毕业设计（论文）-双柱式液压举升机设计.docx

毕业设计双柱式液压举升机设计学生姓名： 吴国峰 学号：112011409系 部： 机械工程系 专 业：机械设计制造及其自动化 指导教师： 许鑫 二零一五 年 六 月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 双柱式液压举升机设计 系部： 机械工程系 专业 机械设计制造及其自动化 学号：112011409 学生： 吴国峰 指导教师（含职称）： 许鑫（讲师）1课题意义及目标全面介绍举升机的分类，确定所要设计的方案。针对举升机的结构及特点要求进行设计与说明。对汽车举升机立柱的截面特性，并对主立柱的强度和托臂的强度进行了校核验算。设计并对液压缸活塞杆强度以及受压杆的稳定性也进行了验算，以及对链条和钢丝绳等的选择计算，以保证设计的举升机满足使用要求。2主要任务(1) 了解机械产品的设计方法。 (2）完成举升机工作的设计。 (3）完成相应的工程图。 (4）撰写毕业设计说明书。结构完整，层次分明，语言顺畅；避免错别字和错误标点符号；格式符合机械工程系学位论文格式的统一要求。3主要参考资料1潘骏，段福斌，杨文华，吴立军.机械设计基础M.南京大学出版社， 2007.05.2孔红梅.液压举升机同步系统J.液压气动与密封，2000,(1):20-23.3王惠.举升机液压系统的设计J.机械设计，1996,(4)：25-27.4闻邦椿.机械设计手册M.机械工业出版社，20105王国彪.液压举升机构定位尺寸的分析J.矿山机械,1995,(4):39-414进度安排设计各阶段名称起止日期 1查阅文献，了解研究目的意义，完成开题报告2014.12.01至2014.12.312了解液压举升机的结构形式2015.01.01至2015.03.103完成双柱式液压举升机设计2015.03.11至2015.04.304完成相应的工程图设计说明书等整体设计2015.05.01至2015.05.155撰写毕业设计说明书，准备答辩2015.05.16至2015.06.10审核人： 年 月 日双柱式液压举升机设计摘 要：汽车举升机是广泛应用于汽车维修与保养行业的一种设备，它可以将汽车托举到一定高度便于维修与保养，是汽车维修行业必不可少的设备，汽车举升机种类很多，有单柱式、双柱式、四柱式、剪式等，而双柱式液压举升机较其他类型举升机而言，有其独特的优势，如它占地空间小、适用范围广、操作简单、安全可靠等优点。本文详细的阐述了举升机的种类以及特点，之后拟定出了所要设计的双柱式液压举升机的方案，然后对所设计的举升机的结构特点进行了详细的阐述，并且针对举升机的立柱截面特性进行了分析与计算，对立柱、托臂的强度和刚度进行了校核验算，对所设计的液压系统的液压缸活塞杆强度和受压杆的稳定性进行了验算，最后也涉及到了链条与钢丝绳的选择与计算。从而保证所设计的双柱式液压举升机满足设计要求的同时能够安全稳定高效的运行。关键字：举升机 双柱式 截面特性 液压系统 强度Double column type hydraulic lifting machine design.Abstract：Auto lift machine is a kind of equipment widely used in the automobile industries, which can lift the car to a certain height for repair and maintenance, and is the essential equipment in vehicle maintenance industry. There are many types of auto lifting machines, including single-column type, double column type, four-column type, scissors type and some others. Comparing with other types, the double column type has its unique advantages: small occupation of space, wide applicability, easy to operate, safe and reliable. This paper illustrates the types and characteristics of lifting machines in detail, designing a double column