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学生宿舍行李升降机设计

一、选题的目的和意义

目的：宿舍楼这样的小型场所由于没有电梯，而却又许多较重的行李需要上下搬运，人力搬运不仅效率低，还容易引发安全隐患，但又考虑到场所环境限制了电梯的运行，急需一种小型便捷的升降机完成搬运工作，提高效率，减少事故发生。

意义：提高了小型场所上下搬运效率，降低了安全事故发生的可能性，利用简单的机械机构来实现偏重物品安全的、高效的搬运，减少了人力资源也节省了经济投入，对社会生活有着积极意义。

 

二、相关文献综述（1000字左右，与主要参考文献对应）

陈璐在2022年发表的期刊《基于Solidworks的脚踏式货物升降机结构设计》中首先对升降机的发展现状进行阐述介绍，详细的分析了现今小型工程施工场所，且缺乏电力设备的环境下人力脚踏式驱动方式在升降机中的运用，结合货物升降机结构与工作原理，设计了一种人力脚踏式的驱动方式,采用齿轮机构与螺纹连接的传动方式,实现货物上下运输与中途停止。简易的脚踏式货物升降机省工、省费用、安全,大大减轻了劳动强度,提升了施工进度。总结了该项目根据小型工地电力不足的情况,利用Solidworks软件设计了一款简易的脚踏式货物升降机。该设计的难点在于如何利用传动机构与制动机构实现物体的升降,抵抗重力停留在半空中。经过对样机的生产与实验,证明本设计安全可靠,成本低,具有一定的实际应用特点。后续研究将集中在如何增大重物的质量,完成更严谨的可靠性分析并解决润滑问题。

李宗岱在2021年发表的期刊《剪叉式液压升降平台结构设计与核心技术研究》首先从现今的科技装备的发展趋势分析，剪叉式液压升降平台信息化专业化发展是大势所趋。而市面上的专用剪叉式液压升降平台品种不断推陈出新，产品以其特有的机械结构紧凑，承受负载质量大和系统控制简单等特点，受到了广大用户的青睐。发现随着国内和国际市场的不断深化，如何满足各种工作需要并继而研发出能满足各种工作环境的新型设备，成为不可避免的问题。接下来对该产品进行优点说明，后续对剪叉式液压升降平台进行了有限元仿真分析，由于剪叉式升降平台动力源的分类不同，他仅对液压驱动的剪叉式升降平台进行有限元仿真模拟分析，并对其在工作过程中剪叉臂的强度进行仿真研究。为确保剪叉式升降平台在极限工作状态下能够符合使用要求并达到安全标准，他通过对剪叉臂极限状态下的受力情况进行仿真分析并校核。最后为确保剪叉式液压升降平台在极限状态下能够安全地工作，通过Solidworks 软件中有限元分析模Simulation对剪叉臂的受力情况进行了仿真分析。从结果来看，剪叉式液压升降平台的刚度和强度满足要求。此次对剪叉式液压升降平台的优化设计，提升了液压升降平台的可靠性，降低了使用功耗并且提高了生产效率，对实际生产具有实际效益及工程价值。该项目产品具有结构合理，运输及存放方便，起降平稳、安全、可靠等特点。

王茵在2022年发表的期刊《剪叉式液压升降机剪叉机构动态强度及疲劳强度研究》针对长期处于循环载荷作用下的液压升降机剪叉机构存在结构开裂的问题,分别对其进行了动态强度与疲劳强 度研究,提出了基于有限元+多体刚柔耦合动力学+疲劳分析的联合分析法,对剪叉机构动态强度与疲劳强度进行研究。以某型自行走剪叉式液压升降机为例,利用 SolidWorks 辅助 RecurDyn 软件,建立整机多刚体动力学模型,再以Hy-perMesh / OptiStruct 软件对其剪叉机构进行柔性化处理,建立多体刚柔耦合动力学模型,模拟极端工况下作业平台的升 降运动行为过程,并提取到剪叉机构关键叉臂的动态应力时间历程;在此基础上,结合名义应力法,利用 FEMFAT 软件 预测得到剪叉机构的疲劳强度。 研究结果表明:当前剪叉机构能满足结构强度设计要求;剪叉机构中疲劳强度最薄弱 区域位于第 3 组内叉臂的钣金与矩形管连接处,最小疲劳寿命为 6.602×103 次循环,有必要进一步优化结构。可为类似高空作业平台的动态强度与疲劳强度研究提供有价值的参考。

