張鴻鵠，郭 蓮，王宇恒

(1.揚州市江都永堅有限公司，江蘇 揚州 225200)(2.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

剪叉式液壓升降臺的設計

張鴻鵠1，郭 蓮1，王宇恒2

(1.揚州市江都永堅有限公司，江蘇 揚州 225200)(2.南京理工大學 機械工程學院，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，設計了一種可在水平面內(nèi)自由移動的剪叉式升降臺，通過液壓驅(qū)動三層底板可在平面內(nèi)自由移動，升降功能由內(nèi)置傾斜液壓缸驅(qū)動的剪叉裝置實現(xiàn)。以液壓缸最大推力為前提，對薄弱的剪叉機構(gòu)以及滑移底盤進行了仿真分析，結(jié)果滿足設計要求，驗證了該模型的合理性。

剪叉機構(gòu)；液壓缸；升降臺

剪叉式升降臺由于獨特的結(jié)構(gòu)，在民航、汽車、交通、冶金、制造等領域有著廣泛的應用，其具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、操作方便、運行平穩(wěn)的優(yōu)點[1]。剪叉臂作為機構(gòu)折疊變化的對象，是影響承載能力的重要環(huán)節(jié)，當前剪叉式升降臺的主要缺點是承載能力不高、運行速度慢，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便于移動以適應野外作業(yè)的方法是十分有意義的。本文在深入了解剪叉式升降臺機理的基礎上，著重進行承載結(jié)構(gòu)更加可靠、升降臺運動更加靈活的研究，完成了具有三層底板的移動式剪叉式液壓升降臺，并對其力學性能進行了分析。

1 剪叉式液壓升降臺的設計

1.1技術指標

該液壓升降臺臺面尺寸為5 400 mm×1 800 mm，額定載荷12 000kg，最大起升高度350mm，技術指標見表1，依據(jù)指標開展設計工作，要求設計結(jié)果結(jié)構(gòu)簡潔、運行平穩(wěn)、調(diào)節(jié)方便。

1.2總體方案設計

剪叉式液壓升降臺總體結(jié)構(gòu)由主機、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上。

表1 技術指標

圖1 剪叉式液壓升降臺的三維模型

液壓系統(tǒng)采用液壓泵與液壓缸共同作用實現(xiàn)升降功能。在液壓泵啟動后，油液從油箱中被吸出，推動單向閥開啟，流經(jīng)二位二通閥后流經(jīng)液壓缸無桿腔，推動活塞桿伸出完成支架上升動作，溢流閥起到對系統(tǒng)的過載保護作用，變量泵起到對系統(tǒng)流量的調(diào)節(jié)作用，上升狀態(tài)升降臺可以平穩(wěn)運行。

下降過程由自重實現(xiàn)，油液經(jīng)過二位二通閥后經(jīng)過節(jié)流閥調(diào)速，再通過另一個二位二通閥后流回油箱，下降狀態(tài)升降臺的速度穩(wěn)定，平穩(wěn)下落，無沖擊。通過2個二位二通閥的組合，升降臺可以停留在任何位置，同時單向閥起著過載保護的作用，如系統(tǒng)斷電時，升降臺能固定在某處，不會出現(xiàn)因重力和載荷共同作用而突然下落，造成意外事故。

升降臺在平面內(nèi)的自由滑移通過前后推動缸和左右推動缸實現(xiàn)，加壓方式與升降推動缸相同，通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)推動速度，達到升降臺運行平穩(wěn)的目的。

1.3關鍵零部件設計

1.3.1剪叉支架設計

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

1—橫梁；2—耳環(huán)；3—活動銷軸孔；4—筋

1.3.2上下平臺與剪叉接觸設計

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

圖3 上下平臺與剪叉接觸示意圖

1.3.3滑移底盤設計

剪叉下平面與前后滑移底盤通過墊板接觸，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，當液壓缸工作時，即可實現(xiàn)工作平臺的前后移動。

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

左右滑移底盤與前后滑移底盤通過墊板接觸，前后滑移底盤下面焊接耳環(huán)與左右推動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，可實現(xiàn)工作平臺的左右平移。

通過上述零件的設計，完成SolidWorks 對剪叉式液壓升降臺的三維建模，然后將裝配體保存為x_t格式準備導入ANSYS軟件進行有限元分析。

2 有限元分析

使用ANSYS Workbench 12.0的靜力分析功能，對剪叉式液壓升降臺升、降2種情況分別進行有限元分析，并分別校核剪叉臂的受拉和受壓情況，同時對滑移底盤的前后左右運動分別進行強度校核，驗證結(jié)構(gòu)的合理性。

2.1剪叉機構(gòu)受力分析

液壓剪叉機構(gòu)的受力分析如圖5所示，整個剪叉機構(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為主動力，根據(jù)虛位移原理，所有作用在該質(zhì)點系的主動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)點的主動力Pi在直角坐標x，y，z坐標軸上的分量；δxi，δyi，δzi分別是虛位移δni在直角坐標系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)尺寸便可得出整個升降過程中的推力。

圖5 剪叉機構(gòu)受力分析

2.1.1上升過程強度校核

由于剪叉機構(gòu)要在滿足使用功能的基礎上還能保證設備和人身安全，并且升降臺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》相關資料，屈服極限為300MPa，取安全系數(shù)10，則許用應力為：

(4)

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

2.1.2下降過程強度校核

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，剪叉臂的最大應力值為13.6MPa，由于σ<[σ]，校核結(jié)果安全，因而此升降機構(gòu)可以滿足設計要求。

圖6 剪叉臂受拉等效應力圖

圖7 剪叉臂受壓等效應力圖

2.2滑移底盤受力分析

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

圖8 前后推動液壓缸支座示意圖

左右滑移底盤為最下層底盤，承受了整個結(jié)構(gòu)的重力，是較容易受損的部位。在升降過程中，液壓缸的背壓是一種阻尼力，對底盤的滑移存在限制作用，因此加大了滑移時的摩擦力，在有限元分析過程中，將底盤假設為固定不動的理想狀態(tài)，對其施加側(cè)面的左右推力，觀察滑移啟動過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，支座最大應力為18MPa，滿足設計要求，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

設計出的剪叉式升降臺具有可移動的三層底板，運行平穩(wěn)、移動方便；剪叉臂、滑移底盤的設計滿足結(jié)構(gòu)緊湊、合理布局的要求，并且經(jīng)過校核，滿足可靠性、安全性等要求。整機運行平穩(wěn)、工作可靠、承載能力高、野外惡劣工作環(huán)境適應性強，具有一定的工程使用價值。

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

[2] 恩霞．機械設計[M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，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)大學理論力學教研室．理論力學[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)化項目(BA2014130)

張鴻鵠(1963—)，男，江蘇揚州人，揚州市江都永堅有限公司高級工程師，碩士，國家液壓標準化委員會委員，主要研究方向為液壓系統(tǒng)設計、先進制造技術。

TH137.9

A

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