子母剪式举升机

.子母剪式举升机设计 摘要本设计在考虑典型的汽车举升机的结构形式和实际工况条件基础上，依据有限元、虚拟装配技术及结构优化设计等理论，建立举升机Pro/E三维实体模型，CAD作图，并进行虚拟装配，获得举升机在载荷工况作用下的应力、应变及变形状况，进一步提高举升机的稳定性及安全性。关键词子母剪式举升机 Pro/E CADShear type elevator machine design Authors: Chu Bin（Grade 07,Class1,Major machine design manufacture and autormation，school of Mechanical Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi）Tutor: He Ya Juan Abstract：The design of the car lift in considering the structure of the typical form and on the basis of actual working conditions, based on finite element method, structural optimization of virtual assembly technology and design theory, the Lift Pro / E three-dimensional solid model, CAD Mapping, and the virtual assembly, access to lift the load under conditions of stress, strain and deformation conditions, to further improve the stability and safety of lift. Key words：Picture Scissor Lift Pro / E CAD目录第1章 绪 论11.1 选择背景、研究目的及意义11.2 国内外研究现状21.2.1 举升机的发展历史21.2.2 国内外研究状况21.3研究内容及研究方法31.3.1 研究内容31.3.2 研究方法3第2章 剪刀式举升机结构设计42.1 举升机结构确定42.1.1 举升机整体结构形式及基本组成42.1.2 举升机各零部件之间的连接关系52.2 确定剪刀式举升机的各结构尺寸52.2.1 建立轿车模型52.2.2子母剪式举升机主要结构尺寸确定62.4 电机的选用82.5 剪刀式举升机各部件重量82.6 本章小结10第3章 剪式举升机机构建模113.1 剪刀式举升机构力学模型113.1.1 举升机构力学模型建立与分析113.1.2计算液压缸的推力123.2 举升机的力学分析与计算123.2.1 举升机最低状态时，各臂受力情况133.2.2 举升机举升到最高位置时，各臂受力情况143.2.3 剪刀式举升机构主要受力杆件强度校核计算143.2.4 连接螺栓的校核183.3 结构加强措施213.4 本章小结21第4章 液压系统和电气系统的选择234.1液压系统234.1.1 液压系统组成234.2 液压系统的选择254.2.1 汽车举升机液压系统设计要求254.2.2液压系统的设计264.3 液压缸的计算与选型274.3.1 液压缸的安装位置274.3.2 举升机液压缸推力及行程的确定284.3.3 液压缸的选型284.4 液压泵的计算与选型284.4.1 液压泵工作压力的计算294.4.2 液压泵功率的计算294.4.3 油泵流量的计算304.4.4 油泵的选型304.5 电气系统设计314.5.1电气系统组成314.5.2 电气系统控制设计324.5.3 电动机类型的选择344.5.4 功率344.5.5 电动机的选择与验算35第5章 结 论37致 谢38参考文献39.第1章 绪 论1.1 选择背景、研究目的及意义近年来，我国汽车业蓬勃发展,尤其是轿车行业，多年来轿车进入普通家庭的梦想已经成为现实，汽车维修行业也随之得到大力发展，汽车举升机是现代汽车维修作业中必不可少的设备，无论整车大修，还是小修保养，都离不开它。在规模各异的维修养护企业中，无论是维修多种车型的综合类修理厂，还是经营范围单一的街边店（如轮胎店），几乎都配备有举升机。它的主要作用就是为发动机、底盘、变速器等养护和维修提供方便。举升机的重要性和普及性，决定了它是一种备受专业人士和经营管理者重视的设备。举升机一般有柱式、剪式的，其驱动方式有链条传动，液压传动，气压传动等。目前，使用的汽车剪刀式举升机可能发生汽车坠落的原因较多，有安装基础不牢、自锁装置失效、举升臂变形、两侧举升臂上升速度不等、液压油路爆裂、汽车拖垫打滑等，经过对失效的剪刀式举升机进行检测分析发现,这些事故的主要原因往往是设计上存在着缺陷，如果做工不好或者设计不好就容易导致台面不平、导致单边升降等危险发生，因此，进一步提高剪刀式举升机产品的性能与可靠性，是国内举升机任重道远且亟需改进的地方。本设计采用计算机CAD/CAE 对剪刀式举升机进行结构设计，提高产品的综合性能和安全可靠性。计算机CAD/CAE技术是一种崭新的产品开发技术，是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展的一项计算机辅助工程技术。