張鴻鵠，郭 蓮，王宇恒

(1.揚(yáng)州市江都永堅(jiān)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200)(2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

剪叉式液壓升降臺(tái)的設(shè)計(jì)

張鴻鵠1，郭 蓮1，王宇恒2

(1.揚(yáng)州市江都永堅(jiān)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200)(2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

為了滿足升降高度精確、承載能力大的工況需求，設(shè)計(jì)了一種可在水平面內(nèi)自由移動(dòng)的剪叉式升降臺(tái)，通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)三層底板可在平面內(nèi)自由移動(dòng)，升降功能由內(nèi)置傾斜液壓缸驅(qū)動(dòng)的剪叉裝置實(shí)現(xiàn)。以液壓缸最大推力為前提，對(duì)薄弱的剪叉機(jī)構(gòu)以及滑移底盤進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了該模型的合理性。

剪叉機(jī)構(gòu)；液壓缸；升降臺(tái)

剪叉式升降臺(tái)由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，在民航、汽車、交通、冶金、制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、操作方便、運(yùn)行平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)[1]。剪叉臂作為機(jī)構(gòu)折疊變化的對(duì)象，是影響承載能力的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)前剪叉式升降臺(tái)的主要缺點(diǎn)是承載能力不高、運(yùn)行速度慢，不能滿足惡劣的工作環(huán)境需求。

綜上所述，在滿足工效的前提下，找到使剪叉式升降臺(tái)便于移動(dòng)以適應(yīng)野外作業(yè)的方法是十分有意義的。本文在深入了解剪叉式升降臺(tái)機(jī)理的基礎(chǔ)上，著重進(jìn)行承載結(jié)構(gòu)更加可靠、升降臺(tái)運(yùn)動(dòng)更加靈活的研究，完成了具有三層底板的移動(dòng)式剪叉式液壓升降臺(tái)，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了分析。

1 剪叉式液壓升降臺(tái)的設(shè)計(jì)

1.1技術(shù)指標(biāo)

該液壓升降臺(tái)臺(tái)面尺寸為5 400 mm×1 800 mm，額定載荷12 000kg，最大起升高度350mm，技術(shù)指標(biāo)見表1，依據(jù)指標(biāo)開展設(shè)計(jì)工作，要求設(shè)計(jì)結(jié)果結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、運(yùn)行平穩(wěn)、調(diào)節(jié)方便。

1.2總體方案設(shè)計(jì)

剪叉式液壓升降臺(tái)總體結(jié)構(gòu)由主機(jī)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等幾大部分組成[2]?？傮w方案如圖1所示。升降液壓缸采用右側(cè)布置，上耳環(huán)通過(guò)銷軸連接在剪刀叉支架上，下耳環(huán)與相連的耳座焊接固定在剪叉下平臺(tái)上。

表1 技術(shù)指標(biāo)

圖1 剪叉式液壓升降臺(tái)的三維模型

液壓系統(tǒng)采用液壓泵與液壓缸共同作用實(shí)現(xiàn)升降功能。在液壓泵啟動(dòng)后，油液從油箱中被吸出，推動(dòng)單向閥開啟，流經(jīng)二位二通閥后流經(jīng)液壓缸無(wú)桿腔，推動(dòng)活塞桿伸出完成支架上升動(dòng)作，溢流閥起到對(duì)系統(tǒng)的過(guò)載保護(hù)作用，變量泵起到對(duì)系統(tǒng)流量的調(diào)節(jié)作用，上升狀態(tài)升降臺(tái)可以平穩(wěn)運(yùn)行。

下降過(guò)程由自重實(shí)現(xiàn)，油液經(jīng)過(guò)二位二通閥后經(jīng)過(guò)節(jié)流閥調(diào)速，再通過(guò)另一個(gè)二位二通閥后流回油箱，下降狀態(tài)升降臺(tái)的速度穩(wěn)定，平穩(wěn)下落，無(wú)沖擊。通過(guò)2個(gè)二位二通閥的組合，升降臺(tái)可以停留在任何位置，同時(shí)單向閥起著過(guò)載保護(hù)的作用，如系統(tǒng)斷電時(shí)，升降臺(tái)能固定在某處，不會(huì)出現(xiàn)因重力和載荷共同作用而突然下落，造成意外事故。

升降臺(tái)在平面內(nèi)的自由滑移通過(guò)前后推動(dòng)缸和左右推動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)，加壓方式與升降推動(dòng)缸相同，通過(guò)節(jié)流閥調(diào)節(jié)推動(dòng)速度，達(dá)到升降臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)的目的。

1.3關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

1.3.1剪叉支架設(shè)計(jì)

