大型动态雕塑机械驱动系统研究

山东理工大学 硕士学位论文 大型动态雕塑机械驱动系统研究 姓名：石伟炜 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：吕传毅 20090410 山东理T 人! 硕l j 学位论文 摘要 本文针对大型动态雕塑的特征，对其机械驱动系统进行了深入研究，并开发了具有 升降、旋转和开合功能的大型动态雕塑机械驱动装置。 研究了升降系统的设计目标及设计要求，对现有升降机构进行了类型分析与优选， 确定了齿轮齿条升降方案并进行了分析，最终创新设计出背靠背式齿轮齿条升降系统。 分析了回转系统的工作特点，对回转装置中的回转小齿轮采取对称布置的结构形式，从 而使回转装置运行更加平稳。 分析了开合机构的设计目标和要求，对开合机构进行了类型综合并对方案进行了优 选，最终确定了液压直拉式开合机构。在此基础上确定了开合机构优化设计的设计变量、 约束条件、目标函数，建立了优化设计的数学模型。利用M A T L A B 优化工具箱对优化 模型进行求解。优化设计后，液压缸运行更加平稳。 对动态雕塑机械驱动系统的关键零部件进行了结构设计，并利用U G 软件建立了动 态雕塑的三维实体模型。建立齿轮齿条有限元模型并研究了其强度问题。结果表明所选 结构及尺寸参数满足升降装置的强度要求。 建立以升降装置的用钢量最小为目标函数的优化计算模型，利用A N S Y S 软件得到 其优化结果，从中选取了一组最优化设计序列，再次建立数学模型，分析验证了所确定 的升降装置能够满足应用要求，使升降装置的用钢量减少2 0 2 8 。 利用U G 4 0 对动态雕塑进行虚拟装配，装配过程中对主要零部件进行了静干涉检验， 并确定了各零部件间的相对位置关系，进一步优化了模型结构。按照给定的运动要求进 行了虚拟仿真，分析了相关部件的位移、速度和加速度并进行了运动干涉研究。结果表 明，该方案在运动方面是可行的。 本文的研究为大型动态雕塑驱动设备的研制提供了一种切实可行的设计方法，解决 了由于物理样机制造困难而无法验证设计方案是否可行的问题，并对今后进行大型非标 重载设备的研究和开发提供了重要的参考价值。 关键词：大型动态雕塑；有限元分析；优化设计；运动仿真 山东理r 人学硕l ：学位论丈 A b s t a c t A b s t r a c t B a s e do nt h em o s tm a j o rc h a r a c t e r i s t i co fd y n a m i cs c u l p t u r ea b o v ed e s i g nr e q u i r e m e n t s a n dt h ed e s i g nf e a t u r e ，t h i sa r t i c l eh a sr e s e a r c ht h o r o u g h l yt oi t sm a c h i n ed r i v e ns y s t e m t h e l a r g e s c a l ed y n a m i cs c u l p t u r em a c h i n e r yd r i v e h a sb e e ne x c o g i t a t e d T h ed e s i g np r o j e c ta n dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h el i f t i n gs y s t e mh a v ea n a l y z e d T h e e x i s t i n ge l e v a t i n gm e c h a n i s mt y p eh a sb e e na n a l y z e da n dt h er a c ka n dp i n i o n h a sb e e n d e t e r m i n e d F i n a lb a c kt ob a c kr a c ka n dp i n i o ns y s t e mh a sb e e ni n n o v a t i v e l yd e s i g n e d R o t a r y s y s t e m So p e r a t i n gf e a t u r eh a sb e e na n a l y z e d ；r o t a t i o np i n i o nh a sb e e na d o p t e dt h es y m m e t r i c a l a r r a n g e m e n t t ot h es t r u c t u r a ls t y l e ，t h u st h eR o t a r yd e v i c er u ns m o o t h l y T h ed e s i g np r o j e c ta n dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h