[工学]可移动式升降台设计毕业设计后续.doc

大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 12 目 录 摘要摘要 . abstractabstract . 第第 1 1 章章 绪论绪论 .1 1.11.1 升降台的简介升降台的简介.1 1.21.2 传动方式的比较及液压传动的特点传动方式的比较及液压传动的特点.1 1.31.3 液压传动技术的发展概况及在升降台上的应用液压传动技术的发展概况及在升降台上的应用.2 1.41.4 本项目要解决的问题本项目要解决的问题.3 2.12.1 升降台的整体结构设计升降台的整体结构设计.4 2.22.2 升降台的机构分析升降台的机构分析.5 2.2.1 单剪式液压升降台的结构简化.5 2.2.2 单剪式液压升降台的受力分析.5 2.2.3 液压缸的选择.8 2.2.4 杆件的校核.10 第第 3 3 章章 移动装置的设计移动装置的设计 .12 3.13.1 小车的结构设计小车的结构设计.12 3.23.2 链传动设计链传动设计.14 3.33.3 传动轴的校核传动轴的校核.16 3.3.1 轴的强度校核.16 3.3.2 轴的刚度校核.19 3.3.3 轴承的校核.20 第第 4 4 章章 控制系统设计控制系统设计 .21 结论结论 .23 参考文献参考文献 .24 致谢致谢 .25 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 13 第 3 章 移动装置的设计 关于移动装置的设计，根据本次设计的升降台的工作情况和场地，可以设计一辆小车，将 升降台固定在小车之上，使升降台可以随着小车的运动给实现可移动的要求。 3.1 小车的结构设计 小车的尺寸设定为：宽为 1580mm，长为 3907mm，高为 839mm,选用 13mm 厚的钢板焊接而成。 底部用 26mm 厚，250mm 宽的钢板。小车的移动方式为在导轨上滑动（如图 3-1） 。根据承载要求， 轨道选择重轨，尺寸如图 3-2。 （a） 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 14 (b) (c) 图 3-1 小车机构设计图 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 15 图 3-2 重轨机构尺寸图 小车的动力来源与电动机，通过链传动，将动力传递到小车后部的轴上。轴两端与滚轮连 接。则轴转动带动滚轮在导轨上滑动，是小车运动。 3.2 链传动设计10 根据工作需要，选择电动机的功率为 p=11kw,满载转速为,传动比为 i=311。min730rn 在电动机与链传动之间，放置一个一级减速器，将电动机的转速降低。根据条件，选择的减速 器的型号为：zdy 2505.612。因为减速器的传动比为 i=5.6，所以经减速器传递出的实 际转速为： min 134 6 . 5 750 1 2 r i n n 1.选择链轮的齿数， 1 z 2 z 假定链速，通过查小链轮齿数的选择表，选择小轮齿数为，则smv36 . 0 1 z17 1 z 从动轮的齿数为。51173 2 z 2.计算功率 ca p 通过查工作情况系数表13，选择平稳载荷，则，则：1 a k kwkwpkp aca 11111 3.确定链条的链节数 p l 因为链传动中，两轮轴线不在同一水平面，则初定中心距为： pa25 0 则链节数为： 节 2 12 0 210 22 2 zz a pzz p a lp 节17.85 取节。86 p l 4.确定链条的节距 p 根据 a 系列滚子链的额定功率曲线图，按小链轮转速估计，链工作在功率曲线顶点左侧时， 可能出现链板疲劳破坏。由小链轮齿数系数和链长系数表13可查得小链轮赤数系数为 89 . 0 191719 08 . 1 08 . 1 1 zkz 96 . 0 10086100 26 . 0 26 . 0 pl lk 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 16 选双排链，由多排链系数表查13得多排链系数，故得所需传递的功率为7 . 1 p k kwkkkpp plzca 57 . 7 7 . 196 . 0 89 . 0 11 0 根据小链轮转速及功率，由 a 系列滚子链的额定功率曲线图min134 2 rn kwp57 . 7 0 选链号为 20a。同时也正实原估计链工作在额定功率曲线顶点左侧是正确的。再由滚子链规格和 主要参数表查得链节距 p=31.75mm。 5.确定链长 l 及中心距 a m pl l p 73 . 2 1000 75.3186 1000 2 12 2 2121 2 8 224 zzzz l zz l p a pp 22 2 1751 8 2 5117 86 4 75.31 =807mm 中心距减小量 mmaa42 . 2 807003 . 0 003 . 0 实际中心距 mmaaa58.80442 . 2 807 取 mma804 6.验算轮速 s m pzn v2 . 1 100060 75.3117134 100060 11 与原假设相符。 7.验算小链轮毂孔 k d 由链轮毂孔最大许用直径表查得小链轮毂孔许用最大直径，大于减速器的mmdk93 max 输出轴的轴径 d=32mm，故合适。 8.作用在轴上的压轴力 efpp fkf 有效圆周力 nn v p fe916767.9166 2 . 1 11 10001000 按倾斜布置取压轴力系数故,15 . 1 fp k nfp10542916715 . 1 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 17 3.3 传动轴的校核14 传动轴为小车的核心部分。是小车可以实现工作需要的关键。本次设计的传动过程为：由 电动机产生动力，经减速器降低转速，然后通过链传动，将动力传递到传动轴，使轴转动。同 时，轴的两端与滚轮相连接。则带动滚轮在导轨上滚动，以实现小车的运动。所以，传动轴是 动力传动的枢纽，其强度是保证小车能否正常工作的关键。 校核轴主要是要保证轴的强度和刚度能够满足工作的需要。因此要分别校核这两部分。 3.3.1 轴的强度校核 校核轴的强度，首先要分析轴受载和应力情况，采取相应的计算方法，并恰当的选取其许 用应力。 在本设计中，传动轴主要承受的是弯矩，故应按弯曲强度条件计算。 1.作出轴的计算简图（即力学模型） 该传动轴所受到的力，主要有链传动中作用在轴上的压轴力，和两端轴承对轴的支撑力。 其受力分析如图 3-3a。 2.计算弯矩，并画出弯矩图 因为链轮放置的位置，轴受到的力最大，则此处截面为危险截面。以该处为原点，计算弯 矩。由已知得： nff ph 372.9129866 . 0 1054230cos nff pn 52715 . 