李樂毅

(四川建筑職業(yè)技術學院，四川618000)

21世紀以來，隨著航天、船舶和運輸?shù)刃袠I(yè)的蓬勃發(fā)展，模鍛壓機及其重要配套設備的研制開發(fā)也有了進一步發(fā)展，同樣，模鍛壓機設備的機構組成有了很大程度的改變[1-3]，一方面主機部分如靜電壓力機和高能螺旋壓力機的研發(fā)增速，并且具有一定的機械化自動化水平，例如一汽鍛造廠技改項目124 MN曲軸、前軸熱模鍛生產(chǎn)線和濟南汽車廠63 MN轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造生產(chǎn)線；另一方面輔機部分如鍛件翻轉(zhuǎn)機和升降平臺等也持續(xù)保持研發(fā)更新[4-6]，主要針對模鍛壓機的重要輔助設備升降平臺進行研究，提出了一種適用于模鍛壓機的大型重載剪叉式升降平臺，并對其運動軌跡進行了仿真，同時用有限元模擬了其整體結構，從而驗證了新型升降平臺的可行性。

1 剪叉式升降平臺的設計

傳統(tǒng)模鍛壓機的升降平臺是典型的垂直平面升降設備，由于模鍛壓機所需要升降的模鍛件多數(shù)重量較大，所以大多數(shù)都選用四連桿運動機構，導致升降平臺本體笨重，而且當出現(xiàn)偏心負載時，模鍛件在平臺上垂直升降時，極其容易發(fā)生升降平臺整體傾斜，造成生產(chǎn)安全隱患。所以根據(jù)傳統(tǒng)剪叉式輕載結構的運動特點和重載升降平臺的設計標準，并依托相關項目，開發(fā)出一種可應用于模鍛壓機的大型重載剪叉式升降平臺，該平臺結構簡單緊湊，在升降大而重的模鍛件時具有較高的穩(wěn)定性，不易傾斜傾覆，而且易于操作，自動化程度高，升降過程中噪音較小，既利于實現(xiàn)與模鍛壓機的統(tǒng)一集中管理，也利于實現(xiàn)多任務作業(yè)，能極大地提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)安全，其結構如圖1所示。

圖1 剪叉式升降平臺簡圖Figure 1 Brief diagram of scissor lifting platform

該型式升降平臺其主體機械結構主要由上臺板、底板、內(nèi)外支撐叉臂、液壓缸及滾輪等組成，其3D機械結構模型如圖2所示，共有2個液壓缸根據(jù)模鍛壓機的加工需要同步驅(qū)動控制，保證伸縮量相同，運動速度相同和推力值相同，液壓缸內(nèi)的活塞通過推動連桿和滾輪將能量傳給上臺板，使之上下垂直方向直線移動。

圖2 升降平臺模型Figure 2 Model of the lifting platform

通常新設備的研發(fā)必須對其自由度進行計算，確定其是否具有確定的運動軌跡。大型重載剪叉式升降平臺需先確定其復合鉸鏈個數(shù)、虛約束個數(shù)和局部自由度個數(shù)，再對其自由度值進行校核。必須注意排除復合鉸鏈個數(shù)、虛約束個數(shù)和局部自由度個數(shù)的影響，所以，此次進行剪叉式升降平臺機構自由度計算時，位于復合鉸鏈處的低副總個數(shù)等于相鄰構件總個數(shù)減1；而機構中多余的虛約束則直接減去[7-8]。通過分析觀察，得到升降平臺機構的活動構件總個數(shù)為7，低副總個數(shù)為9，高副總個數(shù)為2，根據(jù)傳統(tǒng)自由度的計算公式得出：

F=3n-2pl-ph=3×7-2×9-2=1

式中，n代表可活動構件的總個數(shù)；pl代表低副的總個數(shù)；ph代表高副的總個數(shù)。經(jīng)過計算，自由度個數(shù)為1，又因為升降平臺機構只有1個原動件，即液壓缸(2個液壓缸同步驅(qū)動)，所以原動件總數(shù)等于自由度總數(shù)，根據(jù)機械原理的理論，升降平臺機構具有確定的運動軌跡。

