孔祥強(qiáng)，劉霄霄

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266510)

基于UG的剪式千斤頂運(yùn)動(dòng)仿真分析

孔祥強(qiáng)，劉霄霄

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266510)

對(duì)剪式千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)原理作了簡(jiǎn)要概述，并從理論上對(duì)該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況、受力情況進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模。通過UG-Modeling模塊建立剪式千斤頂?shù)娜S實(shí)體模型，并使用UG-Motion模塊對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)動(dòng)仿真分析，分析該機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中各構(gòu)件的速度和受力情況。通過仿真分析可知，其結(jié)論與理論分析值吻合，本研究將為后期對(duì)剪式千斤頂機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

UG；剪式千斤頂；運(yùn)動(dòng)仿真

0 前言

千斤頂是一種常用的小型起重工具類產(chǎn)品，使用范圍非常廣泛，不僅是各種機(jī)動(dòng)車輛的必備工具，在建筑、鐵路、汽車維修等部門也有著廣泛應(yīng)用。早在20世紀(jì)40年代，千斤頂就已經(jīng)開始在國(guó)外的汽車維修部門使用，但由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)和使用上的原因，其尺寸較大，承載能力較低。90年代后期，保加利亞一汽車運(yùn)輸研究所發(fā)明出充氣千斤頂，使用時(shí)用軟管將千斤頂連在汽車的排氣管上，經(jīng)過15～20s時(shí)間，千斤頂即可鼓起成為圓柱體。Power-RiserⅡ型便攜式液壓千斤頂適用于所有類型的鐵道車輛，包括裝運(yùn)三層汽車的貨車、聯(lián)運(yùn)車以及高車頂車輛。另外，一種名為Truck Jack的便攜式液壓千斤頂則可用于對(duì)已經(jīng)斷裂的貨車轉(zhuǎn)向架彈簧進(jìn)行快速的現(xiàn)場(chǎng)維修。我國(guó)千斤頂產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚，建國(guó)以來到改革開放前，我國(guó)千斤頂?shù)男枨笾饕且怨I(yè)和國(guó)防尖端使用為主；改革開放后，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的顯著提高，拉動(dòng)了千斤頂?shù)男枨?；進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，隨著中國(guó)汽車化進(jìn)程的不斷加快，剪式千斤頂產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期，其需求增速遠(yuǎn)高于全球水平[1-3]。

本文主要是以剪式千斤頂機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，在對(duì)其各部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和受力分析后，通過ug/modeling模塊建立剪式千斤頂機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，并使用ug/Motion模塊對(duì)剪式千斤頂機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)動(dòng)仿真分析，最后得出結(jié)論。

1 剪式千斤頂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和受力分析

1.1 剪式千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)分析

1—頂板；2—上支撐臂；3—滑塊；4—螺桿；5—底座；6—下支撐臂圖1 剪式千斤頂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

剪式千斤頂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其工作原理：在螺桿連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，滑塊不僅相對(duì)螺桿作水平運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還帶動(dòng)上、下支撐臂作升降運(yùn)動(dòng)；螺桿本身也存在著水平、垂直兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，頂板做垂直升降運(yùn)動(dòng)，底座始終保持不動(dòng)。剪式千斤頂運(yùn)動(dòng)模型如圖2所示。

圖2 剪式千斤頂運(yùn)動(dòng)模型圖

由圖2可知，假設(shè)底座A為坐標(biāo)原點(diǎn)，螺桿與下支撐臂的夾角為α(0°≤α≤90°)，剪式千斤頂在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中，螺桿隨著B點(diǎn)位置會(huì)有一個(gè)沿著水平方向向右的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)D點(diǎn)相對(duì)于螺桿存在相反方向的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，B、D兩點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度各為螺桿速度的一半，得到數(shù)學(xué)關(guān)系式：

(1)

(2)

式中：VB—B點(diǎn)的絕對(duì)速度，VD—D點(diǎn)的絕對(duì)速度，VC—C點(diǎn)的合成速度，n—螺桿轉(zhuǎn)速，p—螺距，α—螺桿與下支撐臂夾角。在螺桿轉(zhuǎn)速為n，螺距為p，螺桿與下支撐臂夾角為α的情況下，千斤頂頂起重物上升的速度即為C點(diǎn)的速度。由此可以得出，在千斤頂上升過程中，千斤頂頂舉重物的速度隨α增大而減小，到達(dá)極限位置時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。

1.2 剪式千斤頂機(jī)構(gòu)的受力分析

由平面機(jī)構(gòu)的受力分析可知，重物給支撐點(diǎn)C施加重力G，兩個(gè)上支撐臂受重物作用產(chǎn)生壓力分別為T1和T2，同時(shí)兩個(gè)上支撐臂對(duì)支撐點(diǎn)C的反作用力為T1＇和T2＇，與重力G形成平衡力。當(dāng)螺桿連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上支撐臂受滑塊作用產(chǎn)生壓力為T3、下支撐臂受滑塊作用產(chǎn)生壓力為T4，同時(shí)上、下支撐臂對(duì)滑塊的反作用力分別為T3＇和T4＇，與拉力F形成平衡力，剪式千斤頂各構(gòu)件受力圖如圖3所示。

