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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 選題背景、研究目的和意義
近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)業(yè)蓬勃發(fā)展,尤其是轎車(chē)行業(yè)，多年來(lái)轎車(chē)進(jìn)入普通家庭的夢(mèng)想已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，汽車(chē)維修行業(yè)也隨之得到大力發(fā)展，各種維修設(shè)備的需求迅速擴(kuò)大， 汽車(chē)舉升機(jī)是維修廠(chǎng)必備的，也是最重要的維修機(jī)械。汽車(chē)舉升機(jī)一般分為立柱式和剪式兩種，無(wú)論哪一種，它的作用都是將需要維修的汽車(chē)水平提升到合適的高度，以便于維修工人在汽車(chē)底盤(pán)下方對(duì)汽車(chē)進(jìn)行維修，正因?yàn)榫S修人員要在汽車(chē)的下面，因此要求舉升機(jī)一定要安全可靠，否則一旦發(fā)生危險(xiǎn)，后果不堪設(shè)想。因此，對(duì)汽車(chē)舉升機(jī)的安全性進(jìn)行研究將具有重大的意義。
目前使用的汽車(chē)舉升機(jī)可能發(fā)生汽車(chē)墜落的原因較多，有安裝基礎(chǔ)不牢、自鎖裝置失效、立柱或拖臂變形、單側(cè)托臂突然下落、板式鏈斷裂、液壓油路爆裂、汽車(chē)拖墊打滑等，經(jīng)過(guò)對(duì)失效的舉升機(jī)進(jìn)行檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn),這些事故的主要原因往往是設(shè)計(jì)上存在著缺陷。因此，如何提高汽車(chē)舉升機(jī)設(shè)計(jì)上的穩(wěn)定性及可靠性是擺在我們面前的一個(gè)重要研究課題。
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是一種嶄新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)，是國(guó)際上20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，該技術(shù)一出現(xiàn)，立即受到了工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的有關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)公司的極大重視，許多著名的制造廠(chǎng)商紛紛將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入各自的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，它是建造物理樣機(jī)之前，通過(guò)建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字模型（即虛擬樣機(jī)）進(jìn)行仿真分析，并用圖形顯示該系統(tǒng)在真實(shí)工作條件下的運(yùn)動(dòng)特性，輔助修改設(shè)計(jì)方案。本課題研究利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)汽車(chē)舉升機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、可靠性及動(dòng)態(tài)特性等方面進(jìn)行研究與分析，修正設(shè)計(jì)上存在的缺陷，不僅可以為汽車(chē)舉升機(jī)的設(shè)計(jì)制造提供重要的理論依據(jù)，而且對(duì)于提高舉升機(jī)的安全性具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。該項(xiàng)目的研究方法，也可應(yīng)用于汽車(chē)舉升機(jī)新產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)中，可以縮短新產(chǎn)品研制周期，減少研制經(jīng)費(fèi)，提高設(shè)計(jì)精度和效率，與此同時(shí)該方法還可以被同類(lèi)產(chǎn)品所應(yīng)用與借鑒，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著汽車(chē)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車(chē)修理行業(yè)也迎來(lái)巨大的市場(chǎng)需求。在維修領(lǐng)域中，常以汽車(chē)舉升機(jī)作為重要工具。它的作用都是將需要維修的汽車(chē)水平提升到合適的高度，以便于維修工人在汽車(chē)底盤(pán)下方對(duì)汽車(chē)進(jìn)行維修，正因?yàn)榫S修人員要在汽車(chē)的下面，因此要求舉升機(jī)一定要安全可靠，否則一旦發(fā)生危險(xiǎn)，后果不堪設(shè)想。我國(guó)生產(chǎn)的舉升機(jī)性能還不算穩(wěn)定。舉升時(shí)存在保險(xiǎn)不可靠、舉升不平衡、鋼絲繩斷裂、橫梁脫落等。是影響舉升安全的不穩(wěn)定因素。因此加強(qiáng)舉升機(jī)的安全性和穩(wěn)定性是我國(guó)舉升機(jī)行業(yè)迫切解決的問(wèn)題。而本課題研究運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)車(chē)輛舉升設(shè)備的虛擬設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品制造之前運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行仿真研究，可以發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計(jì)缺陷，完善設(shè)計(jì)方案，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，為生產(chǎn)實(shí)際提供理論支持[2]。
舉升機(jī)在汽車(chē)維修養(yǎng)護(hù)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，無(wú)論整車(chē)大修，還是小修保養(yǎng)，都離不開(kāi)它。在規(guī)模各異的維修養(yǎng)護(hù)企業(yè)中，無(wú)論是維修多種車(chē)型的綜合類(lèi)修理廠(chǎng)，還是經(jīng)營(yíng)范圍單一的街邊店（如輪胎店），幾乎都配備有舉升機(jī)。舉升機(jī)的重要性和普及性，決定了它是一種備受專(zhuān)業(yè)人士和經(jīng)營(yíng)管理者重視的設(shè)備。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家（如美國(guó)）生產(chǎn)的汽車(chē)舉升機(jī)質(zhì)量較好、性能較穩(wěn)定、設(shè)備操作簡(jiǎn)單，在經(jīng)銷(xiāo)商中口碑良好。我國(guó)的汽車(chē)舉升機(jī)是20世紀(jì)90年代依據(jù)國(guó)外的產(chǎn)品技術(shù)生產(chǎn)的，到現(xiàn)在舉升機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)擁有近百個(gè)中外品牌，產(chǎn)品系列成百上千。然而國(guó)內(nèi)汽車(chē)舉升機(jī)雖然也相對(duì)定型，但很多產(chǎn)品性能還不夠穩(wěn)定，故障多，可靠性差，外觀(guān)不夠美觀(guān)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面都還有很多地方有待改進(jìn)。因此，進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能與可靠性，是國(guó)內(nèi)舉升機(jī)任重道遠(yuǎn)且亟需改進(jìn)的地方。