目前已有众多学者对升降机结构的设计优化方面进行了深入研究，涉及方面广，使本课题有了很多可以参考的内容，但本文主要是针对剪叉式升降机的结构强度、载荷、磨损以及效率、安全等问题进行设计并深入研究，因此本文是具有研究价值和一定的现实意义的。

 

三、研究内容

基于目前普遍的升降机，通过研究设计升降机结构（主要包括驱动机构、传动机构制动机构与绕线机构），再加入卸货机构等，将这些实际应用在该升降机中，从而实现货物的上下运输与中途停止。

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

2 升降机的方案设计

2.1整体方案设计

2.2剪叉式升降系统的设计

2.3 升降机运动过程的数据传输

3 升降机的结构设计

3.1 驱动方式的选择

3.2 剪叉杆的设计

3.3 移动载体与装载平台的设计

3.4 升降机特殊结构的设计

3.4.1 升降机制动装置设计

3.4.2 装载、卸货结构设计

3.4.3 底部固定结构设计

3.5升降机结构强度校核

4 升降机的三维建模与运动学仿真

4.1升降机的三维建模

4.1.1 各零部件的三维建模

4.1.2三维虚拟装配

4.2升降机的运动学仿真

4.2.1 运动学仿真模型建立

4.2.3计算结果分析

5 结语

参考文献

致谢

 

四、研究方法、步骤及措施等

研究方法：

理论与实践法：通过剪叉杆装置的相关知识，理论上分析出升降机运动的结构与运动方式。

案例对比分析法：通过升降机承重大小及行程上下距离的数据对比分析，得出初步结论。

实验法：通过对设计后的升降机进行大量的静应力分析等数据来验证设计的正确性。

文献研究法：阅读和参考相关的视觉引导系统的文献，来合理设计本研究的基本框架、研究内容和基本方法。

研究步骤：

（1）前期准备：明确论文研究方向，制定研究计划，查阅相关资料，网上实地考察，了解剪叉式升降机的工作方式。议定论文提纲。

（2）撰写文献综述与开题报告：整理收集到的相关资料，向指导老师咨询相关意见。

（3）论文撰写：通过对收集到的资料进行整理并结合老师以及前人的研究成果进行论文初稿的撰写。再根据指导老师的意见进行修改，最终定稿。完成以下内容：驱动方式的选择、剪叉杆的设计选择、升降机制动装置设计、升降机结构强度的分析、验证解决方案的可行性。

（4）论文评审及答辩

将论文定稿提交指导老师、评阅教师评审，并准备答辩。

研究措施：

（1）依靠学校图书馆以及知网查找相关资料。

（2）依靠网上视频及各类官方网站去了解升降机相关知识。

 

五、进度安排

2022.10.20—2022.11.04 查阅资料、撰写开题报告；

2022.11.5—2022.11.20 开题报告撰写质量检查及整改；

2022.11.05—2022.12.22 初步设计，完成论文初稿；

2022.12.23—2022.12.31 开展中期检查；

2022.12.23—2023.04.06 完善设计，完成论文定稿、查重；

2023.04.7—2023.04.14 开展毕业设计评阅；

2023.04.15—2023.04.30 进行毕业设计答辩；

2023.05.01—2023.05.06 提交成绩；

2023.05.06—2023.05.30 毕业设计归档；

六、主要参考文献

[1] 陈璐. 陈博，宋健波，陈奕豪.  基于Solidworks的脚踏式货物升降机结构设计[J] . 黑龙江科学 2022，13（4）：58-59.

[2] 李宗岱.  剪叉式液压升降平台结构设计与核心技术研究[J]. 研究与探索•工程技术与创新.2021，02（上）：198-199.

[3] 王茵，张元常,张大斌. 剪叉式液压升降机剪叉机构动态强度及疲劳强度研究[J] 现代制造工程2022，07（1）：127-134.

[4] 杨德金. 某剪叉式高空作业平台动力学仿真及优化 [D] .河南：燕山大学，2021. 

[5] 高林祥.剪叉式升降平台疲劳寿命仿真研究[D] .山东：山东大学，2020.

[6] 刘力.核专用剪叉升降设备电液与控制系统研究[D] .湖南：南华大学，2020.

