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开题报告

逐级举升系统两级之间的定位、锁紧、解锁机构设计

机设073（10072036）邸南思

摘要：

随着我国经济的快速发展，高层建筑迅速增加，对高层作业平台的需求也日益增加，因此对登高平台的研究和设计的要求也越来越迫切。

通过对现有举高系统的研究，我们提出了新的提升系统，即依靠卷扬机拉动钢缆实现系统的逐级提升。

在逐级运动的举升系统中，该机构实现了任意两级之间的定位、锁紧、解锁等要求。

通过电气、电子、机械等配合，完善机构的工作性能，并通过传感器检测机构运动的统一性与可靠性。

关键词：

举升系统，定位，锁定，解锁

1研究背景

1.1课题来源分析

上海11.15特大重大火灾事故中，致58人遇难，70多人重伤。

经责任认定这是一起因违法违规生产建设行为所导致的特别重大责任事故，这一惨痛的事件应该引起我们更深入的思考，举一反三，将安全责任制度真正落实到位。

在各种火灾中，高层建筑火灾是发生频繁、危害甚烈、最难救援和逃生的一类。

在高层火灾的救援中，我国现在使用的消防车有高喷消防车、云梯消防车、曲臂登高消防车等，射程范围30m-100m左右不等，而随着现代住宅楼高度的不断提升，设计制造能举升更高、稳定性安全性更好的火灾救援消防车是非常必要的。

不仅仅是在火灾救援中，车载高空作业系统在建筑、桥梁等各方面都发挥着巨大的作用。

1.2选题意义及目的

随着我国经济的快速发展，高层建筑迅速增加，对高层作业平台的需求也日益增加，因此对登高平台的研究和设计的要求也越来越迫切。

通过对现有举高系统的研究，我们提出了一种新的提升系统。

这种系统不同于以往的系统依赖于液压缸等液压装置作为动力源，这种系统的动力来自于卷扬机，它是依靠卷扬机拉动钢缆实现系统的提升（如图1-1）。

图1-1逐级举升系统

此种机构相对于现有机构有以下优点：

1）只用一根钢丝绳，即可实现多级拉动。

相对多级液压缸以及绳排等系统，结构大为简化。

2）机构可实现逐级上升，不同于绳排系统的联动上升方式。

显然逐级上升的能量消耗比联动上升方式消耗小。

3）若需要更高的上升高度即可向上继续扩展，而现行系统扩展不易。

4）钢丝绳和卷扬机价格相对液压系统价格更低，节约成本。

这样一个举高系统，如图所示是一节节“套筒”层层相扣组成，它的运动方式如下。

上升过程：

最内层（即最高层）在钢索的牵引下先向上运动，运动到预定的位置，能够自动定位，然后将最内层与次内层两节的位置锁定。

接着次内层上升，上升到预定位置后，再自动定位，锁定，以此类推。

下降过程：

最外层是始终保持不动的，次外层在接收到下降命令后要先解除锁定，然后下降，下降到底后是从外面数第三层开始下降，以此类推。

也就是说，上升过程是从最内层到最外层依次上升，下降过程是从最外层到最内层依次下降。

在上升和下降的过程中，我们可以注意到，由于系统是实现逐级运动，即必须在上一级定位和锁定或解锁后，下一级才能运动，所以在两节之间的定位、锁紧、解锁装置是实现整个机构按预想方式运动的关键环节。

这一环节的作用主要体现在两个方面：

一是定位、锁定与解锁机构实现举升装置的逐级移动，而不是联动。

这样不仅消耗的能量小，结构更简洁，而且机构的稳定性增强。

一是定位、锁定与解锁机构相当于一个安全保护的环节，防止钢索提升系统时由于不稳定因素造成的突然断裂，两级之间不加定位锁紧机构，会导致脱节、坠落等一系列不必要的事故。

而加入这样一个机构，在两节运动到预定的相对位置时，可以自动锁定，起到安全保护的作用，即使发生钢索断裂的突然事故，锁紧机构会暂时承受举升系统的重量，以便采取有效的应急措施。

2文献综述

2.1自升式海洋钻井平台锁紧装置[3]