该技术一出现，立即受到了工业发达国家的有关科研机构和企业公司的极大重视，许多著名的制造厂商纷纷将计算机仿真技术引入各自的产品开发，取得了良好的经济效益。计算机CAD/CAE技术在一些发达国家,如美国、德国、日本等已得到广泛应用,应用领域极广，如汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、医学及工程咨询等多方面。目前,计算机CAD/CAE技术已在我国得到了应用与推广,主要在汽车、航天航空、武器制造、机械工程等方面。而从我国目前的情况来看,计算机CAD/CAE技术主要在汽车制造业和武器装备制造业中应用较为广泛,但只停留在初步应用阶段。现今，在我国利用CAD/CAE技术对汽车举升机进行设计研究还尚未见成果发表。只有将汽车举升机的工程实践和计算机CAD/CAE技术结合起来，才能真正加快汽车举升机产品的发展历程，为此，本课题基于计算机CAD/CAE技术平台，利用当前CAD/CAE领域内应用比较广泛的三维软件Pro/E、有限元软件ANSYS进行汽车举升机的强度、刚度、稳定性及动态特性等方面的计算机有限元分析与研究，可以代替剪刀式举升机物理样机的前期试验，为我国汽车举升机产品的设计、技术开发方面提供更多的理论参考，进一步提高国产汽车举升机的稳定性和可靠性，提高产品的市场竞争力。该设计的研究方法，也可应用于汽车举升机及其他新产品的研究开发中，可以缩短新产品研制周期，减少研制经费，提高设计精度和效率，对于国内举升机的发展具有重大的现实意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 举升机的发展历史汽车举升机在世界上已经有了将近90年历史。1925年在美国生产的第一台汽车举升机，它是一种由气动控制的单柱举升机，由于当时采用的气压较低，因而缸体较大；同时采用皮革进行密封，因而压缩空气驱动时的弹跳严重且又不稳定。直到10年以后，即1935年这种单柱举升机才在美国以外的其它地方开始采用。发展至今经历了许多的变化改进，种类也比较多，一般有柱式、剪式，其驱动方式有链条传动，液压传动，气压传动等。其中剪式举升机使用方便，占地空间较小，受到很多实力雄厚的特约维修站的欢迎，这也是未来举升机的发展方向。在市场上可以看到的型式各异、尺寸不同的举升机中，有一些特别适合于从事特殊类型的维修作业，也有少数的举升机适合进行一些其它的维修作业。1.2.2 国内外研究状况目前，发达国家（如美国）生产的汽车举升机质量较好、性能较稳定、设备操作简单，在经销商中口碑良好。我国的汽车举升机是20世纪90年代依据国外的产品技术生产的，国内最早研究剪式举升机的是上海宝得宝，1999年开始，宝得宝机型比较笨重，主要的质量问题集中在油管易爆和平台不同步，2000年后质量有了改进。但由于不是批量，所以价格偏高。到现在举升机市场已经拥有近百个中外品牌，产品系列成百上千。然而国内汽车举升机虽然也相对定型，但很多产品性能还不够稳定，故障多，可靠性差，外观不够美观，在产品设计、技术开发等方面都还有很多地方有待改进。剪刀式举升机是一个使用较广的举升机，在最近几年所有新销售的举升机中，至少二分之一都是这种类型的。这种设计之所以很流行，有几方面的原因的：一就是这种举升机安装起来很快，不需要大范围的开挖，也不需要对维修厂的整体布局进行一些永久性的变动。二是功能的多样性，它适用于大多数轿车的维修和保养。三是剪式举升机使用方便，占地空间较小。四是经济实惠，剪式举升机较为精密。 无论是维修多种车型的综合类修理厂，还是经营范围单一的街边店（如轮胎店）都适用。1.3研究内容及研究方法1.3.1 研究内容本设计在考虑典型的汽车举升机的结构形式和实际工况条件基础上，依据有限元、虚拟装配技术及结构优化设计等理论，建立举升机Pro/E三维实体模型，并进行虚拟装配，将关键零部件模型导入ANSYS软件进行有限元分析，获得举升机在载荷工况作用下的应力、应变及变形状况，进一步提高举升机的稳定性及安全性。设计中我们研究的主要内容如下： （1）子母剪式举升机工作原理与结构形式的研究与分析； （2）子母剪式举升机二维结构设计； 1.3.2 研究方法资料收集及总体方案制定举升机工作原理与结构形式分析举升机二维结构设计（对各个机构零件进行强度分析）整机虚拟装配撰写设计说明书 第2章 剪刀式举升机结构设计2.1 举升机结构确定2.1.1 举升机整体结构形式及基本组成此次课题设计的内容为子母剪式举升机，剪刀式举升机的发展较迅速，种类也很齐全。按照剪刀的大小分为大剪式举升机（又叫子母式），还有小剪（单剪）举升机 ；按照驱动形式又可分为机械式、液压式、气液驱动式；按照安装形式又可以分为藏地安装，地面安装。因为此次设计所要举升的重量为4.5t以下的轿车 ，所以采用子母剪式液压驱动举升机就完全可以。为了适合大小维修厂，对地基没有过多要求，地面安装即可。整体结构形式如图2.1所示。图2.1子母剪式举升机整体结构形式 子母剪式液压平板举升机由机架、液压系统、电气三部分组成。设置限位装置、升程自锁保护装置等以保证举升机安全使用，保障维修工人的生命安全。举升机由电气系统控制，由液压系统输出液压油作为动力驱动活塞杆伸缩，带动举升臂上升、下降、锁止。举升机一侧上下端为固定铰支座，举升臂由销连接固定在铰支座上。