千斤顶文献综述

文献综述题 目 螺旋千斤顶设计仿真综述学生姓名 专业班级 学 号 院 系 机 械 工 程 学 院指导老师 2012年12月螺旋千斤顶设计仿真综述摘要:该文首先着眼于千斤顶的应用、在国内外的发展现状及技术发展展望，然后概述了千斤顶的分类和特点。最后针对螺旋式千斤顶，对既定的一些主要性能参数进行了介绍，阐述了基于Solidworks三维软件的建模仿真的方法、原理等基本内容。关键词：螺旋式千斤顶；Solidworks建模；运动仿真1 千斤顶概述1.1 千斤顶的应用目前在生产实践中使用着各种各样的千斤顶1:(1)在建筑领域中应用的千斤顶主要有钢绞线千斤顶、松卡式千斤顶、穿心式千斤顶、掩护支架平衡千斤顶、预应力前卡式千斤顶、预应力张拉千斤顶、窄空间小吨位千斤顶等等；(2)在汽车运输维修部门应用的千斤顶有螺旋千斤顶、液压千斤顶、充气千斤顶等许多种类；(3)在医疗卫生部门应用的有X线刀机械微调千斤顶。(4)除此以外还有应用在其他领域的一些千斤顶。1.2 汽车千斤顶的国内外发展概况汽车千斤顶是汽车保养、维修不可缺少的主要举升工具。随着我国国民经济和汽车工业的发展,小轿车的产量逐年递增,轿车普遍进入平民百姓的家庭生活将成为社会发展的趋势,这使得千斤顶的需求量日益增大。因此对千斤顶技术的进一步研究,生产出外形美观、安全可靠、使用方便的高性价比产品显得尤为重要。1.2.1 国外发展情况早在20 世纪40 年代,卧式千斤顶就已经开始在国外的汽车维修部门使用2,但由于当时设计和使用上的原因,其尺寸较大,承载量较低。后来随着社会需求量的增大以及千斤顶本身技术的发展,在90 年代初国外绝大部分用户已以卧式千斤顶替代了立式千斤顶。在90 年代后期国外研制出了充气千斤顶和便携式液压千斤顶等新型千斤顶。充气千斤顶是由保加利亚一汽车运输研究所发明的,它用有弹性而又非常坚固的橡胶制成。使用时,用软管将千斤顶连在汽车的排气管上,经过1520 秒,汽车将千斤顶鼓起,成为圆柱体。这种千斤顶可以把115t 重的汽车顶起70cm。Power-Riser 型便携式液压千斤顶则可用于所有类型的铁道车辆,包括装运三层汽车的货车、联运车以及高车顶车辆。同时它具有一个将负载定位的机械锁定环,一个三维机械手,一个全封闭构架以及一个用于防止杂质进入液压系统的外置过滤器。另外一种名为Truck Jack 的便携式液压千斤顶则可用于对已断裂的货车转向架弹簧进行快速的现场维修。该千斤顶能在现场从侧面对装有70t-125t 级转向架的大多数卸载货车进行维修,并能完全由转向架侧架支撑住。它适用于车间或轨道上无需使用钢轨道碴或轨枕作承。21.2.2 国内发展情况我国千斤顶技术起步较晚,由于历史的原因,直到1979 年才接触到类似于国外卧式千斤顶这样的产品。但是经过全面改进和重新设计,在外形美观,使用方便,承载力大,寿命长等方面,都超过了国外的同类产品,并且迅速打入欧美市场。经过多年设计与制造的实践,除了卧室千斤顶以外,我国还研制出了新型折叠式液压千斤顶、快速升降千斤顶等多种千斤顶。目前我国出口的千斤顶已达到门类、规格齐全,形成系列产品。1.3 千斤顶技术发展展望随着我国汽车工业的快速发展,汽车随车千斤顶的要求也越来越高;同时随着市场竞争的加剧,用户要求的不断变化,将迫使千斤顶的设计质量要不断提高,以适应用户的需求。用户喜欢的、市场需要的千斤顶将不仅要求重量轻,携带方便,外形美观,使用可靠,还会对千斤顶的进一步自动化,甚至智能化都有所要求。