基于UG的剪式千斤頂運動仿真分析

孔祥強，劉霄霄

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266510)

基于UG的剪式千斤頂運動仿真分析

孔祥強，劉霄霄

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266510)

對剪式千斤頂的結構及運動原理作了簡要概述，并從理論上對該機構的運動情況、受力情況進行了相應的數學建模。通過UG-Modeling模塊建立剪式千斤頂的三維實體模型，并使用UG-Motion模塊對該機構進行相關的運動仿真分析，分析該機構在運動過程中各構件的速度和受力情況。通過仿真分析可知，其結論與理論分析值吻合，本研究將為后期對剪式千斤頂機構的優化設計提供重要依據。

UG；剪式千斤頂；運動仿真

0 前言

千斤頂是一種常用的小型起重工具類產品，使用范圍非常廣泛，不僅是各種機動車輛的必備工具，在建筑、鐵路、汽車維修等部門也有著廣泛應用。早在20世紀40年代，千斤頂就已經開始在國外的汽車維修部門使用，但由于當時設計和使用上的原因，其尺寸較大，承載能力較低。90年代后期，保加利亞一汽車運輸研究所發明出充氣千斤頂，使用時用軟管將千斤頂連在汽車的排氣管上，經過15～20s時間，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，包括裝運三層汽車的貨車、聯運車以及高車頂車輛。另外，一種名為Truck Jack的便攜式液壓千斤頂則可用于對已經斷裂的貨車轉向架彈簧進行快速的現場維修。我國千斤頂產業發展起步較晚，建國以來到改革開放前，我國千斤頂的需求主要是以工業和國防尖端使用為主；改革開放后，隨著國民經濟的快速發展，人民生活水平的顯著提高，拉動了千斤頂的需求；進入20世紀90年代后，隨著中國汽車化進程的不斷加快，剪式千斤頂產業進入快速發展期，其需求增速遠高于全球水平[1-3]。

本文主要是以剪式千斤頂機構為研究對象，在對其各部件進行運動分析和受力分析后，通過ug/modeling模塊建立剪式千斤頂機構的三維實體模型，并使用ug/Motion模塊對剪式千斤頂機構進行相關的運動仿真分析，最后得出結論。

1 剪式千斤頂機構的運動分析和受力分析

1.1 剪式千斤頂的結構及運動分析

1—頂板；2—上支撐臂；3—滑塊；4—螺桿；5—底座；6—下支撐臂圖1 剪式千斤頂機構簡圖

剪式千斤頂機構簡圖如圖1所示。其工作原理：在螺桿連續轉動過程中，滑塊不僅相對螺桿作水平運動，同時還帶動上、下支撐臂作升降運動；螺桿本身也存在著水平、垂直兩個方向的運動，頂板做垂直升降運動，底座始終保持不動。剪式千斤頂運動模型如圖2所示。

圖2 剪式千斤頂運動模型圖

由圖2可知，假設底座A為坐標原點，螺桿與下支撐臂的夾角為α(0°≤α≤90°)，剪式千斤頂在實際運動過程中，螺桿隨著B點位置會有一個沿著水平方向向右的運動，同時D點相對于螺桿存在相反方向的運動。當螺桿轉動一圈時，B、D兩點的運動速度各為螺桿速度的一半，得到數學關系式：

(1)

(2)

式中：VB—B點的絕對速度，VD—D點的絕對速度，VC—C點的合成速度，n—螺桿轉速，p—螺距，α—螺桿與下支撐臂夾角。在螺桿轉速為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，到達極限位置時停止運動。

1.2 剪式千斤頂機構的受力分析

由平面機構的受力分析可知，重物給支撐點C施加重力G，兩個上支撐臂受重物作用產生壓力分別為T1和T2，同時兩個上支撐臂對支撐點C的反作用力為T1＇和T2＇，與重力G形成平衡力。當螺桿連續轉動時，上支撐臂受滑塊作用產生壓力為T3、下支撐臂受滑塊作用產生壓力為T4，同時上、下支撐臂對滑塊的反作用力分別為T3＇和T4＇，與拉力F形成平衡力，剪式千斤頂各構件受力圖如圖3所示。

圖3 剪式千斤頂各構件受力圖

根據機械原理平面機構的受力分析，得到數學關系式[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—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之間的關系，當重力G一定時，拉力F隨α增大而減小。

2 剪式千斤頂機構的運動仿真分析

采用UG自頂向下的裝配方法[8]對剪式千斤頂的各零部件進行裝配如圖4所示。

圖4 剪式千斤頂的三維實體模型圖

剪式千斤頂主要由剪式部分和傳遞動力部分組成，其中剪式部分由平行四邊形機構組成，傳遞動力部分由螺桿機構組成。本機構共有12個運動副，其中9個轉動副、1個圓柱副、1個螺旋副和1個滑動副。9個轉動副中有6個轉動副構成上下支撐臂上的鉸接點，另外2個轉動副連接滑塊和上、下支撐臂，最后1個轉動副(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；頂板中心施加一個垂直滑動副(命名 plate)。

2.1 剪式部分運動副的創建

1) 連桿的劃分：整個模型內參與運動的部件即為連桿，共8個，其底座為非連桿機構。

2) 運動副的劃分：連桿L1、L3、L5和L7構成剪式千斤頂的剪式部分，其運動副均為轉動副；其中連桿L2、L6、L8構成剪式千斤頂的傳遞動力部分，L2、L6的運動副也為轉動副，它們既要隨其他連桿移動，而且兩者之間還要保持水平；L4沿升起方向加一個與地面垂直運動的滑動副；L8是主運動，既能旋轉又可移動，運動副為圓柱副，由于圓柱副沒有驅動，還需在L8上創建螺旋副。

3) 運動的傳遞：螺桿連續轉動增大了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L3向上運動。

2.2 傳遞動力螺旋部分運動副的創建

螺桿機構的運動原理：螺桿連續轉動時，右滑塊相對螺桿可以滑動，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，一共要創建4個運動副。

1) 螺桿的左端為轉動副連接左滑塊，螺桿的右端為圓柱副連接右滑塊。

2) 左滑塊、右滑塊的運動副為轉動副連接相應的連桿。

3) 螺桿的螺旋副，設模數比為3，螺桿的驅動方式為“恒定”，初始速度為200°/s。

2.3 運動仿真及結論

通過運動仿真[9-11]使人直觀的看到各構件之間的運動過程，得到支撐臂運動速度和時間關系曲線圖、支撐臂運動速度和α角關系曲線圖、plate—位移曲線和torque—力曲線關系曲線圖、仿真分析部分參數數據，分別如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖5 支撐臂運動速度和時間關系曲線圖

圖6 支撐臂運動速度和α角關系曲線圖

圖7 plate—位移曲線和torque—力曲線關系曲線圖

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 仿真分析部分參數數據

3 結論

針對剪式千斤頂機構進行了運動分析和受力分析，建立了剪式千斤頂運動模型圖和各構件受力圖，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的數學關系式，以及拉力F、重力G與角度α的數學關系式。本文以一個剪式千斤頂頂舉重物逐漸上升運動為例，利用ug /Motion模塊對剪式千斤頂進行運動仿真分析，得出結論：1) 在剪式千斤頂上升的過程中，隨著時間的增加，α角度的增大，支撐臂的運動速度逐漸減小，直至速度為零；2) 隨著時間的增加，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的研發周期，降低了產品生產成本，對提高設計效率和產品品質具有重要的指導意義。

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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(19 -)

TH211+.1；TP391.9

B

1671-5276(2014)02-0113-04

2013-03-07