剪叉式液壓升降機(jī)運動學(xué)和力學(xué)分析及三維造型-含仿真【三維PROE】【11張CAD圖紙+PDF圖】

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獻(xiàn)10指導(dǎo)教師意見111文獻(xiàn)綜述1.1本課題國外研究進(jìn)展當(dāng)前國外制造升降平臺的國家比較多，如意大利、芬蘭、美國、英國等國家。國外升降平臺生產(chǎn)在有的國家已有幾十年的歷史，升降平臺在機(jī)械產(chǎn)品中占有相當(dāng)大的比重。根據(jù)叉臂的數(shù)量分單節(jié)和多節(jié)升降平臺，還有固定式（圖1.1）、超低式（圖1.2）、移動式（圖1.3）等各種型式。目前升降平臺的驅(qū)動力多用液壓驅(qū)動，在倉庫、航空、工業(yè)、碼頭等場所廣泛運用。特別在高空作業(yè)升降平臺及商業(yè)貨物平臺中己形成系列化的生產(chǎn)，如英國起重有限公司，他們根據(jù)各類倉庫的裝卸需求，生產(chǎn)適應(yīng)商業(yè)貨物系統(tǒng)方面不同型號的升降平臺，大部分高空作業(yè)搬運作業(yè)其技術(shù)先進(jìn)。還有Geda公司的Multilift系列施工升降平臺，這臺施工升降機(jī)可以通過電子顯示裝置對“高度預(yù)定控制系統(tǒng)”進(jìn)行操作。通過該系統(tǒng)，要使升降平臺輕松地?？吭诓煌叨龋僮鲉T只需簡單的按鈕操作就可。該升降平臺配有嵌入式的控制裝置，使升降平臺的急停急走不再發(fā)生。美國專家Hashem 等根據(jù)剪叉式液壓升降機(jī)的特點提出采用并聯(lián)連接剪叉臂的結(jié)構(gòu)形式，之前的升降機(jī)主要是串聯(lián)連接剪叉臂，串聯(lián)連接限制了其工作臺面的增加，并聯(lián)連接不僅可以增加工作面積，還能夠大大增加其穩(wěn)定性1-2。此外，Geda公司的Multilift系列施工升降平臺可上升到150米的高度，同時承載12人3。芬蘭的博浪濤公司是全球最著名生產(chǎn)大高度高空作業(yè)升降平臺車的企業(yè)，結(jié)構(gòu)型式都是二級伸縮臂加多級伸縮折臂結(jié)構(gòu)，升降高度可達(dá)到36-60米。另外還有許多國外專家學(xué)者對剪叉機(jī)構(gòu)以及液壓剪叉升降平臺的動力學(xué)、運動學(xué)及其力學(xué)性能進(jìn)行了研究。并通過數(shù)值仿真研究了關(guān)節(jié)的柔性和滑塊的慣性對連桿彈性振動的影響 4。Liu等基于Matlab/Simulink軟件對液壓剪叉式升降臺進(jìn)行了運動學(xué)分析，得到了升降臺的運動曲線，并基于Pro/E軟件，以機(jī)構(gòu)質(zhì)量最小化為目標(biāo)，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。H.Spackman介紹了一種計算液壓剪叉式升降臺驅(qū)動力的方法，運用該方法，設(shè)計者可以很快地得出驅(qū)動源的優(yōu)化位置以及驅(qū)動力的大小 5。圖1.2超低式升降平臺圖1.1固定式升降平臺圖1.3移動式升降平臺1.2本課題國內(nèi)研究進(jìn)展隨著中國城鎮(zhèn)化的擴(kuò)展，道路，橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)不斷增多，需求不斷擴(kuò)大，升降平臺以及升降機(jī)的種類需求也不斷增加。而且近幾年，液壓升降平臺發(fā)展正處在一個發(fā)展的高峰期，并且逐步向產(chǎn)業(yè)化和集群模式發(fā)展。現(xiàn)在不管是在建筑工地、市政施工、企業(yè)、工業(yè)、工廠、裝潢、酒店還是私家庭院，升降機(jī)以及是到處可見，使用也是非常廣泛。因此，升降平臺市場發(fā)展前景廣闊。我國升降平臺市場進(jìn)入高速發(fā)展階段，有望保持高速發(fā)展態(tài)勢。關(guān)鍵是在中國改革開放，經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展期，國內(nèi)企業(yè)，工廠以及基礎(chǔ)設(shè)施項目大批開工建設(shè)，升降平臺的實用型、便捷性凸顯出來。在強(qiáng)勁的市場需求帶動下，我國升降機(jī)產(chǎn)業(yè)逐步發(fā)展起來。以山東為例，山東濟(jì)陽已經(jīng)成為國內(nèi)最大的大噸位液壓升降平臺制造基地，產(chǎn)業(yè)及規(guī)模全國第一，年產(chǎn)值上億元，而全國其他地方如：江蘇，廣東，河南等地也出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展趨勢，江蘇則呈現(xiàn)出多元化升降平臺制造態(tài)勢，如：鋁合金升降機(jī)，液壓升降平臺，高空作業(yè)臺等都生產(chǎn)制造，產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展迅速。