[7] 赵罘 杨晓晋 刘玥. SolidWorks 2019中文版机械设计从入门到精通[M] . 北京：人民邮电出版社，2019.

[8] 赵本超，祝 捷，孙宇峰. 地下室顶板高低跨处施工升降机基础设计[J] . 机械化施工 2021，12（1）：76-79.

[9] 石有，刘禹，王鑫，刘岗，白云飞. 一种升降机液压缓降装置的设计及研究[J] . 设计研究2022 (06)：61-62.

[10]  Iqbal Khatib Mohammed; Shaikh Shahin; Ullah Mohd Akram; Mubashir Rehan Mohammed; Shoeb Mohammed; Rameez Mohd Abdul; Uddin Mohd Sohail. Fabrication of Hydraulic Scissor Lift [J] .Machinery， 2020：184-192.

 

1 绪  论

1.1 课题研究的背景及意义

在目前的生活工作中，货物的运输是必不可少的，而货物的上下短程搬运也是十分重要。现如今大多数工地场所，或者机场等交通场所都运用了升降机这一结构器械，以供简单便捷地完成工作。宿舍楼这种小型场所，同样需要一种上下搬运货物的升降机。一般的宿舍楼层都不高，没有达到修建电梯的楼层高度标准。住在高楼层的学生在搬运重大行李时非常不便，安全方面也得不到保障，上下楼搬运很可能会造成不可估量的损失。目前市场上都是一些大型工用升降机，其结构不适合在小型场所使用。由此可见，一种小型可移动的升降机在宿舍楼这种小型场所中有着广阔的应用前景。

1.2 国内外研究现状

升降机种类繁多，最为广泛运用的剪叉式结构，在我国历史久远，雨伞就是其中一种。据《玉屑》记载，伞是鲁班妻子关心终日在外劳作的丈夫发明的，古时称为“簦”，学术界有人认为发明至今至少3500年。目前国内主要研究有：沈阳大学王志学、刘一鸣等人运用了折叠式机构设计出了一种可收缩式的担架车机构。剪叉式结构便起源于折叠式机构，应用连杆机构的传动原理，使得设计出来的担架车比传统的担架车更加轻巧便捷，也更容易操作；北京航空航天大学杨毅、丁希仑，基于矩阵凝聚法推导出了五自由度的剪叉式有限元模型，并对一种圆柱式折叠结构进行了静力学分析和拓扑优化，大幅度减轻结构质量，结构效率得到很大提升；中南林业科技大学谢力生，设计了一种新型的垂直油缸剪式升降台，与原有的卧式结构相比，所需功率减小，升降行程变大，运行更加平稳，还推导出相关关系式得出了绞架夹角的取值范围，为升降台的科学设计提供了可靠的理论依据；大连理工大学付昱对双液压缸剪叉式高空作业平台进行研究分析，使用了三种软件（ANSYS、ADAMS、AMESim）对液压缸做了动力学特性分析，对其优化提供了一定的参考价值；东南大学刘树青等人设计了一种三棱柱剪式结构，利用有限元模型对其进行了模态分析和仿真，得到了相应的振型曲线，为三棱柱剪式可展开结构优化设计提供了一定依据；国防科技大学孙光旭博士推导出液压剪叉式升降台液压缸驱动速度与机构速度的关系，并进行了机-液联合动力学仿真，得到了控制函数的最优方案，对剪叉式升降台的设计有一定的指导作用；广西科技大学支凯宁通过建立硅酸钙板专用剪叉式液压升降台，并结合虚位移平衡方程计算出液压缸的最大推力，基于Hypermesh软件对该结构的内外架部件进行静应力分析并优化参数，其剪叉式液压升降台的相关性能得到了改善；东北大学张伟龙利用已有的升降台二维图建立了三维模型，利用理论力学与材料力学的相关知识，分析验证剪叉臂的受力情况，利用ANSYS软件优化剪叉臂的结构尺寸，在减轻剪叉臂的重量的同时，还减小了液压缸的推力，降低了元件要求；此外还有国内诸多大学和单位对升降机系统结构进行了研究讨论，对升降机的设计研究优化都起到了很好的指导效果。