剪叉臂由槽鋼制成，結(jié)構(gòu)選擇2幅剪叉結(jié)構(gòu)，呈對(duì)稱分布。如圖2(a)所示，兩臂中心打孔，插入活動(dòng)銷軸，使一對(duì)剪叉臂通過(guò)銷軸連接組成轉(zhuǎn)動(dòng)副，并且承受剪叉運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的載荷。一端打孔用于鉸接銷軸，另一端接滾輪，用于升降過(guò)程中在上下平面滑移。推動(dòng)液壓缸布置在兩幅剪叉之間，安裝在一對(duì)剪叉臂的橫梁上，保持同步運(yùn)動(dòng)，如圖2(b)所示。

1—橫梁；2—耳環(huán)；3—活動(dòng)銷軸孔；4—筋

1.3.2上下平臺(tái)與剪叉接觸設(shè)計(jì)

剪叉右側(cè)上下兩端均用銷軸與焊接在平臺(tái)上的耳環(huán)鉸接，可自由轉(zhuǎn)動(dòng)；左側(cè)上下兩端用輪子與平臺(tái)上的軌道接觸，如圖3(a)所示，在升降過(guò)程中，輪子在軌道內(nèi)自由移動(dòng)，軌道焊接在上下平面上，長(zhǎng)度由升降高度350mm計(jì)算得出，軌道對(duì)輪子起到保護(hù)作用，同時(shí)也對(duì)升降過(guò)程起到了導(dǎo)向作用，如圖3(b)所示。

圖3 上下平臺(tái)與剪叉接觸示意圖

1.3.3滑移底盤設(shè)計(jì)

剪叉下平面與前后滑移底盤通過(guò)墊板接觸，如圖4所示，上下滑移底盤上面焊接耳環(huán)，與前后推動(dòng)液壓缸的活塞桿端部的耳環(huán)鉸接，缸筒固定在剪叉下平面上，當(dāng)液壓缸工作時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)的前后移動(dòng)。

1—前后滑移平臺(tái)；2—左右滑移平臺(tái)；3—減磨板；4—剪叉下平臺(tái)；5—滑移擋塊安裝板

左右滑移底盤與前后滑移底盤通過(guò)墊板接觸，前后滑移底盤下面焊接耳環(huán)與左右推動(dòng)液壓缸的活塞桿鉸接，缸筒固定在左右滑移底盤的側(cè)面，因此液壓缸工作時(shí)，可實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)的左右平移。

通過(guò)上述零件的設(shè)計(jì)，完成SolidWorks 對(duì)剪叉式液壓升降臺(tái)的三維建模，然后將裝配體保存為x_t格式準(zhǔn)備導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。

2 有限元分析

使用ANSYS Workbench 12.0的靜力分析功能，對(duì)剪叉式液壓升降臺(tái)升、降2種情況分別進(jìn)行有限元分析，并分別校核剪叉臂的受拉和受壓情況，同時(shí)對(duì)滑移底盤的前后左右運(yùn)動(dòng)分別進(jìn)行強(qiáng)度校核，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性。

2.1剪叉機(jī)構(gòu)受力分析

液壓剪叉機(jī)構(gòu)的受力分析如圖5所示，整個(gè)剪叉機(jī)構(gòu)視為平衡狀態(tài)，假定鉸鏈約束為理想狀態(tài)[3]，重物及上平面自重G及液壓缸推力P為主動(dòng)力，根據(jù)虛位移原理，所有作用在該質(zhì)點(diǎn)系的主動(dòng)力在任何虛位移中所做的虛功之和等于零[4]，即

∑(Pxiδxi+Pyiδyi+Pziδzi)=0

(1)

式中：Pxi，Pyi，Pzi分別為作用于質(zhì)點(diǎn)的主動(dòng)力Pi在直角坐標(biāo)x，y，z坐標(biāo)軸上的分量；δxi，δyi，δzi分別是虛位移δni在直角坐標(biāo)系x，y，z軸上的虛位移分量。

由式(1)可得：

(2)

其中：

Px=Pcosφ

Py=Psinφ

xp=(l/2+f)cosθ

yp=(l/2+f)sinθ

yG=Lsinθ

經(jīng)計(jì)算后得到：

δxp=-(l/2+f)δθsinθ

δyp=(l/2+f)δθcosθ

δyG=lδθcosθ

代入式(2)，整理得出：

(3)

因此，已知重物的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸便可得出整個(gè)升降過(guò)程中的推力。

圖5 剪叉機(jī)構(gòu)受力分析

2.1.1上升過(guò)程強(qiáng)度校核

由于剪叉機(jī)構(gòu)要在滿足使用功能的基礎(chǔ)上還能保證設(shè)備和人身安全，并且升降臺(tái)要求允許承受一定沖擊，因此安全系數(shù)取較大值(8～10)[5]。上升環(huán)節(jié)的剪叉臂呈受拉狀態(tài)，推力P取122kN，重物質(zhì)量為14 000kg，鋼板厚度74mm，選用45鋼，根據(jù)《材料力學(xué)》相關(guān)資料，屈服極限為300MPa，取安全系數(shù)10，則許用應(yīng)力為：