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在一些發(fā)達(dá)國(guó)家,如美國(guó)、德國(guó)、日本等已得到廣泛應(yīng)用,應(yīng)用領(lǐng)域從汽車(chē)制造業(yè)、工程機(jī)械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機(jī)械電子工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、醫(yī)學(xué)及工程咨詢(xún)等多方面。目前,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已在我國(guó)得到了應(yīng)用與推廣,主要在汽車(chē)、航天航空、武器制造、機(jī)械工程等方面。但從我國(guó)目前的情況來(lái)看,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)主要在汽車(chē)制造業(yè)和武器裝備制造業(yè)中應(yīng)用較為廣泛,但只停留在初步應(yīng)用階段。我國(guó)對(duì)于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)水平還很低,但是卻有很大的提升空間。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程中的應(yīng)用是通過(guò)界面友好、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的商業(yè)化計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前，在我國(guó)還沒(méi)有出現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)汽車(chē)舉升機(jī)進(jìn)行研究，只有將汽車(chē)舉升機(jī)的工程實(shí)踐和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合起來(lái)，才能真正加快汽車(chē)舉升機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展歷程，為此，本課題基于計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)，應(yīng)用當(dāng)前CAD/CAE領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的三維軟件Pro/E、有限元軟件ANSYS，進(jìn)行汽車(chē)舉升機(jī)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)特性等方面的計(jì)算機(jī)仿真研究與分析，可以代替舉升機(jī)物理樣機(jī)的前期試驗(yàn)，為我國(guó)汽車(chē)舉升機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、技術(shù)開(kāi)發(fā)方面提供更多的理論參考，進(jìn)一步提高國(guó)產(chǎn)汽車(chē)舉升機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
1.3 舉升機(jī)的發(fā)展方向與前景
對(duì)汽車(chē)維修保養(yǎng)行業(yè)而言，舉升機(jī)一定要安全可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單，否則在一定程度上會(huì)影響工作效率。而傳統(tǒng)的機(jī)械式舉升機(jī)安全性較差，所需的維護(hù)工作較多，已基本被液壓式舉升機(jī)取代。它具有安全性能好、維護(hù)周期長(zhǎng)以及工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。
國(guó)內(nèi)汽車(chē)舉升機(jī)品牌繁多，質(zhì)量高低參差不齊，除少數(shù)大型專(zhuān)業(yè)化企業(yè)具有較強(qiáng)的研發(fā)隊(duì)伍、完備地制造設(shè)施、完善地質(zhì)量監(jiān)控手段外，大多數(shù)生產(chǎn)廠(chǎng)場(chǎng)地狹小、制造設(shè)施落后、監(jiān)控手段單一。
國(guó)內(nèi)舉升機(jī)結(jié)構(gòu)上大同小異，在安全保護(hù)上也比較雷同。主要零部件有立柱、升降臂、液壓動(dòng)力單元、油缸、保險(xiǎn)。在安全保護(hù)裝置上，不能做到在任何時(shí)候都能起到作用。在智能化、人性化上涉及較少。
國(guó)外舉升機(jī)在結(jié)構(gòu)、選材上比國(guó)內(nèi)有優(yōu)勢(shì)外，在安全性上有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。國(guó)外舉升機(jī)在鋼絲繩斷裂、油管爆裂、下降過(guò)程意外情況等可能情況的安全研究和應(yīng)用都有涉足。
隨著汽車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)的日新月異，舉升機(jī)在設(shè)計(jì)方面越來(lái)越智能化和人性化，將會(huì)向遙控、電腦控制方向發(fā)展。同時(shí)隨著技術(shù)的不斷成熟，其標(biāo)準(zhǔn)也將逐步統(tǒng)一化。技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品將占領(lǐng)市場(chǎng)。
1.4 研究?jī)?nèi)容和研究方法
1.4.1 研究?jī)?nèi)容
主要內(nèi)容如下。
（1）雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)而為總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核；
（2）雙柱式舉升機(jī)Pro/E三維實(shí)體模型，并進(jìn)行虛擬裝配及干涉檢查；
（3）舉升機(jī)關(guān)鍵零件ANSYS有限元分析；
（4）舉升機(jī)液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
1.4.2 研究方法
（1）深入研究雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、工作原理及力學(xué)特性，建立雙柱式舉升機(jī)的數(shù)學(xué)模型，合理選取仿真分析的研究平臺(tái)；
（2）以三維建模軟件Pro/E為圖形平臺(tái)，建立雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)的三維實(shí)體模型并進(jìn)行虛擬裝配及干涉檢查；
（3）將雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)三維實(shí)體模型通過(guò)專(zhuān)用模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入ANSYS，獲得不同壓力場(chǎng)的應(yīng)力、應(yīng)變及位移分布狀況，具體流程如圖1.1所示。
通過(guò)上述研究方法，進(jìn)一步提高舉升機(jī)的穩(wěn)定性及安全性，可以代替舉升機(jī)物理樣機(jī)的前期試驗(yàn)，為舉升機(jī)設(shè)計(jì)提供理論參考[10]。
轉(zhuǎn)換接口
N
仿真結(jié)論分析
撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
是否合理
N
N
是否合理
Y
Y
Pro/E整機(jī)裝配及干涉檢查
調(diào)研、收集資料及總體方案論證
汽車(chē)舉升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核
ANSYS有限元分析
Pro/E三維實(shí)體建模
圖1.1 舉升機(jī)設(shè)計(jì)流程圖
第2章 雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 雙柱式舉升機(jī)概述
2.1.1 常用汽車(chē)舉升機(jī)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型
目前，全國(guó)生產(chǎn)汽車(chē)舉升機(jī)的廠(chǎng)家較多，生產(chǎn)的舉升機(jī)的形式也比較繁多，有雙柱式舉升機(jī)、四柱式、剪式、組合移動(dòng)汽車(chē)式等。
僅從舉升機(jī)的外型來(lái)分類(lèi)的基本形式就有：普通雙柱式、龍門(mén)雙柱式、四立柱式、剪式、移動(dòng)式和單立柱式等汽車(chē)舉升機(jī)
按照舉升機(jī)的舉升裝置的形式分類(lèi)也有很多種，包括絲杠螺母舉升式、鏈條傳動(dòng)舉升式、液壓缸舉升式、齒輪齒條舉升式等舉升機(jī)[1]。
從舉升機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式分，主要有：電機(jī)驅(qū)動(dòng)式舉升機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)式舉升機(jī)。
2.1.2 汽車(chē)舉升機(jī)的主要參數(shù)
雙柱式舉升機(jī)、龍門(mén)式雙柱舉升機(jī)和四立柱式舉升機(jī)這三種目前市場(chǎng)上主要的汽車(chē)舉升機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2.1所示。
表2.1 汽車(chē)舉升機(jī)的主要參數(shù)
額定舉升質(zhì)量
最大舉升高度
