限载式气动葫芦的结构设计与系统仿真研究

摘要

气动技术随着科技的进步得到广泛的应用,新型的气动工具逐步进入市场,其中气动葫芦具有很强的市场竞争力,在军工、石油、化工等具有易燃易爆的危险环境中被广泛使用,逐步取代了现有的手拉葫芦和电动葫芦。但通过对国内外气动葫芦研究现状的分析和实际调研发现,国内气动葫芦普遍存在壳体负载能力不足、制动性能差、马达噪声大、无限载限位保护等诸多问题,对其安全生产和推广使用产生了很大的影响。
　　针对以上情况,本论文首先根据论文对气动葫芦技术指标的要求,对机械结构进行总体设计,分析了影响负载能力和提升速度的因素,依据气动马达的工作原理和结构特点,建立马达内部压力变化的数学模型和转矩平衡方程,并进行运动仿真分析,利用仿真结果修正马达结构参数以提高马达工作运行的平稳性;另外制动器被认为是气动葫芦安全生产中的关键部件,在对主体结构进行合理设计的同时,还对弹簧受力情况进行分析优化,得出弹簧的振动方程,提高了气动葫芦的制动效果。
　　其次论文借助ANSYS Workbench分析软件,对气动葫芦的壳体进行了结构静力分析,虽然出现局部的应力集中现象,但是壳体在额定负载的情况下,最大应变值0.038mm小于壳体材料的弹性应变,可保证气动葫芦对壳体强度和刚度的要求;通过对制动器的瞬态分析,得出在外界突然制动的条件下摩擦片磨损对制动性能的影响情况,并根据仿真结果进一步提高制动器的制动性能;此外在对气动马达模态分析的同时,获得分析频率列表和模态云图,根据频率变化比较明显的模态发现:频率在539.78HZ和2404.3HZ工作气动马达振动最为剧烈,噪声最大,应当减小马达主轴圆切面的半径,降低马达对周围工作环境的影响。
　　最后,利用建模仿真平台AMESim软件针对设计的气动系统搭建AMESim气动仿真模型,通过AMESim软件分析气动系统中制动器压力、响应速度以及马达主轴转矩随时间变化的情况,得出制动器可以在0.05s内瞬间达到3倍载荷的制动力,可保证系统在安全时间内能够迅速达到制动效果,且仿真模拟也表明,当负载超过额定载荷时马达的转矩将减至零,达到限载保护的目的,同时工业性试验也进一步表明了该气动系统的可靠性和稳定性。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1 课题来源及研究的背景与意义

1．2 气动葫芦国内外发展概述

1．2．1 国外气动葫芦发展概述

1．2．2 国内气动葫芦发展概述

1．3 气动葫芦的种类和特点

1．3．1 气动葫芦的分类

1．3．2 气动葫芦的主要特点

1．4 气动葫芦研究目前存在的主要问题

1．5 本课题主要研究内容及技术路线

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 技术路线

1．6 本章小结

2 限载式气动葫芦的机械结构设计

2．1 限载式气动葫芦的总体结构设计

2．1．1 限载能力的设计

2．1．2 额定提升速度的设计

2．2 壳体与阀体的设计

2．3 气动马达的设计

2．3．1 气动马达的结构及工作原理

2．3．2 叶片式气动马达的特性

2．3．3 叶片式气动马达内部压力变化

2．3．4 气动马达理论耗气量

2．3．5 气动马达的排量及转速

2．3．6 气动马达的理论转矩

2．4 减速机构的设计

2．4．1 减速机构的选型

2．4．2 减速机构的传动方式

2．4．3 齿轮传动效率的计算

2．4．4 减速齿轮模数的计算

2．4．5 减速器齿轮参数的确定

2．5 制动器的设计

2．5．1 制动器的主体结构设计

2．5．2 弹簧受力分析

2．6 本章小结

3 气动葫芦关键部件的有限元分析

3．1 ANSYS Workbench简介

3．2 基于ANSYS Workbench的静态结构分析

3．2．1 葫芦壳体的静力学分析过程

3．2．2 仿真分析结果

3．3 基于ANSYS Workbench的瞬态动力学分析

3．3．1 制动器的瞬态分析过程

3．3．2 仿真结果分析

3．4 气动马达的模态分析

3．4．1 模态分析理论介绍

3．4．2 气动马达的模态分析

3．5 本章小结

4 气动系统的建模和仿真分析

4．1 AMESim软件简介

4．1．1 AMESim介绍

4．1．2 AMESim的气动元件库模型分析

4．2 方向控制阀的建模与仿真

4．2．1 方向控制阀数学建模

4．2．2 方向控制阀仿真模型的建立

4．2．3 仿真结果分析

4．3 整个控制系统建模与仿真分析

4．3．1 气动控制系统AMESim模型

4．3．2 首选子模型

4．3．3 参数设置

4．3．4 仿真结果与分析

4．4 本章小结

5 气动控制系统的设计与试验

5．1 气动控制系统的设计

5．1．1 气源装置的选择

5．1．2 气动执行元件的选择

5．1．3 气动控制元件和辅助元件的选择

5．2 气动系统的验证试验

5．2．1 气动控制系统原理

5．2．2 试验模拟过程

5．2．3 试验结果分析

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及攻读硕士期间的研究成果