如何充分利用经济、情报、技术、生产等各类原理知识,使千斤顶的设计工作真正优化?如何在设计过程中充分发挥设计人员的创造性劳动和集体智慧,提高产品的使用价值及企业、社会的经济效益? 如何在知识经济的时代充分利用各种有利因素,对资源进行有效整合等等都将是我们面临着又必须解决的重要的问题。所幸科技的进步,知识的更新,尤其是当今计算机技术发展的日新月异为千斤顶设计质量的进一步完善和提高,甚至突破提供了有力的支持。如充分利用计算机资源,从系统优化的角度进行设计和价值分析,可以大大缩短产品设计周期,提高产品质量和技术性能,降低成本,取得显著的经济技术效益。在设计过程中,为了使设计更直观、更方便,不仅可以使用AutoCAD 技术辅助进行设计,还可以结合功能强大的三维造型软件Pro/ ENGNEER 来进行实体建模和分析;而针对千斤顶设计过程中所需要进行的各种计算,可以考虑将有限元分析方法应用到其元件和系统中;将系统优化设计和价值分析等现代设计方法运用到千斤顶的开发当中,也是今后在千斤顶的设计中必须考虑的问题。总之,从发展的观点看,我们应充分利用计算机技术来促进千斤顶技术的进步,并合理运用高科技、前沿知识使千斤顶技术更上一层楼。2 千斤顶的分类及工作原理根据传动类型的不同,可分为机械传动千斤顶和液压传动千斤顶。32.1 螺旋千斤顶螺旋千斤顶作为一种传统的机械式千斤顶,广泛应用于起重、运输、装卸、安装及某些特殊的工艺操作。它通过齿轮传动,使螺杆旋转,带动套筒或举臂升降,从而达到起重或顶压的目的。其特点为:起重高度小,起重量大。例如锥齿轮螺旋千斤顶,它打破了传统的螺旋式机械千斤顶采用螺杆作螺旋运动而螺母固定的传统方式。在工作时,手柄或手轮转动,通过一对锥齿轮传动,使螺母作水平转动,带动螺杆上下移动。由于螺母在垂直方向上受底座的定位限制,因此手轮或者手柄始终在垂直面内旋转,且旋转中心位置不随螺杆上下而改变,从而保证了系统的稳定性。直接传动式电动千斤顶也属于机械传动式千斤顶,整个装置包括一具有传动螺杆的千斤顶、一配备减速齿轮箱的电动马达、一套设于传动螺杆上的轴承、一由操作者操作的电源开关,其特征在于电动马达与千斤顶之间设置一扭力释除装置,且它们的动力输出轴位于同一中心线上。它能够稳定、安全、迅速的将车辆或重物举起,尤其可让女士单人使用与操作,可以作为各种车辆的修车必备工具而随车携带。液压千斤顶是一种将密封在油缸中的液体作为介质,把液压能转换为机械能从而将重物向上顶起的千斤顶。它结构简单,体积小,重量轻,举升力大,易于维修,但同时制造精度要求较高,若出现泄漏现象将引起举升汽车的下降,保险系数降低,使用其举升时易受部位和地方的限制。传统液压千斤顶由于手柄、活塞、油缸、密封圈、调节螺杆、底座和液压油组成。它利用了密闭容器中静止滚体的压力以同样大小向各个方向传递的特性。优点:输出推力大;缺点:效率低。2.2 液压千斤顶液压千斤顶的技术发展十分迅速,目前已研制一种多功能液压千斤顶,它改用防倾单向阀,配用一套可在缸体外上下滑动离合的带钩复合杠杆, 其结构为短杆、长杆及至少一只圆环组成的活动销体,调节杆头制有两面顶尖, 配备一可套杆顶的弧形角槽顶头,能较圆满地实现全方位定心推顶、系索吊拉、安全拉拔内外圆轮盘、高质无损弯管等多项功能,每一项功能都显著超过原来的单项器具,分合自如,灵巧多用,普通千斤顶也容易回收改造制成, 是机械、修理等有关行业普遍适用、高效多能的轻便工具。除此之外,还有新型的折叠式液压千斤顶,额定起重量1000kg ,托盘高度135385mm ,整机重量仅715kg ,是轿车、吉普车、客货两用车的通用维护工具。