type hydraulic lifting machine as proposed. Then, it describes the structure characteristics of the lifting machine, analyzing and calculating the features of its column section, accounting the strength and stiffness of its columns and arms, checking the strength of hydraulic cylinder piston rod and the stableness of the compressed rod, and the calculation and selection of chains steel wire rope follows in the last. All of these works are to ensure that the designed double column type hydraulic lifting machine can function safely, steadily and effectively, on the premise of meeting design requirements. Keywords: Car Lifting Machine，Double column type，Section properties，Hydraulic system，Strength目 录1 绪论11.1 举升机的现状21.2 举升机的发展趋势22 举升机的方案拟定32.1 举升机的分类32.1.1 常用汽车举升机的结构类型32.1.2 汽车举升机的主要参数32.2 汽车举升机的主要结构32.3 双柱式液压举升机结构方案的确定33 液压式双柱汽车举升机的结构设计53.1 举升装置53.2 立柱63.3 支撑机构73.4 平衡机构83.5 保险机构94 双柱液压举升机的强刚度分析与验算114.1 双柱式液压举升机立柱的结构分析和验算114.1.1 主立柱的截面特性分析与计算114.1.2 主立柱的强度分析与验算134.2 托臂部分的强度校核194.2.1 托臂部分截面特性194.2.2 托臂部分强度核算204.2.3 从托臂处考虑挠度情况235 液压系统245.1 液压系统工作原理245.2 液压缸活塞杆受压校核255.2.1 液压缸活塞杆强度验算255.2.2 液压缸活塞杆受压稳定性校核256 钢丝绳和链条的选择计算276.1 钢丝绳的计算276.2 钢丝绳的选择276.3 链条的选择287 结论29参考文献30致 谢32III太原工业学院毕业设计1 绪论双柱式液压举升机是一种在汽车领域里维修和保养的举升器材，在轿车等小型车辆的维护和保养领域里有较广泛的应用。生产汽车举升机的厂家在全国范围内比较多，各厂家生产的举升机的种类也比较多，有双柱式汽车举升机、四柱式汽车举升机、剪式汽车举升机等。文章全面地介绍了汽车举升机的分类，拟定出本课题所要设计的双柱式液压举升机的方案，并且针对所设计的双柱式液压举升机的结构及特点加以说明。对汽车举升机立柱的截面特性进行分析，并对主立柱的强度和托臂的强度进行了校核验算。设计并对液压缸活塞杆强度以及受压杆的稳定性也进行了验算，以及对链条和钢丝绳等的选择计算，以保证设计的举升机满足使用要求。本课题所设计的是双柱式液压举升机，它的特点是：(1)操作简单，性能稳定，消耗较低；(2)托脚的最低位置很低，较低底盘的车辆也可以使用，扩大了车辆的适用范围；（3）非对称托臂可以伸缩，提高了可靠性与安全性；(4)有较长的使用寿命。通过查阅资料以及市场调研了解到在汽车维修领域里汽车举升机的使用频率越来越高，因此，汽车举升机的销售前景非常好，而应用于室内维修的汽车举升机所占的比例最高，所以最终确立了以下方案：一、在汽车维修与保养领域里大多数的工作都是在室内完成，所以必须考虑所设计的汽车举升机占用空间面积要少，因此决定采用双柱式。二、本课题要求使用液压系统驱动，且液压系统驱动较其他驱动方式有其质量小、体积轻、调速范围大，运动平稳、使用寿命长等优点，因此决定采用液压驱动的方式。三、由于液压油进入两个液压油缸会有时间差，这样会导致液压举升机在工作中会使被举升的汽车发生倾斜，因此引入钢丝绳作为平衡装置，从而使汽车在举升过程中始终保持平衡状态。四、在符合设计要求的基础上，所设计的结构要简单，易于操作，并且整体移动要方便。