另一侧上下端为滑轮滑动，举升臂通过轴与滑轮连接。举升机在工作过程中，以固定铰支座一侧为支点，滑轮向内或向外滑动，使举升机上升下降，当达到适当的举升位置时，利用液压缸上的机械锁锁止。子母剪式举升机使用方便，结构简单，占地面积小，适用于大多数轿车、汽车的检测、维修及保养，安全可靠。2.1.2 举升机各零部件之间的连接关系举升机的工作是靠液压缸活塞杆的运动实现举升下降的。液压缸固定在下外侧举升臂上通过轴连接，活塞杆作用在上端轴上，轴直接连接两举升臂。如图2.1所示，活塞杆向外伸出时，带动举升臂向上运动。各举升臂必须相互联系，采用螺栓连接，图中左侧用轴连接，因各铰接处均有摩擦，所以采用润滑脂润滑。举升臂向上运动时，通过轴带动滑轮滑动，举升臂、轴与滑轮之间需使用键进行周向固定，力才能相互传递，滑轮轴上还放有套筒，并采用锁止螺钉进行轴向固定，轴两端用弹性挡圈固定，防止臂和滑轮外移；连接螺栓处用止动垫圈固定锁止；固定铰支座处用销链接，销通过锁止螺钉锁止；底座通过地脚螺栓固定于地面上；这样举升机才能正常工作。2.2 确定剪刀式举升机的各结构尺寸子母剪式举升机主要结构尺寸确定1、子母剪式举升机已知的主要技术参数如表2.2所示表2.2 主要技术参数技术数据数值单位举升重量4.5T举升高度2652000mm提升时间60S设上升时间为1min。实际升高1.15m，并且举升机在各高度工作时，都能自锁。2、 举升机压缩到最低位置时各部分尺寸1）支撑平台尺寸大剪举升平台由于车身全部停于平台台面，所以平台尺寸应大于汽车轴距，根据一般轿车轴距为2.6m左右，轿车轮胎直径一般不超过700mm，故取3000mm合适，外型高为70mm，实厚为15mm。 小剪举升平台根据轿车轴距为2.6m，轿车轮胎直径一般不超过700mm，为避免干涉，举升机小剪平台两端与轮胎边缘要有一定距离，取平台边距轮胎边缘之间距离为150mm，则平台外型长。平台宽一般为600mm左右，我们取平台宽为Bp=610mm。举升时，重量作用在整个平台上，力并不集中，所以平台不宜过厚，增加举升机重量，取外型高为50mm，实厚为10mm，只在四周加工凸台边缘。2）举升臂尺寸 大剪举升臂因大剪平台长La=3000mm，固定铰支座和滑动滚轮分别放于平台下，降低到最低点时举升臂不能超出平台边缘，取支座距平台边缘的距离为150mm。则固定铰支座与滑动滚轮之间距离Lb=3000-150*2=2700mm举升机压缩到最低位置时，举升机高为265mm,(底座到平台面的距离)。底座厚为15mm，滚轮直径D=50mm ，滚轮处轴径Dz=24mm ，为了避免滚轮直接磨损底座，设计时，加工滚轮滑道，滑道厚为10mm，滑道宽35mm，滑道长为750mm。上下两滚轮之间的距离为Hd=300-15*2-10-50*2=160mm根据勾股定理求举升臂长L ,求得L=2705mm，设举升臂宽110mm，厚为20mm。小剪举升臂因为小剪平台La=1600mm，固定铰支座和滑动滚轮分别放于平台下，大剪平台内，降至最低点时，内嵌于大剪平台内，固定铰支座和滑动滚轮要与平台有一定的距离，取支座距平台边缘的距离为150mm。则固定铰支座与滑动滚轮之间距离。举升机压缩到最低位置时，举升机高度为300mm,底座厚10mm，滚轮直径D=30mm，设计时，加工滚轮滑道，滑道厚为2mm，滑道宽35mm，滑道长为750mm。上下两滚轮之间的距离为Hd=300-10x2-17x2=246mm,根据勾股定理求举升臂长L ,求得L=1306mm，设臂宽90mm，厚为15mm。3、举升机升高到2.0m时尺寸变化举升机向上举升时，滑轮向内侧滚动，液压系统向上伸缩，固定铰支座和滑动铰支座之间距离缩短，平台与底座之间距离越来越大。举升机升高到2.0m时，大剪举升机升高1300mm，大剪举升机上下两滑轮之间的距离为Hg=1300-15*2-50*2-10=1160mm 因举升臂长L=2705mm，固定铰接处与滑轮之间的距离为Lb,由勾股定理得Lb=2444mm。 因为我们的举升臂宽为110mm，所以连接处螺栓轴径适当取Ds=30mm，滑动滚轮处轴径取Dz=15mm，滑轮总宽为30mm，与滑道实际接触尺寸为25mm，另外5mm为阶梯凸台,直接与举升臂接触，减小摩擦。2.3 举升机在地面上安装尺寸考虑到维修厂的地面情况，剪刀式举升机平放于地面就可以，采用地脚螺栓固定，举升机两端各焊接一三角台，便于汽车上升。根据轿车宽为1.75m，前后轮距平均为1.5m，左右两轮台内侧边缘之间的距离为800mm，举升机之间要有一定的距离供维修工人走动，为了满足以上尺寸要求，举升机平台之间的距离取900 mm ,平台长1600mm ，举升机左右结构完全相同，设备控制箱可以左右互换。如果举升机平台直接与汽车底盘接触，对汽车底盘磨损严重,所以平台上端放硬质橡胶，硬质橡胶块距边缘为20mm,则硬质橡胶长Lj=510mm， 宽Bj=150mm。举升机在地面安装情况如图2.5所示。 图2.5 举升机占地情况及安装示意图2.4 电机的选用子母剪式举升机举升重量4.5t，举升机自身及其附件的重量再加上一部分的余量为0.7t，所以取 W=5.2t 。