(4)

在ANSYS Workbench中求解結(jié)果等效應(yīng)力，如圖6所示，剪叉臂最大應(yīng)力值為14.6MPa，由于σ<[σ]，因此剪叉臂上升環(huán)節(jié)滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.2下降過(guò)程強(qiáng)度校核

下降環(huán)節(jié)剪叉臂受壓，液壓缸活塞桿不提供推力，只起支撐作用，剪叉臂承受載荷：

G/2=1.37×105N

將修改后的約束條件和載荷代入到ANSYS Workbench中，求解結(jié)果如圖7所示，在受壓狀態(tài)下，剪叉臂的最大應(yīng)力值為13.6MPa，由于σ<[σ]，校核結(jié)果安全，因而此升降機(jī)構(gòu)可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 剪叉臂受拉等效應(yīng)力圖

圖7 剪叉臂受壓等效應(yīng)力圖

2.2滑移底盤受力分析

滑移底盤上焊接了耳環(huán)，與滑移推動(dòng)液壓缸活塞桿鉸接，缸筒固定在剪叉下平臺(tái)上焊接的帶孔支座上，依照節(jié)省材料、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的原則，支座設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖8所示，通過(guò)法蘭與缸筒固定。在液壓缸工作時(shí)，擋板承受的液壓缸推力的反作用力為48kN，推力達(dá)到最大時(shí)，支座容易受力偏斜，影響導(dǎo)向精度，因此設(shè)計(jì)為三角穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。

圖8 前后推動(dòng)液壓缸支座示意圖

左右滑移底盤為最下層底盤，承受了整個(gè)結(jié)構(gòu)的重力，是較容易受損的部位。在升降過(guò)程中，液壓缸的背壓是一種阻尼力，對(duì)底盤的滑移存在限制作用，因此加大了滑移時(shí)的摩擦力，在有限元分析過(guò)程中，將底盤假設(shè)為固定不動(dòng)的理想狀態(tài)，對(duì)其施加側(cè)面的左右推力，觀察滑移啟動(dòng)過(guò)程中承受巨大的壓力以及推力的受力結(jié)果是否在安全范圍。

圖9 滑移底盤仿真結(jié)果

如圖9(a)所示，支座最大應(yīng)力為18MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，校核結(jié)果的力較為保守，因此可存在一定沖擊。如圖9(b)所示，左右滑移底盤的最大應(yīng)力為87MPa，在較大的安全系數(shù)范圍內(nèi)σ<[σ]，因此滑移底盤可以正常工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)出的剪叉式升降臺(tái)具有可移動(dòng)的三層底板，運(yùn)行平穩(wěn)、移動(dòng)方便；剪叉臂、滑移底盤的設(shè)計(jì)滿足結(jié)構(gòu)緊湊、合理布局的要求，并且經(jīng)過(guò)校核，滿足可靠性、安全性等要求。整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、工作可靠、承載能力高、野外惡劣工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具有一定的工程使用價(jià)值。

[1] 張宇琛，趙繼云，盧寧，等．剪叉式液壓升降臺(tái)[J]．液壓與氣動(dòng)，2011(5)：71-73.

[2] 恩霞．機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006：90-108,126-194.

[3] 孫思為．基于有限元方法的鋁合金模板受力分析[J]．山西建筑，2014 (14)：61-63.

[4] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室．理論力學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2002.

[5] 王鵬．確定壓力容器安全系數(shù)原則[J]．價(jià)值工程，2014 (15)：70-71.

Thedesignofthescissorhydraulicliftingplatform

ZHANG Honghu1, GUO Lian1, WANG Yuheng2

(1.Yangzhou Jiangdu Yongjian Co..Ltd, Jiangsu Yangzhou, 225200, China)(2.Nanjing University of Science and Technology, Jiangsu Nanjing, 210094, China)

In order to improve the height accuracy and carrying capacity of the lift platform, it introduces a scissor lift that can freely move in the horizontal plane. Through the freely movement of the hydraulically driven three-bottom within the plane, it realizes the landing capabilities with built-in tilt scissor cylinder. It proposes the scissors for weak institutions and slip chassis based on maximum thrust of hydraulic cylinder, shows that the simulation working condition meets the design requirements, validates the rationality of the model.

scissors mechanism; hydraulic cylinder; lift

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.12.017

2014-12-03

江蘇省重大成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(BA2014130)

張鴻鵠(1963—)，男，江蘇揚(yáng)州人，揚(yáng)州市江都永堅(jiān)有限公司高級(jí)工程師，碩士，國(guó)家液壓標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)委員，主要研究方向?yàn)橐簤合到y(tǒng)設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造技術(shù)。

TH137.9

A

2095-509X(2014)12-0069-04