當(dāng)前，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)相對穩(wěn)定，市場發(fā)展一切向好，國產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，質(zhì)優(yōu)價廉?；旧蠞M足了國內(nèi)各行各業(yè)的需求。此外，國產(chǎn)升降設(shè)備出口也取得了很大進(jìn)展，出口升降機(jī)的種類也是越來越多，出口國家從東南亞擴(kuò)展到非洲、北美，一些發(fā)展中國家也成為我國液壓升降機(jī)的出口對象，出口技術(shù)含量和附加值也在逐步提高。隨著升降機(jī)產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢和集群發(fā)展逐漸明顯，升降機(jī)將向高新技術(shù)發(fā)展，升降機(jī)產(chǎn)業(yè)將信息化、網(wǎng)絡(luò)化，綠色環(huán)保將成為升降機(jī)發(fā)展趨勢。目前國外生產(chǎn)升降機(jī)比較知名的企業(yè)有愛知公式、JLG公司和 Alter 公司等。在國內(nèi)主要有山東濟(jì)陽和江蘇鎮(zhèn)江兩大生產(chǎn)基地。比較知名的國內(nèi)企業(yè)有徐州重工，浙江定力和京城重工等企業(yè) 6。國內(nèi)的升降平臺的制造起步比國外的晚，但是近幾年的發(fā)展相對較為迅速，主要表現(xiàn)在產(chǎn)品種類的不斷增加。如沈陽北方交通中共集團(tuán)研制了 54m 的高空消防救援車。目前，徐州重型機(jī)械有限公司正在研發(fā) 80m 的高空消防車，在此之前，它已經(jīng)成功研制了 22-68m 的高空消防救援車。杭州愛知公司也研發(fā)完成了絕緣型高空作業(yè)車。在國內(nèi)，升降平臺仍然有著很大的市場發(fā)展空間，促進(jìn)其快速發(fā)展的主要因素為日漸增長的勞動力成本，同時還有國家各項政策及規(guī)劃的引導(dǎo)和扶持，如機(jī)場的建設(shè)、城市鐵路公路、船舶工業(yè)等7。相關(guān)的“十二五”規(guī)劃，另外商貿(mào)物流發(fā)展專項規(guī)劃也在不同程度上對快速發(fā)展我國的高空作業(yè)平臺起到了推動作用8。在剪叉機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度方面的研究，郭克希等人通過對剪叉式機(jī)構(gòu)的演變方式的分析對比，得到了變異剪叉結(jié)構(gòu)，并對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，通過對該空間展開式剪叉機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析，得出了該機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，從而設(shè)計出一種新型的能夠廣泛應(yīng)用于各種特殊的場合的機(jī)動平臺9。胡小舟等人分析了剪叉式升降機(jī)的受力，建立了其力學(xué)模型，然后利用 Matlab 軟件進(jìn)行分析，研究了影響油缸最大推力的關(guān)鍵參數(shù)10。張榮敏等人對剪叉機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析，并利用 ANSYS /APDL 的優(yōu)化設(shè)計模塊對剪叉臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，得出剪叉臂的最優(yōu)參數(shù)11。鄧宏光等人根據(jù)剪叉式升降平臺的結(jié)構(gòu)特征，建立了起升結(jié)構(gòu)的力學(xué)方程，并確定了起升結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)12。浙江交通設(shè)計院的陳向陽等提出一種新的推導(dǎo)宏單元剛度矩陣的方法，并推導(dǎo)出剪式宏單元的幾何非線性切線剛度矩陣，并給出了顯示線性剛度矩陣13。解本銘等對剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)應(yīng)力電測測試，同時對剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，通過實驗與理論分析比較，結(jié)果顯示分析所得結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，從而確定了剪叉機(jī)構(gòu)發(fā)生最大應(yīng)力的區(qū)域14。2課題背景及開展研究的意義2.1課題背景工程機(jī)械是我國裝備工業(yè)的重要組成部分。為了保證各種工程建設(shè)高速度、高質(zhì)量、低成本施工的進(jìn)行，工程機(jī)械是重要手段。現(xiàn)代化建設(shè)速度的快慢取決于工程建設(shè)的速度。工程機(jī)械發(fā)展水平的高低直接影響工程建設(shè)的速度，因此工程機(jī)械是世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家的重點發(fā)展行業(yè)。