通电KM主触点闭合电动机反转升降机下降到规定位置SB3断开按下SB2KA1接通机械锁闭合KM02线圈断电进行锁止 4.4.2电动机的选择与验算（1）电动机选择计算升降机构额定起重量时的静载荷功率NjNj=(Q+ G0)V/60 （6.6）式中： Q额定举升重量，N；G0升降机构自重，N；V举升速度，m/min；效率=0.5。Q=30000N ， 得Nj=2.09 KW根据Nj查电动机产品目录选取电动机相应的额定功率Ne，并满足Nekd Nj （6.7）式中 kd系数，见表6.3所示。我们按满载情况算 Kd=1.0 Ne 2.09 KW根据额定功率Ne值及液压泵的转速，选择YZR132N2-6额定功率4.0，转速为900r/min的电动机。因升降机经常启动，制动，要求电动机的转动惯量小和过载能力大，因此选用YZR系列三相异步电动机是符合要求的，在电动机与液压泵之间采用带轮传动，改变传动比，就可以满足液压泵要求的转速。表6.3 系数kd电动机型号升降机工作特性及机构工作范围kdJZR2、YZR、JZRHM1M6级0.750.85M7级0.850.95M8级1.01.1满载（13m/min），经常满载0.91.0JZ、YZM1M6级及防爆机构0.9YM1M6级及某些特殊机构1.0（2）电动机可靠性的验算通常升降机构的起动缓冲时间约为15s较合适，大举升重量或速度较高时取较大值。当计算的起动时间小于1s，可改选小一点的电动机，或者仍用原选电动机，而采用增加起动机电阻的方法，从电气设计上改变电动机的平均起动力矩来延长起动时间。5 基于Pro/E的三维设计5.1 Pro/E软件概述Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/Engineer和WildFire是PTC官方使用的软件名称，但在中国用户所使用的名称中，并存着多个说法，比如ProE、Pro/E、破衣、野火等等都是指Pro/Engineer软件，proe2001、proe2.0、proe3.0、proe4.0、proe5.0、creo1.0creo2.0等等都是指软件的版本。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。（1）参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。但是无法在零件模块下隐藏实体特征。（2）基于特征建模Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。（3）单一数据库（全相关）Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色，实体或线框造型，完整工程图的产生及不同视图展示（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽壳（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其他相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造
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