盤(pán)距地高度
全程上升時(shí)間
全程下降時(shí)間
普通式雙柱
2.5-4 T
1700-1800mm
110-180mm
50-70 Sec
20-60 Sec
龍門(mén)式雙柱
2.5-4 T
1700-1800mm
110-180mm
50-70 Sec
20-60 Sec
四立柱式
2.5-4.5 T
1700-1800mm
110-180mm
50-70 Sec
20-60 Sec
雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有多種，QJY04-02B型舉升機(jī)系是指液壓驅(qū)動(dòng)的雙柱舉升機(jī)[13]。此類(lèi)舉升機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和控制的，通過(guò)兩立柱內(nèi)安裝的液壓油缸實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)連接立柱與滑臺(tái)的鏈條，使滑臺(tái)上安裝的大滾輪沿立柱滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)的上下移動(dòng)。舉升設(shè)備的主要部分有：舉升機(jī)構(gòu)、支承機(jī)構(gòu)、平衡機(jī)構(gòu)和電磁鐵安全鎖機(jī)構(gòu)。
本次設(shè)計(jì)的舉升機(jī)的主要性能參數(shù)為：額定舉升載荷3.2噸；在載重3.2噸情況下，由最低位置舉升到最高位置需60秒；當(dāng)拉下操縱桿使溢流閥接通，3.2噸轎車(chē)由最高位置降到最低位置所需時(shí)間不小于60秒；電動(dòng)機(jī)功率2.2 KW；舉升臂在最低位置時(shí)的舉升高度為120mm，最大舉升高度為1750mm，工作行程為1730mm。
2.2 雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與要求
雙柱式舉升機(jī)的結(jié)構(gòu)形式主要有：（1）整體結(jié)構(gòu)形式；（2）舉升方式；（3）驅(qū)動(dòng)方式；（4）平衡方式；（5）保險(xiǎn)與保護(hù)方式；（6）托盤(pán)結(jié)構(gòu)。
2.2.1 舉升裝置的要求
在我國(guó)的規(guī)定中講到舉升機(jī)的設(shè)備安裝電器系統(tǒng)的絕緣、耐壓和保護(hù)電路的連續(xù)性都要符合GB5226的有關(guān)規(guī)定。而在歐美地區(qū)同樣也有其相應(yīng)的明文規(guī)定。
舉升機(jī)的設(shè)計(jì)中液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。在歐洲地區(qū)液壓缸、氣缸、管路及接頭受調(diào)壓閥設(shè)定的最大壓力的限制。他們至少應(yīng)承受該壓力的2倍（采用液壓驅(qū)動(dòng)時(shí)）或是該壓力的3倍（采用氣壓驅(qū)動(dòng)時(shí)）并且要沒(méi)有永久變形。軟管、氣袋、膜盒的尺寸在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使之承受至少3倍的調(diào)壓閥設(shè)定的最大壓力值的爆破壓力。
我國(guó)對(duì)舉升機(jī)的性能要求也比較繁多，例如：
（1）舉升機(jī)應(yīng)設(shè)有限制行程限位裝置，如有需要?jiǎng)t該裝置應(yīng)動(dòng)作靈敏、安全可靠。
（2）液壓系統(tǒng)工作應(yīng)平穩(wěn)、無(wú)振動(dòng)、無(wú)爬行現(xiàn)象。
（3）液壓式舉升機(jī)除液壓系統(tǒng)能自鎖外還應(yīng)沒(méi)有機(jī)械鎖止裝置。
（4）機(jī)械式舉升機(jī)任意時(shí)刻都能安全自鎖。
（5）舉升機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的噪音不得超過(guò)80dB。
（6）舉升機(jī)工作環(huán)境溫度為0—40℃，全行程連續(xù)舉升額定質(zhì)量20次，油溫不得高于60℃。
（7）在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)液壓系統(tǒng)施高150%的額定使用壓力，維持2min，不允許有永久變形、漏油及其他異?，F(xiàn)象。
（8）在無(wú)故障工作基礎(chǔ)上，機(jī)械式舉升機(jī)的使用繼續(xù)進(jìn)行到3000次，則液壓舉升機(jī)可以繼續(xù)進(jìn)行到9000次，以安全可靠為前提，檢查零部件損壞程度，允許更換損壞件，允許添加潤(rùn)滑劑。
2.3 雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)結(jié)構(gòu)方案的確定
通過(guò)對(duì)汽車(chē)舉升機(jī)的結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和了解，確定了本次設(shè)計(jì)的舉升機(jī)的總體方案。如下圖2.1所示：
圖2.1 雙柱式舉升機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖
本次設(shè)計(jì)的是由液壓驅(qū)動(dòng)的QJY04-02B型雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)。它的結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)部分：舉升裝置、同步驅(qū)動(dòng)裝置、立柱和托臂。QJY04-02B型普通式雙柱汽車(chē)舉升機(jī)的舉升機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)是由液壓系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)和控制的，由兩邊兩個(gè)立柱里安裝的液壓油缸來(lái)推動(dòng)連接立柱與滑臺(tái)的鏈條，使滑臺(tái)上安裝的大滾輪沿立柱滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)的上下移動(dòng)。用鋼絲繩作為同步裝置來(lái)保持整個(gè)舉升機(jī)的同步性。托臂與立柱內(nèi)的滑臺(tái)相連，當(dāng)滑臺(tái)上下移動(dòng)時(shí)就帶動(dòng)托臂一起移動(dòng)。
2.4 舉升裝置
本次設(shè)計(jì)的雙柱式舉升機(jī)的舉升裝置是由液壓系統(tǒng)以及電箱組成的。通過(guò)電箱的開(kāi)關(guān)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)來(lái)控制液壓?jiǎn)卧?，液壓油進(jìn)出液壓缸，并通過(guò)鏈條連接液壓缸和滑臺(tái)來(lái)帶動(dòng)整個(gè)設(shè)備的舉升動(dòng)作，如圖2.2所示：
圖2.2 驅(qū)動(dòng)舉升裝置示意圖
圖2.2是本次設(shè)計(jì)的雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置及舉升裝置的示意圖，從圖中可以看到左右兩邊立柱內(nèi)的兩個(gè)舉升裝置是通過(guò)液壓軟管來(lái)連接的，它的一個(gè)不足的地方就是左右兩個(gè)液壓缸在開(kāi)始舉升時(shí)有一個(gè)時(shí)間差，這會(huì)導(dǎo)致因左右兩邊的舉升速度不一樣而舉升不平衡。因此，我們?cè)谝簤号e升的基礎(chǔ)上增加了鋼絲繩的同步裝置，用這樣的同步裝置來(lái)彌補(bǔ)液壓缸帶來(lái)的缺點(diǎn)。圖2.3是雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)的舉升裝置的結(jié)構(gòu)圖：
圖2.3 雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)的舉升裝置結(jié)構(gòu)圖
從圖中可以看到，雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)的舉升裝置是將鏈條鑲嵌在滑輪槽內(nèi)來(lái)帶動(dòng)液壓桿達(dá)到舉升的目的。
2.5 立柱
雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)的立柱有兩個(gè)，分別是左、右兩邊各一個(gè)立柱。圖2.4是左邊立柱的俯視圖。整個(gè)舉升機(jī)的重量幾乎都是由立柱來(lái)支撐的，因此它必須要有一定的強(qiáng)度和剛度。（強(qiáng)剛度的設(shè)計(jì)計(jì)算在第四章）。立柱中間的空間是用來(lái)放置舉升裝置以及滑臺(tái)部件的。整個(gè)立柱部分的行位公差要求也比較高，如圖水平方向的立柱臂和垂直方向的立柱壁要求要保持一定的直線(xiàn)度和平行度，立柱內(nèi)外表面還要有一定的粗糙度等。
圖2.4 左立柱的俯視圖
2.6 支撐機(jī)構(gòu)