圖3 剪式千斤頂各構(gòu)件受力圖

根據(jù)機(jī)械原理平面機(jī)構(gòu)的受力分析，得到數(shù)學(xué)關(guān)系式[4-7]：

T=T1＇=T2＇=T3＇=T4＇

(3)

(4)

F=Gctgα

(5)

式中：T—舉臂受到的壓力，G—重物重力，F(xiàn)—螺桿受到的拉力，α—螺桿與下支撐臂夾角。由式(5)可知拉力F與α之間的關(guān)系，當(dāng)重力G一定時(shí)，拉力F隨α增大而減小。

2 剪式千斤頂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析

采用UG自頂向下的裝配方法[8]對(duì)剪式千斤頂?shù)母髁悴考M(jìn)行裝配如圖4所示。

圖4 剪式千斤頂?shù)娜S實(shí)體模型圖

剪式千斤頂主要由剪式部分和傳遞動(dòng)力部分組成，其中剪式部分由平行四邊形機(jī)構(gòu)組成，傳遞動(dòng)力部分由螺桿機(jī)構(gòu)組成。本機(jī)構(gòu)共有12個(gè)運(yùn)動(dòng)副，其中9個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、1個(gè)圓柱副、1個(gè)螺旋副和1個(gè)滑動(dòng)副。9個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副中有6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副構(gòu)成上下支撐臂上的鉸接點(diǎn)，另外2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接滑塊和上、下支撐臂，最后1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(命名torque)連接左滑塊和螺桿；圓柱副和螺旋副連接右滑塊和螺桿；頂板中心施加一個(gè)垂直滑動(dòng)副(命名 plate)。

2.1 剪式部分運(yùn)動(dòng)副的創(chuàng)建

1) 連桿的劃分：整個(gè)模型內(nèi)參與運(yùn)動(dòng)的部件即為連桿，共8個(gè)，其底座為非連桿機(jī)構(gòu)。

2) 運(yùn)動(dòng)副的劃分：連桿L1、L3、L5和L7構(gòu)成剪式千斤頂?shù)募羰讲糠?，其運(yùn)動(dòng)副均為轉(zhuǎn)動(dòng)副；其中連桿L2、L6、L8構(gòu)成剪式千斤頂?shù)膫鬟f動(dòng)力部分，L2、L6的運(yùn)動(dòng)副也為轉(zhuǎn)動(dòng)副，它們既要隨其他連桿移動(dòng)，而且兩者之間還要保持水平；L4沿升起方向加一個(gè)與地面垂直運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)副；L8是主運(yùn)動(dòng)，既能旋轉(zhuǎn)又可移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)副為圓柱副，由于圓柱副沒有驅(qū)動(dòng)，還需在L8上創(chuàng)建螺旋副。

3) 運(yùn)動(dòng)的傳遞：螺桿連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)增大了L5、L7兩桿間的距離，由平行四邊形法則推斷L5、L7之間的角度增大，L3、L5之間的角度減小，從而推動(dòng)L3向上運(yùn)動(dòng)。

2.2 傳遞動(dòng)力螺旋部分運(yùn)動(dòng)副的創(chuàng)建

螺桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理：螺桿連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，右滑塊相對(duì)螺桿可以滑動(dòng)，左滑塊則固定螺桿的一端，隨著兩滑塊之間的距離縮短，重物被頂起，一共要?jiǎng)?chuàng)建4個(gè)運(yùn)動(dòng)副。

1) 螺桿的左端為轉(zhuǎn)動(dòng)副連接左滑塊，螺桿的右端為圓柱副連接右滑塊。

2) 左滑塊、右滑塊的運(yùn)動(dòng)副為轉(zhuǎn)動(dòng)副連接相應(yīng)的連桿。

3) 螺桿的螺旋副，設(shè)模數(shù)比為3，螺桿的驅(qū)動(dòng)方式為“恒定”，初始速度為200°/s。

2.3 運(yùn)動(dòng)仿真及結(jié)論

通過運(yùn)動(dòng)仿真[9-11]使人直觀的看到各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)過程，得到支撐臂運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間關(guān)系曲線圖、支撐臂運(yùn)動(dòng)速度和α角關(guān)系曲線圖、plate—位移曲線和torque—力曲線關(guān)系曲線圖、仿真分析部分參數(shù)數(shù)據(jù)，分別如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖5 支撐臂運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間關(guān)系曲線圖