针对自升式海洋钻井平台锁紧装置，讨论其构成。

此自升式海洋钻井平台锁紧装置主要由两部分组成：

液压装置和复位装置。

2.1.1液压装置

此海洋钻井平台每桩升降的锁紧装置有3组液压系统，每组液压系统有2个动作——推动液压缸组成的推动动作和夹紧液压缸组成的夹紧动作。

每个动作有4个液压缸，所以8个液压缸服务一组系统。

由于机构的运动要保持稳定，使每个卡齿平均受力，降低不必要的危险，必须在工作时让这12个推动液压缸一起运动；然后再让12个夹紧液压缸一起运动。

本设计只考虑一组液压系统。

当推动液压缸推动卡爪与齿条接触时，有可能对不准，所以它的两端是铰接的，使卡爪与齿条接触时能够准确啮合，不对液压装置产生挤压。

夹紧液压缸的头部和夹紧楔块连接。

在卡爪与齿条牢牢卡住后，夹紧液压缸推动楔块夹紧卡爪，将整个平台的重量施加在卡爪上，以固定平台。

夹紧液压缸与楔块是将平台与卡爪联系起来的一个纽带，其运动过程如图2-1所示。

图2-1夹紧液压缸与楔块的运动过程

2.1.2复位装置

水平滑动导轨固定在一侧的盖板上，使卡爪能沿轨道水平运动。

卡爪上固定一个中滑块，如果锁紧时齿条没有完全啮合，由于推动液压缸的两端是铰接的，卡爪便可以沿着竖直导轨上下移动，以此实现调整对位的功能。

竖直导轨和上下滑块相连，同时对复位弹簧起到了导向的作用．当卡爪退出啮合时，在复位弹簧的作用下，卡爪恢复到啮合前的位置。

复位装置结构如图2-2所示。

图2-2复位装置安装位置及结构

在该设计中锁紧装置的运动主要包括4个过程：

1）推动液压缸推动卡爪与齿条啮合；2）夹紧液压缸推动楔块与卡爪夹紧；3）夹紧液压缸推动楔块与卡爪分离；4）推动液压缸推动卡爪与齿条分离，即回到原始位置。

2.2空间伸展臂的根部锁紧机构研究[4]

根据空间伸展臂的结构和功能，提出了一种双滑块伸缩连杆形式的锁紧结构，在伸展臂完全展开后实现对其根部的锁紧和定位，并结合伸展臂的结构和工作原理，对锁紧机构进行了设计。

通过相关的受力分析，确定了轴向增力结构的尺寸关系和锁紧滑块的锥角和导向长度。

锁紧机构能够简单有效地完成空间伸展臂的锁紧和定位功能，相应的结构尺寸也为其功能的实现提供了进一步的保障。

2.2.1根部的锁紧机构的工作原理

根部锁紧机构是伸展臂在完全展开后实现定位和锁紧的机构，锁紧机构应安装在伸展臂的最后端。

通过分析，最终确定采用4副双滑块机构组合成根部锁紧机构，这4副双滑块机构均布安装在伸展臂最后一个平面的4个角上。

考虑使用伸展臂的展开动力作为根部锁紧机构的工作动力，同时伸展臂与承载筒的锁紧定位要准确可靠，因此选择锁紧位置在消旋套筒段，单只的锁紧原理如图2-3所示。

在图2-3中，构件1是驱动件，与伸展臂的最后一层固连，在伸展臂展开过程中带动锁紧机构与伸展臂一起沿着承载筒轴线运动，伸展臂完全展开后，驱动锁紧机构实现伸展臂与承载筒的锁紧定位功能。