随着经济的发展，人民的生活水平不断提高，拥有汽车的人越来越多，汽车市场越来越火爆，从而使得汽车维修与保养行业也在逐渐扩大，而作为汽车维修行业里必不可少的设备之一，汽车举升机的应用给维修与保养服务人员提供了巨大的方便，通过举升汽车解决了轿车底部维修不方便的问题，并且在安全方面2也很有保障，因此举升机很受汽车维修行业的欢迎，而占地空间小，适合于室内作业的汽车举升机更是备受青睐。1.1 举升机的现状汽车举升机是一种能够固定汽车某一部位将汽车托举到一定高度用于检测与维修的设备。汽车举升机以其操作简单，使用安全可靠且经济的特点在汽车维修与保养等行业有着较为广泛的应用。随着经济的发展，汽车数量增长的速度也随之加快，汽车的维修与保养店的数量也跟着增长。用于汽车维修与保养的举升机的数量增长十分迅速。根据调研，绝大多数的汽车维修店都配备汽车举升机，汽车举升机已经成为了汽车维修与保养行业不可缺少的设备。1.2 举升机的发展趋势在国内，随着人们生活质量的日益提高，汽车市场日益火爆，从而是使得汽车维修与保养市场随之兴起，对汽车举升机的需求量也日益加大，国内生产汽车举升机的厂家也很多，并且占据着一部分市场，但总体质量层次不齐，有待进一步提高。家用轿车的数量急剧增长，使得占地面积少，操作简便，性能可靠，在室内操作的双柱式液压举升机设计以其独特的优势受到了各汽车维修店的亲睐，因此其需求量逐渐增长，有很好的市场前景。2 举升机的方案拟定2.1 举升机的分类2.1.1 常用汽车举升机的结构类型随着科技的发展，常用汽车举升机的类型越来越多，生产汽车举升机的厂家也越来越多，所生产的各种类型的汽车举升机的结构样式也有所不同，有单柱式、双柱式、四柱式、剪式、龙门式、子母大剪式、超薄双剪式、地藏剪式、移动式等。按照举升机的驱动方式有机械驱动式、液压驱动式、电机驱动式等。2.1.2 汽车举升机的主要参数目前，国内市场上主要的汽车举升机有：普通双柱式举升机、龙门双柱式举升机和四柱式举升机。这三种汽车举升机的所需要的技术参数如表1.2所示。表1.2汽车举升机的主要参数2.2 汽车举升机的主要结构举升机的结构主要有：（1）立柱；（2）举升装置；（3）驱动装置；（4）平衡装置；（5 ）保险装置；（6）支撑装置。2.3 双柱式液压举升机结构方案的确定经过一段时间对各类型汽车举升机的结构和工作原理的了解，通过查阅资料借鉴其它汽车举升机的结构特点结合任务说明书，拟定出了本课题所需要设计举升机结构的方案如图2.1所示：图2.1 双柱式液压举升机的结构示意图本课题设计的是双柱式液压举升机。其整体结构包含：（1）立柱；（2）举升装置；（3）驱动装置；（4）平衡装置；（5）保险装置；（6）支撑装置。整个举升机是由液压系统来驱动举升装置实现汽车的举升与下降，左右两边立柱各安装一个液压油缸，通过链条连接立柱和滑台，当举升机工作时，液压油缸推动链条使得滑台可以上下移动，同时钢丝绳作为平衡装置保证左右两边立柱内的滑台能够同步移动，举升装置与滑台相连，从而实现举升动作的完成。3 液压式双柱汽车举升机的结构设计3.1 举升装置本课题举升机所设计的举升装置是由液压系统和电箱构成，开启电箱中的开关，通过启动电动机实现控制液压单元，通过与液压缸和滑台连接的链条去带动举升装置实现举升机的升起与下降。如图3.1所示： 图3.1 驱动举升装置示意图图3.1是本课题所设计的双柱式液压举升机的驱动装置和举升装置的示意图，从示意图中可以直观的观察到通过液压胶管去连接左右两个立柱内的两个举升装置，从示意图中可以看到，当两个液压缸工作的时候会出现一个时间差，这种情况会导致左右两边的举升速度不同步，从而产生举升不平衡的现象，所以，必须在液压举升的同时增加钢丝绳来平衡左右两边举升速度不同步的现象，使其实现左右两边能够同步举升.从而消除左右两边举升不平衡的现象。图3.2是双柱式液压举升机的举升装置结构图：图3.2 双柱式液压举升机的举升装置结构图从上图中可以观察到，双柱式液压举升机的举升装置是通过液压杆去带动镶嵌在滑轮槽内的链条从而达到举升的目的。3.2 立柱双柱式液压举升机左右两边各有一个立柱。图3.3是左边立柱的俯视图。举升机的所有重量都是由左右两个立柱支撑的，所以立柱必须要有足够的刚度和强度，举升装置和滑台部件被分别安装在两个立柱的中间空余部分，所以对立柱部分的行为公差要求很高，如图所示水平方向的立柱臂和垂直方向的立柱壁要保持一定的平行度和直线度，立柱的内表面和外表面还必须要有一定的粗糙度。图3.3 左立柱的俯视图3.3 支撑机构本课题所设计的举升机的支撑机构是托臂，当需要维修的汽车到达举升机的工作区域之后，举升机的支撑机构可以根据改变摇臂的角度和方向去改变支撑机构的工作范围，从而达到举升不同类型车辆的目的。