防潮与自动干燥举升机装置控制箱设计与仿真

吴慧　孔泽慧

摘 要：以举升机自动干燥控制箱执行机构为设计目标，确定各项参数，设计机械结构，运用现代辅助设计软件展开三维建模及动态仿真，根据结果改进，以提高干燥箱的设计的可靠性，实现对举升机控制箱内部电路及敏感电器元件的干燥性保护，以提高汽车举升作业的安全性。

关键词：防潮 举升机 控制箱 机构 设计仿真

1 引言

在潮湿的环境中使用汽车举升机的過程中，容易造成举升机控制箱内控制单元电脑板绝缘电阻值降低，导致电路的虚接和短接，从而出现举升机自动上升或自动下降、不受点动控制等危险情况。在我国气候潮湿的南方地区，设计的带防潮与自动干燥功能的举升机控制箱对安全作业有着重要意义。本文在防潮与自动干燥举升机装置整体研究方案的基础上[1]，进行举升机防潮与自动干燥控制箱（执行机构）的设计与仿真研究。

2 防潮与自动干燥举升机装置控制箱的结构和基本组成

市面上常用的剪式举升机控制箱内部总空间约为85*35*30cm，在控制箱箱体和箱盖接触面均添加有密封条，以加强现有举升机控制箱的密封性，同时通过加设置防潮与自动干燥控制箱，达到防潮与自动干燥的目的。（如无特殊说明，以下提及的控制箱均指加设置的防潮与自动干燥功能的控制箱）。控制箱是控制系统的执行模块，受控制系统信号控制，执行机构6接受信号从而控制干燥箱风门板7的开合。防潮与自动干燥举升机装置控制箱整体结构[2]如图2所示。

执行机构主要由执行机构箱体、步进电机、齿轮齿条机构及两块风门组成，风门板用销钉固定于齿条两端，风门板中间段也由滑动销钉限定于隔板相对位置上，以风门板上滑槽长度为限制风门板的极限开合大小角度，当齿条拉动风门板的时候滑槽实现限制只可滑动的风门板实现风门板一端可以伸长，构成由电机带动的简易滑动双摇臂四杆机构。如图2所示。

3 防潮与自动干燥举升机装置控制箱的设计

3.1 步进电机的选用

齿轮由电机带动控制，因对于高度不超过300mm，转速要求不高但工作有一定的精度要求，因此采用57mm二相式闭环步进电机。

3.2 隔板尺寸选定

根据铝及铝合金板材的尺寸及允许偏差规定[3]：薄板的厚度定在0.3-0.4mm之间，厚板一般大于4.0mm，考虑隔板上可能会有油箱或泵体等重物，预设隔板厚度为5.0m。隔板因电子吸湿卡的高度设定为距离箱底50mm的高度，预留出后侧风门板的开合与油管布置（约15mm）所需的空间，所以设定隔板与箱体后板的距离在65-70mm之间。隔板前侧因风门板的缘故也因减少5-10mm为风门般的运动提供空间。综上，隔板的尺寸初选为330*240*5mm。

3.3 风门双摇臂尺寸的初选

风门板在打开极端及闭合极端上都为静止状态，在图3中，杆件BD都属于典型二力杆结构[4]，由此初定风门板厚度为10mm，风门板的开合角度为30°≤α≤90°，风门板作用长度（C下部分）为50mm，齿条控制力臂（BD）为20mm，根据齿条A点移动到B点的过程，确定CD段开槽的长度。

欲使齿条在不变形的情况下的平移运动以带动两块风门板的开合运动无法实现，所以采用滑槽设计，使风门板在打开时可以进行滑动以加长CB段的长度达到设计所需的开合角度。考虑到开孔距离5mm和滑槽中心与板边缘距离约5mm，所以齿条全长约为45mm。

