防潮與自動(dòng)干燥舉升機(jī)裝置控制箱設(shè)計(jì)與仿真

吳慧　孔澤慧

摘 要：以舉升機(jī)自動(dòng)干燥控制箱執(zhí)行機(jī)構(gòu)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，運(yùn)用現(xiàn)代輔助設(shè)計(jì)軟件展開(kāi)三維建模及動(dòng)態(tài)仿真，根據(jù)結(jié)果改進(jìn)，以提高干燥箱的設(shè)計(jì)的可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)舉升機(jī)控制箱內(nèi)部電路及敏感電器元件的干燥性保護(hù)，以提高汽車(chē)舉升作業(yè)的安全性。

關(guān)鍵詞：防潮 舉升機(jī) 控制箱 機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)仿真

1 引言

在潮濕的環(huán)境中使用汽車(chē)舉升機(jī)的過(guò)程中，容易造成舉升機(jī)控制箱內(nèi)控制單元電腦板絕緣電阻值降低，導(dǎo)致電路的虛接和短接，從而出現(xiàn)舉升機(jī)自動(dòng)上升或自動(dòng)下降、不受點(diǎn)動(dòng)控制等危險(xiǎn)情況。在我國(guó)氣候潮濕的南方地區(qū)，設(shè)計(jì)的帶防潮與自動(dòng)干燥功能的舉升機(jī)控制箱對(duì)安全作業(yè)有著重要意義。本文在防潮與自動(dòng)干燥舉升機(jī)裝置整體研究方案的基礎(chǔ)上[1]，進(jìn)行舉升機(jī)防潮與自動(dòng)干燥控制箱（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）的設(shè)計(jì)與仿真研究。

2 防潮與自動(dòng)干燥舉升機(jī)裝置控制箱的結(jié)構(gòu)和基本組成

市面上常用的剪式舉升機(jī)控制箱內(nèi)部總空間約為85*35*30cm，在控制箱箱體和箱蓋接觸面均添加有密封條，以加強(qiáng)現(xiàn)有舉升機(jī)控制箱的密封性，同時(shí)通過(guò)加設(shè)置防潮與自動(dòng)干燥控制箱，達(dá)到防潮與自動(dòng)干燥的目的。（如無(wú)特殊說(shuō)明，以下提及的控制箱均指加設(shè)置的防潮與自動(dòng)干燥功能的控制箱）。控制箱是控制系統(tǒng)的執(zhí)行模塊，受控制系統(tǒng)信號(hào)控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)6接受信號(hào)從而控制干燥箱風(fēng)門(mén)板7的開(kāi)合。防潮與自動(dòng)干燥舉升機(jī)裝置控制箱整體結(jié)構(gòu)[2]如圖2所示。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體、步進(jìn)電機(jī)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)及兩塊風(fēng)門(mén)組成，風(fēng)門(mén)板用銷(xiāo)釘固定于齒條兩端，風(fēng)門(mén)板中間段也由滑動(dòng)銷(xiāo)釘限定于隔板相對(duì)位置上，以風(fēng)門(mén)板上滑槽長(zhǎng)度為限制風(fēng)門(mén)板的極限開(kāi)合大小角度，當(dāng)齒條拉動(dòng)風(fēng)門(mén)板的時(shí)候滑槽實(shí)現(xiàn)限制只可滑動(dòng)的風(fēng)門(mén)板實(shí)現(xiàn)風(fēng)門(mén)板一端可以伸長(zhǎng)，構(gòu)成由電機(jī)帶動(dòng)的簡(jiǎn)易滑動(dòng)雙搖臂四桿機(jī)構(gòu)。如圖2所示。

3 防潮與自動(dòng)干燥舉升機(jī)裝置控制箱的設(shè)計(jì)

3.1 步進(jìn)電機(jī)的選用

齒輪由電機(jī)帶動(dòng)控制，因?qū)τ诟叨炔怀^(guò)300mm，轉(zhuǎn)速要求不高但工作有一定的精度要求，因此采用57mm二相式閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)。

