剪叉式液压升降机运动学和力学分析及三维造型【含CAD图纸、三维PROE模型】

本科生毕业设计(论文)题 目: 液压升降机运动学和力学分析及三维造型英文题目: Kinematics and mechanics analysis and three dimensional modeling of hydraulic lift系 :专 业:班 级:学 生:学 号:指导教师 1: 职称:指导教师 2: 职称:-1-声 明本 人 郑 重 声 明 ： 所 呈 交 的 论 文 是 本 人 在 指 导 教 师 的 指 导 下 进 行 的 研究 工 作 及 取 得 研 究 结 果 。 论 文 在 引 用 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 的 研 究 成 果 时 ，已 经 作 了 明 确 的 标 识 ； 除 此 之 外 ， 论 文 中 不 包 括 其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写的 研 究 成 果 ， 均 为 独 立 完 成 。 其 它 同 志 对 本 文 所 做 的 任 何 贡 献 均 已 在 论文 中 做 了 明 确 的 说 明 并 表 达 了 谢 意 。学 生 签 名 ： _ 年 月 日导 师 1 签 名 ： _ 年 月 日导 师 2 签 名 ： _ 年 月 日本科生毕业设计(论文)题 目: 液压升降机运动学和力学分析及三维造型英文题目: Kinematics and mechanics analysis and three dimensional modeling of hydraulic lift系 :专 业:班 级:学 生:学 号:指导教师 1: 职称:指导教师 2: 职称:北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）声 明本 人 郑 重 声 明 ： 所 呈 交 的 论 文 是 本 人 在 指 导 教 师 的 指 导 下 进 行 的 研究 工 作 及 取 得 研 究 结 果 。 论 文 在 引 用 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 的 研 究 成 果 时 ，已 经 作 了 明 确 的 标 识 ； 除 此 之 外 ， 论 文 中 不 包 括 其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写的 研 究 成 果 ， 均 为 独 立 完 成 。 其 它 同 志 对 本 文 所 做 的 任 何 贡 献 均 已 在 论文 中 做 了 明 确 的 说 明 并 表 达 了 谢 意 。学 生 签 名 ： _ 年 月 日导 师 1 签 名 ： _ 年 月 日导 师 2 签 名 ： _ 年 月 日北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-1-摘 要升 降 机 是 一 种 将 人 或 者 货 物 升 降 到 某 一 高 度 的 升 降 设 备 。 在 工 厂 、 自 动 仓 库 等 物流 系 统 中 进 行 垂 直 输 送 时 ， 升 降 机 上 往 往 还 装 有 各 种 平 面 输 送 设 备 ， 作 为 不 同 高 度 输送 线 的 连 接 装 置 。 一 般 采 用 液 压 驱 动 ， 故 称 液 压 升 降 机 。本 次 本 是 对 液 压 升 降 机 进 行 设 计 ， 首 先 确 定 了 该 液 压 升 降 机 结 构 的 结 构 ； 接 着 调查 汽 车 尺 寸 建 立 汽 车 模 型 以 确 定 升 降 机 的 整 体 结 构 尺 寸 ； 其 次 建 立 了 升 降 机 构 的 力 学 模型 并 对 升 降 机 构 不 同 位 置 状 态 进 行 了 受 力 分 析 及 校 核 杆 件 、 销 轴 、 螺 栓 的 强 度 是 否 满足 要 求 ； 然 后 对 该 剪 式 液 压 升 降 机 的 液 压 系 统 及 电 气 控 制 系 统 进 行 了 设 计 ； 最 后 采 用AutoCAD 软 件 绘 制 了 该 液 压 升 降 机 的 装 配 图 及 主 要 零 部 件 图 ， 并 构 建 了 Pro/E 的 三 维 模型 及 运 动 仿 真 。通 过 本 次 设 计 ， 巩 固 了 大 学 所 学 专 业 知 识 ， 如 ： 机 械 原 理 、 机 械 设 计 、 材 料 力 学 、公 差 与 互 换 性 理 论 、 机 械 制 图 等 ； 掌 握 了 起 重 机 械 产 品 的 设 计 方 法 并 能 够 熟 练 使 用AutoCAD、 Pro/E 机 械 设 计 软 件 ， 对 今 后 的 工 作 于 生 活 具 有 极 大 意 义 。