托臂部分是屬于舉升機(jī)的支撐機(jī)構(gòu)。當(dāng)汽車(chē)進(jìn)入到舉升機(jī)的范圍里時(shí)，整個(gè)支撐機(jī)構(gòu)就通過(guò)改變搖臂的角度或方向來(lái)改變托臂的整個(gè)工作范圍的寬度。本次設(shè)計(jì)的支撐機(jī)構(gòu)是非對(duì)稱(chēng)式的托臂，這樣設(shè)計(jì)增加了托臂的寬度，實(shí)質(zhì)就等于增加了托臂的工作范圍，而且左右兩側(cè)的托臂的臂長(zhǎng)都是有一定的伸縮性的。如圖2.5所示：
1— 托臂原始工作位置，2—托臂伸長(zhǎng)后的工作位置
圖2.5 非對(duì)稱(chēng)式托臂的工作范圍示意圖
其中，圖中方格陰影部分就是托臂的工作范圍。托臂未伸長(zhǎng)前的工作范圍按照軌跡1來(lái)運(yùn)動(dòng)；托臂伸長(zhǎng)后的工作范圍按照軌跡2來(lái)運(yùn)動(dòng)；而且，圖中的軌跡1和2是托臂的兩個(gè)極限位置，在1和2的范圍內(nèi)，托臂的長(zhǎng)度是可以伸縮的。但是由于托臂屬于支撐機(jī)構(gòu)，它是要承受一定的重量的，所以本次設(shè)計(jì)采用非對(duì)稱(chēng)式的結(jié)構(gòu)就更能保證托臂的強(qiáng)剛度了。非對(duì)稱(chēng)式托臂的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如下圖2.6所示：
圖2.6 非對(duì)稱(chēng)式托臂的結(jié)構(gòu)圖
2.7 平衡機(jī)構(gòu)
由于雙柱式舉升機(jī)在上升或下降時(shí)必須要采用強(qiáng)制性的平衡裝置來(lái)確保汽車(chē)整體的水平位置保持一致，所以本次設(shè)計(jì)采用了鋼絲繩來(lái)作為整個(gè)舉升機(jī)的平衡機(jī)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)所采用的是在單個(gè)立柱內(nèi)安裝兩副左右對(duì)稱(chēng)的鋼絲繩，但是在這個(gè)單個(gè)立柱里面的鋼絲繩的走向確是兩個(gè)相反的方向，用戶(hù)可以通過(guò)改變鋼絲繩的張力來(lái)使左右兩邊的滑臺(tái)在抬升的過(guò)程中保持平衡。要注意的是兩邊確定的鋼絲繩的張力必須一致，這樣才能真正的平衡。單個(gè)立柱里的鋼絲繩的走向如圖2.7所示：
圖2.7 單個(gè)立柱內(nèi)鋼絲繩的走向示意圖
2.8 保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)
汽車(chē)舉升機(jī)是一種對(duì)安全性能要求特別高的舉升設(shè)備。通常設(shè)有多種保險(xiǎn)裝置和保護(hù)措施：液壓回路的保壓、機(jī)械鎖止保險(xiǎn)裝置、機(jī)械自鎖裝置、舉升過(guò)載保護(hù)、沖頂保護(hù)、防滑等等。機(jī)械自鎖是指失去驅(qū)動(dòng)力后，利用機(jī)械機(jī)構(gòu)的重力（被驅(qū)動(dòng)物體的阻力）來(lái)自動(dòng)阻礙其運(yùn)動(dòng)的保護(hù)。
本次設(shè)計(jì)中電磁鐵安全鎖機(jī)構(gòu)的組成是：在兩個(gè)滑臺(tái)上均有安裝安全卡位條，當(dāng)汽車(chē)升起后，卡位條與電磁鐵連接的支撐板構(gòu)成機(jī)械自鎖機(jī)構(gòu)，由于兩個(gè)立柱上均裝有電磁鐵安全鎖，如圖2.8所示，并且這兩個(gè)安全鎖所裝的位置不在同一直線(xiàn)上而是互相錯(cuò)開(kāi)在對(duì)角線(xiàn)上，起到雙保險(xiǎn)的作用。
1— 電磁鐵，2—保險(xiǎn)孔板，3—保險(xiǎn)孔支撐座
圖2.8 電磁鐵安全鎖
作為保險(xiǎn)裝置的電磁鐵安全鎖是由好幾個(gè)零件組成的。其中主要的幾個(gè)零件包括：保險(xiǎn)孔板、保險(xiǎn)孔支撐座和電磁鐵。當(dāng)電磁鐵得電將保險(xiǎn)孔支撐座吸住時(shí)，它和鎖緊板之間沒(méi)有接觸，此時(shí)的舉升機(jī)處于保險(xiǎn)打開(kāi)狀態(tài)，整個(gè)滑臺(tái)可以自由地上下移動(dòng)。當(dāng)電磁鐵失電時(shí)，保險(xiǎn)孔支撐座處于圖示狀態(tài)，此時(shí)的保險(xiǎn)孔支撐座將與滑臺(tái)上的鎖緊板互相頂住，使滑臺(tái)固定在一個(gè)位置而不能上下移動(dòng)，起到保險(xiǎn)的作用。
2.9 本章小結(jié)
本章主要進(jìn)行雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)設(shè)備總體方案的選擇，通過(guò)將現(xiàn)有舉升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)方式以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，最終選定采用雙柱結(jié)構(gòu)的舉升類(lèi)設(shè)備，通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)，工作平穩(wěn)，操作方便，噪聲低，內(nèi)部設(shè)有升程自鎖保護(hù)保險(xiǎn)裝置，安全可靠，占地空間小，是舉升機(jī)的理想設(shè)備。
第3章 雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)校核計(jì)算
3.1 雙柱式舉升機(jī)立柱的結(jié)構(gòu)分析和驗(yàn)算
3.1.1 主立柱的截面特性分析與計(jì)算
主立柱體是舉升機(jī)主要的受力承重部件。舉升機(jī)立柱在工作時(shí)受來(lái)自于保險(xiǎn)鎖機(jī)構(gòu)處因承重的壓力和升降滑臺(tái)滾輪作用在立柱上的彎矩。因此，立柱在這兩種力的作用下，有向內(nèi)彎的變形趨勢(shì)，底部焊口在拉壓應(yīng)力的作用下有開(kāi)裂的傾向，故立柱底部與底座處焊有加強(qiáng)筋。
立柱殼體用鋼板整體壓制成形，其內(nèi)部相應(yīng)位置焊有保險(xiǎn)裝置支承板，用于鎖定狀態(tài)時(shí)受力和承重，下部與底座焊接。其中一個(gè)立柱體上還裝有液壓泵站和電氣控制箱。主立柱作為主要的承重部件，先對(duì)其截面特征進(jìn)行分析，主要是確定立柱截面形心的位置和截面的慣性矩。
3.1.1.1 確定立柱截面形心和中性軸的位置
將整個(gè)截面分為A1、A2、A3三個(gè)部分，取與截面底邊互相重合的Z′軸為參考軸（見(jiàn)圖3.1舉升機(jī)主立柱橫截面示意圖），Z1、Z2、Z3分別為三個(gè)組合截面的中性軸，則三個(gè)截面的面積及其形心至Z＇軸的距離分別為[16]：
圖3.1 舉升機(jī)主立柱橫截面示意圖
∴重心C到相應(yīng)邊的距離e：
(3.1)
整個(gè)截面形心C在對(duì)稱(chēng)軸Y上的位置則為：
(3.2)
3.1.1.2 確定慣性矩
設(shè)三截面的形心分別為C1、C2、C3，其形心軸為Z1、Z2、Z3（圖3.1），它們距Z軸的距離分別為：
由平行移軸公式，三截面對(duì)中性軸Z的慣性矩分別為：
(3.3)
、、為三截面對(duì)各自心軸Z1、Z2、Z3的慣性矩，將三截面對(duì)中性軸Z的慣性矩相加，可得立柱整個(gè)截面對(duì)中性軸Z的慣性矩：
3.1.1.3 立柱靜矩S的計(jì)算：
（1）立柱整個(gè)截面上半部分的靜矩S1：
(3.4)
其中、、分別為三截面各自的靜矩，所以立柱整個(gè)截面上半部分的靜矩S為：
（2）立柱整個(gè)截面下半部分的靜矩S2：
3.1.2 主立柱的強(qiáng)度分析與驗(yàn)算
舉升機(jī)工作時(shí)，其托臂將汽車(chē)舉升至一定高度后鎖定，舉升機(jī)直接承載處位于托臂端部，故應(yīng)先對(duì)滑臺(tái)部件進(jìn)行受力分析（見(jiàn)圖3.2滑臺(tái)部件受力情況示意圖）：
在分析之前，對(duì)滑臺(tái)部件進(jìn)行了調(diào)查。其中本次設(shè)計(jì)的滑臺(tái)部件的組成之一是大滑輪，滑輪的種類(lèi)形狀有很多，有“兩個(gè)大圓柱滾輪型”、“四個(gè)頂角處是采用四個(gè)小滾輪型”、還有最原始的“四個(gè)角用四個(gè)橡膠滑塊”或是“用兩個(gè)滑塊代替兩個(gè)大圓柱滾輪”，但是用的較多的是“采用兩個(gè)大圓柱滾輪”的形式，如果采用其他類(lèi)型的滾輪例如用滑塊來(lái)代替滾輪，那么整個(gè)滑臺(tái)就不容易鎖定，容易滑動(dòng)；除此之外就是同步性的問(wèn)題也不容易解決。
圖3.2 滑臺(tái)部件受力情況示意圖
3.1.2.1 滑臺(tái)部件受力情況分析
滑臺(tái)部件自身重量近似估算如下：
滑臺(tái)組合件尺寸：采用160×160方鋼，壁厚8 mm，高800mm
滑臺(tái)體積：
搖臂座尺寸：采用100×100方鋼，壁厚8 mm，長(zhǎng)440mm
搖臂座體積：
托臂近似尺寸：采用100×100方鋼，壁厚8 mm，長(zhǎng)（800＋310）＝1110mm
托臂體積：
鋼材比重選?。?