本课题为了扩大举升机的适用性，同时也扩大其适用范围，设计了非对称式托臂，并且两侧托臂的臂长可以自由伸长或缩短。如图3.4所示：图3.4 非对称式托臂的工作范围示意图1托臂未伸长时的工作位置，2托臂伸长后的工作位置示意图中托臂的工作范围是阴影部分。托臂在伸长之前按轨迹1运动；托臂伸长后按轨迹2运动；轨迹1和轨迹2之间的空余部分可以通过调节托臂的长度去调节其工作区域。由于托臂是用于支撑车辆的，所以其必须能够承受相当的重量，而且必须保证其刚度和强度达到要求。下图3.5所示的是非对称式托臂的结构。图3.5 非对称式托臂的结构图3.4 平衡机构举升机的举升装置在升起或者下降过程中必须保证被托举的汽车保持平衡，所以本课题在非对称托臂的基础上增加了钢丝绳作为双柱式液压举升机的平衡机构。在左右两个立柱之内分别安装两套对称的钢丝绳，并且确保这两套钢丝绳在运动的时候方向相反，同时我们可以通过调节钢丝绳的张力使得支撑装置在升起或者下降的过程中保持平衡，因此，所选用的四套钢丝绳必须是同一规格且具有一定的张力。每一个立柱里的钢丝绳运动方向如图3.6所示： 图3.6 单个立柱内钢丝绳的走向运动方向示意图3.5 保险机构汽车举升机在举升过程中要防止被举升的汽车掉落出现安全事故，所以对汽车举升机的安全性能要求比较高。一般都有多种保护措施，比如有冲顶保护，防滑、机械锁等。本课题采用了电磁安全锁如图3.7所示，把安全卡位条分别安装在两个滑台上，汽车被举升之后，卡位条与电磁铁连接的支撑板构成机械自锁机构，左右立柱都装有电磁安全锁，而且所装的位置不在同一条水平线上，从而达到双保险的目的。 图3.7 电磁铁安全锁 1电磁铁，2保险孔板，3保险孔支撑座如图3.7所示：电磁安全锁主要包括电磁铁、保险孔板、保险孔支撑座。电磁铁通电时，把保险孔支撑座吸住，它和锁紧板不接触，此刻保险打开，滑台可以运动，电磁铁断电后，保险孔支撑座与锁紧板相互顶在一起，此刻滑台固定在一个位置不能自由运动。4 双柱液压举升机的强刚度分析与验算本课题所设计的双柱式液压举升机的主要性能参数为：额定举升载荷4吨；当载重量为4吨时，举升装置从最低点举升到最高点所需要50秒，从最高点下降到最低点所需要的时间不低于50秒，电动机功率设定为2.2kw，举升臂在最低点的高度为120mm，在最高点的高度为1850mm，工作行程为1730mm。4.1 双柱式液压举升机立柱的结构分析和验算4.1.1 主立柱的截面特性分析与计算双柱式液压举升机最主要的受力部位是主立柱，举升机处于工作状态时，主力柱会受到保险机构的承重压力与升降滑台滚轮作用在立柱上的弯矩。主立柱作为主要的承重部件，对主力柱的截面特性进行分析，主要是确定立柱截面形心的位置和截面的惯性矩。确定立柱截面形心和中性轴的位置：如图4.1所示，把立柱截面分为A1、A2、A3三个部分，把Z轴作为参考轴，则Z1、Z2、Z3分别作为三个组合截面的中性轴，三个截面的面积及其形心至Z轴的距离分别为： 图4.1 举升机主立柱横截面示意图重心C到相应边的距离e： （式4.1） (式4.2) (式4.3) (式4.4)整个截面形心C在对称轴Y上的位置则为：(式4.5)确定截面的惯性矩：设截面的形心为、截面的形心为、截面的形心为，截面的形心轴为、截面的形心轴为、截面的形心轴为，如图4.1所示，它们距Z轴的距离分别为： (式4.6) (式4.7) (式4.8)三个截面对中性轴Z的惯性矩分别为： (式4.9) (式4.10) (式4.11)为的惯性矩、为的惯性矩、为的惯性矩，将、相加，就能求得整个截面对中性轴Z的惯性矩： (式4.12)立柱静矩S的计算：（1）立柱整个截面上半部分的静矩S1： (式4.13) (式4.14) (式4.15)其中为截面的静矩、为截面的静矩、为截面的静矩，因此立柱上半部分的整个截面的静矩S为： (式4.16)（2）立柱整个截面下半部分的静矩S2： (式4.17) (式4.18) (式4.19)4.1.2 主立柱的强度分析与验算当汽车举升机处于工作状态时，举升机的举升装置将被维修的汽车上升到相应高度之后，此时，汽车的重量直接集中在举升机的托臂端部，所以首先应该对滑台部件进行受力分析，受力情况如图4.2所示： 图4.2 滑台部件受力情况示意图滑台部件受力情况分析：滑台部件自身重量近似估算如下：滑台组合件尺寸：采用160160方钢，壁厚8 mm，高800mm滑台体积： (式4.20)摇臂座尺寸：采用100100方钢，壁厚8 mm，长440mm 摇臂座体积： (式4.21)托臂近似尺寸：采用100100方钢，壁厚8 mm，长（800310）1110mm托臂体积： (式4.22)钢材比重选取：所以，滑台部件、摇臂座和托臂的重量为将滑台、摇臂座和托臂一起考虑 (式4.23)图4.2中，一侧的托臂受到的最大载荷为2吨，加上自身重量，托臂端部所受到的力为2066.37kg,和是滑台部件受到来自于立柱通过滚轮所给的作用力，和是滑台部件受到保险支撑板的支撑力，B点为支承点，假设托臂自重全部集中在负载处，则： (式4.24) （式4.26） (式4.26) (式4.27)由式4.7得，代入式4.6 (式4.28)假定，则由式4.5得：综上所述，举升机主立柱受力情况分析：主立柱受力情况如下图4.3所示，和是立柱受到来自于滑台通过滚轮的作用力，和是滑台作用在立柱上的力，、和为底部支座反力。