构件2—1和2—3为连杆，它们之间通过移动副连接，2—2为弹簧，安装在2—1与2—3之间，这3个构件共同组成了伸缩连杆2。

此伸缩连杆2的一端与构件1铰接，另一端与锁紧滑块3铰接。

构件3是锁紧滑块，构件4和构件5组成轴向增力部件；构件6是定位件。

在伸展臂展开过程中，由于锁紧滑块3处在机构自锁位置，不会与构件6之间产生相对运动，所以构件1带动此锁紧机构中的所有构件，随着伸展臂一起运动。

当伸展臂完全展开时，定位件6被安装在消旋段与提升段分界线处的限位挡块挡住，不能继续运动。

由于滑块3仍处于自锁位置，所以它也固定不动。

在构件1的驱动下，伸缩连杆2绕着其与构件3的铰接点转动。

当构件2转动到某一位置时，滑块3上的驱动力大于摩擦力，滑块3的自锁解除。

构件1就通过构件2推动滑块3插入相应的锁孔中，从而完成了锁紧功能。

图2-3锁紧机构原理示意图

2.2.2根部锁紧机构的构型设计

4副伸缩连杆双滑块锁紧机构的集合，实现伸展臂与承载筒的锁紧定位功能。

其主要包括6个运动部件单元，分别是伸缩连杆锁定单元、直线轴承平动单元、连杆簧片增力单元、锁紧机构内部限位单元、与伸展臂连接的接口单元、与承载筒连接的接口单元。

由于结构方面的精度和控制方面的可靠性等问题，伸展臂完全展开后停止的位置未必精确，而伸缩连杆锁定单元就能够保证即使伸展臂停止的位置有偏差，锁紧滑块仍能被压紧定位在承载筒的锁孔内，保证锁紧定位功能的实现；锥形锁紧滑块具有自定心和容错、自锁能力；直线轴承平动单元提供了定位件与驱动件之间直线运动的轨道，降低了摩擦力，保证了运动精确度，它结构紧凑、成本低、质量轻、运动反映灵敏；连杆簧片增力单元能够实现较小的径向力转化为10倍以上的轴向力，保证了锁紧机构的轴向锁紧刚度；进入/退出增力位置，需要驱动源瞬间提供动力，以克服簧片形变的弹性能，其余运动过程只需驱动源提供动力克服铰链之间的运动摩擦力即可；锁紧机构内部限位单元4对特形弹簧实现了完全解锁状态下整个锁紧机构内部的限位功能，保证了整个锁紧机构能够随同伸展臂一起在承载筒内作间歇直线平动、连续螺旋运动；与伸展臂连接的接口单元由4根径向的梁固接在伸展臂最后一个固定平面的4个角块上，接口简单，可靠性高；伸展臂展开单元不需要任何改动即可连接，能够把伸展臂的运动动力周向无力矩地直接传递给锁紧机构，同时实现了在锁定状态下伸展臂与承载筒间轴向、径向、周向的无力矩传递，进而增加了展开刚度；与承载筒连接的接口单元由定位件和锥形锁紧滑块组成。

定位件外伸的定位块的上下2个面是平行的，能够起到定位功能。

当伸展臂完全收拢后，这2个面使杆单元的底部在装载段底部有确定的位置（配合压紧杆装置）。

当伸展臂处于完全展开状态时，通过这2个面，使伸展臂准确地停在锁紧位置。

图2-4为此根部锁紧机构的三维造型图。

图2-4锁紧机构结构图

2.3便携式可折叠移动消防水炮设计及运动仿真[5]

消防水炮是消防作战中常用的主要装备之一，可用于灭火、冷却、隔热和排烟等消防作业。

目前消防作战中使用的常规水炮体积大、后座力大、不便于移动，导致对火灾的反应能力较差。

针对这种问题，设计了一种便携式可折叠移动消防水炮，包括定位锁紧机构、水平锁紧机构、手柄操作机构及支脚定位机构等。

2.3.1定位锁紧机构设计

设计中要求水炮能在竖直平面内30°—70°之间进行俯仰操作，并且能够进行定位。

为满足要求，设计了如图2-5所示的定位锁紧机构。

图2-5定位锁紧机构

操作时，先将插销9同锁紧螺杆4一起按下，因有钢球3、弹簧2及环形槽，所以上述整体会达到如图2所示的位置。

此时，因在出水弯管上做出了与其相匹配的槽，所以在此时可以实现水炮在30°—70°之间俯仰操作。

在确定好角度后，即可进行锁紧操作。

此时旋转手柄6，锁紧螺杆4会向下运动，在与出水弯管表面相接触后，就可实现锁紧。

在上述结构中，为了保证插销9与插销筒8不发生相对转动。

在设计时，将插销9的外表面设计成椭圆，而将插销筒8的内表面也设计成椭圆，从而保证了两者不会发生相对转动，同时在设计时，使锁紧螺杆4的螺纹和插销筒8的螺纹为反向，这就保证在旋转手柄6时，插销9不会随插销筒8一起转动，从而避免了由于锁紧螺杆4与插销9产生相对运动而无法实现锁紧的现象产生。