3.2 隔板尺寸選定

根據(jù)鋁及鋁合金板材的尺寸及允許偏差規(guī)定[3]：薄板的厚度定在0.3-0.4mm之間，厚板一般大于4.0mm，考慮隔板上可能會(huì)有油箱或泵體等重物，預(yù)設(shè)隔板厚度為5.0m。隔板因電子吸濕卡的高度設(shè)定為距離箱底50mm的高度，預(yù)留出后側(cè)風(fēng)門(mén)板的開(kāi)合與油管布置（約15mm）所需的空間，所以設(shè)定隔板與箱體后板的距離在65-70mm之間。隔板前側(cè)因風(fēng)門(mén)板的緣故也因減少5-10mm為風(fēng)門(mén)般的運(yùn)動(dòng)提供空間。綜上，隔板的尺寸初選為330*240*5mm。

3.3 風(fēng)門(mén)雙搖臂尺寸的初選

風(fēng)門(mén)板在打開(kāi)極端及閉合極端上都為靜止?fàn)顟B(tài)，在圖3中，桿件BD都屬于典型二力桿結(jié)構(gòu)[4]，由此初定風(fēng)門(mén)板厚度為10mm，風(fēng)門(mén)板的開(kāi)合角度為30°≤α≤90°，風(fēng)門(mén)板作用長(zhǎng)度（C下部分）為50mm，齒條控制力臂（BD）為20mm，根據(jù)齒條A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)的過(guò)程，確定CD段開(kāi)槽的長(zhǎng)度。

欲使齒條在不變形的情況下的平移運(yùn)動(dòng)以帶動(dòng)兩塊風(fēng)門(mén)板的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，所以采用滑槽設(shè)計(jì)，使風(fēng)門(mén)板在打開(kāi)時(shí)可以進(jìn)行滑動(dòng)以加長(zhǎng)CB段的長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)計(jì)所需的開(kāi)合角度?？紤]到開(kāi)孔距離5mm和滑槽中心與板邊緣距離約5mm，所以齒條全長(zhǎng)約為45mm。

4 齒輪齒條的選用

齒輪模數(shù)的選擇以GB/T1357-1987中規(guī)定的齒輪模數(shù)為選定標(biāo)準(zhǔn)，如表1：

齒輪的工作環(huán)境為半開(kāi)式，擁有簡(jiǎn)單的防護(hù)罩，可相對(duì)隔絕外界。但半開(kāi)式齒輪傳動(dòng)主要為磨損失效，為使齒輪不至于過(guò)小，故取齒數(shù)Z=17-20，為免于根切，壓力角為20°的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪齒數(shù)應(yīng)該大于17，故首先選取模數(shù)第一系列m=2，選用常用壓力角為20°，齒數(shù)選擇Z1=30，則分度圓直徑d=60，齒條齒數(shù)設(shè)為Z2=∞。齒輪的精度等級(jí)，根據(jù)規(guī)定的12個(gè)等級(jí)中7-8級(jí)為一般機(jī)械常用。然本設(shè)計(jì)中齒輪精度要求不高采用的低速直齒圓柱輪，精度等級(jí)可用7級(jí)。

因?yàn)樗柁D(zhuǎn)速不高，工作條件所要求沖擊性不高，在選材上，齒輪、齒條采用40Cr調(diào)質(zhì)處理[5]。

5 控制箱執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真分析

利用CATIA 軟件根據(jù)上述設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)控制箱執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行關(guān)鍵零部件的繪制。

5.1 控制箱體隔板與凸臺(tái)

隔板處與中層隔板同高位置有半徑為2mm長(zhǎng)度為5mm的凸臺(tái)作為銷(xiāo)釘用于限制風(fēng)門(mén)板運(yùn)動(dòng)位置。

5.2 風(fēng)門(mén)板模型及參數(shù)

板長(zhǎng)330mm寬60mm厚度10mm兩側(cè)開(kāi)槽長(zhǎng)14mm寬4mm深5mm，開(kāi)槽位置位于板正中間，上端距離風(fēng)門(mén)板上沿10mm，風(fēng)門(mén)板下側(cè)做有斜角角度70°，底端留有3.59mm平未被切削的板材，該設(shè)計(jì)可使板材質(zhì)量減輕且開(kāi)合過(guò)程更加順暢避免出現(xiàn)卡頓，斜角板上端凸臺(tái)如圖6。