通过立柱受力情况分析计算得： 图4.3 双柱式液压举升机主立柱受力情况示意图 (式4.29) (式4.30) (式4.31) (式4.32)双柱举升机主立柱强度校核计算：看图4.3，由引起的弯矩图和剪力图如图4.4所示： 图4.4 F1的作用力、弯矩图、剪力图l=2600mm b=2415mm a=185mm (式4.33) (式4.34)由引起的弯矩图和剪力图见图4.5： 图4.5 F2作用力、弯矩图、剪力图l=2600mm b=1890mm a=710mm (式4.35) (式4.36)由产生的M引起的弯矩图见图4.6： 图4.6 立柱上M作用力及其弯矩图 (式4.37) (式4.38)所以，立柱受力的合成弯矩图和合成剪力图如图4.7所示。 图4.7 立柱受力的合成弯矩图和合成剪力图从图中可以得出 (式4.39)在截面C处，剪力最大，弯矩也最大，,所以此处是危险截面。通过前面计算得到，所以抗弯截面模数为： (式4.40)截面上半部分静矩， (式4.41)以下进行强度校核：（1）校核正应力强度： (式4.42)许用应力选： (式4.43)，满足强度条件。（2）校核剪应力强度： (式4.44)选，而许用应力 (式4.45)，满足强度条件。（3）折算应力强度校核：主立柱横截面上的最大正应力出现在距离中性轴最远的边缘处，而最大剪应力则出现在中性轴上，经过上面的验算这两处的强度都达到了设计要求，但是在截面C处，M和Q都有最大值，正应力和剪应力都很大，所以在截面C处的主应力也很大，因此应该对截面C处进行折算应力校核，取截面C边缘处的某点K进行计算： (式4.46) (式4.47) (式4.48)由于点K处在复杂应力状态之下，可以采用第四强度理论，将的数值代入，通过统计平均剪应力理论对此应力状态所建立起来的强度条件为： (式4.49)所以即 (式4.50)按第四强度理论计算所得到的折算应力满足许用强度要求。主立柱的刚度计算：用迭加法：（1） (式4-51)由引起的绕度：（往外弯）用式 (式4.52)弹性模量E选择碳钢取： (式4.53)（2） (式4.54)（往内弯）由引起的绕度： (式4.55)（3）由M引起的绕度： (式4.56)（往外弯）此值可忽略不计。实际往内弯的绕度 (式4.57)4.2 托臂部分的强度校核4.2.1 托臂部分截面特性托臂部分截面属于变截面，以下先计算截面特性数据：（1）小臂截面尺寸：7070方钢，壁厚8mm，a=70,b=54惯性矩： (式4.58) (式4.59)静矩计算： (式4.60)（2）大臂截面尺寸：9292方钢，壁厚8mm，a=92,b=76惯性矩： (式4.61) (式4.62)4.2.2 托臂部分强度核算图示为左后托臂部件图： 图4.9 左后托臂部件图图4.9中的A、B、C、D与图4.10托臂示意图中的A、B、C、D四个截面一一对应： 图4.10 托臂示意图按照A,B,C,D几个典型截面进行分析，各个截面的截面图如下：(a) A-A截面 (b) B-B截面（同D-D截面）（c）C-C截面 图4.10 典型截面示意图（1）A截面：惯性矩：； (式4.63) (式4.64) (式4.65) (式4.66)保险系数较小可满足强度要求。（2）B截面：92*92方钢 (式4.67) (式4.68) (式4.69) (式4.70) (式4.71) (式4.72) (式4.73)所以 (式4.74) (式4.75) (式4.76) (式4.77)保险系数较小可满足强度要求。（3）C截面： (式4.78) （式4.79） （式4.80） （式4.81）所以 （式4.82） （式4.83） （式4.84）满足强度要求。（4）D截面：惯性矩：； （式4.85）,保险系数较小可满足强度要求。4.2.3 从托臂处考虑挠度情况托臂端部受力为，大臂和小臂共同构成了托臂部件，因此应该分别分别考虑大臂和小臂的挠度情况：小臂端部处挠度： （式4.86）大臂端部处挠度：通过受力分析可知，大臂端部受到一个力和一个弯矩； （式4.87）因载