我國的機(jī)械工業(yè)發(fā)展較晚，基礎(chǔ)較差，但是經(jīng)過多年的努力，從無到有，從模仿一般的小型機(jī)械到自主研發(fā)制造大型精密設(shè)備，我國的工程機(jī)械行業(yè)不斷地發(fā)展為一個機(jī)械產(chǎn)品門類齊全，產(chǎn)品技術(shù)具有先進(jìn)水平的工業(yè)體系15。液壓升降臺是一種將人或者貨物升降到一定高度的升降設(shè)備，主要用于人員登高作業(yè)和貨物垂直運輸。按照升降機(jī)構(gòu)型式，升降臺大致可分為4 種類型。即剪叉式升降臺（圖1.1）、桁架式升降臺（圖1.2）、多級液壓缸直頂式升降臺（圖1.3）、懸臂式升降臺（圖1.4）16。剪叉式液壓升降臺具有結(jié)構(gòu)簡單、承載量大、安裝空間小、自動化程度高且易于實現(xiàn)集中控制等特點，因此在現(xiàn)代物流、航空、自動化生產(chǎn)線等場合中得到廣泛應(yīng)用17。剪叉式升降平臺是應(yīng)用非常廣泛的一種升降裝置，剪叉式升降平臺的結(jié)構(gòu)決定了其功能和特點，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、運行可靠、安全高效、故障率低、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點，因此廣泛用于車站、碼頭、橋梁、大廳、廠房、室內(nèi)外機(jī)械安裝、設(shè)備維修、建筑保養(yǎng)等場合。但是，剪叉式升降平臺也存在一定的不足之處，例如粗大笨重，造價較高，造成使用上的不便。一般起升高度在 10 m 左右的剪叉式升降平臺其重量往往超過 1 t，這樣的重量在施工現(xiàn)場很難靈活移動，用專車配合使用成本高，也會降低工作效率。剪叉式升降平臺含有大量的鋼結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點和力學(xué)性能會對平臺的質(zhì)量和性能產(chǎn)生直接影響18。圖2.1剪叉式升降臺圖2.2桁架式升降臺圖2.4懸臂式升降臺圖2.3多級液壓缸直頂式升降臺2.2升降機(jī)的研究意義升降機(jī)不論是在工業(yè)生產(chǎn)還是我們的日常生活中都有著非常重要的作用。給我們帶來許多便捷、便利。升降機(jī)有許多特色的功能，電梯在我們生活中的好多地方都會用到，升降機(jī)就如電梯的性能大同小異，我們在升降機(jī)的使用過程中也可以針對自己的需求對升降機(jī)的具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。升降機(jī)在我們生產(chǎn)中的應(yīng)用非常普遍，可見升降機(jī)在我們的生活中的重要性。然而在我們生產(chǎn)中升降機(jī)也有著非常重要的作用，尤其是貨物高空操作。 現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，生產(chǎn)力不斷的加大，對生產(chǎn)效率的要求也越來越高。高空操作也比過去頻繁，所以升降機(jī)在進(jìn)行高空操作業(yè)的時候意義重大，即降低了工作人員的危險系數(shù)又提高了工作效率。升降機(jī)操作簡單，而且可以給我們提供一個安全穩(wěn)定的工作平臺。為我們在高空作業(yè)的時候提供更多的安全提供保障。升降機(jī)不僅在生產(chǎn)中有著重要的作用，在我們生活中的應(yīng)用也非常廣泛。在酒店、賓館、影院等等公共休閑娛樂場所我們都會見到升降機(jī)在這里進(jìn)行燈具的清潔維修，和各種公共設(shè)備的調(diào)試安裝維護(hù)保養(yǎng)等工作。所以對升降機(jī)的研究具有一定的實際應(yīng)用價值。2.3剪叉式高空作業(yè)平臺的發(fā)展趨勢目前，高空作業(yè)機(jī)械品種規(guī)格多樣，功能不斷完備，產(chǎn)業(yè)化規(guī)?；男袠I(yè)形態(tài)已經(jīng)形成?？v觀近些年國際工程機(jī)械發(fā)展史，將剪叉式高空作業(yè)平臺的發(fā)展趨勢歸納如下：（1）擴(kuò)大可進(jìn)行作業(yè)的范疇，不同工作環(huán)境均能滿足需要。自年以來，剪叉式高空作業(yè)平臺的市場需用量呈不斷上漲趨勢，幾乎每個廠家開始從電動機(jī)作手開始轉(zhuǎn)向大中型越野型平臺產(chǎn)品。尤其在作業(yè)高度上得到了全面提升。最關(guān)鍵的驅(qū)動系統(tǒng)都是按特別耐用和惡劣環(huán)境下的工況進(jìn)行設(shè)計。（2）差異化、個性化，滿足用戶多種功能性的需求。由于高空作業(yè)平臺的用途非常廣泛，有多個行業(yè)涉及到，但是行業(yè)之間的作業(yè)內(nèi)容不盡相同，即使是相同行業(yè)在不同的地理位置其環(huán)境和操作規(guī)范等因素也不同，另外對于產(chǎn)品功能的要求也不同，市場上的要求表現(xiàn)的各有不同，逐漸呈現(xiàn)出了差異化、個性化，滿足用戶多種功能性的需求的特點。短期內(nèi)多種功能性的要求仍然是剪叉式高空作業(yè)平臺的一個重要發(fā)展方向。