举升平台上方放有汽车时，设计上升速度为 Vw = （2.1）S=2000-265=1735 (mm) 由公式（2.1）得 Vw=1.7-/60=0.0283m/s=1.70m/min 载车板上升功率: Pw= FwVw /60 （2.2）Fw=mg （2.3）其中m=4.2t，g=10N/kg 由公式（3.3）Fw =4.210 =42KNVw取1.70 m/min由公式（2.2）得 Pw= 421.70/60=1.190（KW）2.5 剪刀式举升机各部件重量 查工程材料手册所知，举升、起重机械的板形材料多用Q275钢。Q275钢的材料性能如下： 表2.3 Q275钢材料性能弹性模量泊松比抗拉强度密度200-220/GPa0.3490610/MPa7.85g/cm3质量基本计算公式9： （2.4）式中： W（kg）表示钢的理论质量 F（mm2）型钢截面积 L（m）钢材的长度 （g/cm3）所用材料钢的密度 1、平台的质量Wp=7.85*3.0*15*550/1000=194Kg因平台加工有较薄的边缘，所以计算时数据较多，取1.5倍余量，则实际质量Wp=194*1.5=290kg。 2、举升臂的质量Wb=7.85*2.7*110*20/1000=51.81kg在实际运用中，连接处都加工有加强肋，连接处还携带一些附件所以取举升臂质量为51.81kg。左侧和右侧举升机完全相同，每侧共有四个举升臂，则举升臂重量和为 Wbz=51.81*4=207.24Kg，取整Wbz=210Kg 3、底座重量在实图中举升机底座并非实体，但为了计算方便，我们按实体计算，则 Wd=7.85*3*15*550/1000=194.29kg，我们取底座重量为Wd=195kg。举升机总重Wz=2* (Wp+Wb+Wd)=1390kg。整理前面计算的数据如表2.4表2.4 剪刀式举升机主要技术参数举升重量4500kg举升高度2652000mm实际上升高度1735mm总宽2250mm总长5548mm平台长/宽4800/610mm举升臂长2705mm平台间宽1030mm上升时间60s下降时间40s电机功率1.19KW电源380V/50Hz额定油压18MPa整机重量1390kg滑轮移动距离260mm2.6 本章小结本章主要将剪刀式举升机的外型尺寸，各部分结构尺寸，各结构的安装位置确定出来，为后续的设计工作做好准备。在设计过程中我们参考了广力牌GL3.0/A小剪式举升机，上海繁宝剪式举升机， Jumbo Lift NT 剪式举升平台的设计，并根据现今社会上使用普遍的轿车种类的车身结构尺寸，确定了我所设计的剪刀式举升机的组成结构，包括控制机构、传动机构、执行机构，还有所需的零部件。本章还叙述了剪刀式举升机是如何运动的，实现举升，将车举到我们希望的高度。第3章 剪式举升机机构建模3.1 剪刀式举升机构力学模型剪刀式举升机构具有结构紧凑、承载量大、通过性强和操控性好的特点,因此在现代物流、航空装卸、大型设备的制造与维护中得到广泛应用。剪刀式举升机构作为举升平台钢结构的关键组成部分,其力学特性对平台性能产生直接影响。对于剪刀式举升机构来说,影响其力学性能的关键因素是举升油缸的安装位置。计算、分析剪刀式起升机构的传统方法通常为手工试算或整体有限元分析方法。但手工试算法精度不高,效率低;整体有限元分析法较适用于后期的验算分析,但在设计分析初期,存在建模困难和较难快速调整模型参数的问题。在建立力学模型时，我们利用MATLAB 软件所具有的强大矩阵计算功能,对影响剪刀式起升机构力学特性的关键参数展开研究,从而得到剪刀式举升机构的力学模型5。3.1.1 举升机构力学模型建立与分析举升机之所以斜置，是因为举升机右侧为固定铰支座，左侧为滑动铰支座，平台上放有荷载，举升机上升过程中，荷载重心相对前移，在高空中容易前翻，对工作人员十分危险，斜置安装可以抵制荷载前翻的情况。 为计算剪刀式举升机构内每个支架铰接点的内力和油缸推力,以研究该机构各内力、油缸推力与角之间的关系,并找出其最恶劣工况,我们将该机构拆分为4个独立的隔离体,分别对应该机构从上到下的各段剪叉杆5,如图3.4所示。 图 3.4 各剪杆受力分析图3.1.2计算液压缸的推力1、 举升机升高到2m时液压缸的推力举升机升高到2m时，tan=得=46.675o由式（3.1）得举升机的重心不变 F3和F4之间的距离为1103mm ，由式（3.2）和（3.3）求得F3 =11.705KN，则F4=4.45KN。将f=500mm 、d=250mm、=46.675o、F= F3 =11.7509KN代入式（3.4）中，我们得到P=136.643KN。2、举升机在最低点时液压缸的推力根据图（3.3）所示的举升机结构尺寸，可求出角度 , tan= 再根据式（3.1）， 解得将=5.49、=16.22、L=1306mm、f=500mm 、d=250mm代入到式（3.4）中，解得液压缸的最大推力为 P=324.08 KN。由前面分析可知，举升机在最低点时，此时液压缸的推力是整个举升过程中所需推力最大值，选择液压系统时根据推力最大值确定。3.2 举升机的力学分析与计算剪刀式举升机是一种可以广泛用于维修厂的举升机，具有结构紧凑、外形美观、操作简便等特点，只需用此种安全可靠的举升设备将汽车举升到一定的高度，即可实现对汽车的发动机、底盘、变速器等进行养护和维修功能。随着我国私家车保有量越来越大，此种型式的举升机需求量也会日益增大。