其原材料主要是钢铁,由冲压件、金加工件、密封圈等组装而成。3 螺旋千斤顶的性能参数螺旋千斤顶的性能约束主要有螺纹副的耐磨性能、螺纹副的自锁性、螺杆的弯扭组合强度、螺纹有效圈数、螺杆的稳定性、螺纹牙的剪切与弯曲强度、螺套的拉伸强度、 螺套凸缘部分的挤压和弯曲强度及手柄的剪切和弯曲强度等。边界约束主要有螺纹的公称直径、螺距,、螺纹副的旋合长度、手柄孔的直径等。4,5,6,7,8(1) 耐磨性条件锯齿形螺纹工作高度h: h=0.75P根据手动螺旋千斤顶传动螺纹副滑动速度较低, 及螺母和螺杆材料等条件, 查取许用比压p :计算比压为: p=FP(d-0.75P)hHp(2) 螺纹的自锁条件螺旋升角:=arctanPd2=arctanP(d-0.75P)当量摩擦角v= arctan uv , uv 为螺纹副当量摩擦系数。自锁条件为:v-(11.5), 即arctanP(d-0.75P)v-(11.5)(3) 螺杆的强度条件螺纹危险截面面积A为: A=(d-1.736P)24螺杆所受转矩T :T=Ftan(+v)(d-0.72P)/2当量应力为: ca=1AF2+34Td12=1AF2+34Td-1.736P2式中, F 为千斤顶最大起重量, 单位为N.查表, 确定许用应力 .当量应力应小于许用应力, 即: ca (4) 螺纹牙剪切强度条件按机械性能较弱的螺母材料进行计算:螺母的外径D 等于螺杆外径d : D = d螺纹牙根厚b: b= 0. 75P螺纹旋合圈数z : z = H / P查表取得许用剪切应力 .按剪切强度进行计算: =FDbz=Fd0.75PH/P,.(5) 螺纹牙弯曲强度条件同样, 取机械性能较弱的螺母材料进行计算。按弯曲强度进行计算:b=3F(D-D2)Db2z=3F(d-d2)Db2z=3Fd-d-0.75PDb2z对静载, 许用应力应取较大值。(6) 螺杆的稳定性条件确定螺杆的柔度值: = L/i式中,为螺杆的长度系数, L为螺杆的总长度, i为螺杆危险截面惯性半径, i= d1/4.螺杆的长度系数根据螺纹副固定形式取值。值小于许用值 , 即: .(7) 螺杆公称直径取值范围查机械设计手册, 取d 值范围为: 20 mm d 650 mm.(8) 螺母最大高度( 螺纹啮合长度) 范围: 30 mm H 280 mm.(9) 螺纹螺距取值范围查机械设计手册, 得P 值范围为2 mm P 24 mm.4 基于solidworks软件的实体建模及运动仿真随着计算机应用技术的发展,计算机仿真已成为现代极为重要的科研手段,在可行性论证、工程设计和寻求最佳方案等方面发挥着重要作用。目前,运动仿真已经向三维实体化发展,SolidWorks 就是基于Windows 平台的三维实体造型软件,具有强大的特征建立能力和装配控制功能。为了方便用户进行二次开发, SolidWorks 提供了OLE 应用程序开发接口SolidWorksAPI ,用户可以使用它和支持OLE 编程的开发工具,如VB ,VBA ,C 及VC + 等对SolidWorks 进行二次开发,建立适合用户需要的专用SolidWorks 运动仿真模块。94.1 运动实体的建模与装配4.1.1 实体建模在SolidWorks 中,向装配体中添加的构件(单个零件或子装配体) 有两种建模方法:手工建模和程序建模。10对于形状简单的构件,如杆、滑块等,可以使用程序建模的方法,实时生成所需的实体模型;对于形状复杂的零件,如齿轮、齿条、槽轮和凸轮等,可逐一用手工进行建模,完成后统一保存在磁盘上,需要时再添加到装配体中。