关 键 词 ： 液 压 ； 升 降 机 ； 剪 式 ； 三 维北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-2-Kinematics and mechanics analysis andthree dimensional modeling of hydraulic liftAbstractA lift is a lifting device to lift a person or goods to a height. In the factory, automatic warehouse and other logistics system for vertical transportation, the elevator is often also equipped with a variety of plane transportation equipment, as a different height of the transmission line of the connection device. It generally adopts hydraulic drive, hydraulic lift.The design of hydraulic elevator, first determine the structure of the hydraulic elevator structure; then survey - sized car vehicle model was established to determine the overall structure and dimension of the elevator; secondly, establishing the mechanics model of the lifting mechanism and of lifting mechanism of different position state of by force analysis and checking of the bar, a pin shaft, bolt strength whether meet the requirements; then the scissors hydraulic lifts, hydraulic system and electrical control system design. Finally, the software AutoCAD to draw the assembly drawing of the hydraulic elevator and main parts figure, and the construction of the three dimensional modeling and motion simulation of Pro / E.Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of hoisting machinery products and be able to skillfully use AutoCAD, Pro / E mechanical design software, for future work in life is of great significance.北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-3-Key words: Hydraulic; Lift; Shear type; Three dimensional北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-I-目 录摘 要 1Abstract.2引 言 .31 绪 论 .41.1 研 究 背 景 及 意 义 41.1.1 研 究 背 景 41.1.2 研 究 意 义 41.2 升 降 机 概 述 41.2.1 升 降 机 定 义 41.2.2 液 压 升 降 机 的 作 用 .41.2.3 液 压 升 降 机 的 特 点 .51.3 国 内 外 研 究 现 状 51.3.1 国 外 51.3.2 国 内 52 总 体 结 构 方 案 及 参 数 选 定 72.1 升 降 机 结 构 确 定 .72.2 确 定 各 结 构 尺 寸 .82.2.1 建 立 轿 车 模 型 82.2.2 主 要 结 构 尺 寸 确 定 .82.3 初 定 电 机 功 率 102.4 平 台 与 叉 杆 的 设 计 计 算 .112.4.1 确 定 平 台 的 结 构 材 料 及 尺 寸 112.4.2 确 定 叉 杆 的 结 构 材 料 及 尺 寸 123 受 力 分 析 与 校 核 计 算 .173.1 位 置 参 数 计 算 173.2 动 力 参 数 计 算 193.3 液 压 缸 布 置 方 式 的 分 析 .203.4 强 度 校 核 计 算 233.4.1 叉 杆 233.4.2 横 轴 26北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-II-3.4.3 连 接 螺 栓 的 校 核 .274 液 压 、 电 气 系 统 的 设 计 与 选 择 304.1 液 压 系 统 设 计 与 选 择 .304.1.1 液 压 系 统 设 计 要 求 .304.1.2 液 压 系 统 的 设 计 .304.2 液 压 缸 的 计 算 与 选 型 .314.2.1 液 压 缸 的 安 装 位 置 324.2.2 液 压 缸 推 力 及 行 程 的 确 定 324.2.3 液 压 缸 的 选 型 .334.3 液 压 泵 的 计 算 与 选 型 .334.3.1 液 压 泵 工 作 压 力 的 计 算 334.3.2 液 压 泵 功 率 的 计 算 344.3.3 油 泵 流 量 的 计 算 344.3.4 油 泵 的 选 型 354.4 电 气 系 统 设 计 354.4.1 电 气 系 统 控 制 设 计 354.4.2 电 动 机 的 选 择 与 验 算 .375 基 于 Pro/E 的 三 维 设 计 395.1 Pro/E 软 件 概 述 395.2 三 维 模 型 设 计 405.2.1 底 座 405.2.2 平 台 415.2.3 支 架 415.2.4 油 缸 425.3 三 维 装 配 设 计 42结 论 43参 考 文 献 44致 谢 .45北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-3-引 言 升降机是一种将人或者货物升降到某一高度的升降设备。在工厂、自动仓库等物流系统中进行垂直输送时，升降机上往往还装有各种平面输送设备，作为不同高度输送线的连接装置。一般采用液压驱动，故称液压升降机。除作为不同高度的货物输送外，广泛应用于高空的安装、维修等作业。升降机包括：固定升降机、牵引式升降机、车载式升降机、导轨式升降机和特殊形式的升降机等。液压升降机广泛适用于汽车、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，满足不同作业高度的升降需求，同时可配装各类台面形式（如滚筒、转盘、转向、倾翻、伸缩） ，配合各种控制方式（分动、联动、防爆） ，具有升降平稳准确、频繁启动、载重量大等特点，有效解决工业企业中各类升降作业难点，使生产作业轻松自如。要是通过液压油的压力传动从而实现升降的功能,它的剪叉机械结构，使升降机起升有较高的稳定性，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。它使高空作业效率更高，安全更保障。北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-4-1 绪 论1.1 研 究 背 景 及 意 义1.1.1 研 究 背 景工程机械是我国装备工业的重要组成部分。为了保证各种工程建设高速度、高质量、低成本施工的进行，工程机械是重要手段。现代化建设速度的快慢取决于工程建设的速度。工程机械发展水平的高低直接影响工程建设的速度，因此工程机械是世界工业发达国家的重点发展行业。我国的机械工业发展较晚，基础较差，但是经过多年的努力，从无到有，从模仿一般的小型机械到自主研发制造大型精密设备，我国的工程机械行业不断地发展为一个机械产品门类齐全，产品技术具有先进水平的工业体系15。剪叉式液压升降台具有结构简单、承载量大、安装空间小、自动化程度高且易于实现集中控制等特点，因此在现代物流、航空、自动化生产线等场合中得到广泛应用17。剪叉式升降平台是应用非常广泛的一种升降装置，剪叉式升降平台的结构决定了其功能和特点，具有结构稳固、运行可靠、安全高效、故障率低、维护方便等一系列优点，因此广泛用于车站、码头、桥梁、大厅、厂房、室内外机械安装、设备维修、建筑保养等场合。1.1.2 研 究 意 义升降机不论是在工业生产还是我们的日常生活中都有着非常重要的作用。给我们带来许多便捷、便利。升降机有许多特色的功能，电梯在我们生活中的好多地方都会用到，升降机就如电梯的性能大同小异，我们在升降机的使用过程中也可以针对自己的需求对升降机的具体参数进行设置。升降机在我们生产中的应用非常普遍，可见升降机在我们的生活中的重要性。然而在我们生产中升降机也有着非常重要的作用，尤其是货物高空操作。1.2 升 降 机 概 述1.2.1 升 降 机 定 义升降机是一种将人或者货物升降到某一高度的升降设备。在工厂、自动仓库等物流系统中进行垂直输送时，升降机上往往还装有各种平面输送设备，作为不同高度输送线的连接装置。