eo p e n i n ga n dc l o s i n gs y s t e mh a v e a n a l y z e d t h eo r g a n i z a t i o nt y p ea n dt h es y n t h e s i sm e t h o dh a v eb e e np r o p o s e d T h eh y d r a u l i c p r e s s u r ed e v i c eo f s t r a i g h tp u l l s h a sb e e nd e s i g n e d b a s eo ns t r u c t u r eo f t h eo p e n i n ga n dc l o s i n g s y s t e m ，s t a t i ca n a l y s i si sd o n ea n dam u l t io b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e li sa l s o b u i l t S t r u c t u r ep a r a m e t e r so fr e l a t i v ec o m p o n e n t sa r ec o n f i r m e db yu s i n gM A T L A Ba n di t s o p t i m i z a t i o nt o o l b o x T h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h em e c h a n i c a ls c u l p t u r e sh a sb e e nd e s i g n e db yU C tR a c ka n d p i n i o nh a v eb e e nc h e c k e dt h es t r e n g t ho ff i n i t ee l e m e n tb yA N S Y S T h e r e s u l t ss h o w e dt h a t t h es i z ep a r a m e t e r sa n dt h es e l e c t e dc o n s t r u c t i o nm e e tt h es t r e n g t ho ft h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s a tt h en o r m a lw o r k i n gc o n d i t i o n s I ts e tu po p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o nm o d e lo fam i n i m u n la m o u n ta b o u ts t e e la st h eo b j e c t i v e f u n c t i o n Av i a b l eo p t i m i z a t i o ns e q u e n c et h a tag r o u pc l o s et ot h ea c t u a ld e s i g nh a sb e e ns e l e c t f r o mt h eo p t i m i z eo u t c o m e A c c o r d i n gt oe v e n t u a l l yo p t i m i z et h ed e s i g no fs e l e c t e ds e q u e n c e t h a ti ta g 血s e t 叩am a t h e m a t i c a lm o d e lW a sv e r i f i e dt h eb e a mm o d e lW a st om e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t sb ya n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o n t h es t e e lq u a n t i t yo fl i f t i n gd e v i c eh a sr e d u c e db y 2 0 2 8 c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a l T h ep a r t sm o d e l i n go fd r i v ed e v i c ea n dt h ew h o l em a c h i n ew e r ef o u n d e da n da s s e m b l e d ， a n dt h e nk i n e m a t i c ss i m u l a t i n gw e r ec a