PQS-3-D型汽车专用升降机传动系统的动力学建模及分析
|
摘要
随着我国城市建设的不断加快和汽车数量的与日俱增，高科技的立体停车库已成为我国停车场所今后发展的趋势。汽车专用升降机作为立体车库的一部分，在停车行业中起着越来越重要的作用。但由于现在普遍采用传统设计的方法，很难保证停车设备的质量，因此立体车库在我国还未得到广泛应用。鉴于这种情况，在新产品的开发过程中迫切需要采用新技术、新方法。本论文就是在这种形势下，响应市场的需求和设计的需要，对PQS-3-D型汽车专用升降机的机械传动系统，采用动力学理论建模方法，进行垂直方向上的建模及分析。
本文首先对该升降机的传动系统，采用动力学理论建模方法，考虑了相关主要弹性元件的弹性，建立了该系统在垂直方向上的数学模型。根据传动系统中各零部件在Solid Edge软件中的三维造型，利用Solid Edge软件的物性计算功能，计算出各零件模型的质量、体积、转动惯量等动力学分析计算所需的各类物理属性数据。其次分析了该系统在刚性条件下稳定运行时各构件的运动情况，求得各传动构件的额定速度、额定角速度等。然后建立了PQS-3-D型汽车专用升降机传动系统垂直方向上的拉格朗日动力学方程，并根据厂方给定的轿厢速度、加速度以及跃度的最大值，按照轿厢速度运行的S型曲线反解求得激励矩阵。再利用数值分析软件MATLAB对该动力学模型精确求解，得出厂方需要的升降机从起动阶段至匀速运行一段时间之内，轿厢及其相关传动构件瞬时位移、瞬时速度以及瞬时加速度曲线，并且分析各输出曲线，计算结果与实际情况基本吻合。并将输出的瞬时位移曲线与系统在刚性条件下的位移曲线作比较，求出其两种条件下的位移差值。在此基础上，对影响该传动系统模型垂直方向上振动的参数进行分析。利用解出的时变刚度系数，反解求得额定载荷下的前五阶固有频率，并将它们分析比较，得出低阶固有频率对升降位置不如高阶固有频率敏感的结论；分空载、额定载荷以及125％额定载荷三种情况求出该传动系统的各阶固有频率，并比较这三种情况下的固有频率，得出低阶固有频率受轿厢载荷影响较大的结论。最后对传动轴1，2的扭转刚度系数提出修改建议，并将修改前后两种情况下的动态曲线比较，发现左右对称传动构件的动态特性差异明显减小。考虑到钢丝绳随着轿厢的升降具有的变刚度特性，输出了钢丝绳等效刚度系数随时间变化的曲线。并
With the development of our cities and the steady increase of the quantities of cars, high-tech stereo-garage has become the developing trend of the parking location. As a part of stereo-garage, the elevator for car is playing an important role in parking industry. But due to the traditional designing methods which are generally adopted nowadays, the quality of the parking equipments can not be ensured, therefore stereo-garage has not been widely used in our country. Herein this situation, it needs new design methods to create the products faster. This paper establishes the model of the transmission system of the PQS-3-D Elevator for Car with the traditional approach of modeling and analyzes the model in vertical direction to meet the needs of market and design.
In this paper, firstly, the deformation of flexible components is considered, and then the vertical model is set up with the traditional approach of modeling. The parameters of components, such as mass and the moment of inertia, are deprived according to their solid modeling in Solid Edge. Secondly, by analyzing kinematics of members when the system operates stably in the conditions of rigid, acquired velocity rating and rated angular velocity etc. And then, according to the requests of management, speed of car runs along S curve, inversely solute the stimulate matrix and establish Lagrange dynamical equation of
the system. Then use the analysis software--MATLAB to make out the model accurately,
and gained the instantaneous displacement, the instantaneous velocity and the instantaneous acceleration of the car as well as the relative driving component, besides analyze the deferent curves and discover that the curves accord with the practical instance basically. Also compare the instantaneous displacement with the one when without regard to the elasticity, and gained the difference value of the displacement in the two conditions. According the above work, utilize the rigidity coefficient which changes along with the