本机主要性能参数为：额定举升载荷4.5t；在载重3.5t情况下，由最低位置举升到最高位置需60s；当按下下降按钮使三位四通阀右位接通，车辆由最高位置降到最低位置需40s；电动机功率1.02kW；举升机在最低位置时的举升高度为350mm，最大举升高度为1500 mm，工作行程为1150 mm。剪刀式举升机的结构型式有多种，本设计中的举升机结构系指液压驱动的小剪式举升机构。举升机构的传动系统为液压系统驱动和控制，由举升臂内安装的液压油缸实现上下运动，推动连接两侧举升臂的轴，使安装在上下位置的滑轮沿滑道滚动，实现举升机的上下移动。设备的主要部分有：控制机构、传动机构、执行机构、平衡机构和安全锁机构。分析剪式举升机不同举升高度的受力情况可知，在给定载荷下,举升机举升到不同高度时，所需油缸推力不同，各举升臂与轴所受的力也不同。为分析方便，在计算过程中，我们只分析举手机最低点和举升到最高位置的受力情况即可。 3.2.1 举升机最低状态时，各臂受力情况 1、与平台接触处的两铰接点的力学分析与计算由前一节分析可知，举升机在最低点时，举升机重量均匀的分布在平台上，平台钢结构和平台有效载荷之和Wz1所产生的重力直接作用在滑动铰支座和固定铰支座上。在最低点时，举升臂并不水平放置。存在一很小的角度。 tan=因很小，所以计算过程中我们可以将Wz1 近似看成作用在平台中心位置，Wz1为举升重量与平台重量之和，即WZ1=（3.5t+Wp ）g=（3.5+0.292）10=37.9kN g取10 N/kg因举升重量和平台质量之和由两侧举升机共同承受，所以代入式（3.2）和（3.3）中的W1只是Wz1的一半，W1=19.0kN 解得F3=F4=9.5KN2、 计算各举升臂的受力 图3.5 举升臂受力图图3.5为杆1的受力情况，F3 作用处为滑动铰支座，根据受力分析图列力和力矩平衡方程。方程如下:F3*1350+F5*1350=K6*80 K1=9.5-K5F3*1350+K2*80=K1*1350 解得 K2=16.9*K5-160.6K2+K6=0 K5=K5K1+K5=F3 K6=160.6-16.9*K5 分析计算结果，我们可以看到，k1,k2,k6三个未知量都与k5有关，只要确定出k5，其他就都能解出。观察图3-1 力学方案示意图，我们能够很快分析出，举升重量全部作用在平台上，在举升机起升瞬间，k5铰接孔处竖直方向分力很小，几乎为零，对杆件只起连接作用，我们将k5取0 N。 3.2.2 举升机举升到最高位置时，各臂受力情况举升机升高到2.0m时，举升机向内滑动260mm，两脚支座之间的距离为896.15mm。上下两滑轮之间的距离为1160mm。举升臂与水平方向夹角为=46.675o、液压缸与水平方向夹角为，液压缸推力P=136.643KN。 分析和计算方法同上。解得F3=13.5F3*1350+F5*1350=K6*580 K1=13.5-K5F3*1350+K2*580=K1*1350 解得 K2=2.3 *K5-31.4K2+K6=0 K5=K5K1+K5=F3 K6=31.4-2.3*K5 因举升到2.0m时，举升臂与水平方向夹角为=46.675o，所以竖直方向力和水平方向力应近似相等。取。则K1=13.5 K2=-34.13.2.3 剪刀式举升机构主要受力杆件强度校核计算1、位于上端的滑轮轴的强度校核滑轮轴通过滑轮与平台接触，作用在滑动端的力F3均匀作用在两个滑动轮上。滑动的两轮之间距离为405mm。滑动轮外侧与举升臂接触。举升机最低点时，对于滑轮轴而言，与举升臂接触处，相当于固定支点，即被约束。图3.9是滑轮轴的受力图、剪力图、弯矩图。由图可知，滑轮轴只受竖直方向力，没有水平方向的力，所以滑轮轴不发生扭转变形。我们从剪力图和弯矩图中还可分析出，在长度为405mm的线段内横街面上的剪力FQ=0，而弯矩M为一常数，这种只有弯矩的的情况，称为纯弯曲。所以长度为405mm的线段内只发生弯曲变形，而没有发生剪切变形。是弯曲理论中最简单的一种情况。由上面的计算可以知道，上滑轮轴在举升机升高到2.0m时，受力最大，F3=13.5，所以我们只校核举升机升到2.0m时的滑轮轴强度即能说明轴的强度是否合格。图3.9 滑轮轴的剪力图与弯矩图 对滑轮轴进行强度校核，轴的材料为45钢，抗拉强度 弹性模量E为 ， 一般取 。轴的直径d=24mm。查机械设计手册。（1）轴的弯矩图如图3.9所示。由图可知 ，最大正弯矩 M=（2）轴的强度校核式中：M为横截面上的弯矩W轴的抗弯截面系数经校核可以看出，轴的截面强度足够。2位于下端的滑轮轴的强度校核最下端轴的校核和最上端轴的校核方法一样，下端滑轮轴最低点和最高点时受力情况一样。受力图、剪力图、弯矩图如图3.10所示。 图3.10 下滑轮轴的剪力图与弯矩 下滑轮轴的材料也是45钢，抗拉强度。下滑轮轴受的力为：F5/2= ，轴的直径d=24mm。（1）弯矩图如图3.10所示由图可知 最大弯矩 (2 )下滑轮轴的强度校核校核后可得出轴的强度足够。3、对举升臂进行强度校核图3.11 举升臂1的剪力图与弯矩图 因举升臂为板材，近似梁。所以分析过程中，我们按梁的强度校核方法来分析举升臂。由图3.11举升臂的受力图可以看到，举升臂既有水平方向的力，又有竖直方向的力，并且两个方向的力在同一平面， 属拉伸（压缩）与弯曲组合变形11。我们将力进行分解，沿举升臂轴线方向和垂直轴线方向。举升臂的受力图、剪力图、弯矩图、轴力图如图3.11所示。由图所知，举升臂在中间截面组合变形最大11。