r r i e do u ta n dt h eC U l V e so fd i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o nw e r eo u t p u t T h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h i sp l a ni Sf e a s i b l e T h i sr e s e a r c hr e s u l t sh a v ea c t u a t e dap r a c t i c a la n df e a s i b l ed e s i g nm e t h o df o rt h es t u d yo f t h ed r i v ed e v i c ea b o u tl a r g e - s c a l ed y n a m i cs c u l p t u r e T h e yh a v es o l v e daq u e s t i o nd u et ot h e m a n u f a c t u r eo f t h ep h y s i c a lp r o t o t y p ei sv e r yd i f f i c u l tt h a tm a k eu n a b l et oc o n f n r nw h e t h e r t h e p r o g r a mi sf e a s i b l eo rn o ta n dh a sp r o v i d e da ni m p o r t a n tr e f e r e n c et ot h er e s e a r c ha n dt h e d e v e l o p m e n ta b o u tl a r g e - s c a l e ，n o n - s t a n d a r da n dh e a v yl o a de q u i p m e n t n 山东理r 人学颀 ：学化论文 A b s t a c t K e yw o r d s ：l a r g e - s c a l ed y n a m i cs c u l p t u r e ，F E A ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n , k i n e m a t i c ss i m u l a t i o n 珥 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：五销必书 时间： 2 口口l 年歹月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：五伟) | ( 斋时间：办作月 日 导师签名g 押掣：加肾6 月 铜雕/铜雕塑 山东理r 大学硕J j 学位论文第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着科技的发展以及人民生活水平的提高，自上世纪九十年代起，动态雕塑结合地 产、旅游开发和城市规划的需求，得到了很快的发展。动态雕塑在提升城市形象和增加 旅游收入方面起了很重要的作用，也带来了很好的社会效益和经济效益【l - 2 。但大负载、 大行程的动态雕塑还不是很多，没有成熟的可借鉴的产品，并且绝大多数动念雕塑运行 动作单一。由于动态雕塑具有静位置固定和动过程移动，以及活动周围有大量的游客观 众等特点，故对它的安全性和可靠性有特殊的要求。因此设计出一套安全可靠的大型动 态雕塑，把它应用在旅游景区对增加旅游景点项目和提升城市形象方面具有重要的经济 意义和社会意义。 1 2 大型动态雕塑驱动研究现状 动态雕塑是实现空问位置移动或空间运动的雕塑，而实现雕塑运动的技术叫雕塑运 动技术【谰，它包括机械、电子、液压拖动、材料、控制、计算机、传感器、监控等技术。 动态雕塑主要是指利用机械驱动装置使雕塑完成设定的动作。所以雕塑要有运动的功能。 雕塑运动形式可分为水平移动、铅垂移动、水平旋转等。 动态雕塑形成于上世纪五十年代，随着现代科技的发展，目前动态雕塑又出现快速 发展的新局面 7 1 。 近年来国内外动态雕塑发展的新技术有： l 、数字化技术； 2 、立体动感类高科技仿真技术； 3 、虚拟现实技术； 4 、激光类以及媒体综合类产品等； 5 、各类声、光、电、机械结合，科技含量高的新型设备； 6 、机器人技术。 近年来在在大型动态雕塑方面做的比较成功的有江苏无锡灵山和山东威海赤山的动 态雕塑。如图1 1 和1 2 所示。 铜雕/铜雕塑 ! ：尘些! 皇! 些窒些堡圭塑：塑尘 图I2 山东威海赤山动态雕塑 无锄炙l f j 动奄雕塑是集雕塑、音乐、喷泉、瀑椎、烟火于。体的动态景观雕塑。其 主要完成的动作是人像雕塑的列降、旋转以及花瓣的肝台。威海赤山的动态雕塑主要足 完成雕塑的旋转动作。目前国内外在动态雕塑驱动系统方面的研究比较少。 