（3）向智能化、小型化、大高度發(fā)展。由于城市運行的高效率和維修和緊急維修的特點，對產(chǎn)品的要求應(yīng)是足夠高的工作效率，并確保足夠的安全，同時預(yù)防和減少災(zāi)害不出現(xiàn)新的災(zāi)難，依靠對傳統(tǒng)的機(jī)械和人工操作控制是非常困難的事，必須通過先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)和智能控制技術(shù)的實施，使智能控制是產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。在場地狹窄，地面承載能力差，要求產(chǎn)品具有體積小，質(zhì)量輕的特點，因此，產(chǎn)品必須走小型化，重量輕的方向。（4）不斷提高安全意識和環(huán)保概念。剪叉式高空作業(yè)平臺在業(yè)界得到了越來越廣泛的使用，各個廠家的安全意識也不斷提升，通過提高安全性及安裝各類安全設(shè)施，保護(hù)操作者的人身安全，并且越來越多的法律法規(guī)及安全生產(chǎn)規(guī)程也在不斷完善。193研究內(nèi)容、方法及預(yù)期目的3.1研究內(nèi)容1.液壓升降機(jī)的研究2.虛擬樣機(jī)技術(shù)研究和Pro/E軟件學(xué)習(xí)3.液壓升降機(jī)方案設(shè)計和分析4.液壓升降機(jī)運動學(xué)和力學(xué)分析5.液壓升降機(jī)三維造型3.2具體方法1.根據(jù)生產(chǎn)線的使用和現(xiàn)場設(shè)計要求，做大量的資料和調(diào)查，對目前運用比較廣泛的剪叉式升降平臺進(jìn)行運動及力學(xué)分析，并提出自己的設(shè)計方案。2.本設(shè)計是以水平驅(qū)動作為指導(dǎo)思想，對其進(jìn)行運動及力學(xué)分析，并對其進(jìn)行運動學(xué)和力學(xué)分析，得出本設(shè)計的優(yōu)越性和可行性。3.確定主要構(gòu)件參數(shù)，并對主要構(gòu)件和零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。4.用Pro/E軟件對剪式升降平臺三維造型，并進(jìn)行仿真，導(dǎo)出仿真動畫。3.3預(yù)期目的本課題基于對剪叉式液壓升降機(jī)的了解，從而完成剪叉式液壓升降機(jī)的運動學(xué)和力學(xué)分析，具體內(nèi)容有剪叉式液壓升降機(jī)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)和力學(xué)分析、三維造型，并根據(jù)提出的技術(shù)參數(shù)，給出剪叉式液壓升降機(jī)的整體設(shè)計方案。4 進(jìn)度安排第一學(xué)期第1416周: 查閱資料、初步研究、撰寫并完成開題報告第二學(xué)期第12周: 翻譯外文、熟悉軟件第35周：液壓升降機(jī)運動學(xué)和力學(xué)分析第68周：基于Pro/E的升降機(jī)關(guān)鍵部件造型第911周：完成升降機(jī)虛擬樣機(jī)總體裝配設(shè)計第1213周：整理論文，準(zhǔn)備答辯參 考 文 獻(xiàn)1 MCHENRY D. A Lattice Analogy for the Solution of Plane Stress Problems J.Journal of Institution of Civil Engineers, 2011, 21:59-82.2 Y. Chen,Z. You,T. Tarnai.Threefold-symmetric braced linkages for deployable structures. International Journal of Solids and Structures, 2005, 42:2287-2301.3 建筑機(jī)械編委.Ihimer、Geda公司的施工升降機(jī).2009,8：474 賈啟芬，劉習(xí)君.機(jī)械與結(jié)構(gòu)震動M.天津：天津大學(xué)出版社.20075 H Spackman.Mathematical Analysis of Acatuator Forces in a Scissor Lift.USA:Naval Command.Control and Ocean Surveillance Center,1994:2-146W. Chen,G. Fu.A new design conception for large span deployable flat grid structures.International Journal of Space Structures,2002,17(4):293-299.7 張磊慶.國內(nèi)外高空作業(yè)平臺市場展望J.建筑機(jī)械化, 2012, 42-43.8 Yengst Charles R. Aerial work platforms no longer a bubble ready to burstJ. 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