01054230sin mmlmml1059,463 21 （1） 计算水平面内各力的弯矩 根据力矩平衡得： nf ll l f hnh 17.6352 21 2 1 nf ll l f hnh 2 . 2777 21 1 2 则水平面内的弯矩为： )(71.294105446317.6352 111 mmnlfm nhh )( 8 . 29410541059 2 . 2777 222 mmnlfm nhh （2）计算垂直面内的各力的弯矩 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 18 根据力矩平衡得： nf ll l f nnv 54.3667 21 2 1 nf ll l f nnv 46.1603 21 1 2 则垂直面内的弯矩为： )(02.169807146354.3667 111 mmnlfm nvn )(14.1698064105946.1603 222 mmnlfm nvn 则总弯矩为： )(603.3396063 2 1 2 11 mmnmmm nh )(241.3396060 2 2 2 22 mmnmmm nh 其弯矩图如图 3-4b、c、d。 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 19 图 3-4 轴的强度校合图 （4） 校核轴的强度 选择轴的直径 d=100mm,且轴不受扭矩的作用，则轴的弯矩强度条件为： 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 20 1 2 w m w m ca 其中，轴的计算应力，单位为； ca a mp m 轴所受的弯矩，单位为；mmn w 轴的抗弯截面系数，单位为； 3 mm 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力。 1 因为传动轴的最危险截面处为装链轮的那一段，所以其截面带有键槽。通过查抗弯，抗扭 截面系数计算公式表，查得抗弯截面系数的公式为： d tdbtd w 232 2 3 通过查表，确定 b=28mm,t=10mm,轴的材料选择为 45 号钢，回火处理，其许用弯曲应力为 。将各已知量带入上面公式，得： a mp55 1 1 1 1 13.39 aca mp w m 1 2 2 13.39 aca mp w m 所以，证明轴的强度满足工作的需要。 3.3.2 轴的刚度校核 传动轴的中间直径为 d=100mm。则主轴的惯性矩力为： 444 10491100 64 14 . 3 64 di 在链轮处，压轴力产生的转角为： rad lei blpb 0011 . 0 1010491102001015226 104631015221046310542 6 12493 6262322 1 由压轴力产生的挠度为： 0 6 222 bal lei pba y 通过查轴的允许挠度及允许偏转角表，得： mmly6088 . 0 0004 . 0 rad0016. 0 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 21 通过比较，可得，轴的刚度满足工作的需要。 3.3.3 轴承的校核 轴承的校核主要是求出轴承的寿命，保证轴承能够长时间的工作。 本设计中，轴承选择的是圆锥滚子轴承15。在整个结构中，轴承所受的力主要是轴作用在 轴承上的径向力。轴作用在轴承上的轴向力很小，可以忽略不记。因为轴承在运动中承受中等 冲击，通过查表16确定起载荷系数为。所以，滚动轴承的当量动载荷为：2 . 1 p f nffp rp 31.384893.32062 . 1 11 nffp rp 09.880208.73352 . 1 22 其中， nfff nvnhr 93.320646.160328.2777 222 1 2 11 nfff nvnhr 08.733554.366736.6352 222 2 2 22 根据轴承的寿命计算公式17得： 左侧的轴承寿命为： h p c n l r 38.50982431 31.3848 54.185800 134 1667016670 3 10 3 10 1 10 右侧的轴承寿命为： h p c n l r 148.3233712 09.8802 54.185800 134 1667016670 3 10 3 10 2 10 由以上数据可得，轴承的寿命满足工作需求。 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 22 第第 4 4 章章 控制系统设计控制系统设计 机械系统在工作过程中，各执行机构应根据生产要求，以一定的顺序和规律运动。各执行 机构运动的开始、结束及其顺序一般由控制系统保证。早期机械系统中，人作为控制系统的一 个关键环节起着决定作用。随着科学技术的发展，控制系统自动化程度的提高，在一些控制系 统中，人的作用被某些控制装置所取代，从而形成了自动控制系统。 自动控制系统是指由控制装置和被控对象所构成的，能够对被控对象的工作状态进行自动 控制的系统。机械系统控制的主要任务通常包括： （1）使各执行机构按一定的顺序和规律运动； （2）改变各与运动构件的运动方向和速度大小； （3）使各运动构件间有协调的动作，完成给定的作业环节要求； （4）对产品进行检测、分类以及防止事故，对工作中出现的不正常现象及时报警并消除18。 本设计中，可移动式液压升降台的工作顺序为：在装料地装料，然后小车运动到工作地点； 当到达工作地点后，升降台上升，将原料送到工作台；当原料卸完后，升降台收缩；当降低到 最低点后，小车移动到装料地。 在可移动式液压升降台的运动过程中，需要控制的几个工步为：小车的起动，停止；液压 升降台的上升，下降。 图 4-1 为控制系统的电路图。其优点是结构简单，安全可靠，且能很好的实现工作需要。 图 4-1 电气控制电路图 由图可知，整个电气控制系统分为：总开关、电源指示、小车电机、油泵电机、小车控 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 23 制、油泵上电、升电磁阀、降电磁阀八个部分19。 它的工作原理是： 当总开关合上后，指示灯 hl1 亮，表明电路已经通电。 在小车的运行控制部分，当按下起动按钮 sb2 时，接触器 km1 线圈得电，则 km1 开关闭合， 实现自锁，此时 sb2 可松开，线圈仍然通电。在小车电机部分的 km1 开关也闭合，电机得电开 始正转，小车前进；当小车运行到指定的地点时，按下按钮 sb1，线圈 km1 断电，则各触点断开， 电机停止转动，小车停止；当小车装载完货物后，按下按钮 sb3，线圈 km2 得电，则开关 km2 闭 合。此时，控制部分实现自锁，电机部分，电机开始得电反转，小车后退；当到达工作地点后， 按下 sb1，线圈 km2 断电，电机停转，小车停止运动。此时，合上开关 qs2，则油泵通电。