I 3 本文研究目的和意义 设计大型的动态雕塑驰动啦备，既包括原理结构的设计又有美术设计的耍求等。其 中功能和机构的设计与实现是重中之重，使用传统的设计手段，则最得力不从心，跟不 上当前绎济社会发展的需要。目前人型动态雕塑驱动设备存在的主要问题如下： ( 1 ) 动奁雕塑负载小、动作单一。目前国内的大型动态雕塑宵无锡灵山动态雕塑卡 要完成的动作是人像雕塑的升降、旋转以及桤瓣的开合。无锡灵山动态雕塑的特点是动 作丰富，但是负载小。威海赤山的动态雕塑丰要是完成雕塑的旋转动作和、l q f “ 移动。威 海赤山动态雕塑的特点足负载大，但是动作过于单一；j 是完成雕塑的旋转。目自口缺乏 一干叶- 既能承受人负载而义具有卡富动作的动态雕塑驱动设备。 ( 2 ) 动态雕塑驱动设备的世汁仍然采川比较忙统的设计方法，以：维设计为主。 设计时问占整个台同剧期的比重过大，再加上工艺没计所，用的时 l J ，甜给生产、安装 铜雕/铜雕塑 山东理T 人学顾l ：学化论文 第一章绪论 和调试的就很少，在市场竞争激烈的今天处于劣势。 ( 3 ) 样机制造困难。目前大型的动态雕塑都是单件不可复制产品，且多为青铜制造， 重量和体积都很大，造价昂贵。设计人员无法制作样机去检验设备的合理性。同时大多 数动态雕塑造型都很复杂。这些都给设计造成了很大的困难。 由于上述原因，制约了目自i 动态雕塑驱动设备的发展，在整合现有动态雕塑优点的 基础上设计出一种既能承受大载荷而又动作丰富的动态雕塑，以此为城市和旅游景点增 加亮点，创造更大的经济效益和社会效益具有重要的意义。 三维计算机辅助设计软件和有限元等现代设计软件的出现，为解决设计中的上述问 题提供了可能。为此，本文以华夏动态雕塑驱动系统为研究对象，以三维设计软件U G 和有限元等现代设计软件为手段，主要研究华夏动态雕塑驱动系统在设计开发过程中 U G 的参数化建模、虚拟装配、运动学仿真分析和关键零部件的有限元分析等一系列技 术问题，以期通过对华夏动态雕塑的研究，为同类大型非标设备机构的设计提供重要的 参考意义。 1 4 课题来源和研究的主要内容 本课题来源于威海华夏集团旅游景区的大型动态雕塑项目。该动态雕塑有青铜雕塑 和机械驱动两部分组成。青铜雕塑的动作由机械驱动部分辅助完成。本人参与了整个机 械驱动部分的设计过程。该动态雕塑体积庞大、载重大在国内外都很罕见。课题的研究 对以后进行类似的大型动态雕塑驱动设备设计与研究有重要的参考价值。 1 4 1 动态雕塑驱动系统设计要求 本课题主要任务是研制一套大型动态雕塑升降、旋转和开合机械驱动系统，该系统 要在大负载、大行程、使用环境复杂的情况下运行，并要求在行程范围内雕塑升降、旋 转和开合控制方便，动念监测工作状态自动调整工作参数。同时，具有高可靠性、多功 能性和高安全性。该系统完成后，在同类设备中，也将是佼佼者。主要技术指标有： 1 、雕塑满载重量：6 0 吨； 2 、雕塑最大宽度：6 5 米； 3 、最大升降范围：9 米； 4 、升降速度：0 0 5 米秒； 5 、系统监控与故障诊断功能； 其他要求： 1 、升降驱动系统最大绝对同步精度须满足设计要求； 3 铜雕/铜雕塑 2 、采用计算机进行系统控制 动态雕塑预定程序步骤如袁l1 所示，其效果圈如图13 所示 表1I 动态雕塑预定程序步骤表 图13 华夏动态雕塑效果图 铜雕/铜雕塑 d 1 东理T 人学硕 j 学位论文 第一簪绪论 1 4 2 华夏动态雕塑机械结构设计的技术性能 对于该动态雕塑升降、旋转和丌合机构的设计，考虑到工作环境、工作性质及工作 内容等要求，在设计其升降、旋转和开合机构时应满足的性能要求有： l 、安全可靠性要求高。由于该动态雕塑安装在旅游景区，应用场合特殊；故对其机 械系统的设计有特殊的要求。安全可靠，美观大方成为动态雕塑必须要满足的条件。 2 、设计空l 、日J 约束性强。该雕塑的机械驱动部分要求不能被游客观察到，这就要求只 能在雕塑的内部作为装置的安放位置。但是雕塑内部空间复杂多变，能利用的空间非常 有限，这就为装置的设计增加了很大的约束性；动态雕塑的升降机构布置空间就受到很 大的限制。同时，为了保证升降装置能够有足够的安装空间和维修空间，这就要求机构 紧凑，占用较少的空间。 3 、免维护性。该动态雕塑安放位置靠近海边，风大，腐蚀性强；雕塑安装在一个面 积很大的湖面之上，雕塑自身重量巨大，不方便拆卸。所以这就要求装置有很好的免维 护性能。 4 、良好的动力性。升降驱动系统作为动态雕塑垂直升降的动力来源。为保证升降的 顺利完成，要求其必须具有良好的动力性能。动态雕塑升降驱动系统由于其特定的使用 环境和用户群体，这就要求其具有良好的动力性能。 5 、良好的协调性。整个动态雕塑包含人形雕塑的升降、旋转和花瓣雕塑的开合三部 分组成，为了保证其观赏性，这就需要机构的设计能够保证升降、旋转和开合动作要配 合协调，运行平稳。 1 4 3 课题的研究内容 在总结当前国内大型动态雕塑驱动设备成功经验的基础上，本课题针对该动态雕塑 自身的特点，设计出了该大型动态雕塑的驱动设备。研究内容如下： 1 、分析常见升降机构的类型。根据该项目特点确定该升降系统总体设计方案。