所以，滑臺(tái)部件、搖臂座和托臂的重量為
將滑臺(tái)、搖臂座和托臂一起考慮
圖3.2中，單側(cè)托臂受到的最大載荷為1.6噸，加上自重，托臂端部受力為1666.37kg,F1和F2是立柱通過(guò)滾輪給予的反力，F(xiàn)BX和FBY為保險(xiǎn)支承板給予的支承力，B處為支承點(diǎn)，假定自重全部集中在負(fù)載處，有：
(3.5)
(3.6)
(3.7)
由式3.7得，，代入式3.6
假定
則由式3.5得：
綜上所述，考慮滑臺(tái)部件中滑臺(tái)、搖臂座和托臂的總自重，假定自重全部集中在負(fù)載處，近似估算值為66.37kg。單側(cè)托臂受到的最大載荷為1600kg，加上滑臺(tái)部件的自重，托臂端部受力大小為1666.37kg，F(xiàn)1和F2是立柱通過(guò)滾輪給予的反力，F(xiàn)1=F2，F(xiàn)BX和FBY為保險(xiǎn)支承板給予的支承力，B處是支承點(diǎn)位置，則：
。
3.1.2.2 舉升機(jī)主立柱受力情況分析
主立柱受力情況（見(jiàn)圖3.3普通式雙柱舉升機(jī)主立柱受力情況示意圖），F(xiàn)1和F2是滑臺(tái)通過(guò)滾輪作用在立柱上的力（圖示為最高位置），F(xiàn)BX和FBY為滑臺(tái)作用在立柱上的支承力（壓力），RHX、RHY和MH為底部支座反力。針對(duì)立柱受力情況，經(jīng)計(jì)算得：
圖3.3 普通式雙柱舉升機(jī)主立柱受力情況示意圖
RHX=0 RHY=FBY=1666.37kg
3.1.2.3 普通式雙柱舉升機(jī)主立柱強(qiáng)度校核計(jì)算
從圖3.3看出，整個(gè)立柱體相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁，可畫(huà)出立柱的彎矩圖和剪力圖。
由F1引起的彎矩圖和剪力圖見(jiàn)圖3.4：
圖3.4 立柱上F1作用力及其彎矩圖和剪力圖
l=2600mm b=2415mm a=185mm
由F2引起的彎矩圖和剪力圖見(jiàn)圖3.5：
圖3.5 立柱上F2作用力及其彎矩圖和剪力圖
l=2600mm b=1890mm a=710mm
由FBY產(chǎn)生的M引起的彎矩圖見(jiàn)圖3.6：
圖3.6 立柱上M作用力及其彎矩圖
綜上所述，立柱受力的合成彎矩圖和合成剪力圖如圖3.7所示。
圖3.7 立柱受力的合成彎矩圖和合成剪力圖
從圖中可以得出
在截面C處，剪力最大（QC=5234.804kg），彎矩最大（MC=2748272.1kg）,所以此處是危險(xiǎn)截面。前面計(jì)算已經(jīng)得到，抗彎截面模數(shù)為： (3.8)
截面上半部分靜矩S＝171.24cm3， (3.9)
以下進(jìn)行強(qiáng)度校核：
（1）校核正應(yīng)力強(qiáng)度：
(3.10)
許用應(yīng)力選： (3.11)
，滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。
（2）校核剪應(yīng)力強(qiáng)度：
(3.12)
選，而許用應(yīng)力 (3.13)
，滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。
（3）折算應(yīng)力強(qiáng)度校核：
主立柱橫截面上的最大正應(yīng)力產(chǎn)生在離中性軸最遠(yuǎn)的邊緣處，而最大剪應(yīng)力則產(chǎn)生在中性軸上，雖然通過(guò)上面的校核說(shuō)明在這兩處的強(qiáng)度都是滿(mǎn)足要求的，但是因?yàn)樵诮孛鍯處，M和Q都具有最大值，正應(yīng)力和剪應(yīng)力都比較大，因此這里的主應(yīng)力就比較大，有必要根據(jù)適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度理論進(jìn)行折算應(yīng)力校核，取該截面邊緣處某點(diǎn)K進(jìn)行計(jì)算：
(3.14)
(3.15)
由于點(diǎn)K處在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，立柱體材料采用的30鋼是塑性材料，可以采用第四強(qiáng)度理論，將 的數(shù)值代入，用統(tǒng)計(jì)平均剪應(yīng)力理論對(duì)此應(yīng)力狀態(tài)建立的強(qiáng)度條件為： (3.16)
所以
即 (3.17)
按第四強(qiáng)度理論所算得的折算應(yīng)力也滿(mǎn)足許用強(qiáng)度要求。
3.1.3 主立柱的剛度計(jì)算
用迭加法：
（1）
由F2引起的繞度：
（往外彎）用式 (3.18)
E：彈性模量的選擇： 碳鋼?。?96－206Gpa
取201Gpa=20.1×106N/cm2
= = (3.19)
（2）
（往內(nèi)彎）由F1引起的繞度：
（3）由M引起的繞度：
(3.20)
（往外彎）此植可忽略不計(jì)。
實(shí)際往內(nèi)彎的繞度
3.2 托臂部分的強(qiáng)度校核
3.2.1 托臂部分截面特性
托臂部分截面屬于變截面，以下先計(jì)算截面特性數(shù)據(jù)：
（1）小臂截面尺寸：70×70方鋼，壁厚8mm，a=70,b=54
慣性矩： (3.21)
(3.22)
靜矩計(jì)算：
（2）大臂截面尺寸：92×92方鋼，壁厚8mm，a=92,b=76
慣性矩：
3.2.2 托臂部分強(qiáng)度核算
圖3.9為左后托臂部件圖：
圖3.9左后托臂部件圖
圖中的A、B、C、D分別對(duì)應(yīng)著托臂示意圖中的A、B、C、D四個(gè)截面：
圖3.10是托臂示意圖：
圖3.10 托臂示意圖
按照A,B,C,D幾個(gè)典型截面進(jìn)行分析，各個(gè)截面的截面如圖3.11：
(a) A-A截面 (b) B-B截面（同D-D截面） (c) C-C截面
圖3.11 典型截面示意圖
（1）A截面：
慣性矩：I=129.225cm4 ；Wx=36.92cm3
保險(xiǎn)系數(shù)較小可滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。
（2）B截面：92*92方鋼
A1=80×15=1200mm2
yA1=92+15/2=99.5mm
A2=92×92-76×76=8464-5776=2688mm2
yA2=92/2=46mm
YC=(1200×99.5+2688×46)/(1200+2688)=243048/3888=62.51mm
IA1=80×153/2+(99.5-62.51)2×1200=1664412.12mm4
IA2=(924-764)/12+(62.51-46)2×2688=392.46cm4
所以cm4
W=89.41cm3
保險(xiǎn)系數(shù)較小可滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。
（3）C截面：
A1=12cm2
yA1=92+15/2+60=15.95cm
A2=26.88cm2
yA2=4.6cm
A3=60×10=6cm2
yA3=92+60/2=12.2cm
yC=(12×15.95+26.88×4.6+6×12.2)/(12+26.88+6)=8.56cm
IA1=50×153/2+(15.95-8.56)2×12=641.73cm4
IA2=(924-764)/12+(8.56-4.6)2×16.88=759.875cm4
IA3=1*63/12+(12.2-8.56)2×6=183.615cm4
所以IA總=IA1+IA2+IA3=1585.22cm4
W=I總/8.65=1585.22/8.65=183.26cm3
MC=1666.37×94=194238.78kgcm
滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。
（4）D截面：
慣性矩：I=318.976cm4 ； W=69.342cm3
MD=1666.37×53=109517.61kgcm
,保險(xiǎn)系數(shù)較小可滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。
3.2.3 從托臂處考慮撓度情況
托臂亦相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁，端部受力P＝1666.37kg，托臂部件由大臂和小臂組成，將從大臂和小臂處分別考慮：
小臂端部處撓度： （3.23）
大臂端部處撓度：經(jīng)受力分析，大臂端部受一個(gè)力P＝2066.37kg和一個(gè)彎矩 M＝2066.37×70＝144645.9kgcm；
（3.24）
因載荷引起的撓度為：
因托臂的大小臂之間有1mm間隙，由此產(chǎn)生撓度：
主立柱的彎曲繞度使滑臺(tái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，滑臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)又使托臂有一定的下沉量，經(jīng)計(jì)算，。
故托臂端部總下沉量為：
在舉升機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，此值滿(mǎn)足距立柱最遠(yuǎn)點(diǎn)的托臂支承面下沉量要求。
3.3 鋼絲繩的選用
3.3.1 鋼絲繩用途
鋼絲繩是一種撓性零件,具有強(qiáng)度高、自重輕、彈性好、運(yùn)行平穩(wěn)適合于高速、遠(yuǎn)距離、換向傳力以及極少突然破斷的優(yōu)點(diǎn)。用途：用于各種起重機(jī)械上。卷?yè)P(yáng)機(jī)的牽引繩等。用作設(shè)備運(yùn)輸時(shí)的捆綁繩，起重對(duì)象的溜繩、拖拉繩，起重設(shè)備的錨固繩。