举升臂的材料为Q275钢 ,抗拉强度 , 弹性模量 E=200220GPa ，L为举升臂长L=2700mm 。举升臂在最低状态时（），校核过程如下： 1）举升臂的弯矩图如图3.11所示举升臂最大负弯矩 2）确定举升臂1中性轴的位置截面形心距底边为 因举升臂1结构可近似一方钢，所以通过截面中心的中心线Z即为中性轴 3）截面对中性轴的惯钜4）举升臂的最大弯曲应力为5）最大轴向正应力截面积为，则正应力为6）校核举升臂的强度两种变形产生的总应力结果表明最大弯矩处截面强度足够。举升机升高到1.5m时的强度校核情况：（=46.675o）最大弯曲应力为轴力为：最大正应力为 总应力为强度充分满足条件（3）主推力轴校核图3.14 活塞杆推力轴弯矩图和剪力图因此轴只承受液压缸推力，推力垂直于轴线方向，为示图方便，我们将力竖直作用到轴上，两端固定处为支座处。因轴只受推力作用，属于纯弯曲情况，所以轴只发生弯曲变形。受力如图3.14所示: 轴的材料为40Cr，抗拉强度 ，轴径为60mm。举升机在最低点时,推力最大只校核此刻强度即可。（1）轴的弯矩图如图3.13所示。由图可知 ，最大正弯矩 M= (2) 轴的强度校核经校核轴的强度足够，加工加强肋合理。3.2.4 连接螺栓的校核螺栓在举升机中起连接作用，主要承受剪切变形。校核时只考虑剪切变形就可以。以下是对图2.4中的1、3、4处的螺栓进行强度校核。螺栓材料为Q235-A钢，许用剪切应力=98MPa。1、1处螺栓受的剪切力如图3.15所示图3.15 1处螺栓所受剪切力图（1）举升机在最低点时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为竖直方向承受的应力为根据第三强度理论 =53.89MPa满足强度要求。（2）举升到2.0m时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为竖直方向承受的应力为根据第三强度理论经计算满足强度要求2、3处螺栓受的剪切力如图3.16所示图3.16 3处螺栓所受剪切力图（1）举升机在最低点时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为竖直方向承受的应力为根据第三强度理论经计算满足强度要求（2）举升到2.0m时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为竖直方向承受的应力为根据第三强度理论经计算满足强度要求。3、5处螺栓受的剪切力如图3.17所示图3.17 5处螺栓所受的剪切力图（1）举升机在最低点时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为竖直方向承受的应力为根据第三强度理论经计算满足强度要求（2）举升到2.0m时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为竖直方向承受的应力为根据第三强度理论经计算满足强度要求。校核后的结果表明螺栓材料为Q235钢是符合要求的。3.3 结构加强措施由前面的力学模型中，我们能够看到，举升臂铰接孔处都受水平和竖直方向的力，这些力将对举升臂的强度造成严重影响。因举升臂无论是在最低位置还是在最高位置，都与水平方向成一定角度。分析时，我们沿举升臂轴线方向和垂直举升臂轴线方向进行力的分解，垂直举升臂轴线方向的力使举升臂产生弯矩变形（正应力）沿举升臂轴线方向的力使举升臂产生拉伸或压缩变形（拉或压）。两种应力变形使举升臂的弯曲强度受到严重影响。通过结构加强措施提高举升臂的弯曲强度。经前面的计算可知，举升臂铰接点处弯曲强度较集中，磨损严重，对结构进行改进。（1）可以在载荷作用点处，加一厚度为3mm的青铜衬套，套在铰接轴上，可有效地减小最大弯矩值，提高铰接点的强度，减小摩擦； （2）在铰接孔处加工凸台，使举升臂厚度加厚，增大举升臂的横截面积，减小举升臂压缩变形或拉伸变形。提高弯曲强度；（3）液压缸作用处不直接作用到举升臂上，中间通过焊接加强肋进行补偿。液压缸下端固定处轴上放有套筒，这样可以减小轴的磨损；（4）放置轴处的举升臂加工凸台，加厚举升臂尺寸，增大承载面积，并加工加强肋3.4 本章小结通过分析剪刀式举升机的结构特点,建立剪刀举升机机构的力学模型,并通过该模型对决定起升油缸最大推力的关键参数进行研究,得到合理的结果。本章还通过对各举升臂、主受力轴的受力分析与强度计算，来校核设计内容是否合理。并提出一些加强措施，使结构强度刚度充分满足条件。以上的计算与分析对提高剪刀式举升机系列化设计的效率和质量有明显的效果。 第4章 液压系统和电气系统的选择4.1液压系统4.1.1 液压系统组成液压系统是举升机的动力装置。它具有传递动力大、运动平稳、结构紧凑的特点。液压系统主要由液压发生机构、液压执行机构、液压控制调节机构和辅助装置等四大部分组成。1、液压发生机构液压泵它是由液压系统中供给有压力油的装置和压力传动的机械动力。它的作用是将原动机输入的机械能转换为流动液体的压力能。液压发生机构在液压系统中的位置和作用如图4.2所示。2、液压执行机构液压缸液压缸主要有缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置8。它是液压传动的执行机构又称液压机，其作用是将液能变为机械能的转换装置，这种装置有两种。