同时 在总结大型重载回转装置成功应用的基础之上，设计了该动态雕塑的回转系统。 2 、花瓣开合机构的方案研究及优化设计。合理确定设计变量、约束条件，建立优化 设计数学模型，并运用M A T L A B 及其优化工具箱对开合机构进行优化设计，进而确定 各主要设计参数值。 3 、对影响雕塑安全性和可靠性的关键零部件齿轮齿条和升降框架，利用有限元分 析软件对其进行强度和结构分析，以确保雕塑运行的安全性和稳定性。 4 、运用U G 的三维建模能力，对雕塑关键零部件建立三维模型，为后续的装配和仿 真分析打下了良好基础。 5 铜雕/铜雕塑 山东理T 人学硕 学位论文第一章绪论 5 、对动态雕塑进行虚拟装配，在动态雕塑装配模型的基础上，基于U G 运动分析模 块，对动态雕塑进行运动学分析，以此来验证动态雕塑结构设计的可行性，检验所取方 案及所建模型的合理性。 铜雕/铜雕塑 山东理f 人学顶I j 学f Z 论文第：章人喇动态雕吖! 上体运动方案分析j 综合 第二章大型动态雕塑主体运动方案分析与综合 2 1 华夏动态雕塑升降系统的设计目标及要求 升降系统是华夏动态雕塑的重要模块之一，其升降功能的实现是整个动态雕塑驱动 系统设计的最关键部分。与国内外大型动态雕塑相比，华夏动态雕塑有其自身的特点。 其主要特点是：重载，该雕塑自身重达6 0 吨；大行程，雕塑要求完成9 米的升降任 务。这些特点在国内外大型动态雕塑中都很罕见。 结合华夏动态雕塑自身的特点，提出了升降系统的设计要求，主要有以下几方面： l 、升降系统具有足够的承载能力，安全性，稳定性高。该动态雕塑为大型景观旅 游雕塑，对安全性要求特别高。这就要求系统在工作时必须运行平稳、可靠；具有很好 的承载能力。 2 、系统整体结构布置合理。雕塑主要依靠与雕塑外形相仿的钢结构支架作支撑，雕 塑空间结构庞大、造型复杂，在安装过程中难以使升降系统与雕塑重心准确定位。所以 升降系统总体要布置均衡，不应产生额外偏载和倾覆力矩； 3 、升降系统各升降点的同步问题。如何精确控制各升降点在重载大跨度下的同步， 是关系到该设备功能实现和性能稳定的最关键因素； 4 、结构简单，工作可靠，易于维护。该动态雕塑造型复杂，真正能完全利用的空间 很少。这就要求动态雕塑升降系统结构简单。同时，雕塑所处环境复杂，在结构设计上 要使零部件经久耐用，易于维护。 2 2 升降机构类型综合分析和优选 本文中动态雕塑升降系统的升降工作主要是通过机械驱动装置来完成的。目前国内 大型重载的动态雕塑的应用还不成熟。我们只能借鉴其他的机构来获得有意义的启发。 按升降机构的传动方式，常见的升降机构可以分为以下几种类型p 川： ( 1 ) 液压升降机构 图2 1 所示液压升降机构就是采用多级液压缸，负载为直上直下的升降方式，负载 的起升全由液压力完成，回落由自重力完成。系统的压力由电磁压力控制阀控制，系统 流量由电磁比例方向控制阀和控制器控制，从而控制负载的升降速度，使每一级液压缸 具有基本相等的速度，负载升起后工作状态系统的保压由液控单向阀切断前端的滑阀来 实现。另外，应急状态时负载降落可由球阀加流量控制阀完成。 铜雕/铜雕塑 山东理T 人学顾l ：学位论文第：章人犁动态雕强 二体运动方案分析。j 综合 1 、负载；2 、多级液压缸；3 、球阀；4 、液控单向阀；5 、流量控制阀；6 、电磁比例方向控制阀；7 、 电磁压力控制阀；8 、滤油器；9 、单向阀；l O 、定量齿轮泵；l l 、油箱 图2 1 液压升降机 该类型升降机升降平稳、噪音低，使用寿命长，承受载荷大。但升降机的高度较高 时，若完全采用液压系统，就会使液压缸的有效行程加长，而且采用多级伸缩缸会使活 塞的有效面积不同，其作用力和速度均会发生变化，且级数越多，液压缸伸出时的挠度 就越大，同时成本也会相应增加。同时由于动态雕塑在运行时还受到扭力，液压缸不能 承受很大的扭矩。所以采用液压升降系统不适合。 ( 2 ) 垂直丝杠升降机构 图2 2 所示为垂直丝杠升降机。其工作原理主要是，在升降机工作时，电机经安全 离合器、圆锥齿轮及行星齿轮减速器带动丝杠旋转，螺母移动，顶起负载上升。该类型 升降机能实现双层台面的升降。根据需要可多块组成升降台群，能在行程范围内组成不 同的台阶，在矿山、升降、运输机械中有广泛的应用。雕塑所处位置海边风大致使升降 设备在运行过程中必然发生晃动；同时，动态雕塑负载重，行程大。这些因素的存在必 然会导致丝杠发生弯曲变形而影响螺母移动。一旦丝杠升降机出现故障零部件的更换也 会很困难。 铜雕/铜雕塑 山东胖r ：人学硕 学位论文 第：搴人掣动态雕噬 休运功方案分析j 综合 ( 3 ) 链条式升降机构 2 1 安全离合器2 电动机3 弹性限动圈4 外筒5 中筒6 内筒 图2 2 垂直丝杠升降机 图2 3 链条升降机构 链条传动中链节上某点的运动在一定范围内是直线运动。利用这一特点，把链条传 动纵向布置，应用其中一部分直线运动位移来达到提升高度的链条式举升机构。图2 3 所示链条式升降机构，其原理如下：动力系统将扭矩传递给下链轮，下链轮是链传动的 主动轮，上链轮、下链轮分别固定于第一节臂，第一节臂固定于地基上，链条的一节链 铜雕/铜雕塑 L L I 东理T 人学顶f j 学位论文第：章人犁动态雕叩! 