本文首先对该升降机的传动系统，采用动力学理论建模方法，考虑了相关主要弹性元件的弹性，建立了该系统在垂直方向上的数学模型。根据传动系统中各零部件在Solid Edge软件中的三维造型，利用Solid Edge软件的物性计算功能，计算出各零件模型的质量、体积、转动惯量等动力学分析计算所需的各类物理属性数据。其次分析了该系统在刚性条件下稳定运行时各构件的运动情况，求得各传动构件的额定速度、额定角速度等。然后建立了PQS-3-D型汽车专用升降机传动系统垂直方向上的拉格朗日动力学方程，并根据厂方给定的轿厢速度、加速度以及跃度的最大值，按照轿厢速度运行的S型曲线反解求得激励矩阵。再利用数值分析软件MATLAB对该动力学模型精确求解，得出厂方需要的升降机从起动阶段至匀速运行一段时间之内，轿厢及其相关传动构件瞬时位移、瞬时速度以及瞬时加速度曲线，并且分析各输出曲线，计算结果与实际情况基本吻合。并将输出的瞬时位移曲线与系统在刚性条件下的位移曲线作比较，求出其两种条件下的位移差值。在此基础上，对影响该传动系统模型垂直方向上振动的参数进行分析。利用解出的时变刚度系数，反解求得额定载荷下的前五阶固有频率，并将它们分析比较，得出低阶固有频率对升降位置不如高阶固有频率敏感的结论；分空载、额定载荷以及125％额定载荷三种情况求出该传动系统的各阶固有频率，并比较这三种情况下的固有频率，得出低阶固有频率受轿厢载荷影响较大的结论。最后对传动轴1，2的扭转刚度系数提出修改建议，并将修改前后两种情况下的动态曲线比较，发现左右对称传动构件的动态特性差异明显减小。考虑到钢丝绳随着轿厢的升降具有的变刚度特性，输出了钢丝绳等效刚度系数随时间变化的曲线。并
With the development of our cities and the steady increase of the quantities of cars, high-tech stereo-garage has become the developing trend of the parking location. As a part of stereo-garage, the elevator for car is playing an important role in parking industry. But due to the traditional designing methods which are generally adopted nowadays, the quality of the parking equipments can not be ensured, therefore stereo-garage has not been widely used in our country. Herein this situation, it needs new design methods to create the products faster. This paper establishes the model of the transmission system of the PQS-3-D Elevator for Car with the traditional approach of modeling and analyzes the model in vertical direction to meet the needs of market and design.
In this paper, firstly, the deformation of flexible components is considered, and then the vertical model is set up with the traditional approach of modeling. The parameters of components, such as mass and the moment of inertia, are deprived according to their solid modeling in Solid Edge. Secondly, by analyzing kinematics of members when the system operates stably in the conditions of rigid, acquired velocity rating and rated angular velocity etc. And then, according to the requests of management, speed of car runs along S curve, inversely solute the stimulate matrix and establish Lagrange dynamical equation of
the system. Then use the analysis software--MATLAB to make out the model accurately,
and gained the instantaneous displacement, the instantaneous velocity and the instantaneous acceleration of the car as well as the relative driving component, besides analyze the deferent curves and discover that the curves accord with the practical instance basically. Also compare the instantaneous displacement with the one when without regard to the elasticity, and gained the difference value of the displacement in the two conditions. According the above work, utilize the rigidity coefficient which changes along with the