一般采用液压驱动，故称液压升降机。除作为不同高度的货物输送外，广泛应用于高空的安装、维修等作业。升降机包括：固定升降机、牵引式升降机、车载式升降机、导轨式升降机和特殊形式的升降机等。1.2.2 液 压 升 降 机 的 作 用液压升降机广泛适用于汽车、集装箱、模具制造，木材加工，化工灌装等各类工业企业及北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-5-生产流水线，满足不同作业高度的升降需求，同时可配装各类台面形式（如滚筒、转盘、转向、倾翻、伸缩） ，配合各种控制方式（分动、联动、防爆） ，具有升降平稳准确、频繁启动、载重量大等特点，有效解决工业企业中各类升降作业难点，使生产作业轻松自如。1.2.3 液 压 升 降 机 的 特 点升降平台升降系统是靠液压驱动的，所以叫做液压升降台。是一种多功能的装卸机械设备。它主要广泛适用于模具制造，化工罐装以及集装箱，汽车之类的各种工厂企业及生产流水线。液压升降平台可以满足于不同作业高度的升降需求，配装各类台面形式，采用合适的控制方式，使得升降是平稳准确，可以频繁启动，且承载量大，从而能够有效的解决工业企业中各类升降作业时的难题，方便生产。1.3 国 内 外 研 究 现 状1.3.1 国 外当前国外制造升降平台的国家比较多，如意大利、芬兰、美国、英国等国家。国外升降平台生产在有的国家已有几十年的历史，升降平台在机械产品中占有相当大的比重。根据叉臂的数量分单节和多节升降平台，还有固定式（图 1.1） 、超低式（图 1.2） 、移动式（图 1.3）等各种型式。目前升降平台的驱动力多用液压驱动，在仓库、航空、工业、码头等场所广泛运用。特别在高空作业升降平台及商业货物平台中己形成系列化的生产，如英国起重有限公司，他们根据各类仓库的装卸需求，生产适应商业货物系统方面不同型号的升降平台，大部分高空作业搬运作业其技术先进。还有 Geda 公司的 Multilift 系列施工升降平台，这台施工升降机可以通过电子显示装置对“高度预定控制系统”进行操作。通过该系统，要使升降平台轻松地停靠在不同高度，操作员只需简单的按钮操作就可。该升降平台配有嵌入式的控制装置，使升降平台的急停急走不再发生。美国专家 Hashem 等根据剪叉式液压升降机的特点提出采用并联连接剪叉臂的结构形式，之前的升降机主要是串联连接剪叉臂，串联连接限制了其工作台面的增加，并联连接不仅可以增加工作面积，还能够大大增加其稳定性1-2。1.3.2 国 内随着中国城镇化的扩展，道路，桥梁等基础设施的建设不断增多，需求不断扩大，升降平台以及升降机的种类需求也不断增加。而且近几年，液压升降平台发展正处在一个发展的高峰期，并且逐步向产业化和集群模式发展。现在不管是在建筑工地、市政施工、企业、工业、工厂、装潢、酒店还是私家庭院，升降机以及是到处可见，使用也是非常广泛。因此，升降平台市场发展前景广阔。我国升降平台市场进入高速发展阶段，有望保持高速发展态势。北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-6-目前国外生产升降机比较知名的企业有爱知公式、JLG 公司和 Alter 公司等。在国内主要有山东济阳和江苏镇江两大生产基地。比较知名的国内企业有徐州重工，浙江定力和京城重工等企业 6。国内的升降平台的制造起步比国外的晚，但是近几年的发展相对较为迅速，主要表现在产品种类的不断增加。如沈阳北方交通中共集团研制了 54m 的高空消防救援车。目前，徐州重型机械有限公司正在研发 80m 的高空消防车，在此之前，它已经成功研制了 22-68m 的高空消防救援车。杭州爱知公司也研发完成了绝缘型高空作业车。在剪叉机构的强度、刚度方面的研究，郭克希等人通过对剪叉式机构的演变方式的分析对比，得到了变异剪叉结构，并对该结构进行了研究，通过对该空间展开式剪叉机构的强度分析，得出了该机构的关键结构尺寸，从而设计出一种新型的能够广泛应用于各种特殊的场合的机动平台9。胡小舟等人分析了剪叉式升降机的受力，建立了其力学模型，然后利用 Matlab 软件进行分析，研究了影响油缸最大推力的关键参数10。张荣敏等人对剪叉机构的结构参数进行了分析，并利用 ANSYS /APDL 的优化设计模块对剪叉臂进行结构优化分析，得出剪叉臂的最优参数11。邓宏光等人根据剪叉式升降平台的结构特征，建立了起升结构的力学方程，并确定了起升结构的关键参数12。北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-7-2 总 体 结 构 方 案 及 参 数 选 定2.1 升 降 机 结 构 确 定此次课题设计的内容为剪切式液压升降机，剪切式升降机的发展较迅速，种类也很齐全。按照剪切的大小分为大剪式升降机（又叫子母式） ，还有小剪（单剪）升降机 ；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 2t 以下的轿车 ，所以采用小剪式液压驱动升降机就完全可以。