主体运动方案分析j 综合 节与链固定块固连于第二节臂，钢丝绳两端分别固连于第一节臂和第三节臂，滑轮固连 于第二节臂。当链条转动时带动第二节臂举升，第三节臂则以2 倍的速度在滑轮和钢丝 绳带动下向上举升，从而将第三节臂上的起重平台顶起，完成举升动作。 这类升降机构静态稳定性一般，定点定位好，同步精度好，运行噪声较小，运行平 稳性一般，有良好的导向机构，保证设备运行时无倾斜。缺点是链条的铰链磨损后，使 节距变大造成脱节和断裂，安装和维护要求较高。对于大型设备来说链条的更换是很困 难的 ( 4 ) 钢丝绳升降机构 该类型升降机构的静态稳定性差，定点定位性好，同步精度高，运行噪声小，运行 平稳性很好，但静止时必须加锁定机构，该类型升降机主要是施工升降机。常见的是图 2 4 所示钢丝绳施工升降机，其工作原理主要是：起升机构的驱动装置通电以后，驱动装 置带动卷筒转动，通过起升钢丝绳提升吊笼，使吊笼沿着塔身的导轨架运动，完成运输 施工人员及货物的工作。而该动态雕塑要求静态稳定性好，运行过程要避免晃动。 1 起升机构2 塔身3 吊笼 图2 4 钢丝绳式施工升降机 ( 5 ) 齿轮齿条式升降机构 建筑用齿轮齿条式升降机是通过布置在吊笼上的传动装置中的齿轮与布置在导轨架 上的齿条相啮合，使吊笼沿导轨架作上下运动，来完成人员和物料输送的升降机。齿轮 齿条升降机的静态稳定性好，定点定位好，同步精度高，运行噪声大，运行平稳性好， 传动精确，造价高。近年来在大型重载等设备方面基本都采用齿轮齿条式升降机构；如 三峡齿轮一齿条爬升式升船机( 图2 5 和图2 6 ) 和胜利油田海上石油修井平台，其中三 峡升船机由小齿轮沿着安装于塔柱侧面上的齿条爬升，带动升船机运行。当乘船厢平衡 遭到破坏时，能可靠地按预先设定的限制荷载，通过机械联动自行安全锁定，安全机构 铜雕/铜雕塑 I IJ 末目I 学一 学沧z 笫审 掣日卷型L * 运讪 “ 忻i 舟 巾的螺剌即班落n 安装J ：塔枉L 的蝶雌 ，从而小会使J ；l | M 失稳倾斜。此种形式动作环 1 T 少，过程干“ 对简捷，制动和锁定川步完成，救安仝可靠性好，但制造、安装精度要求 很高。胜利油m 海上石i l I | 修井平台也是使片I 齿轮齿条式传动机构，j # 工作原弹足：其卅 降平台安装槲应的桩腿，每根桩腿对称靠硪I l i 根齿条，对称设订阿个撕轮辅架( 阎桩架) ， 每个齿轮箱架I 安装莉= 组液r 5 哒传动机构，包括液压马达、 r 足齿轮减速器、小齿 轮、刹车系统等岑祁件两个芮轮箱架弓田桩架肜成个封闭圆形，将桩腿食在其中。 液压马达通过齿轮齿条的啮合传动，将液压马达的旋转动作转换成齿条的“线动作，实 现甲台或桩腿的升降运动。 矿1 ：昊翼尸：羔乒 越面裔蘸可| | 隅蠹刘： i z ：E 孟醯么囊函倒二上 图25 三峡垂直升船机俯视图 蛙置 囤26 三峡垂直升船机侧视图 橄掘以J ：f 如山方棠的分析，站合动态雕塑升降系统的殴计要求、使崩环境及其动态 铜雕/铜雕塑 L I I 东理T 人学硕I j 学位i = c ：文第二章人型动态J 哥f 塑L 体运动力案分析j 综合 雕塑自身的特点，决定采用齿轮齿条传动升降方案。采用该方案是基于以下几点考虑： l 、稳定性好。动态雕塑的使用环境要求升降系统在升降过程中运行平稳，不能出现 大的晃动。而齿轮齿条传动可以很好的实现雕塑在升降过程中的平稳运行。 2 、安全可靠性高。华夏动态雕塑属于旅游景观动态雕塑，其安全可靠是设计过程中 需要考虑的首要因素，成本预算成为次要因素。齿轮齿条传动虽然成本比其他传动成本 要高，但是其传动安全可靠。 同时，国内外大型重载和行程比较大的升降设备基本都采用齿轮齿条传动，比如前 面提到的三峡升船机和胜利石油修井平台。这些升降设备做的都比较成熟，也为华夏动 态雕塑升降系统的设计提供了很好的借鉴意义。经过反复论证，我们最终提出采用齿轮 齿条传动系统。 2 3 背靠背式齿轮齿条升降系统 2 3 1 背靠背式齿轮齿条升降系统的提出 齿轮齿条升降就是利用小齿轮在齿条上作旋转运动的同时沿齿条做直线运动。应用 这一特点达到动态雕塑的升降目的。在采用齿轮齿条升降系统的过程中主要考虑的就是 如何保证齿轮齿条传动的安全性和可靠性，为此主要考虑了以下几个方面： 1 、在升降过程中，希望所有的动力全部用来提供升降。但是齿轮齿条之间的啮合有 径向力的存在。我们需要解决的是如何克服它们之间的径向力，减少辅助装置的设计， 节约设计空间。 2 、防止偏载和晃动。齿轮齿条在结构布置上要克服雕塑在升降过程中由于海边风大 而引起的晃动以及雕塑在安装过程中重心难以和齿轮齿条升降装置重心在一条铅垂直线 上而引发的偏载。 3 、意外补救措施。为避免一旦有齿轮齿条发生断裂而造成雕塑受力失去平衡而发生 倾覆，要求我们要尽量把载荷分配在多个齿轮上，并且齿轮要多点布置。这样就可以增 加它的抗倾覆能力。 4 、方便维修和设备维护。该升降设备的使用环境恶劣，为保证设备的安全正常运行， 必须要求升降设备有很好的维护性。