此剪式举升机所采用的是液体压力能转变为直线往复运动机械能的单作用推力油缸。它既能节省动力、又能频繁地进行换向。液压发生装置泵液压执行机构缸活塞液压控制装置方向阀压力阀 图4.1 液压系统方框图像3、液压控制调节装置各种液压控制阀它是由来控制和调解液压系统中液油流动，方向、压力、流量和满足工况要求的装置。根据用途和特点控制可分为三类。方向控制阀用来控制液压系统中的油流方向和经由路径；根据实际情况利用单向阀或换向阀的作用来改变执行机构的运动方向和工作顺序；压力控制阀（包括溢流阀、减压阀和顺序阀等）用来控制液压系统的压力以满足执行机构所需要的动力或对液压系统起安全保护作用；流量控制阀（包括节流阀、调速阀、分流和集流阀），用来控制和调节液压系统中的流量，以满足执行机构工作时运动速度的要求。由于液压系统控制阀种类很多，为使用方便和结构紧凑，在设计时合理的将各种阀类元件组合在一起构成组合阀。（1）单向阀单向阀是用以防止液流倒流的元件。按控制方式不同，单向阀可分为普通单向阀和液控单向阀两类。普通单向阀又称止回阀，其作用是使液体只能向一个方向流动，反向截止。液控单向阀又称单向闭锁阀，其作用是使液流有控制的单向流动。液控单向阀分为普通型和卸荷型两类。液控单向阀的主要以下两种作用。1）保压作用当活塞向下运动完成工件的压制任务后，液压缸上腔仍需保持一定的高压，此时，液控单向阀靠其良好的单向密封性短时保持缸上腔的压力。2）支撑作用当活塞以及所驱动的部件向上抬起并停留时，由于重力作用，液压缸下腔承受了因重力形成的油压，使活塞有下降的趋势。此时，在油路串一液控单向阀，以防止液压缸下腔回流，使液压缸保持在停留位置，支撑重物不致于落下。（2）溢流阀溢流阀是节流阀与溢流阀并联而成的组合阀，它能补偿因负载变化而引起的流量变化。使用溢流阀的系统效率较高。因为采用溢流阀的系统，泵的供油压力随负载的增大而增加，能量损失小，系统发热少。（3）节流阀流量控制阀是通过改变节流口面积的大小，改变通过阀流量的阀。在液压系统中，流量阀的作用是对执行元件的运动速度进行控制。常见的流量控制阀有节流阀、调速阀、溢流阀等。溢流阀是结构最为简单的流量阀，常与其它形式的阀相结合，形成单向节流阀或行程节流阀。4、辅助装置管道、油箱、过滤器及控制仪表（1）液压管道液压管道是连接液压泵和液压动力机的通道，它们对液压机械的使用性能有很大的影响，在工艺安装过程上，除了进行细致的检查外，对管道布局必须平行垂直正齐。对液压系统中的任何一段管道或管件要求都能自由拆装，也必须按照其工艺过程和技术要求进行。关于压力控制回路和速度控制回路，是由液压元件所组成，可起到完成运动速度调节压力等特定作用。任何一种液压机械，不论其结构怎样复杂，它都是由基本回路构成的液压系统，只要熟悉和掌握这些基本回路，才能正确的使用和分析事故及故障发生的原因。 关于液压油的选择，一般液压传动系统都是选用普通液压油。常用的是20#机油，当气温低于-15oC时，应采用25#变压油或有条件的可选用14#稠化液压油。（2）滤油器在液压系统中，由于系统内的形成或系统外的侵入，液压油中难免会存在这样或那样的污染物，这些污染物的颗粒不仅会加速液压元件的磨损，而且会堵塞阀件的小孔，卡住阀芯，划伤密封件，使液压阀失灵，系统产生故障。因此，必须对液压油中的杂质和污染物的颗粒进行清理。目前，控制液压油清洁程度的最有效方法就是采用过滤器。过滤器的主要功用就是对液压油进行过滤，控制油的洁净程度。（3）油箱油箱的主要功用是储存油液，同时箱体还具有散热、沉淀污物、析出油液中渗入的空气以及作为安装平台等作用。油箱属于非标准件，在实际情况下常根据需要自行设计。油箱设计时主要考虑油箱的容积、结构、散热等问题。4.2 液压系统的选择4.2.1 汽车举升机液压系统设计要求汽车举升机液压系统，除要求能在一定的范围内从汽车两侧将汽车同步举升和下降外，还要求其能使汽车在任意高度停止并保持不动。以便不同身高的工人，在维修不同位置时可以任意调整高度，最方便的进行维修。因此，液压系统必须具有定位保持功能。另外，因汽车的重量较大，一但液压系统出现故障，举升机举升臂在汽车重力的作用下会迅速下滑，可能会对车下维修工人的生命安全造成威胁，举升机上面的汽车也有被摔坏的危险。所以，为了防止这样的情况发生，举升机必须具有机械锁装置。机械锁由分别安装在举升油缸外侧和活塞杆顶部与举升臂相联的销轴上的两根锯齿形齿条组成。安装在油缸外侧的齿条固定不动，而安装在销轴上的齿条则随活塞杆上下移动，并且能绕销轴做一定角度的摆动，已实现两根齿条的分离和啮合。当举升臂处于定位状态或液压系统出现障碍、油压低于一定数值时，动齿条就会在自身重力和弹簧力的作用下与静齿条啮合，机械锁锁死，使举升臂不会下滑，这样就确保维修工人和汽车不会出现危险。4.2.2液压系统的设计在设计过程中，要保证汽车被水平举起而不发生侧偏，两侧举升机上升过程中必须始终保持同一高度，活塞的运行速度必须时刻保持相等。举升机液压回路必须同步。 举升机的液压回路如图4.2所示，主要有两部分组成：机械锁回路、升降回路16。图4.2 汽车举升机液压控制回路1.左机械锁液压缸 2.右机械锁液压缸3. 两位三通电磁阀4.液压泵 5.溢流阀6.三位四通电磁阀 7.普通调速阀 8.比例调速阀 9. .左升降缸 10.右升降缸1、机械锁回路机械锁回路由油缸1、油缸2和两位三通电磁阀3组成。