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 液压升降机整体结构形式剪切式液压平板升降机由机架、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升降机安全使用，保障维修工人的生命安全。剪切式升降机有两组完全相同的升降机构，分别放于左右两侧车轮之间，因两侧结构完全相同，可以左右互换。升降机由电气系统控制，由液压系统输出液压油作为动力驱动活塞杆伸缩，带动两侧举升臂同时上升、下降、锁止2。升降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。升降机在工作过程中，以固定铰支座一侧为支点，滑轮向内或向外滑动，使升降机上升下降，当达到适北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-8-当的举升位置时，利用液压缸上的机械锁锁止。剪切式升降机使用方便，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3。2.2 确 定 各 结 构 尺 寸2.2.1 建 立 轿 车 模 型根据丰田和大众轿车的车身信息确定一个使用较广的车模：它的车身参数有车身长 4.7m，宽 1.75m，高 1.5m，轴距 2.1m，前后轮距平均为 1.5m，车自重 1.5t，该轿车模型集丰田轿车外型，奥迪外型，大众车系于一体，具有较广的代表性。2.2.2 主 要 结 构 尺 寸 确 定（1）剪切式升降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 3 T举升高度 3502000 Mm提升时间 60 S要求升降机的提升速度是经 1min 时间内升降机能升高到 1m，实际升高 1.65m，并且升降机在各高度工作时，都能自锁。设计过程中参考了广力牌 GL3.0/A 小剪式升降机，上海繁宝剪式升降机，Jumbo Lift NT 剪式举升平台的外形及运动形式。（2）升降机各部分尺寸（a）支撑平台尺寸因剪切式升降机放于两轮胎之间的下部，所以升降机在使用过程中要保证升降机不能与轮胎发生干涉2 。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，升降机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 500mm600mm 左右，我们取平台宽为La=260-35102=6 mBp=550mm。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，增加升降机重量，取外型高为 70mm，实厚为 15mm，只在四周加工凸台边缘，平台尺寸如图 2.2 所示。北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-9-图 2.2 平台尺寸（b）举升臂尺寸因平台长 La=1600mm，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，与汽车相干涉，所以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 。Lb=160-52130 m升降机压缩到最低位置时，升降机高为 350mm,(底座到平台面的距离)。 如图 2.3 所示底座厚为 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 根据勾股定理求举升臂长 L , 求得Hd=350-12=50 m2250=b()L=1306mm，举升臂宽 110mm，厚为 20mm。图 2.3 升降机压缩到最低点时的状态（3）升降机升高到 1m 时尺寸变化升降机向上举升时，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。升降机升高到 1m 时，升降机上下两滑轮之间的距离为 ，因举升臂长 L=1306mm，固定铰接处与滑轮之间的距离Hg=20-1532=190m 为 Lb,由勾股定理得 ，则 Lb=896.15mm，滑动轮滑动距离 Lx=1300-220Lb()896.15=403.75mm。升降机升高到 1m 时，结构状态如图 2.4 所示。北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-10-图 2.4 升高到 1m 时升降机主视图和左视图因我们的举升臂宽为 110mm，所以连接处螺栓轴径适当取 Ds=30mm，滑动滚轮处轴径取 Dz=24mm，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 初 定 电 机 功 率剪切式升降机举升重量 2t，升降机自身及其附件的重量再加上一部分的余量为 0.8t，所以取 W=3.8t 。