尤其是要方便雕塑的重要受力部件齿轮齿条的 维修和维护。 综合以上考虑我们提出了将齿轮齿条背靠背对称布置的传动方案。背靠背式齿轮齿 条升降系统，就是在升降框架箱体的两侧分别设置2 根背靠背对称布置的齿条( 如图2 7 中E 、F 所示) ，对应于每根齿条上设置2 个小齿轮( 如图2 7 中A 、B 、C 、D 所示) 。 装置运行时8 个齿轮同步动作带动升降箱体和升降框架运动，升降框架联接雕塑从而实 铜雕/铜雕塑 山东理T 人学硕l j 学f 寸论文 第一：章 人型功态程塑l i 体运动方窠分析j 绢：合 现雕塑的升降动作。每个小齿轮由一个电动马达通过对应的行星齿轮减速箱来带动；动 力通过电动马达驱动齿轮减速箱，然后传递给与齿条啮合的小齿轮，带动升降框架的升 降从而顶起雕塑完成升降动作。图2 7 所示为其结构形式布置图。由于齿轮箱采用开式 齿轮传动，按齿面弯曲疲劳强度进行初步估算。表2 1 列出了齿轮齿条的基本参数。 图2 7 齿轮齿条布置简图 采用此方案的优点主要有以下几方面： 1 系统整体结构布置合理匀称。驱动装置的辅助部分为钢结构架，钢结构架设计通 常只考虑其就位后的应力状态，因此在升降过程中，不允许产生额外的应力和变形，设 备运行时通过8 个齿轮在齿条上的爬行完成升降动作，齿条背靠背双边对称分布，所以 升降系统总体布置均衡，不应产生额外偏载和倾覆力矩； 2 升降系统机械部分的强度、可靠性及抗偏载能力高。负载重量达到6 0 吨以上，跨 度也在6 米以上，对机械部分的强度、可靠性及抗偏载能力都提出高的要求。该方案将 基座和固定钢结构框架与土建紧紧结合在一起，整个机构强度和刚度都得到了很好的保 障，系统可靠性较高，抗偏载能力强； 3 升降设备各提升点的同步精度高。升降装置有8 套齿轮与齿条啮合完成整个的升 降动作，同时这个雕塑的跨度大。如何精确控制各起吊点在重载大跨度下的同步，是关 系到该设备功能实现的最关键因素。该方案采用多电动机并联驱动，控制精度高，系统 响应快。 B 铜雕/铜雕塑 山东理T 人学硕I j 学位论义第：幸大犁动态雕猛卜休运动方窠分析j 综合 表2 1 齿轮与齿条的基本参数 名称数值 齿数( 齿轮) n 模数 r r g r l l n l 压力角c c ( 。) 齿面形式 齿轮厚度6 l m n l 齿条厚度列n l l i l 齿条长度1 m 齿条宽度b n l l l l 材料 涧滑形式 9 2 8 2 0 齿轮为渐开线，齿条为直线 1 5 0 1 5 0 1 0 0 0 1 4 0 齿轮为4 0 C r ，齿条为2 0 C r M o 飞溅润滑 2 4 回转系统设计 2 4 1 华夏动态雕塑回转系统的设计目标及要求 回转系统是华夏动态雕塑的主要运动模块之一，其主要任务是当整个动态雕塑升到 预定位置后驱动雕塑作回转运动。在回转系统的设计上对其提出以下要求： l 、承载能力好。雕塑和升降装置的负重全部由回转系统承受，导致回转系统所受轴 向力和径向力都比较大。因此要求回转系统能承受巨大的载荷。 2 、抗倾覆能力强。雕塑地处海边，风大并且雕塑断面比较大；从而导致作用于回转 系统上的偏载荷比较大。在回转系统的设计上必须要保证其有很好的抗倾覆能力。 3 、制动能力强。按照客户要求，雕塑在升到预定位置后，雕塑要每旋转七分之一周 停顿一次。因此这就要求回转系统要有很好的制动能力。 2 4 2 回转装置设计 大型回转支承具有结构紧凑、重量轻、承载能力好、刚性好、运转平稳，不仅可以 承受较大的轴向力、也可以承受较大的径向力和倾翻力矩，而且还具有适应高温、粉尘、 震动、腐蚀等恶劣工作条件的特点而广泛应用于矿山、冶金、船舶、石油化工、轻工、 建筑机械等行业。目前在大型重载回转设备方面应用比较成熟，比如塔式起重机等【15 1 。 威海赤山动态雕塑的回转动作也是靠回转支承来完成的。我们在借鉴威海赤山动态雕塑 1 4 铜雕/铜雕塑 t l j 东理下人学硕I 学位论文第：章人型动态雕忸J ：体运动方案分析j 筋：合 回转装黄的成功经验基础上，对于华夏动态雕塑回转系统的设计，主要也是采用了回转 支承。 整个回转装置有回转台、回转支承和回转基座三部分组成。回转台采用型钢和钢板 焊接成工字形断面坏梁结构，它支承着雕塑及其升降装置，并通过回转支承传给回转基 座。回转支承是整个回转系统的关键部件，由齿圈、座圈、滚动体、隔离块、联接螺栓 及密封条组成。三排滚柱式回转支承具有三个座圈。上、下及径向滚道各自分开，使得 每排滚柱的负载都能确切的加以确定，能够同时承受各种载荷。轴径向尺寸都比较大、 结构牢固，特别适用于要求较大直径的重型机械如，斗式挖掘机、轮式起重机、船舶起 重机、钢包回转及大吨位汽车起重机等机械上。经过计算最终选取了1 3 1 5 0 3 5 5 0 型三 排滚柱式回转支承。回转基座也主要是采用型钢组成圆形框架结构以支撑起整个升降装 置。回转装置如图2 8 所示。 回转驱动装置采用立式电动机和行星齿轮减速机传动( 如图2 8 所示) ；采用对称分 布。