3.3.2 鋼絲繩材料
鋼絲繩的鋼絲要求有很高的強(qiáng)度和韌性，通常由含碳量0.5%～0.8%的優(yōu)質(zhì)碳鋼，經(jīng)過(guò)多次的冷拔工藝制成的，其直徑為0.3～2.0mm。鋼絲的公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度一般為1400～2000N/m2[5]。
1、 按鋼絲繩繞制次數(shù)分
表3.1 鋼絲繩按繞制次數(shù)分類(lèi)
分類(lèi)
特點(diǎn)
用途
雙捻（多股）
先由鋼絲繞成股，再由股圍繞繩芯繞成繩。這種鋼絲繩的繞性受繩芯材料影響很大，比單繞繩撓性好
起重機(jī)械中廣泛應(yīng)用
2、 按股繩截面形狀分
表3.2 鋼絲繩按股繩截面形狀分類(lèi)
分類(lèi)
特點(diǎn)
用途
圓股
股繩截面形狀是圓形
廣泛應(yīng)用
3、 按鋼絲繩中絲與絲的接觸狀態(tài)分
表3.3 鋼絲繩按絲與絲的接觸狀態(tài)分類(lèi)
分類(lèi)
特點(diǎn)
用途
線(xiàn)接觸
由不同直徑鋼絲捻制而成，股內(nèi)各層之間鋼絲全長(zhǎng)上平行捻制，各層鋼絲螺距相等，鋼絲之間呈線(xiàn)狀接觸，這種鋼絲繩消除了點(diǎn)接觸的二次彎曲應(yīng)力，能降低工作時(shí)總的彎曲應(yīng)力，耐疲勞性能好。結(jié)構(gòu)緊密，金屬斷面利用系數(shù)高。使用壽命長(zhǎng)，比普通鋼絲繩壽命高1～2倍
廣泛應(yīng)用
4、 按鋼絲繩繞制方法分
表3.4 鋼絲繩按繞制方法分類(lèi)
分類(lèi)
特點(diǎn)
用途
交互捻
鋼絲繞成股的方向和股捻成繩的方向相反稱(chēng)為交互捻。如繩右捻，股左捻，稱(chēng)為右交互捻，繩左捻，股右捻，稱(chēng)為左交互捻。這種鋼絲繩的缺點(diǎn)是僵性較大，使用壽命較低，但不容易松散和扭轉(zhuǎn)
在起重機(jī)械中廣泛應(yīng)用
5、 按鋼絲繩繩芯分
表3.5 鋼絲繩按繩芯分類(lèi)
分類(lèi)
特點(diǎn)
用途
纖維芯
具有較高撓性和彈性，不能耐高溫，不能承受橫向壓力
起重機(jī)械廣泛應(yīng)用
3.3.3 鋼絲繩直徑的確定
表3.6 鋼絲繩直徑
直徑（mm）
鋼絲總斷面積
（mm2）
參考質(zhì)量
（kg/100m）
安全因數(shù)
3.5
5
6
許用拉力(KN)
6.2
14.32
13.53
4.86
3.4
2.8
11.0
43.57
40.96
19.7
13.8
11.5
14.0
72.49
68.50
24.5
17.2
14.3
根據(jù)鋼絲繩選用原則（《起重工機(jī)具》[8]），本設(shè)計(jì)宜采用線(xiàn)接觸鋼絲繩6X(19)，6W(19)，8X(19)，8W(19)等（GB1102—74）。本雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)采用鋼絲繩起吊方式提升動(dòng)力端，所以選用619—11.0—1850類(lèi)型鋼絲繩。
鋼絲繩的允許拉力 S= （3.25）
鋼絲繩的破斷拉力 =52 （3.26）
式中： d—鋼絲繩直徑，mm;
——鋼絲公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度；
由于本雙柱式舉升機(jī)絲繩提升過(guò)程與起重機(jī)相似，所以屬起重機(jī)械，由于工作載荷不大，所以是輕級(jí)機(jī)械。根據(jù)《起重工機(jī)具》
鋼絲繩上的破斷拉力由式（3.25）得 =52
=52
=6847.17kg
起重時(shí)，安全系數(shù)k=5,則許用拉力由式（3.24）得
S=
=
而實(shí)際鋼絲繩承重（以主立柱為準(zhǔn)）1166Kg
所以選用619—11.0—1850類(lèi)型鋼絲繩合理[8]。
3.4 本章小結(jié)
本章對(duì)雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)做了初步的選擇，工作原理進(jìn)行了闡述，主要參數(shù)對(duì)雙柱式舉升類(lèi)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了確定，并進(jìn)行了計(jì)算和強(qiáng)度、剛度、撓度的校核。完成舉升機(jī)的實(shí)體建模，對(duì)鋼絲繩做了詳細(xì)說(shuō)明，鋼絲繩做了具體的選定并進(jìn)行了校驗(yàn)。
第4章 雙柱式舉升機(jī)液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 雙柱式舉升機(jī)液壓控制系統(tǒng)工作原理
啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)按鈕后電機(jī)起動(dòng)并帶動(dòng)油泵從油箱中吸入壓力油送到舉升缸中使活塞桿移動(dòng)，此時(shí)安全溢流閥關(guān)閉。此閥的壓力在出廠(chǎng)前已經(jīng)調(diào)好，以保證起重的額定載荷的要求。當(dāng)系統(tǒng)中壓力超過(guò)極限時(shí)，自動(dòng)溢流卸油閥松開(kāi)，起動(dòng)按鈕停止供油，提升結(jié)束，開(kāi)始作業(yè)工作。如果拉動(dòng)滑臺(tái)上兩個(gè)機(jī)械安全鎖后再按手動(dòng)式下降閥便開(kāi)始卸油下降，其工作原理圖見(jiàn)圖4.1：
圖4.1液壓系統(tǒng)工作原理圖
1-齒輪泵，2-電動(dòng)機(jī)，3-濾油器，4-單向閥，5-溢流閥，6-手動(dòng)式下降閥， 7-伺服限流閥，8-軟管，9-防油管爆裂閥，10-舉升缸，11-液位計(jì)，12-空氣濾清
4.2 液壓系統(tǒng)組成
4.2.1 液壓系統(tǒng)組成
液壓系統(tǒng)主要由液壓發(fā)生機(jī)構(gòu)、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和輔助裝置等四大部分組成[13]。
1、液壓發(fā)生機(jī)構(gòu)—油泵
它是由液壓系統(tǒng)中供給有壓力油的裝置和壓力傳動(dòng)的機(jī)械動(dòng)力。它的作用是將原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為流動(dòng)液體的壓力能。液壓發(fā)生機(jī)構(gòu)在液壓系統(tǒng)中的位置和作用如圖4.2所示。
2、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)—油缸
它是液壓傳動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)又稱(chēng)液壓機(jī)，其作用是將液能變?yōu)闄C(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，這種裝置有兩種。此雙柱式舉升機(jī)所采用的是液體壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的單作用推力油缸。它既能節(jié)省動(dòng)力、又能頻繁地進(jìn)行換向。
液壓控制裝置
方向閥壓力閥
液壓發(fā)生裝置
泵
液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)
缸——活塞
圖4.2 液壓系統(tǒng)方框圖像
3、液壓控制調(diào)節(jié)裝置——各種液壓控制閥
它是由來(lái)控制和調(diào)解液壓系統(tǒng)中液油流動(dòng)，方向、壓力、流量和滿(mǎn)足工況要求的裝置。根據(jù)用途和特點(diǎn)控制可分為三類(lèi)。方向控制閥用來(lái)控制液壓系統(tǒng)中的油流方向和經(jīng)由路徑；根據(jù)實(shí)際情況利用單向閥或換向閥的作用來(lái)改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向和工作順序；壓力控制閥（包括溢流閥、減壓閥和順序閥等）用來(lái)控制液壓系統(tǒng)的壓力以滿(mǎn)足執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的動(dòng)力或?qū)σ簤合到y(tǒng)起安全保護(hù)作用；流量控制閥（包括節(jié)流閥、調(diào)速閥、分流和集流閥），用來(lái)控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中的流量，以滿(mǎn)足執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)運(yùn)動(dòng)速度的要求。
由于液壓系統(tǒng)控制閥種類(lèi)很多，為使用方便和結(jié)構(gòu)緊湊，在設(shè)計(jì)時(shí)合理的將各種閥類(lèi)元件組合在一起構(gòu)成組合閥。
4.2.2 油箱
油箱的主要功用是儲(chǔ)存油液，同時(shí)箱體還具有散熱、沉淀污物、析出油液中滲入的空氣以及作為安裝平臺(tái)等作用。
油箱屬于非標(biāo)準(zhǔn)件，在實(shí)際情況下常根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)。油箱設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮油箱的容積、結(jié)構(gòu)、散熱等問(wèn)題。
雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，將直接影響舉升的性能和效率。雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)液壓系統(tǒng)主要是舉升液壓系統(tǒng)。
本次雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)設(shè)計(jì)主要偏重于機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析，而其液壓系統(tǒng)所采用的油泵、油缸、液壓閥等液壓系統(tǒng)元件均為高度標(biāo)準(zhǔn)化、系列化與通用化且由專(zhuān)業(yè)化液壓件廠(chǎng)集中生產(chǎn)供應(yīng)。因此在本設(shè)計(jì)中只需要進(jìn)行液壓元件計(jì)算選型。其主要內(nèi)容包括油缸的直徑與行程、油泵工作壓力、流量、功率以及各種相關(guān)控制閥的選型等。
4.3 油缸的計(jì)算與選型
油缸是液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件，也是舉升機(jī)構(gòu)的直接動(dòng)力來(lái)源。通常油缸分為活塞式和浮拄式兩類(lèi)。活塞式均為單向作用，其缸體長(zhǎng)度大而伸縮長(zhǎng)度小、使用油壓低（一般不超過(guò)14MPa）。浮拄式為多級(jí)伸縮式油缸，一般有2～5個(gè)伸縮節(jié)，其結(jié)構(gòu)緊湊，并具有短而粗、伸縮長(zhǎng)度大、使用油壓高（可達(dá)35MPa），易于安裝布置等優(yōu)點(diǎn)。浮拄式油缸又分為單向作用式與雙向作用式。雙向作用式用油壓輔助車(chē)廂降落，因此工作平穩(wěn)，降落速度快。直推式傾卸機(jī)構(gòu)多采用單作用多級(jí)油缸；而桿系組合式傾卸機(jī)構(gòu)多采用單作用單級(jí)油缸[15]。
4.4 油泵的計(jì)算與選型
舉升機(jī)構(gòu)常用油泵分為齒輪油泵與柱塞泵兩類(lèi)。齒輪泵多為外嚙合式，在相同體積下齒輪泵比柱塞泵流量大但油壓低。柱塞泵最大特點(diǎn)是油壓高（油壓范圍16～35MPa），且在最低轉(zhuǎn)速下仍能產(chǎn)生全油壓，固可縮短舉升時(shí)間。中輕型舉升機(jī)構(gòu)上多采用齒輪泵，常用系列有CB、CBX、CG、CN等；重型舉升機(jī)構(gòu)常采用柱塞泵。
4.4.1 油泵工作壓力的計(jì)算
Mpa （4.1）
式中：——油泵工作壓力，（Mpa）；
——油缸最大作用力，（N）；
——油缸橫截面積，（m2）。
代入式（4.1）則：
P =
在液壓系統(tǒng)中除去各種閥體的損失
所以P=10.985+1=12MPa
根據(jù)DG型車(chē)輛用液壓缸技術(shù)參數(shù)選工作壓力14MPa推出拉力為48.10KN最大行程為2500mm完全符合工作要求。
4.4.2 油泵理論流量的計(jì)算
L/min （4.2）
式中：——油泵理論流量（L/min）；
——油缸最大工作容積（m3），按下式計(jì)算：
L
、、的單位均為m；
——舉升時(shí)間，(s)，取s；
——液壓泵容積效率=0.85~0.9。
由式（4.2）則：
L
4.4.3 油泵排量的計(jì)算
mL/r （4.3）
式中： ——油泵排量，（mL/r）；
——油泵額定轉(zhuǎn)速，(r/min)。
油泵轉(zhuǎn)速n=1450r/min
那么由式（4.3）得
mL/r
4.4.4 油泵功率的計(jì)算
（4.4）
式中：——油泵最大工作壓力，(Pa)；
——油泵額定流量，(m3/s)；
——油泵總效率=0.8。
代入式（4.4）則：
KW
4.4.5 油泵的選型
根據(jù)上述計(jì)算P、、q和N的值，查閱相關(guān)資料，選擇CBB -04型號(hào)的單齒輪泵。
4.5 油箱與油管的計(jì)算與選型
4.5.1 油箱容積V的計(jì)算
一般要求油箱容積不得小于全部工作油缸工作容積的三倍，即：
則：L
取L
4.5.2 油管內(nèi)徑d的計(jì)算
由
即： （4.5）
式中：——油泵理論流量，(L/min)；
——管路中油的流速；高壓管路中油的流速3.6m/s；低壓管路中油的流速m/s。
代入式（4.5）則：
高壓油管內(nèi)徑mm
低壓油管內(nèi)徑mm
根據(jù)管路計(jì)算結(jié)果選用（HG4-406-66）兩層鋼絲編織膠管作為高壓管，管接頭形式為A型扣壓式；低壓回油管則選用（HG4-406-66）一層鋼絲編織低壓膠管。液壓油冬季選用HJ-20號(hào)機(jī)械油，夏季HJ-30號(hào)機(jī)械油。
4.6 電氣系統(tǒng)組成
就現(xiàn)代機(jī)床或其他生產(chǎn)機(jī)械而言，它們的運(yùn)動(dòng)部件大多是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的。因此在生產(chǎn)過(guò)程中要對(duì)電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，使生產(chǎn)機(jī)械各部件的動(dòng)作按順序進(jìn)行，對(duì)電動(dòng)機(jī)主要是控制它的啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速及制動(dòng)運(yùn)行。
針對(duì)雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)，它的控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單。它所需要的只有啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、停止按鈕、行程開(kāi)關(guān)組成。其中行程控制就是當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件到達(dá)一定行程位置時(shí)采用行程開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行控制。行程開(kāi)關(guān)在本舉升機(jī)中的作用是當(dāng)工人師傅注意力不集中時(shí)，舉升機(jī)還在繼續(xù)上升，但舉升機(jī)舉升高度不能超過(guò)立柱頂端。這時(shí)容易使電動(dòng)機(jī)燒毀，我們可在指定高度加裝行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)舉升機(jī)運(yùn)行到最大高度時(shí)觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，使整個(gè)電路關(guān)閉，起到保護(hù)電機(jī)作用。
4.6.1 電器元件
（1）按鈕
按鈕通常用來(lái)接通或斷開(kāi)控制電路（其中電流很?。?，從而控制電動(dòng)機(jī)或其他電氣設(shè)備的運(yùn)行。
將按扭按下時(shí)，下面一對(duì)原來(lái)斷開(kāi)的靜觸點(diǎn)被動(dòng)觸點(diǎn)接通，以接通某一控制電路；而上面一對(duì)原來(lái)接通的靜觸點(diǎn)則被斷開(kāi)，以斷開(kāi)另一控制電路。
原來(lái)就接通的觸點(diǎn)，稱(chēng)為動(dòng)斷觸點(diǎn)或常閉觸點(diǎn)；原來(lái)就斷開(kāi)的觸點(diǎn)，稱(chēng)為動(dòng)合觸點(diǎn)或常開(kāi)觸點(diǎn)。
（2）交流接觸器（KM）
交流接觸器常用來(lái)接通和斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)或其他設(shè)備的主電路，每小時(shí)可開(kāi)閉千余次。
接觸器主要由電磁鐵和觸點(diǎn)兩部分組成。它是利用電磁鐵的吸引力而動(dòng)作的。當(dāng)吸引線(xiàn)圈通電后，吸引山字形動(dòng)鐵芯（上鐵芯），而使動(dòng)合觸點(diǎn)閉合。
根據(jù)用途不同接觸器的觸點(diǎn)分主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)兩種。輔助觸點(diǎn)通過(guò)電流較小，常接在電動(dòng)機(jī)的控制電路中；主觸點(diǎn)能通過(guò)較大電流，接在電動(dòng)機(jī)的主電路中。
當(dāng)主觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，其間產(chǎn)生電弧，會(huì)燒壞觸點(diǎn)，并使切斷時(shí)間拉長(zhǎng)，因此，必須采取滅弧措施。通常交流接觸器的觸點(diǎn)都做成橋式，它有兩個(gè)斷點(diǎn)，以降低當(dāng)觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)加在斷點(diǎn)上的電壓，使電弧容易熄滅；并且相間有絕緣隔板，以免短路。在電流較大的接觸器中還專(zhuān)門(mén)設(shè)有滅弧裝置。
為了減小鐵損，交流接觸器的鐵心由硅鋼片疊成；并為了消除鐵心的顫動(dòng)和噪音，在鐵心端面的一部分套有短路環(huán)。
在選用接觸器時(shí)，應(yīng)注意它的額定電流、線(xiàn)圈電壓及觸點(diǎn)數(shù)量等。
（3）熱繼電器