4 齿轮齿条的选用

齿轮模数的选择以GB/T1357-1987中规定的齿轮模数为选定标准，如表1：

齿轮的工作环境为半开式，拥有简单的防护罩，可相对隔绝外界。但半开式齿轮传动主要为磨损失效，为使齿轮不至于过小，故取齿数Z=17-20，为免于根切，压力角为20°的标准直齿圆柱齿轮齿数应该大于17，故首先选取模数第一系列m=2，选用常用压力角为20°，齿数选择Z1=30，则分度圆直径d=60，齿条齿数设为Z2=∞。齿轮的精度等级，根据规定的12个等级中7-8级为一般机械常用。然本设计中齿轮精度要求不高采用的低速直齿圆柱轮，精度等级可用7级。

因为所需转速不高，工作条件所要求冲击性不高，在选材上，齿轮、齿条采用40Cr调质处理[5]。

5 控制箱执行机构的仿真分析

利用CATIA 软件根据上述设计数据对控制箱执行机构进行关键零部件的绘制。

5.1 控制箱体隔板与凸台

隔板处与中层隔板同高位置有半径为2mm长度为5mm的凸台作为销钉用于限制风门板运动位置。

5.2 风门板模型及参数

板长330mm宽60mm厚度10mm两侧开槽长14mm宽4mm深5mm，开槽位置位于板正中间，上端距离风门板上沿10mm，风门板下侧做有斜角角度70°，底端留有3.59mm平未被切削的板材，该设计可使板材质量减轻且开合过程更加顺畅避免出现卡顿，斜角板上端凸台如图6。

凸台高15mm宽10mm厚度10mm两凸台间距14mm，凸台一边与下端板材并齐，凸台的开孔直径为5mm，于凸台上和侧边距离5mm，凸台上端做有倒圆角。该图中所示为前板，后板参数于前板相同。

5.3 齿轮齿条

齿轮齿条机构中齿轮模数为2mm，分度圆直径d=60mm，压力角20°，齿数z=30，中间开孔15mm，齿条底座长236mm高8mm厚14mm两端凸台为销钉开孔直径为5mm，距离端面为5mm底座两端面做圆角处理。

5.4 零件总体装配图

6 DMU运动机构 运动仿真

6.1 平面机构运动条件

控制箱执行机构可以看作简单平面滑动铰链机构，如若要使机构能够稳定运动，则必须对该机构的自由度进行分析。机构的自由度因该等于其原动件数，若原动件数量低于自由度数，则该机构至少存在一个不确定运动，如若大于则该机构必定会在薄弱部位破坏。

由上述为基础计算平面机构的自由度：

6.2 机构的运动

对该机构运动部分添加适当的运动副，如图11，达到catia中自由度为0在上述表达式中视为F=1。表示该机构可以运行。

设置齿轮齿条为原动件，由齿轮带动齿条移动，如图12。图13表示在50步时，齿条的移动距离状态和两侧风门板开合转动角度。由图看出运动平稳但曲线相较于齿条运动线对称不高，说明两侧板运动不对称出现些许偏差，该偏差或许会导致板开合不严导致由有缝隙影响干燥干燥箱环境以影响干燥效果。解决方法是将板开合上限与下限位置贴放密封条，使板运动和停止过程中保持贴合，达到较为理想的密封效果。

7 结语

在南方潮湿地区开展举升机防潮与自动干燥装置的研究具有重要意义，本文主要针对举升机控制箱及其执行机构进行设计和仿真，初步完成了该装置的硬件设计工作，也为该装置的控制系统研究奠定了基础。

基金项目：广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2021KY1079）。

参考文献：

[1]罗婷劼，刘港，吴慧.带自动防潮干燥控制系统的举升机控制箱设计[J].中国设备工程，2021（11）：139-140.

[2]罗婷劼，刘港，吴慧，熊继芬.一种举升机用防潮自动干燥控制箱[P].中国专利：CN202020967586.X，2021.02.12.

[3]GB3194-82 铝及铝合金板材的尺寸允许偏差.

[4]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学Ⅰ（第八版） [M].北京：高等教育出版社，2016.9.

[5]杨可桢.机械设计基础第六版[M].北京：高等教育出版社，2013.08.