其工作原理为：电动机通过液力耦合器带动行星齿轮减速器，再通过小齿轮与固定 在基座上的大齿圈相啮合，小齿轮在绕自身轴线回转的同时并绕大齿圈回转，从而带动 了雕塑回转基座的回转。 回转小齿轮采用对称布置可以很好的平衡掉两个回转小齿轮与大齿圈的啮合力，从 而使固定大齿圈的受力情况明显好转，并且齿轮啮合力是一个动态的激振力，当它被有 效地平衡掉之后可以大大改善整个回转装置运行的平稳性。 l 、回转基座2 、回转支承3 、回转台 图2 8 回转装置图 铜雕/铜雕塑 山东理r 人学硕l ：学化论文第：带人型动态雕啦善体运动方案分析j 综合 2 5 本章小结 1 、本章分析了华夏动态雕塑的设计难点，对现有常见的升降机构进行分析比较。经 过论证，最终确定了升降机构的结构形式和传动方案。 2 、在齿轮齿条升降过程中需要解决的是如何克服它们之间的径向力，减少辅助装置 的设计，节约设计空间、防止偏载和晃动以及便于维修和设备维护等问题。基于以上考 虑我们提出了将齿轮齿条背靠背对称布置的传动方案。 3 、分析了华夏动态雕塑回转的特点并借鉴了威海赤山动态雕塑回转装置的成功经 验，完成了华夏动态雕塑回转系统的设计，回转功能主要靠回转支承来实现；并设计出 了回转装置，其回转装置主要有回转台、回转支承和回转基座三部分组成。 铜雕/铜雕塑 山东理丁人学硕l 学位论文第三聋人犁仡瓣驻忸丌合机构的方案研究及优化设汁 第三章大型花瓣雕塑开合机构的方案研究及优化设计 3 1 开合机构的设计目标及要求 3 1 1 概述 开合机构是花瓣开合装置的重要工作模块之一，直接影响到花瓣开合的工作性能。 目前应用较广的开合方案主要有链条式、液压式和连杆式等。若花瓣开合能配备合适的 开合机构不仅能顺利的实现花瓣的开合，而且还增强了设备整体的观赏性。因此，开合 机构的设计成为花瓣开合装置设计的首要问题。 3 1 2 开合机构的设计目标 结合花瓣开合的设计要求，提出花瓣开合机构的设计要求如下： 1 、结构稚置合理。人像雕塑在升降的过程中花瓣同时进行丌合运动，防水塔内径为 8 米而雕塑最大宽度为6 5 米。因此丌合装置中的各相关运动部件在运行过程中要避免与 人像动态雕塑发生运动干涉。 2 、驱动装置要具有足够的承载能力，工作可靠度高，稳定性高。荷花花瓣重达4 5 吨、高9 8 米；体积庞大。因此开合装置在结构设计上要满足重载的设计要求。同时， 为保证其与人像雕塑的升降配合协调，必须保证设备在正常运行情况下的可靠性和平稳 性。 3 、结构简单，工作可靠并能与升降系统协调配合。结构复杂势必增加成本；同时， 若结构中存在易损部件，工作过程中就会经常出现故障，这样不仅增加了维修费用，给 客户带来经济负担，而且花瓣安装在内径8 米的防水塔壁沿上更增加了维修的难度。所 以开合装置应该坚固耐用，尽量有较高的免维修性。开合装置在运行过程中要尽量平稳， 避免振动、冲击和噪声影响整个雕塑的观赏性。选择结构尽量简单的方案并保证开合装 置具有良好的性能也是一个重要的设计要求。 铜雕/铜雕塑 山东理T 人学形i 卜学位论文 第! 幸人型仡瓣雕忸，f ：合机构的方案研究及优化设汁 3 2 开合机构的类型综合及方案优选 根据上述设计目标及要求，对丌合装置进行机构类型综合，寻找并设计合乎要求的 开合装置。所谓机构类型综合，广义是指机构设计时的选型，如齿轮、凸轮、连杆和间 歇机构等的选择，在本章研究中仅指连杆机构的类型综合，又称为“数综合”，是指把一 定数量的构件和运动副如何进行排列搭配以组成机构的综合过程I 海1 7 1 。 随着科学技术的发展，在工程机械领域液压机构得到了广泛的应用，这类机构的主 要特点是：机构以移动副的相对运动作为输入运动；与机架相邻的构件不一定为主 动构件。这些特点使其在某些特定的要求下具有结构简单，易于操作并可顺序完成比较 复杂的动作。此外液压机构可以较方便的应用于多级驱动，这样可以由各个驱动完成简 单的动作而叠加起来以满足特定的要求。 对于花瓣开合这样的中低速场合液压机构就变得更为适用了，所以在本课题的研究 中开合装置选择液压机构的组成形式。最简单的液压机构是四杆机构。这种机构的一个 最典型的应用就是自卸车的四杆倾卸机构。四杆倾卸机构最大的优点就在于结构布局简 单、紧凑、举升效率高、举升力系的系数小。四杆倾卸机构如图3 1 所示。 车台 图3 1 四杆倾卸机构 其中比较常用的还有六杆液压机构。它是有铰链六杆机构演化得到的，其中铰链六 杆机构可以演化出1 1 中六杆液压机构。如图3 2 为铰链六杆机构的两种型式。 图3 2 铰链六杆运动链 1 8 铜雕/铜雕塑 l f I 东理r 人学硕f j 学f 书论文第i 章人犁佗悉隧啦开会移【构的斤= 粜研究及优化设计 在花瓣开合机构中，移动副被设计成液压缸的形式为机构提供动力，并且执行构件 必需转过一定的角度，根据铰链六杆运动链演化出的1 l 中六杆液压机构【1 6 1 ，再结合动 态雕塑的设计要求，我们最终得到四种可行方案，下面对四种方案逐一进行分析。 方案一( 图3 3 所示) ： f 、7 7 万巧尹厂 图3 3 方案一 该种开合机构通过三角板与花瓣根部相连。液压缸提供动力作用于B 点。同时，连 杆机构通过拉杆C E 在三角板C 点产生