初定电机功率，不考虑工作过程损失。举升平台上方放有汽车时，设计上升速度为 Vw = （2.2）tSS=2000-350 =1650 (mm) 由公式（2.2）得 Vw= =0.0275m/s=1.65m/min 1.650载车板上升功率 Pw= （2.3）FwVFw=m g （2.4）其中 m=4.6kg， g=10N/kg 由公式（2.4）北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-11-Fw =3.8 10 =38 KN Vw 取 1.65 m/min由公式（2.3）得 Pw= =1.04（KW） 取381.6501.WPK整理前面计算的数据如表 2.4。表 2.4 剪切式升降机主要技术参数举升重量 2000kg举升高度 3502000mm实际上升高度 1650mm总宽 2000mm总长 2060mm平台长/宽 1600/550mm举升臂长 1306mm平台间宽 900mm上升时间 50s下降时间 40s电机功率 1.1KW电源 220V/380V/50Hz额定油压 18MPa整机重量 800kg滑轮移动距离 896.15mm2.4 平 台 与 叉 杆 的 设 计 计 算2.4.1 确 定 平 台 的 结 构 材 料 及 尺 寸平台位于升降台的最上部，是支撑件的组成部分。汽车能够在升降台上平稳的停放就是平台起了关键的作用。在进行维修作业之前首先得驶上平台。需要说明的是平台并不是一个简单的钢板，而是在下面有滑道，因为升降台叉杆臂上有滑轮，滑道的作用就是使滑轮在滑道内来回滑动，使升降台完成举升和回落动作。下底板也如此，如下图 4-1。北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-12-图 4-1 下底板结构简图根据上面汽车尺寸参数，确定平台的长度为 2600mm，宽度 450mm，材料采用热轧钢板。其形状见图纸。需要说明的是平台并不是一个简单的钢板，而是在下面有滑道，因为升降台叉杆臂上有滑轮，滑道的作用就是使滑轮在滑道内来回滑动，使升降台完成举升和回落动作。叉杆是升降台最主要的举升部件，是主要的受力机构。对其设计的成功与否关系到整个设计工作的成败，选材 45 号钢，热轧钢板。叉杆的外形图如图 4-2 所示。图 4-2 叉杆的外形图2.4.2 确 定 叉 杆 的 结 构 材 料 及 尺 寸对支撑叉杆进行受力分析：首先定义每根杆的名称编号，如图 4-3：图 4-3 支撑叉杆受力分析图对于杆 3、杆 4 的活动铰联接在水平方向上除了摩擦力没有其它外力，所以可以忽略不计，现在只考虑其竖直方向上的受力就可以了。经过分析杆 3 的受力情况如图：计算其最大弯矩及轴向力：经力学分析，当升降台处于最低位置， 时，所受弯矩最大，如图。52678maxWlcoscosMl.Nm当升降台处于最高位置， 时，30轴向力最大，如图北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-13-， （正值为拉力，负值为压力） 。1254DBWNsinN125BAN杆 4 受力情况同杆 3。下面再分析一下杆 1,对杆 1 作受力分析，如图对 D 点做力矩分析： ，可得 = -423AxPWllFlsinlcoscsin()AxF110.1N。计算弯矩，由上图可转化成下图来分析： 根据以上条件画弯矩图，如下：图 4-4 杆 1 弯矩图由此图可知，杆 1 的最大弯矩在 C 点。经计算当 时， 有最大值，即拥有最大弯矩，5cR同样此时也拥有最大的轴向力。首先将北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-14-，W=9800N ，P=11.6W（P 与 W 的关系值根据上述的公式5求得）代入以上各式，求得的值如下图：2cossin()i()lPa则 。215236maxABM(R)lNm计算轴向力，同样将杆 1 的受力分析图再转化为轴向力图分析，如图：经分析计算，CD 段受到的轴向压缩力最大， 。由于刚刚计算出的杆 3 与杆5492CDTN4 的最大弯矩和最大轴向力都小于杆 1 的值，故不对杆 3 杆 4 计算工作应力。计算杆 1 该状态下的工作应力，设叉杆横截面积 A=bh,如图： 则该状态下的工作应力为 max22651649,C sNhMbhAbn其中， 叉杆实际工作应力,材料许用应力，材料的极限应力，对于 45 号钢，为 340Mpa sn安全系数,一般为大于 1 的值，这里取 n=2。北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-15-根据经验初选 h=0.1m。