按下 sb5，线圈 km3 得电，开关 km3 闭合，油泵电机得电开始运转。当按下 sb6，线圈 yv1 得电，则 升电磁阀得电，液压钢开始上升。松开 sb6，升电磁阀断电，液压缸停止上升。当按下 sb7 时， 线圈 yv2 得电，则降电磁阀通电，液压缸开始下降；松开 sb7，降电磁阀断电，液压缸停止下降。 在工作过程中，有可能在按下 sb2 后，不小心又按到了 sb3，此时，电机短路，小车不能 运动，甚至会损害电机。为了防止这中以外发生，在控制系统中设置当按下 sb2 时，与 sb3 相 连接的瞬时动断触点断开，这样，即使此时在按下 sb3，线圈 km2 也不能得电。整个系统可以安 全、顺利的实现工作要求。同理，当按下 sb3 时，与 sb2 相连接的瞬时动断触点 1 断开，使线 圈 km1 不能得电20。 为了保证电路安全，在从总开关引出导线时，连接熔断器，并且在接入控制柜时也接上熔 断器，这样可以防止电路发生短路或过载的情况，保证各电器元件不会受到损害。 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 24 结论结论 该设备的研制中综合了机械设计，液压，电气等多方面的知识，将与机械相关的各学科进 行了一个综合。其中对机构的受力分析，部分零件的校核，液压缸的选择计算都有详细的解析 方法和论证，由此得出如下结论： 1.在机构的设计部分，要注意保证各零件的强度与刚度； 2.在液压缸的选择时，要正确计算液压缸的最大推力； 3.在小车的传动设计中，按弯矩校核传动轴的强度和刚度。 4.用各种基本电气元件构成的电气控制系统，基本上可以实现整个机构的运动过程。 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 25 参考文献 1 孟宪源.现代机构设计手册m.北京:机械工业出版社,1994,6,6062. 2 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册(第二版)m.北京:高等教育出版社,1999,100103. 3 吴宗泽.机械设计手册m.北京:机械工业出版社,2003,6,2030. 4 章日晋等.机械零件的结构设计m.北京:机械工业出版社,1987,8287. 5 周开勤.机械零件手册m.第四版.北京:高等教育出版社,1994,286287. 6 孙植.机械原理m.北京:高等教育出版社,2001,8,1216. 7 王步瀛.机械零件强度计算的理论和方法m.北京:高等教育出版社,1986,4750. 8 hindhede i,uffe.machine design fundamentalsa practical approachm.new york:mcgraw hill,1967,225230. 9 吴宗泽.机械结构设计m.北京:机械工业出版社,1988,105. 10郑志峰.链传动设计与应用手册m.北京:机械工业出版社,1992,4250. 11kuehnle m r. toroidal drive combines conceptsm. product engineering .aug.1979,301305. 12减速器实用技术手册编委会编.减速器实用技术手册m.北京:机械工业出版社,1992,3233. 13西北工业大学机械原理及机械零件教研室,濮良贵,纪名刚.机械设计m.第七版.北京:高等 教育出版社,2001,325330. 14mechanical drive (reference issue).machine designj.52(14),1980,59. 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and design problems simultaneously in the sense that the necessary conditions derived from a variational form of the analysis problem are explicitly stated in the design problem. the combined mechanism design and analysis problem is modeled as a nonconvex mixed integer program. the design variables in this problem are binary variables that describe the connectivity (topology) of the mechanisms and continuous variables that describe dimensions and positions (geometry) of the different parts of the mechanism. the design problem also contains continuous state variables which are associated with the mechanical analysis part and which describe the behavior of the mechanism under loading. the feasible set of the mechanism design problem is described by nonlinear differentiable and non-differentiable constraints as well as nonlinear matrix inequalities. to solve the mechanism design problem a branch and bound m. stolpe, a. kawamoto: department of mathematics, technical university of denmark, matematiktorvet building 303, dk-2800 kgs. lyngby, denmark. e-mail: m.stolpemat.dtu.dk; a.kawamotomat.dtu.dk mathematics subject classification (2000): 74p10, 90c90, 70b15 358 m. stolpe, a. kawamoto method based on convex relaxations is developed. in order to state a convergent branch and bound method, two different types of convex relaxations are derived. the first