熱繼電器是用來(lái)保護(hù)電動(dòng)機(jī)使之免受長(zhǎng)期過(guò)在的危險(xiǎn)。
熱繼電器是利用電流的熱效應(yīng)而動(dòng)作的，熱元件是一段不大的電阻絲，接在電動(dòng)機(jī)主電路中。制成上下兩層雙金屬片型，雙金屬片是由兩種具有不同膨脹系數(shù)的金屬輾壓而成。當(dāng)主電路電流超過(guò)許用值使雙金屬片受熱時(shí)，便發(fā)生彎曲，因而脫扣，從而斷開(kāi)主電路。
4.7 電氣系統(tǒng)控制
表4.1 舉升機(jī)控制電路元件表
符號(hào)
名稱(chēng)及用途
符號(hào)
名稱(chēng)及用途
Q
自動(dòng)開(kāi)關(guān)作電源引入及短路保護(hù)用
FR
熱繼電器作電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)用
E
接地
KM
接觸器作電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、停止用
M
電動(dòng)機(jī)
SBst
啟動(dòng)開(kāi)關(guān)
SBstp
停止按鈕
SQ
行程開(kāi)關(guān)作上升限位保護(hù)用
FU
保險(xiǎn)絲
4.7.1 上升電路
按下SBst—— KM線(xiàn)圈通電——KM閉合，
自鎖——KM主觸點(diǎn)閉合—電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)
橫梁板帶保險(xiǎn)鎖上升到規(guī)定位置 —— SQ(常閉)斷開(kāi)——KM線(xiàn)圈斷電 ——KM自鎖斷開(kāi)——KM主觸點(diǎn)斷開(kāi)——電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)
圖4.3 雙柱式汽車(chē)舉升機(jī)主控制電路圖
4.7.2 停止電路
按下按鈕SBstp——KM線(xiàn)圈斷電——KM主觸點(diǎn)斷開(kāi)——電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)
打開(kāi)保險(xiǎn)鎖，打開(kāi)泄油閥舉升機(jī)在自重作用下落到初始位置
4.8雙柱式舉升機(jī)電動(dòng)機(jī)的選用
4.8.1 電動(dòng)機(jī)類(lèi)型的選擇
我國(guó)舉升機(jī)構(gòu)采用的直流電動(dòng)機(jī)或交流電動(dòng)機(jī)。
直流電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速范圍大、過(guò)載能力強(qiáng)、平滑的調(diào)速特性和較大的起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。但存在設(shè)備費(fèi)用高、體積大和需要專(zhuān)用的供電電源等缺點(diǎn)。
交流發(fā)電機(jī)，其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和供電方便。在舉升機(jī)構(gòu)中，一般采用三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和錐形轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，其工作電壓為380 V 或220V。
其中交流電動(dòng)機(jī)又有：
籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，操縱方便，有較高的轉(zhuǎn)差率，適用于直接啟動(dòng)，價(jià)格也便宜，缺點(diǎn)是啟動(dòng)電流大（達(dá)額定電流的4～6倍）和不能承受較多的起動(dòng)次數(shù)。一般用在功率不大和工作不十分頻繁的工況，如用于滑車(chē)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)。
起升機(jī)構(gòu)是舉升機(jī)構(gòu)中主要和基本的機(jī)構(gòu)。起升電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)是：起重時(shí)慣性載荷較小，所需的加速轉(zhuǎn)矩很小，只有滿(mǎn)載穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)矩的10%～20%，而電動(dòng)機(jī)的平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩通常為額定轉(zhuǎn)矩的1.6～1.8倍，使得起動(dòng)時(shí)間短。電動(dòng)機(jī)處于斷續(xù)周期工作制。在舉升機(jī)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)的選擇是一項(xiàng)重要的內(nèi)容，電動(dòng)機(jī)的選擇主要指電動(dòng)機(jī)的絕緣等級(jí)、額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、種類(lèi)及形式、防護(hù)等級(jí)、工作制度、調(diào)速方式、接電持續(xù)率等項(xiàng)目的選擇，而其中最重要的是電機(jī)的絕緣等級(jí)、工作制度、防護(hù)等級(jí)的選擇和電機(jī)的功率計(jì)算。
4.8.2 絕緣等級(jí)
電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于損耗產(chǎn)生熱量，使電動(dòng)機(jī)的溫度升高。電動(dòng)機(jī)允許達(dá)到的最高溫度是由電動(dòng)機(jī)使用的絕緣材料的耐熱程度決定的，絕緣材料的耐熱程度稱(chēng)為絕緣等級(jí)。不同的絕緣材料，其最高允許溫度是不同的，電動(dòng)機(jī)常用的絕緣材料分為5個(gè)等級(jí)，其中的最高允許溫升植按環(huán)境溫度為40°C時(shí)計(jì)算。目前，我國(guó)生產(chǎn)的電機(jī)多采用E級(jí)和B級(jí)絕緣，發(fā)展趨勢(shì)是采用F級(jí)和H級(jí)絕緣，這樣可以在一定的輸出功率下，減輕電機(jī)的重量、縮小電機(jī)的體積。
電動(dòng)機(jī)的使用壽命主要是其絕緣材料決定的，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的工作溫度不超過(guò)其絕緣材料的最高允許溫度時(shí)，絕緣材料的使用壽命可達(dá)20年左右，若超過(guò)最高允許溫度時(shí)，則絕緣材料的使用壽命將大大縮短。由此可見(jiàn)，絕緣材料的最高允許溫度是一臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力的限度，而電動(dòng)機(jī)的額定功率正是這個(gè)限度的體現(xiàn)。
表4.2 電機(jī)的等級(jí)選擇
等級(jí)
絕緣材料
最高允許溫度/°C
最高允許溫升/°C
A
經(jīng)過(guò)浸漬處理的棉、絲、紙板、木材等，普通絕緣漆
105
60
E
環(huán)氧樹(shù)脂、聚脂薄膜、青瓷紙、三醋酸纖維薄膜、高強(qiáng)度絕緣漆
120
80
B
用提高了耐熱性能的有機(jī)漆做粘合劑的云母、石棉和玻璃纖維組合物
130
90
F
用耐熱優(yōu)良的環(huán)氧樹(shù)脂粘合或浸漬的云母、石棉和玻璃纖維組合物
155
115
H
用硅有機(jī)樹(shù)脂粘合或浸漬的云母、石棉和玻璃纖維組合物，硅有機(jī)橡膠
180
140
4.8.3 功率
電動(dòng)機(jī)的額定功率是指在環(huán)境溫度為40°C、電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)工作，其溫度不超過(guò)絕緣材料最高允許溫度時(shí)的最大輸出功率。在舉升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)選擇中，正確選擇電動(dòng)機(jī)的功率有很大的意義。功率不足，電動(dòng)機(jī)將過(guò)載運(yùn)行，長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行，會(huì)使電動(dòng)機(jī)過(guò)熱而縮短其使用壽命，同時(shí)也會(huì)影響到舉升機(jī)構(gòu)的效率和在滿(mǎn)載情況下舉升的可靠性。功率過(guò)大，電動(dòng)機(jī)的容量得不到充分利用，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于輕載運(yùn)行，效率過(guò)低，會(huì)使設(shè)備費(fèi)用和重量增加，并對(duì)機(jī)械的工作性能和零部件的強(qiáng)度產(chǎn)生有害影響。
合理選擇電動(dòng)機(jī)功率的基本要求：在給定的工作條件和額定參數(shù)下，在額定載荷下工作時(shí)可靠的起動(dòng)（即起動(dòng)時(shí)間合理）并在最大工作載荷作用下具有足夠的過(guò)載能力（工作中不發(fā)生停車(chē)現(xiàn)象）。
4.8.4 電動(dòng)機(jī)的選擇與驗(yàn)算
1、初選電動(dòng)機(jī)
計(jì)算舉升機(jī)構(gòu)額定起重量時(shí)的靜載荷功率Nj
Nj=(Q+ G0)V/60 (4.6)
式