两级剪叉式升降机设计及有限元分析.doc

毕业设计（论文）开题报告书课 题 名 称 两级剪叉式升降机设计及有限元分析 学 生 姓 名 王 潇 学 号 1041101072 系、年级专业 机械与能源工程系2010级 机械设计制造及其自动化专业 指 导 教 师 李 滔 2013 年 12 月 20 日一、课题的来源、目的、意义（包括应用前景）、国内外现状及水平1.1 课题来源剪叉式机构是一种存在两种工作状态的新型机构，它包括收纳状态和展开状态，在不用的时候可以收缩成体积很小的一捆以便于运输和储存，在使用的时候可以在现场方便、迅速地展开成型，既缩短了搭建时间，又提高了工作效率。剪叉式升降平台是一种固定式液压升降平台，其适用范围广，特别是在高空作业台，现代企业生产物流，大型设备的制造与维护以及航空装卸中应用最为广泛1。货物举升稳定性好，主要用于运送不同高度生产流水线间的货物，在生产线上与叉车等搬运车辆配套，以实现快速装卸货物，提高生产效率，降低工人劳动强度2。剪式升降平台机械结构复杂，在最恶劣的工况下，其最大应力不超过材料的许用应力是保证剪式升降平台整体实现其功能的必备条件。目前所使用的各种类型的升降机，主要是依靠液压系统来实现平台的升降以及货物的水平传送。当货物未在正确位置时，主平车通过发动机驱动液压马达，通过控制不同位置的液压马达旋转来完成货物在主平台上转动，以便实现货物的正确定位，再通过液压马达带动链条驱动主平台上的滚轮(钢滚轮或橡胶滚轮)，以便实现输送货物到桥平台上。然后由发动机驱动液压泵液压马达，通过剪叉式支撑臂进行升降前平台(桥平台)及后平台(主平台)，它是由一个或多个液压缸来完成平台的升降的。 1.2 课题目的、意义（包括应用前景） 剪叉式起升机构作为升降平台钢结构的关键组成部分，也是关键的受力部件，其力学特性会对平台性能产生直接影响。不管剪叉式升降平台型式多复杂，起升工作臂总是升降平台钢结构的主体，也是关键的受力件，其安全性能对正常作业具有重大的影响作用。民航行业所使用的液压升降机举升负荷大，对设备的可靠性要求高，对此关键性部件应当尤为关注。本文以两级剪叉式升降机构为研究对象，通过对模型简化分析并运用ANSYS软件对链接杆机构进行静力分析，验证理论分析的正确性，从而确定链接杆的应力和应变的薄弱点，为链接杆机构的优化设计提供科学的依据，其分析方法和结论可作为设计这类机械的参考。1.3 国内外现状及水平目前，气、液动剪叉式升降平台在民航、交通运输、冶金、汽车制造、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等行业逐渐得到广泛应用，诸如固定式液压升降平台，固定式液压升降货梯，剪叉式高空作业平台，固定式液压升降货梯，高空作业平台，民航特种车辆的航空食品车、升降升降机、残疾人登机车。其采用的剪叉式机械结构，具有整体性强，稳定性好，坚实耐用，承载量大，升降平稳，安装维护简单方便，生产安全性好等特点，使升降台起升后有较高的稳定性，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，效率更高，更安全。因此，剪叉机构在各种升降平台中得到了广泛的应用。与此同时，经过近年来的不断努力，国产剪叉升降平台的质量有了较大提高。许多制造厂也已逐步扭转了一直以来只注重剪叉机构的破断强度，而对剪叉机构的疲劳强度重视不够的做法，开始下功夫提高剪叉机构在循环疲劳应力下的强度。因此，在目前国产剪叉升降平台可靠性不断提高的情况下，必须研制出相应的具有高破断强度、高疲劳寿命的剪叉升降平台。要保证剪叉机构的破断强度并使之不断提高，则要在加工工艺和材料的选择方面以及从设计角度来保证剪叉机构的质量，以使之具有最佳的工作状态，这已经在实际工作中成为各厂家共同关注的焦点。北京航空航天大学的杨毅、丁希仑推导出了一种五自由度的剪式单元的有限元模型，并对该有限元模型进行了静力分析和拓扑优化3；东南大学的刘树青、王兴松等人设计了一种剪式结构并对该机构进行了模态分析与仿真4；浙江工业大学的孙毅、施国凯等人对剪叉式机构进行仿真求解，并对该机构展开运动规律及展开形状进行了研究5；沈阳大学的王志学、刘一鸣等人运用折叠式机构设计了一种可收缩式的担架车机构6；长安大学颜卫亨等人对剪叉式折叠机构进行了系统的归类，并在此基础上对剪叉机构体系建立了稳定性判别标准7；天津大学朱海涛等人对新型折叠网架进行了刚度分析，并进行了样机的试验研究8；中国民航大学的解本铭等人利用有限元分析工具对所研制的液压平台车中所采用的剪叉式机构进行了结构模态以及实验应力分析9；昆明理工大学的孙东明等人对所研制对称驱动的重载剪叉式机构进行了受力和承载能力分析10；浙江省交通设计院的陈向阳对剪叉式折叠机构的整体刚度进行研究11；浙江理工大学的王维利用 Cosmos/Motion 对剪叉式升降台的设计及优化，并简化了升降台的设计工作，使设计计算结果更加准确12；兰州理工大学郑玉巧等人对剪叉式液压升降台的液压缸的位置进行了参数优化设计13； 国外收集到的文献则比较少，情况与国内基本相似，但更侧重于剪叉式机构新结构的研究，美国学者 