is a quadratically constrained linear program that is solved by a general purpose sequential quadratic programming package. the second relaxation is a linear semidefinite program that is solved by an interior-point method. to strengthen the relaxations we derive valid inequalities which are added to the feasible set of the relaxation. furthermore, the quality of the relaxations are improved by solving bound contraction sub-problems at each node of the branch and bound tree. to this end, we make extensive use of modern solvers for linear, quadratic, and linear semidefinite programs. during the developments of the mechanical model and the early formulations of the optimization problem it became apparent that the branch and bound method would take full advantage of any (and all) shortcomings in the mechanical model as well as 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 28 in the optimization model such that technically unrealistic or faulty solutions would be obtained. therefore, a large portion of this article is devoted to the development of a mechanical analysis model and motivations for the numerous technological constraints which constitute the major part of the feasible set of the optimization problem. the choice of using a deterministic global optimization method is motivated by observations that these combinatorial mechanism design problems have many good feasible solutions that are difficult to find using heuristic methods. furthermore, by using the branch and bound method it is possible to reliably solve planar mechanism design problems of realistic size to global optimality in reasonable time. before proceeding to the presentation of the suggested approach we introduce some terminology commonly used within mechanism design and show one example of the practical use of articulated mechanisms. 1.1. introduction to mechanism design a mechanism is a mechanical device that can transfer motion and/or force from a source to an output 22.a mechanism consists of links (or bars) which are connected by joints. an articulated mechanism is a mechanism which gains all of its mobility from its joints. this is in contrast to a compliant mechanism which is another type of mechanism that gains some or all of its mobility from the flexibility of its components. a mechanism is called planar if it can be considered as two-dimensional from a mechanical analysis point of view and its motion is planar (all bars move in parallel planes). articulated mechanisms are used in a great variety of engineering applications. for instance, they are used as part of automotive suspension systems, as current collectors of electrical locomotives, and as part of scissor lifts, see figure 1. the mechanism shown in figure 1 can be viewed as essentially planar even though it consists of two planar mechanisms which are joined to form a spatial mechanism. in this example, however, the motion is planar and any out-of-plane motion is highly