凸臺(tái)高15mm寬10mm厚度10mm兩凸臺(tái)間距14mm，凸臺(tái)一邊與下端板材并齊，凸臺(tái)的開(kāi)孔直徑為5mm，于凸臺(tái)上和側(cè)邊距離5mm，凸臺(tái)上端做有倒圓角。該圖中所示為前板，后板參數(shù)于前板相同。

5.3 齒輪齒條

齒輪齒條機(jī)構(gòu)中齒輪模數(shù)為2mm，分度圓直徑d=60mm，壓力角20°，齒數(shù)z=30，中間開(kāi)孔15mm，齒條底座長(zhǎng)236mm高8mm厚14mm兩端凸臺(tái)為銷(xiāo)釘開(kāi)孔直徑為5mm，距離端面為5mm底座兩端面做圓角處理。

5.4 零件總體裝配圖

6 DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)仿真

6.1 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)條件

控制箱執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以看作簡(jiǎn)單平面滑動(dòng)鉸鏈機(jī)構(gòu)，如若要使機(jī)構(gòu)能夠穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，則必須對(duì)該機(jī)構(gòu)的自由度進(jìn)行分析。機(jī)構(gòu)的自由度因該等于其原動(dòng)件數(shù)，若原動(dòng)件數(shù)量低于自由度數(shù)，則該機(jī)構(gòu)至少存在一個(gè)不確定運(yùn)動(dòng)，如若大于則該機(jī)構(gòu)必定會(huì)在薄弱部位破壞。

由上述為基礎(chǔ)計(jì)算平面機(jī)構(gòu)的自由度：

6.2 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)

對(duì)該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部分添加適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)副，如圖11，達(dá)到catia中自由度為0在上述表達(dá)式中視為F=1。表示該機(jī)構(gòu)可以運(yùn)行。

設(shè)置齒輪齒條為原動(dòng)件，由齒輪帶動(dòng)齒條移動(dòng)，如圖12。圖13表示在50步時(shí)，齒條的移動(dòng)距離狀態(tài)和兩側(cè)風(fēng)門(mén)板開(kāi)合轉(zhuǎn)動(dòng)角度。由圖看出運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)但曲線相較于齒條運(yùn)動(dòng)線對(duì)稱(chēng)不高，說(shuō)明兩側(cè)板運(yùn)動(dòng)不對(duì)稱(chēng)出現(xiàn)些許偏差，該偏差或許會(huì)導(dǎo)致板開(kāi)合不嚴(yán)導(dǎo)致由有縫隙影響干燥干燥箱環(huán)境以影響干燥效果。解決方法是將板開(kāi)合上限與下限位置貼放密封條，使板運(yùn)動(dòng)和停止過(guò)程中保持貼合，達(dá)到較為理想的密封效果。

7 結(jié)語(yǔ)

在南方潮濕地區(qū)開(kāi)展舉升機(jī)防潮與自動(dòng)干燥裝置的研究具有重要意義，本文主要針對(duì)舉升機(jī)控制箱及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，初步完成了該裝置的硬件設(shè)計(jì)工作，也為該裝置的控制系統(tǒng)研究奠定了基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2021KY1079）。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅婷劼，劉港，吳慧.帶自動(dòng)防潮干燥控制系統(tǒng)的舉升機(jī)控制箱設(shè)計(jì)[J].中國(guó)設(shè)備工程，2021（11）：139-140.

[2]羅婷劼，劉港，吳慧，熊繼芬.一種舉升機(jī)用防潮自動(dòng)干燥控制箱[P].中國(guó)專(zhuān)利：CN202020967586.X，2021.02.12.

[3]GB3194-82 鋁及鋁合金板材的尺寸允許偏差.

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[5]楊可楨.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第六版[M].北京：高等教育出版社，2013.08.