引文
[1] 张满凡．车辆猛增停车难市场看好立体车库．产业
[2] 傅翠玉，关景泰．立体车库发展的现状与挑战．机械设计与制造．2005(9)：156-157
[3] 任伯淼等．机械式立体停车库．海洋出版社，2001(4)：25-35
[4] 中国停车网 http://www.chinaparking.org/
[5] 汽车专用升降机．中华人民共和国机械行业标准，报批搞
[6] 蒋圣平，颜景龙等．PLC在立体车库系统控制中的应用．华北工学院测试技术学报，2000(2)：76-79
[7] 许广泞，苑鸿骥等．立体车库计算机控制系统的构成及智能化方案．机电一体化，2004(3)：34-36
[8] 罗永彬．电梯机械系统动态特性分析．浙江工业大学学报，1997(9)：211-217
[9] 缪鸿孙等．电梯的保养和维修技术．北京：中国计量出版社，1992
[10] 傅武军，朱昌明．单绕式电梯动力学建模及仿真分析．系统仿真学报，2005(3)：635-638
[11] 朱昌明，洪致育．电梯与自动扶梯原理 结构 安装 测试．上海：上海交通大学出版社，1995．4
[12] 左鹤声，彭玉莺．振动试验模态分析．北京：中国铁道出版社，1995
[13] 吴伟常，陈炳炎，吴哲．电梯机械系统动态分析．湘潭大学自然科学学报，1995(6)：37-41
[14] 金卫清，张惠侨等．电梯机械系统动态特性的建模分析．机械设计与研究，1999(3)：53-55
[15] 张聚，杨庆华等．电梯机械振动的频域最优主动控制．浙江工业大学学报，第28卷第3期 2000．9：230-235
[16] 袁传森．谈电梯运行过程中振动原因及调整．中国电梯，2000(6)：58
[17] 黄风．运用共振理论解决电梯振动．中国电梯，2000(1)：34
[18] 宋庭新．动力减震器在电梯振动控制中的应用．中国电梯，1999(11)
[19] Harrison J C. An experimental method for appraisal and comparison of vibration in high-rise elevator cars. Elevator World, 1998(6):81-85
[20] Nai K,Forsythe W, et al. Improving ride quality in high-speed elevators. Elevator World, 1997(6):88-93
[21] Yamazaki Y. Tomisawa M, et al. Vibration control of super-high speed elevators. Proc of the IMAC, 1998;300-306
[22] 于德介，喻进辉．高速电梯机械系统动力学模型的建立与修正．振动与冲击，1997(7)：11-14
[23] 胡振东，赵姗姗．高速电梯系统时变动力学模型与分析．力学季刊，2002(3)：422-426
[24] 韩慧君．系统仿真．北京：国防工业出版社，1987
[25] 聂春燕．MATLAB SIMULINK在动态系统仿真中的应用．长春大学学报，2001(01)：19-21
[26] 李庆扬．数值分析．武汉：华中理工大学出版社，1996
[27] 王福明，贺正辉等．应用数值计算方法．北京：科学出版社，1992
[28] 张国安．电梯振动的原因及解决办法．中国电梯，2003(15)：8-9
[29] 文耀平．电梯起动载荷分析探讨．振动与冲击，1994(3)：76-80
[30] 梁兆正，胡宗武，聂荣海，孟惠荣．具有齿轮—绳索机械系统动态力学特性的研究方法．山东矿业学院学报，1998(12)：355-359
[31] 邓星钟．机电传动控制．武汉：华中理工大学出版社．1997
[32] 程跃东．机械振动学．杭州：浙江大学出版社，1993
[33] 李玉瑾．提升机钢丝绳弹性振动理论与动力学特性分析．起重运输机械，2003(4)：32-36
[34] 濮良贵，纪名刚．机械设计．北京：高等教育出版社，2006
[35] 许本文，焦群英．机械振动与模态分析基础．北京：机械工业出版社，1998
[36] 李启炎等．软件教程——Solid Edge应用与实践．上海：同济大学出版社，2002
[37] 唐锡宽，金德闻．机械动力学．北京：高等教育出版社．1983．11
[38] 王彬．振动分析及应用．北京：海潮出版社，1992
[39] 王福明，贺正辉等．应用数值计算方法．北京：科学出版社，1992
[40] 谭青，李磊．数值微积分的FET变换法探讨．南昌高专学报，2000(2)
[41] 沈民杰，宋兴智．电梯振动的数理分析．中国电梯，2003(13)：17-19
[42] Shigeta M, lnaba H et al. Development of super high speed elevators. Elevator World, 1995(4):69-73
[43] Venkatesh S R, Cho Y M. Identification and control of high-rise elevators. Proceedings of the American Control Conference, 1998:3860-3864
[44] Roberts R. Control of high-rise/high speed elevators. Proceedings of the American Control Conference, 1998:3440-3444
[45] 严济宽．机械振动隔离技术．上海：上海科学技术文献出版社，1985
[46] 张志谊，华宏星．高速电梯振动控制的理论及实验研究．振动与冲击，2002(2)：68-71
[47] 金灿，朱霞．电梯轿厢重量的改变对曳引能力的影响．成都纺织高等专科学校学报，2002(2)：1-4
[48] 张长友，朱昌明，吴广明．电梯系统垂直振动分析与抑制．振动与冲击，2003(4)：72-75
[49] Norman J. Recent Studies on the Dynamic Plastic Behavior Structures [J]. Appl Mech Rev, 1989, 42(4):95-115
[50] Lee L H N. Inelastic Asymmetric Buckling of Ring-stiffened Cylindrical Shells [J]. AIAA Journal, 1974,12(12): 1051-1056
[51] 刘清平，杨国华．提升机钢丝绳的动载荷及其动应力分析．矿山机械，2000(5)：43-44