由此式可以看出弯矩对工作应力 的影响较轴向力要显著的多，所以在计算时应以最大弯矩为主要计算对象。杆 1 所承受的最大工作应力。杆 1 的 C 截面拥有最大弯矩，即可以认为 C截面拥有最大的工作应力。我们按照最大工作应力来选取合适的叉杆截面。将 h=0.1m 代入上式：最大工作应力 。这里取 ，即叉杆的横截36517021.3.MPabmb25bm面为 100 25 。hb2m北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-16-3 受 力 分 析 与 校 核 计 算3.1 位 置 参 数 计 算由图 3-1 可知图 3-1 位置参数示意图（1）21/sin(cos),CLHll（2）22()co;T上式中：H任意位置时升降平台的高度；C任意位置时铰接点 F 到液压铰接点 G 的距离；L支撑杆的长度；支撑杆固定铰支点 A 到铰接点 F 的距离；lT机架长度（A 到 G 点的距离） ；活塞杆与水平线的夹角。以下相同。将（2）式代入（1）式，并整理得。 （3）221/()HLTCll设 代入（3）式得00/,/,H北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-17-。 （4）221/200()HTClLlC在（4）式中，升降平台的初始高度；0液压缸初始长度。双铰接剪叉式升降平台机构的运动参数计算：图 3-2 运动参数示意图图中， 是 F 点的绝对速度； 是 B 点绝对速度； 是 AB 支撑杆的速度；VV1是液压缸活塞平均相对速度； 是升降平台升降速度。由图 3 可知：1 21112,sin()sin(),coscs,in()FBllVLl（5）1si()LVl。在（5）式中，液压缸活塞平均相对运动速度；1升降平台升降速度；2北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-18-支撑杆与水平线的夹角。以下相同。3.2 动 力 参 数 计 算图 3-3 动力参数示意图图中，P 是由液压缸作用于活塞杆上的推力，Q 是升降平台所承受的重力载荷。通过分析机构受力情况并进行计算（过程省略）得出：升降平台上升时 coscosincostantan()( )sin()22icosLfLbfbbfl ； （6）升降平台下降时 coscosincostantan()( )sin()22icosQLfLbfbPbfl （6） 、 （7）式中，P液压缸作用于活塞杆的推力；Q升降平台所承受的重力载荷；f滚动摩擦系数；b载荷 Q 的作用线到上平板左铰支点 M 的水平距离。由于滚动轮与导向槽之间为滚动摩擦，摩擦系数很小（f=0.01）,为简化计算，或忽略不计，由（6） 、 （7）式简化为：。 cosin()PLl（8）北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-19-3.3 液 压 缸 布 置 方 式 的 分 析从直观的角度分析考虑，如下图： 杆 1杆 2图 3-4 液压缸工作示意图我们可以从图上看出，液压缸的尾部是连接在右侧支撑杆活动的区域的，液压缸的头部是连接在杆 1 的右端（偏向杆 1 的活动铰连接） 。因此，我们针对实际升降台剪叉机构中液压缸常用的布置方式存在的问题，提出了另一种相对布置方式，将液压缸布置在与之相对称的左侧，即与剪叉机构的固定支点在同一侧，来进一步分析讨论。（1）问题的提出液压缸驱动的剪叉机构再各种升降台中广泛应用，因安装的空间不同，其折合后的高度也必然就不同，所以液压缸在剪叉机构内的布置要受到折合后高度的约束。根据文献甘肃大学学报的有关液压缸驱动剪叉机构的运动学及动力学分析一章，得知在这种布置方式的情况下，如图：图 3-5 液压缸布置在左侧液压缸活塞运动速度与台面升降速度的关系式为（1） 2cos2in()yalv vl活塞推力与台面荷重的关系式为cssin()i()lPWa （2） 北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-20-式中，111sin,tatn,si(in2)2hlal d。以上两式的推导基于工程中常用的液压缸布置方式，即液压缸下支点与剪叉机构的固定支点在同一侧，如上图。这种布置方式的优点是液压缸的有效行程比较短，这在台面升程范围比较大的场合较为适用。存在的问题是在剪叉机构折合后的高度 h 较小的情况下（即 角较小） ，所需液压缸的推力将大大增加。在液压缸最高工作压力限定的情况下，这将使得所用的液压缸的直径增大，以致在折合后的剪叉机构中难以布置；或采用两个直径较小的液压缸取代一个大直径的液压缸，不过这将增加一对液压缸的支座，同时带来机械加工、液压缸安装以及液压系统的复杂性，加大了整个装置的成本。