在20世纪60年代末，美国建筑师Richard Buckminster Fuller的折叠网架就是剪叉式升降机的原型之一。伴随着折叠机构的逐渐推广和运用，升降机应运而生。Ren G Dong等人对剪叉式升降平台进行研究分析，认为该结构在强度、刚度方面皆满足的时候，仍要避免较大的周期运动和载荷变化以确保稳定性；Hachem等人结合仿生学探讨了剪叉式机构演变过程，提出了一种并联连接剪叉臂的结构形式代替原有传统的串联结构形式，最终通过研究表明该方案在一定程度上确实可以提高稳定性；英国皇家物理协会的Arunkumar G等人利用了l型轮廓结构，再结合再生技术去减轻杆子的重量，提高了剪叉式升降机的底座稳定性，为起重负载提供了经济可靠的、适应性极强的技术。何尚红等人基于虚功原理建立力学模型，利用工程系统仿真模型对升降系统提升过程进行仿真，最后基于仿真模型对AMESim设计开发环境下提升油缸位置进行优化，使得油缸峰值载荷大大降低。剪叉式升降机在生产方面已经在美国、日本、德国等国家扎根数十年，产品形式多样，驱动方式也大多为液压驱动，已被广泛应用于航空航天、船舶港口、工商业等大型场所。

由上述分析可知，国内对于剪叉式升降机的研究由于起步较晚，在设计优化方面相对于国外有着一定差距。国外研究出的升降机虽然已经达到了普遍运用的程度，但也仍然缺乏稳定性、高效率、安全性的保障。

1.3 论文主要研究内容

基于目前市场上的剪叉式升降机的结构功能，本文设计的一种小型可移动的剪叉式升降机，主要内容如下：

（1）以宿舍楼为例，将升降机可升高的高度确定在4-5层楼的高度，基于此，运用理论力学和材料力学等相关知识，设计计算出升降系统零件数量以及尺寸；再结合行李的大致占地面积和高度，设计计算出升降平台的长宽以及围栏高度；确定以上数据后，基于行李的平均重量，通过承重计算出所需驱动力，通过设计的一系列传动方案，计算最终驱动力，确定驱动方式，并将其全部合理安置在设计的底座上。

（2）使用SolidWorks建模软件将其各个零件部分进行建模，得出本次设计模型。

（3）在SolidWorks模型里添加材料，并使用软件内部的simulation应力仿真分析功能，来仿真模拟该结构在实际运作时的受力分析，并检查验证可行性（主要为升降系统零件部分）。

（4）在上一步基础上进行分析修改后，最终确定升降机结构，使用SolidWorks内部的photoview渲染功能进行渲染，得到设计出的升降机的实际效果图。

本论文意在研究设计出一种尺寸结构、承重范围和驱动方式皆真实可行的小型可移动升降机，可以为实际生产起到指导作用。

 

结  语

本文通过对升降机的初步构思，对比分析了国内外学者对此结构的设计优化。与现实生活相结合，经过一系列设计计算，最终设计出了适用于宿舍楼的行李升降机。首先确定了一个比较完全的整体方案，在此基础上将机械结构中不可或缺的主体零件进行设计布局，例如：升降机构、传动方式、电机等等，进行了一个大概的结构设计。然后，再对各个板块内部进行深入研究，结合整体，进行大量设计计算。最后，对设计出来的核心零部件进行静应力分析和运动学仿真去验证可行性，大幅度提升了本结构在实际工作时的可靠性。

本文研究的主要内容是升降机的升降机构以及传动系统的方案设计。本文选用了双剪叉杆组合形成剪叉式结构，这是升降系统的核心部件。传动方案是螺纹传动，将动力传至升降机构。三大部分中的每一部分都影响着升降机最终的运行效果。故本文侧重对这三部分设计研究，具体如下：

（1）为升降机描绘一个整体设计的框架，确定初步设计方案，其中包括传动方案的确定，升降系统的方案选择以及其他结构的完善。

（2）先对本结构设置一个承重限度，对升降系统进行设计计算，接着可以计算出本结构的所需功率，通过功率选出电机，再通过电机和载荷设计计算传动部件的尺寸数据。主要是传动部分螺杆螺母的螺纹设计、升降机构剪叉杆的横截面设计以及相关零件的受力计算、应力分析、强度校核、效率预算等。

（3）使用SolidWorks对升降机进行三维建模，并对剪叉杆、螺杆螺母等关键零件进行静应力分析和运动仿真，验证零件设计的合理性。