[2] 傅翠玉，关景泰．立体车库发展的现状与挑战．机械设计与制造．2005(9)：156-157
[3] 任伯淼等．机械式立体停车库．海洋出版社，2001(4)：25-35
[4] 中国停车网 http://www.chinaparking.org/
[5] 汽车专用升降机．中华人民共和国机械行业标准，报批搞
[6] 蒋圣平，颜景龙等．PLC在立体车库系统控制中的应用．华北工学院测试技术学报，2000(2)：76-79
[7] 许广泞，苑鸿骥等．立体车库计算机控制系统的构成及智能化方案．机电一体化，2004(3)：34-36
[8] 罗永彬．电梯机械系统动态特性分析．浙江工业大学学报，1997(9)：211-217
[9] 缪鸿孙等．电梯的保养和维修技术．北京：中国计量出版社，1992
[10] 傅武军，朱昌明．单绕式电梯动力学建模及仿真分析．系统仿真学报，2005(3)：635-638
[11] 朱昌明，洪致育．电梯与自动扶梯原理 结构 安装 测试．上海：上海交通大学出版社，1995．4
[12] 左鹤声，彭玉莺．振动试验模态分析．北京：中国铁道出版社，1995
[13] 吴伟常，陈炳炎，吴哲．电梯机械系统动态分析．湘潭大学自然科学学报，1995(6)：37-41
[14] 金卫清，张惠侨等．电梯机械系统动态特性的建模分析．机械设计与研究，1999(3)：53-55
[15] 张聚，杨庆华等．电梯机械振动的频域最优主动控制．浙江工业大学学报，第28卷第3期 2000．9：230-235
[16] 袁传森．谈电梯运行过程中振动原因及调整．中国电梯，2000(6)：58
[17] 黄风．运用共振理论解决电梯振动．中国电梯，2000(1)：34
[18] 宋庭新．动力减震器在电梯振动控制中的应用．中国电梯，1999(11)
[19] Harrison J C. An experimental method for appraisal and comparison of vibration in high-rise elevator cars. Elevator World, 1998(6):81-85
[20] Nai K,Forsythe W, et al. Improving ride quality in high-speed elevators. Elevator World, 1997(6):88-93
[21] Yamazaki Y. Tomisawa M, et al. Vibration control of super-high speed elevators. Proc of the IMAC, 1998;300-306
[22] 于德介，喻进辉．高速电梯机械系统动力学模型的建立与修正．振动与冲击，1997(7)：11-14
[23] 胡振东，赵姗姗．高速电梯系统时变动力学模型与分析．力学季刊，2002(3)：422-426
[24] 韩慧君．系统仿真．北京：国防工业出版社，1987
[25] 聂春燕．MATLAB SIMULINK在动态系统仿真中的应用．长春大学学报，2001(01)：19-21
[26] 李庆扬．数值分析．武汉：华中理工大学出版社，1996
[27] 王福明，贺正辉等．应用数值计算方法．北京：科学出版社，1992
[28] 张国安．电梯振动的原因及解决办法．中国电梯，2003(15)：8-9
[29] 文耀平．电梯起动载荷分析探讨．振动与冲击，1994(3)：76-80
[30] 梁兆正，胡宗武，聂荣海，孟惠荣．具有齿轮—绳索机械系统动态力学特性的研究方法．山东矿业学院学报，1998(12)：355-359
[31] 邓星钟．机电传动控制．武汉：华中理工大学出版社．1997
[32] 程跃东．机械振动学．杭州：浙江大学出版社，1993
[33] 李玉瑾．提升机钢丝绳弹性振动理论与动力学特性分析．起重运输机械，2003(4)：32-36
[34] 濮良贵，纪名刚．机械设计．北京：高等教育出版社，2006
[35] 许本文，焦群英．机械振动与模态分析基础．北京：机械工业出版社，1998
[36] 李启炎等．软件教程——Solid Edge应用与实践．上海：同济大学出版社，2002
[37] 唐锡宽，金德闻．机械动力学．北京：高等教育出版社．1983．11
[38] 王彬．振动分析及应用．北京：海潮出版社，1992
[39] 王福明，贺正辉等．应用数值计算方法．北京：科学出版社，1992
[40] 谭青，李磊．数值微积分的FET变换法探讨．南昌高专学报，2000(2)
[41] 沈民杰，宋兴智．电梯振动的数理分析．中国电梯，2003(13)：17-19
[42] Shigeta M, lnaba H et al. Development of super high speed elevators. Elevator World, 1995(4):69-73
[43] Venkatesh S R, Cho Y M. Identification and control of high-rise elevators. Proceedings of the American Control Conference, 1998:3860-3864
[44] Roberts R. Control of high-rise/high speed elevators. Proceedings of the American Control Conference, 1998:3440-3444
[45] 严济宽．机械振动隔离技术．上海：上海科学技术文献出版社，1985
[46] 张志谊，华宏星．高速电梯振动控制的理论及实验研究．振动与冲击，2002(2)：68-71
[47] 金灿，朱霞．电梯轿厢重量的改变对曳引能力的影响．成都纺织高等专科学校学报，2002(2)：1-4
[48] 张长友，朱昌明，吴广明．电梯系统垂直振动分析与抑制．振动与冲击，2003(4)：72-75
[49] Norman J. Recent Studies on the Dynamic Plastic Behavior Structures [J]. Appl Mech Rev, 1989, 42(4):95-115
[50] Lee L H N. Inelastic Asymmetric Buckling of Ring-stiffened Cylindrical Shells [J]. AIAA Journal, 1974,12(12): 1051-1056
[51] 刘清平，杨国华．提升机钢丝绳的动载荷及其动应力分析．矿山机械，2000(5)：43-44