（2）两种布置方式的分析和比较为了解决以上提出的问题，可考虑将液压缸反向布置（即采用第一种设计方案） ，计算一下该方案的有关参数再将两者作以比较。如图：图 3-6 液压缸布置在右侧这里仍用瞬时速度中心法来求解活塞运动速度。杆上点、点的瞬时转动中心为 F点，D 点、A 点的速度为：2()vla台面升降速度： coscsyDvl点的运动速度：北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-21-()2cosyAlav活塞运动速度：（）()sin()2coAlv式中，11sini,ta()cohllL依据虚位移原理有：（）()0ixixixpypWFFzP由图分析可得：cos,sin()()i,2sinxyppwPlalayl经变分后：i()cos2pwyl代入式（） ，整理后得活塞推力：（）cos()in()lPWa式（）和式（）的正确性可以用机械能守恒原理来证明，即 yv将式（）与式（）进行比较，再 各参数都相同的条件下，显然，液压缸,ylaWv布置再右侧时的推力较液压缸布置在左侧时小；而式（）与式（）比较，则液压缸布置在右侧时的活塞速度较液压缸布置在左侧时高。可见，活塞推力的减小是以活塞速度的提高为代价换来的。液压缸布置在剪叉机构的右侧，使得液压缸的活塞推力减小，这就可以选用直径较小的液压缸，有利于液压缸在剪叉机构中的布置；带来的问题是液压缸的有效行程较长，如果台面升程范围不大，液压缸行程的增加也是有限的。3.4 强 度 校 核 计 算3.4.1 叉 杆对支撑叉杆进行受力分析首先定义每根杆的名称编号，如图：北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-22-对于杆 3、杆 4 的活动铰联接在水平方向上除了摩擦力没有其它外力，所以可以忽略不计，现在只考虑其竖直方向上的受力就可以了。经过分析杆 3 的受力情况如图：计算其最大弯矩及轴向力：经力学分析，当升降台处于最低位置， 时，所受弯矩最大，如图。5225678maxWlcoscosMl.Nm当升降台处于最高位置， 时，轴向力最大，如图30北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-23-， （正值为拉力，负值为压力） 。1254DBWNsinN125BAN杆 4 受力情况同杆 3。下面再分析一下杆 1,对杆 1 作受力分析，如图对 D 点做力矩分析： ，可得 = -423AxPWllFlsinlcoscsin()AxF110.1N。计算弯矩，由上图可转化成下图来分析： 根据以上条件画弯矩图，如下：北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-24-由此图可知，杆 1 的最大弯矩在 C 点。经计算当 时， 有最大值，即拥有最大弯矩，5cR同样此时也拥有最大的轴向力。首先将 ，W=9800N，P=11.6W（P 与 W 的关系值根据上述的公式 求得）代入以上各式，求得的值如下图：2cossin()i()lPWa则 。215236maxABM(R)lNm计算轴向力，同样将杆 1 的受力分析图再转化为轴向力图分析，如图：经分析计算，CD 段受到的轴向压缩力最大， 。由于刚刚计算出的杆 3 与杆5492CDTN4 的最大弯矩和最大轴向力都小于杆 1 的值，故不对杆 3 杆 4 计算工作应力。计算杆 1 该状态下的工作应力，设叉杆横截面积 A=bh,如图： 北 京 科 技 大 学 天 津 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）-25-则该状态下的工作应力为 max22651649,C sNhMbhAbn其中， 叉杆实际工作应力,材料许用应力，材料的极限应力，对于 45 号钢，为 340Mpa sn安全系数,一般为大于 1 的值，这里取 n=2。根据经验初选 h=0.1m。由此式可以看出弯矩对工作应力 的影响较轴向力要显著的多，所以在计算时应以最大弯矩为主要计算对象。杆 1 所承受的最大工作应力。杆 1 的 C 截面拥有最大弯矩，即可以认为 C截面拥有最大的工作应力。我们按照最大工作应力来选取合适的叉杆截面。将 h=0.1m 代入上式：最大工作应力 。这里取 ，即叉杆的横截36517021.3.MPabmb25bm面为 100 25 。hb2m3.4.2 横 轴选取套联在活塞杆端部的横轴，根据总体结构布局确定横轴长度需要 220mm，由于是单耳环联接，其内径 CD=50，横轴的外径也应为 50mm,但考虑到二者需要相对滑动，应使横轴的外径略小于 50mm,这里取 d=48mm。单耳环的宽度值 EW=60mm。将叉杆要联接到横轴处的孔进行加长处理，使两者接触面积适当的增大以减小弯曲应力及及剪应力。因此可按下图分析横轴所受应力：