使用时，可通过调节紧定螺钉1来改变弹簧2的弹力，从而使插销9既可稳定定位，也可在一定外力作用下从环形槽中脱离，实现上下移动。

该定位锁紧机构可完成定位和锁紧两个动作，所以其操作更加简便，从而可提高消防队员的工作效率。

2.3.2水平锁紧机构设计

设计中要求水炮能够在水平面回转且能锁紧，因此设计了如图2-6所示的水平锁紧机构。

因此机构只是用来锁紧，所以相对简单。

在此机构中设计挡圈5的主要目的是防止在进行放松操作时，将锁紧推杆从炮体上旋下，从而给操作带来不便。

操作时用手旋转手柄1，当锁紧推杆4与进水弯管表面接触时，可通过螺纹的旋紧力实现锁紧。

图2-6水平锁紧机构

所设计的便携式可折叠移动消防水炮与其他同类产品的最大不同在于其定位锁紧方式。

以前的产品要完成定位锁紧需要两个机构，而本次设计的消防水炮只要一个机构就可完成定位和锁紧两个动作。

所以其操作更加简便，从而可以提高消防队员的工作效率。

同时，该水炮的手柄操作机构具有两个限位点，所以在操作的时候不必担心会出现操作失误而影响灭火工作。

3研究内容、技术路线和技术方案

3.1研究内容

（1）定位、锁紧、解锁方式——结构设计；

（2）工作原理分析（电气、电子、机械、动作顺序规划）；

（3）检测装置（传感器）：

检测是否到达完全的锁定、解锁状态，保证同一平面上三个锁扣动作的统一性；

（4）校核：

力学校核：

强度（承受剪力等）。

3.2技术路线

（1）查找资料，了解现有举升装置的工作原理，及存在的优缺点；

（2）定出初步方案，定位、锁紧、解锁机构的结构设计；

（3）使用SolidWorks建模，并进行运动仿真，方案的可行性验证；

（4）根据功能要求修改草方案，优化及改进；

（5）对所设计的机构进行校核与纠错；

（6）用AutoCAD绘制平面图。

图3-1技术路线

3.3技术方案

（1）SolidWorks：

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。

SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。

（2）AutoCAD：

AutoCAD是由美国Autodesk公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD技术而开发的绘图软件程序包，经过不断的完善，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。

AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。

它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。

在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。

4工作目标和技术难点

4.1工作目标

设计一种新型的应用在逐级举升系统上的两级之间的定位、锁定与解锁机构。

4.2技术难点

（1）准确地定位；

（2）同一平面上锁扣动作的统一性；

（3）锁定与解锁的可靠性检测（传感器）。

5工作安排与进度时间表

工作安排与进度时间表见表5.1。

表5.1工作安排与进度时间表

第1周-第3周

查找相关文献，了解现有的举升装置，完成开题报告

第4周-第7周

设计定位、锁紧、解锁装置的总体结构，分析其工作原理，完善其工作性能

第8周-第10周

各个部件的尺寸、材料的选择以及强度校核，三维建模

第11周-第13周

绘制平面图纸

第14周-第16周

撰写论文

第17周-第18周

准备答辩

参考文献

[1]姚明，田志坚.举高消防车介绍[J].商用汽车杂志,2005年，（第7期）,76-79；

[2]田金成，曹新飞，董明.内爬式塔吊在高层建筑中的应用[J].施工技术，2009年10月，第38卷：

（第10期），75-77；

[3]车畅，陈定方等.自升式海洋钻井平台锁紧装置液压系统[J].湖北工业大学学报，2010年8月，第25卷：

（第4期），72-73；

[4]罗阿尼，刘贺平等.空间伸展臂的根部锁紧机构研究[J].机械制造，2010年6月，第48卷：

（第550期），16-18；

[5]胡国良.便携式可折叠移动消防水炮设计及运动仿真[J].液压与气动，2009年，（第3期），59-62；