Hachem，E.Karni，A.Hanaor 等人从仿生学的角度探讨了机构变异演化的可能性14；Y.Chen，Z.You，T.Tarnai 等人合作研究提出了一种三折对称式剪叉式新机构15；希腊学者C.J.Gantes 研究了采用离散型铰链构造拱形稳定结构的设计问题16；W.Chen，G.Fu 提出了一种大跨度平面形变异演化网格新结构的概念设计17；C.Gantes 等人针对剪叉式机构构成的空间结构形式的非线性特征，发现了一种新的设计方法对空间剪叉式机构进行设计和分析18；W.Shan 对剪叉式机构的受力方法进行了研究，推导出了剪叉式机构的空间刚度矩阵19；A.S.K.Kwan 对剪叉机构的动力学方面力与位移的关系进行了研究20；日本学者 T.Langbecker 研究了演化型剪叉式机构的运动学分析问题21。提高使用寿命和持久工作能力已是实际生产中必须解决的问题，也是完善整个剪叉升降平台机械系统的关键，这也定了本课题对剪叉机构进行研究分析的必要性。 参考文献1苑伟政,马炳和.微机械与微细加工技术M.西安;西北工业大学出版社.2000.2孙毅.对称驱动剪式升降平台设计及研究D.(昆明);昆明理工大学,20123 杨毅，丁希仑剪式单元可展机构静力学分析与拓扑优化设计中国机械工程， 2010，21(2)：184-189 4 刘树青，王兴松，朱正龙一种剪式可展结构设计与动力学分析机械设计，2011， 28(10)：55-60 5 孙毅，施国凯，董铭锋等平面多连杆折叠机构抛物线赋形的设计实现机械设 计，2009，26(2)：46-48 6 王志学，刘一鸣，贾连斌等折叠式担架车机构创新设计机械设计,2010，27(8)： 7 颜卫亨，计飞翔，张茂功折叠机构体系及类型建筑科学与工程学报，2006， 23(4)：70-71 8 朱海涛，刘锡良折叠网架计算模型分析与试验天津大学学报，1999，32(1)： 1-59 姜梅惠剪叉式液压升降机构有限元及实验应力分析：中国民航大学硕士学 位论文天津：中国民航大学，2007，9-51 10 孙东明，董为民，李珊对称驱动的重载剪叉式升降平台的设计机械设计与制 造，2006，(6)：23-24 11 陈向阳，关富玲折叠结构几何非线性计算力学学报，2000，17(4)：435-440 12 王维基于 Cosmos/Motion 的剪叉式液压升降台设计及优化机械工程师，2011， (8)：63-64 13 郑玉巧，张堆学，毛建军等剪叉式升降台液压缸位置参数优化设计机床与液 压，2010，38(20)：39-41 14 C. Hachem，E. Karni，A.HanaorEvaluation of biological deployable systems International Journal of Space Structures，2005，20(4)：189-200 15 Y. Chen，Z. YouT. TarnaiThreefold-symmetric bricard linkages for deployable structures.International Journal of Solids and Structures，2005，42：2287-2301 16 C. J. Gantes，E. KonitopoulouGeometric design of arbitrarily curved bi-stable deployable arches with discrete joint sizeInternational Journal of Solids and Structures，2004，(41)：5517-5540 17 W. Chen，G. FuA new design conception for large span deployable flat grid structuresInternational Journal of Space Structures，2002，17(4)：293-299 18 C. Gantes，A. Giakoumakis，P. VousvounisSymbolic manipulation as a tool for of deployable domesComputers and Structures，1997，64(1-4)：865-878 19 W. ShanComputer analysis of foldable struturesCompt struct，1992，42：903-912 20 A. S. K. Kwan，S. PellegrinoMatrix formulation of micro-elements for deploya- ble structuresCompt Struct，1994，50：237-254 21 T. LangbeckerKinematic analysis of deployable scissor structures.International Journal of Space Structures，1999，14(1)：1-15 二、课题研究的主要内容、研究方法或工程技术方案和准备采取的措施2.1 课题研究的主要内容 （1）了解剪叉式升降机的基本工作原理，根据分析绘画出两级剪叉式升降机结构装配图，然后对举升结构进行力学分析，根据虚功原理计算出举升油缸推力的最大值，然后对举升油缸安装位置进行优化。 (2）计算剪叉式升降机最大受力位置和最大受力大小。 （3）设计剪叉式液压升降台系统的液压控制系统和升降台的倾斜装置，保证安全方便的卸载货物。 （4）对最大受力部件建立有限元模型,运用ANSYS分析软件对链接杆机构进行静力分析，通过静力学实验对链接杆机构进行应力检测，并对链接杆机构进行静力学分析。对实验结果进行分析，从实验的角度来验证理论研究的正确合理性。2.2 研究方法或工程技术方案 液压剪叉式升降台是由主机液压系统电气系统等几大部分组成。剪叉式升降机采用在现场应用中出现了举升能力不够理想对油缸驱动要求过大等现象，因此，有必要在对剪叉式举升机构进行运动学力学分析的基础上，对其关键参数进行校核与优化。 对举升结构力学分析，建立剪叉式升降机举升机构力学分析模型如图：根据虚功原理：式中: F为单个举油缸推力; G为举升机构台面载荷; L为剪叉杆两端轴销孔中心连线长度; a为油缸IJ上安装点与剪叉杆DH左轴销孔距离; ,b为油缸IJ下安装点与剪叉杆AE左轴销孔距离; 为各个剪叉杆与水平线夹角。根据该式，可求得整个举升过程中任意时刻举升油缸的推力。 根据举升油缸的推力来确定优化油缸结构的位置，再设计出液压控制系统控制升降台的上下安全，急停和倾斜，保证货物运输的安全和卸载的方便。利用虚功原理，计算分析出举升油缸推力的最大值，并找出升降机剪叉臂的最大受力位置和最大受力大小，再通过ANSYS软件对推力最大位置链接杆进行有限元分析。2.3 核心问题及准备采取的措施 核心问题就是要找出两级剪叉式升降机找出最大受力位置和大小。并研究如何对其结构进行优化改进，计算出举升油缸推力的最大值，对举升结构进行优化设计，然后再对油箱的安装位置进行分析，最后对举升油缸安装位置优化。最后建立有限元模型，利用ANSYS软件进行有限元分析。 措施：（1）对剪叉臂进行受力分析，求出每个铰接点的力 （2）对举升结构力学分析，建立剪叉式升降机举升机构力学分析模型，利用虚功原理，计算分析出计算出举升油缸推力的最大值以及求出升降机剪叉臂的最大受力位置和最大受力大小，最后举升油缸安装位置优化。 （3）建立有限元模型，利用ANSYS 软件对链接杆进行有限元静应力分析。三现有基础和具备的条件3.1 现有基础 要对剪叉式升降机设计及优化，首先是利用工程力学和材料力学所学载荷强度校核、弯矩、扭矩、刚度、和材料结构；通过材料力学和工程力学中的用失效应力除以安全系数，就可以得到许用应力便可以建立强度条件： ，选择合适的材料。 空间展开式机动平台在工作情况下，主要受力部件剪叉臂有可能会受到轴向压力、弯矩扭矩、横向载荷的影响。判定剪叉式机构的强度是否满足要求，可以计算出剪叉机构的强承载能力。运用胡克定律推导出受压剪叉臂的变形量 l的计算公式： = F/A=E=El/L l=FL/EA以及柏利公式计算出临界应力，计算出剪叉臂的弯曲强度和刚度，来判断剪叉臂的承载能力，计算分析出最大受力位置和大小。最后建立剪叉式升降机举升机构力学分析模型，根据虚功原理：计算出举升油缸推力的最大值，对举升结构进行优化设计，然后再对油箱的安装位置进行分析，最后对举升油缸安装位置优化。3.2 具备的条件 通过材料力学和工程力学等理论知识对剪叉式升降机的剪叉臂的稳定性进行了分析，计算分析出了最大受力位置和大小，然后利用电脑中的ANSYS软件建模对链接杆进行有限元静应力分析。相关的绘图软件如cad，SolidWorks,，ansys等等，学校图书馆可以查阅相关文献资料和一些外国的文献。计算校核需要科学计算器、电脑资料查询、绘图工具。一些相关课程书籍如：机械原理、机械设计、工程力学、材料力学、液压传动等。3.3基本要求 1升降机在最低位置时，要求其最大所占空间为：长1000mm，宽600mm，高400mm。升降机最大高度1300mm，最大承重1500Kg。升降机工作平台要求方便货物拖动，同时工作台要能倾斜，自动转移货物。 2不少于2.5张A0图纸（折合后）。4、 总的工作任务，进度安排以及预期结果4.1 总的工作任务 （1）了解剪叉式升降机的基本工作原理和现状，绘画出两级剪叉式升降机结构装配图； （2）剪叉臂受压强度，刚度和稳定性分析； （3）剪叉臂受弯强度，刚度和稳定性分析； （4）计算出举升油缸推力的最大值，对举升结构进行优化设计，然后再对液压缸的安装位置进行分析，最后对举升油缸安装位置优化； (5)液压控制系统的设计，液压系统要满足以下要求：在上升状态下，升降台能平稳上升。在下降状态下，升降台的速度稳定，平稳下落，无冲击。在断电的情况下，升降台能固定在某处，不出现因重力和载荷共同作用而突然下落，造成意外事故，或者使升降台继续下降，回到起始点。并通过所设计液压