当电磁阀YA1得电时，两位三通电磁阀3左位工作，压力油进入液压缸1、2下腔，驱动活塞向上移动，将机械锁打开，此时举升臂可自由上升或下降。当YA1失电时，两位三通阀处于右位工作时，油缸下腔与邮箱直接相通，腔内油压为零时，油缸活塞在缸内弹簧和机械锁动齿条自重的作用下收回，机械锁闭合，举升臂被锁住，不能移动。此时工人可以进行各种维修工作。2 、升降回路升降回路由三位四通阀6、普通调速阀7、比例调速阀8、左升降液压缸9、右升降液压缸10组成。当三位四通阀6的YA2得电时，YA3失电时，油液上升，通过调速阀到达缸9、10。当YA2失电时，YA3得电时，两油缸下降。汽车举升机液压控制回路是用电液比例调速阀控制的同步回路，回路中使用了一个普通调速阀7和一个比例调速阀8.它们装在由多个单向阀组成的桥式回路中，并分别控制着液压缸9、10的运动，当两个活塞出现位置误差时，检测装置就会发出信号，调节比例调速阀的开度，使液压缸10的活塞跟上液压缸9的运动而实现同步。这种回路的同步精度较高位置精度可达0.5mm，费用低，系统对环境适应性强。下面是剪刀式举升机液压控制回路进行总结后的工作行程表4.1。表4.1 工作行程表电磁铁举升机上升举升机下降YA1+YA2+-YA3-+剪刀式液压系统设计的好坏，将直接影响举升的性能和效率。剪刀式举升机液压系统主要是举升液压系统。本次剪刀式举升机的设计主要偏重于机械结构的设计与ANSYS分析，而其液压系统所采用的液压泵、液压缸、液压阀等液压系统元件均为高度标准化、系列化与通用化且由专业化液压件厂集中生产供应。因此在本设计中只需要进行液压元件计算选型。其主要内容包括油缸的直径与行程、油泵工作压力、流量、功率以及各种相关控制阀的选型等。4.3 液压缸的计算与选型油缸是液压系统执行元件，也是举升机构的直接动力来源。通常油缸分为活塞式和浮拄式两类。活塞式均为单向作用，其缸体长度大而伸缩长度小、使用油压低（一般不超过14MPa）。浮拄式为多级伸缩式油缸，一般有25个伸缩节，其结构紧凑，并具有短而粗、伸缩长度大、使用油压高（可达35MPa），易于安装布置等优点。浮拄式油缸又分为单向作用式与双向作用式。双向作用式用油压辅助车厢降落，因此工作平稳，降落速度快。直推式倾卸机构多采用单作用多级油缸；而杆系组合式倾卸机构多采用单作用单级油缸。4.3.1 液压缸的安装位置由第三章对举升机力学结构模型的分析与建立，我们已经大致确定出液压缸的安装位置。d为液压缸下安装点与举升臂中心销孔距离(平行于举升臂) , f为上安装点与举升臂端销孔的距离, d= 250mm, f = 500mm。举升臂与水平面的夹角为，液压缸与水平方向之间的夹角为 由tan=举升机在最低点时，举升重量均匀分布在平台上。但当举升机开始工作向上举升时，左侧滑轮向内侧移动，上升过程举中举升重量不变，但相对举升机向上作用力方向，举升重物的质心前移，举升机向前倾，为防止发生前翻状况，液压缸活塞杆端作用在滑动轮一侧的上方举升臂上。4.3.2 举升机液压缸推力及行程的确定由前面的计算可知，液压缸所需的最大的推力为 P=324.08KN。液压缸行程的确定 ：我们所设计的举升机从最低位置300mm升高到2000mm，实际上升行程为1700mm。因举升机活塞杆与水平方向夹角与有如下关系：，当举升机在最低点时液压缸的长度。当举升机达到1500mm时， tan= 经计算得液压缸总长度为 ，则液压缸活塞杆伸长量为560mm，取600mm。（Hg=1900mm f=500mm d=170mm L=1306mm Lb=896mm） 4.3.3 液压缸的选型根据上述计算的液压缸安装距Sc和液压缸所需的最大推力P=324.08KN，查阅资料9举升机构液压缸选用双作用单级活塞杆缸HSG-L-180/901450-E2831-600-455。这种工程用液压缸主要用于各种工程机械、起重机械及矿山机械等的液压传动。4.4 液压泵的计算与选型举升机构常用油泵分为齿轮油泵与柱塞泵两类。齿轮泵多为外啮合式，在相同体积下齿轮泵比柱塞泵流量大但油压低。柱塞泵最大特点是油压高（油压范围1635MPa），且在最低转速下仍能产生全油压，固可缩短举升时间。中轻型举升机构上多采用齿轮泵，重型举升机构常采用柱塞泵。4.4.1 液压泵工作压力的计算 （4.1）液压泵的最大工作压力 （N/m2）；1液压缸的最大工作压力，（Mpa）； Mpa （4.2）式中： 油缸最大作用力，（N）；油缸横截面积，（m2）。由式（4.2）解得 MPa为液压泵的出油口到缸进油口处的压力损失。用调速阀及管路复杂的系统这里取,则=13.741.5mPa。4.4.2 液压泵功率的计算当忽略输送管路及液压缸中的能量损失时，液压泵的输出功率应等于液压缸的输入功率又等于液压缸的输出功率。但在实际工作中，机械损失和能量损失是不可避免的，在计算中，我们必须要考虑。液压泵的输出功率为： （4.3） 式中： 0 液压泵的输出功率（W） Pg液压缸的输出功率 (W) V液压缸匀速伸长的速度 (m/s)液压泵输出到液压缸的端的机械损失，取0.75液压缸中及管路能量损失，取0.7举升时间，(s)，取t=60s；由式（4.3）得 =6.17kW液压泵的输入功率 （4.4）P液压泵的输入功率液压泵的总效率 因我们所设计的举升机属于中轻型举升机，选择齿轮泵即可。齿轮泵的总效率一般为0.60.7，这里取0.65