undesirable. one important property of articulated mechanisms is the number of mechanical degrees of freedom which is defined as the number of independent inputs required to determine the position of all links of the mechanism with respect to a global coordinate system 22.an input is here defined as an external load applied at the joints of the mechanism. in this paper we focus on design of mechanisms with exactly one mechanical degree of freedom. this means that the mechanism becomes rigid if one of the revolute design of articulated mechanisms using branch and bound 359 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 29 joints is fixed.a mechanism that has exactly one mechanical degree of freedom is called a constrained mechanism, see 22. normally, articulated mechanisms are modeled by rigid bars and revolute joints, see e.g. 37 and 29. the design process is commonly divided into three stages, see e.g. 22 and 21. firstly, a design objective is determined for the mechanism to be designed. the objective may, for example, be maximization of output displacement or generation of a prescribed output path for a given input. secondly, mechanism properties such as the number of bars and joints, mechanical degrees of freedom, and connectivity are determined. this stage is called type synthesis and mainly focuses on topological questions. an elaborate type synthesis technique based on number synthesis is developed in 47, 48. finally, the exact dimensions of all the mechanical components are determined using optimization. this stage is called dimensional synthesis and is mostly related to geometrical questions. reviews on dimensional synthesis techniques are found in 37 and 29. although type and dimensional syntheses are normally separated in the engineering community, they are actually so closely connected that they should be treated at the same time. in this paper we will formulate an optimization problem to facilitate simultaneous topology and geometry design, i.e. simultaneous type and dimensional synthesis of articulated mechanisms.we then proceed to develop a convergent branch and bound method capable of solving the proposed problem to global optimality. the optimization problem will be a nonconvex mixed integer program with a potentially large number of integer and continuous variables. the design problem which will be formulated and solved in this paper can be stated as follows: “design an articulated mechanism with exactly one mechanical degree of freedom that given an external input force maximizes the displacement of a certain joint in a desired direction. furthermore, the mechanism should be able to function repeatedly, with certainty, and without using the flexibility of its members.” instead of using rigid bars and revolute joints in the analysis of the mechanism we propose to use a truss representation. by truss we mean an assemblage of straight elastic 大连水产学院本科毕业论文（设计） 移动装置的设 计 30 360 m. stolpe, a. kawam