不论用哪种方法进行建模,构件在添加到装配体之前必须先保存到磁盘上。4.1.2 SolidWorks装配介绍SolidWorks中，装配体的零部件可以是独立的零件，也可以是其它的装配体子装配体。在大多数情况下，零件和子装配体的操作方法是相同的。零部件被链接（而不是复制）到装配体文件，装配体文件的扩展名为“.sldasm”。装配体文件中保存了两方面的内容：一是进入装配体中各零件的路径，二是各零件之间的配合关系。一个零件放入装配体中时，这个零件文件会与装配体文件产生链接的关系。在打开装配体文件时，SolidWorks要根据各零件的存放路径找出零件，并将其调入装配体环境。所以装配体文件不能单独存在，要和零件文件一起存在才有意义。11装配体设计有两种方法：“自下而上”设计方法和“自上而下”设计方法。“自下而上”设计方法是比较传统的设计方法。在“自下而上”设计中，先分别设计好各零件，然后将其逐个调入到装配环境中，再根据装配体的功能及设计要求对各零件之间添加约束配合。由于零部件是独立设计的，与“自上而下”设计法相比，使用“自下而上”设计法可以使用户更能专注于单个零件的设计工作。“自上而下”的设计方法从装配体中开始设计，允许用户使用一个零件的几何体来帮助定义另一个零件，或者生成组装零件后再添加新的加工特征，进一步进行详细的零件设计。4.2 基于solidworks软件的运动仿真4.2.1 运动参数的存储和管理运动仿真不仅要求对构件的运动状况进行仿真,还应当求解构件的位移、速度及加速度等运动参数。仿真过程中,每个运动构件都会产生大量的运动参数,有必要对这些参数进行统一的存储和管理。124.2.2 运动参数的处理不同的机构有不同的运动规律,每种机构的位置可以通过求解逐一得出。12但是,仅仅得出各构件的位置参数是不能满足运动仿真的需要的,速度(角速度) 和加速度(角加速度) 的参数同样重要。4.2.3 运动仿真的实现通过前面的计算,所有构件的运动参数都已经存入数据库,要实现构件的实体运动仿真,只需以相同的时间间隔,按顺序从数据库中提取各个构件的位置参数,再参照第2 部分的方法,遍历装配图,调用SetXForm() 函数设置各构件的位姿矩阵,刷新屏幕,即可实现虚拟现实情况下的构件运动。13,14参考文献1陈燕 欧阳加强.千斤顶技术的研究现状与展望.华南理工大学机电工程系(),2002,04.2韩凤卿. 卧式千斤顶及其某些设计问题. 机电工程,1990 , (4) :14. 3尚久明,李国斌,赵歧华.一种新型千斤顶的设计. 起重机运输机械,2007(12). 4王朝宗.考虑弹性变形的大负荷螺纹的强度计算.舰船科学技术，1990，03.5郝子军. 螺旋千斤顶的改进设计. 山东交通科技，1997，03.6郝子军. 螺旋千斤顶的设计计算. 筑路机械与施工机械化，1998，02.7宋瑞银. 螺旋千斤顶螺纹副优化设计. 贵州工业大学学报( 自然科学版),2001,08.8朱艳笛. 手动千斤顶螺旋传动的优化设计. 科技情报开发与经济，2004，第5期，第14卷. 9基于SolidWorks的机构运动仿真研究10陆海涛.基于优化设计的螺旋千斤顶三维零件库的建立.现代机械,2006,第5期.11谢海东，王军.基于SolidWorks 新型卧式千斤顶设计. 机械产品开发与设计,2010,第五期. 12蔡慧林,戴建强,席晨飞.基于SolidWorks 的应力分析和运动仿真的研究. 机