圖6 支撐臂運(yùn)動(dòng)速度和α角關(guān)系曲線圖

圖7 plate—位移曲線和torque—力曲線關(guān)系曲線圖

2TimeStepdrvtorque,revoluteTIME_TIME,TIMWPLATE_,Displacement(abs)torque_AMAG,Force(abs)300.0000.0000.0005513.29041100.0000.5004.6975256.44252200.0001.0009.1805026.43263300.0001.50013.4694818.80974400.0002.00017.5814630.08185500.0002.50021.5314457.46796600.0003.00025.3314298.721107700.0003.50028.9924152.005118800.0004.00032.5234015.799129900.0004.50035.9323888.83613101000.0005.00039.2273700.04714111100.0005.50042.4143658.52315121200.0006.00045.4993553.48816131300.0006.50048.4883454.27217141400.0007.00051.3853360.29618151500.0007.50054.1953271.05319161600.0008.00056.9213186.10020171700.0008.50059.5673105.04621181800.0009.00062.1373027.54422191900.0009.50064.6332953.28823202000.00010.00067.0592882.00124212100.00010.50069.4162813.43725222200.00011.00071.7072747.37526232300.00011.50073.9352683.61427242400.00012.00076.1012621.97128252500.00012.50078.2082562.28229262600.00013.00080.2572504.39630272700.00013.50082.2502448.17331282800.00014.00084.1882393.48832292900.00014.50086.0372340.22333303000.00015.00087.9072288.27034313100.00015.50089.6902237.52835323200.00016.00091.4242187.90536333300.00016.50093.1092139.31337343400.00017.00094.7472091.67138353500.00017.50096.3412044.90339363600.00118.00097.8891998.93640373700.00118.50099.3931953.70441383800.00119.000100.8531909.14242393900.00119.500102.2711865.19043404000.00120.000103.6481821.788

圖8 仿真分析部分參數(shù)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

針對(duì)剪式千斤頂機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析和受力分析，建立了剪式千斤頂運(yùn)動(dòng)模型圖和各構(gòu)件受力圖，得出了在千斤頂上升過程中，千斤頂頂舉重物的速度與角度α的數(shù)學(xué)關(guān)系式，以及拉力F、重力G與角度α的數(shù)學(xué)關(guān)系式。本文以一個(gè)剪式千斤頂頂舉重物逐漸上升運(yùn)動(dòng)為例，利用ug /Motion模塊對(duì)剪式千斤頂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，得出結(jié)論：1) 在剪式千斤頂上升的過程中，隨著時(shí)間的增加，α角度的增大，支撐臂的運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小，直至速度為零；2) 隨著時(shí)間的增加，左滑塊與螺桿受力逐漸減小，頂板上升高度逐漸增加。該方法極大地縮短了剪式千斤頂?shù)难邪l(fā)周期，降低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本，對(duì)提高設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品品質(zhì)具有重要的指導(dǎo)意義。

[1] 張萍.液壓千斤頂[J].國(guó)外車輛工藝,1999,30(4):136-139.

[2] 歐陽英.中國(guó)千斤頂行業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].建筑機(jī)械,2006,12(3):156-158.

[3] 謝海東,余巖.新型臥式螺旋千斤頂動(dòng)力學(xué)研究[J].精密成形工程,2012(02):78-81. .

[4] 陳燕.新型電動(dòng)千斤頂設(shè)計(jì)制造的研究[D].碩士學(xué)位論文.2008:11-16. .

[5] 林泉.YCW250千斤頂?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)[D].碩士學(xué)位論文.2009:27-30.

[6] 孫恒,陳作模,葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社,2010.

[7] 謝海東,王軍.基于solidworks新型臥式千斤頂設(shè)計(jì)[J].機(jī)械,2010(05):53-55.

[8] 夏德偉,張俊生,陳樹勇.UGNX4.0中文版機(jī)械設(shè)計(jì)典型范例教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006.

[9] 宋曉華, 汪建平.基于UG的平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2005(01):107-109.

[10] 宋曉華,馬曉麗.利用UG實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真和分析[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2005(03) 65-68.

[11] 毛君,李娜,劉春華.基于ANSYS的液壓支架千斤頂仿真分析[J].煤礦機(jī)械,2007(10):32-33.

Simulation analysis for Scissor Jacks Based on UG

KONG Xiang-qiang,lIU Xiao-xiao

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)

This paper introduces the structure and the movement principle of the scissor jack briefly, establishes the corresponding mathematical model according to the theory of the mechanical movement and the stress situation, through the UG-Modeling module builds its three-dimensional entity model and then uses UG-Motion module to simulate the relevant kinematics and dynamics of this mechanism, and analyse the speed and stress conditions of the main components of the mechanism in its movement process. The accurate data of its mechanical movement is found out through the simulation analysis. The results of simulation analysis are consistent with the theoretical analysis ones, and this study provides the basis for the optimal design of the mechanism.

UG; scissor jacks; motion simulation

孔祥強(qiáng)(19 -)

TH211+.1；TP391.9

B

1671-5276(2014)02-0113-04

2013-03-07