2 剪叉式升降平臺的運動仿真和校核

大型重載剪叉式升降平臺運用三維軟件Inventor對其實現(xiàn)基礎構件的建模，并經(jīng)過Parasolid文件類型進行預處理，最后導入ADAMS軟件中進行運動仿真和校核。

2.1 剪叉式升降平臺的模擬加載

大型重載剪叉式升降平臺在進行升降時實現(xiàn)模鍛件垂直上下移動，在上下升降過程中基本是對稱的，所以只用研究最重模鍛件垂直上升的過程，即液壓缸提供的推力最大時即可。在進行具體的仿真載荷加載時，一般要先定義相關升降平臺材料的屬性和參數(shù)，接著增加運動仿真所必須的運動副，如在鉸鏈軸處增加轉(zhuǎn)動副和在滾輪處增加滑動副等，最后賦予底板全約束從而實現(xiàn)機構的固定。根據(jù)上述自由度計算可知，升降平臺機構全部是低副，沒有高副，在仿真過程中如果全是低副極易造成一個封閉循環(huán)，導致整個機構出現(xiàn)過約束，一旦出現(xiàn)過約束，ADAMS軟件在求解時會解除某些約束，使運動正常進行，但被解除的約束無法分析其位置處的作用力，如果遇到此種情況可以通過選用基本副替換低副來解決，因此，為了避免過約束的發(fā)生，在運動仿真前預先選用點點接觸副與點線接觸副來替換旋轉(zhuǎn)副。由于滾輪是在對應導軌上運動的，所以還需要在所有滾輪與導軌間增加8個點接觸，采用點接觸可以忽略軌道上摩擦產(chǎn)生的影響。

在實現(xiàn)最終運動仿真分析前，還應該施加必要的負載和驅(qū)動。通常情況下，可以將一個負載轉(zhuǎn)化為對應的等值壓力，施加在升降平臺的具體位置處。在ADAMS軟件中加載完成后的圖像如圖3所示。輸入完必要數(shù)據(jù)后，即可進行大型重載剪叉式升降平臺的運動仿真，運動仿真結束后，可獲得液壓缸推力隨時間變化曲線，如圖4所示。還可以得到載重上臺板位移隨時間變化的曲線，如圖5所示。

圖3 加載后的圖像Figure 3 Loaded image

圖4 推力變化曲線Figure 4 Thrust changing curve

2.2 剪叉式升降平臺運動仿真結果分析

由圖4可知，當剪叉式升降平臺準備提升模鍛件時，液壓缸同步處于預啟動狀態(tài)，此時內(nèi)外叉臂之間形成的夾角達到了最大值，在其余條件保持不變的情況下，由于滾輪的滑動，內(nèi)外叉臂之間形成的夾角會逐漸減小，進而加載在滾輪X方向的外加載荷會隨著逐漸減小，因此最大值約為865 kN。由于共有2個液壓缸同步驅(qū)動，所以每個液壓缸在此次升降過程中的推力值上限約為432.5 kN。由圖5則可知剪叉式升降平臺上臺板在此次升降過程中達到的高度上限值約為1.2 m(以地基平面為參考基準)，具體來說，上臺板在最低處1.07 m位置開始逐漸提升高度，達到1.27 m的位置停止，總抬升高度約為0.2 m。另外，對比圖5(b)和(c)可知剪叉式升降平臺上臺板在整個升降過程中，只在上下垂直的Y方向有移動，在X與Z方向都沒有移動，也符合實際情況。因此，知道具體要求的最大模鍛件重量和其運動行程后，可以通過ADAMS軟件的運動仿真，來精確地選擇液壓缸型號。

圖5 上臺板位移曲線Figure 5 Displacement curves of the upper platform

圖6 液壓缸體的應力分布Figure 6 Stress distribution of hydraulic cylinder block

圖7 液壓缸位移分布Figure 7 Displacement distribution of hydraulic cylinder

2.3 剪叉式升降平臺液壓缸缸體強度計算

液壓缸作為剪叉式升降平臺的核心構件，通過運動仿真確定其型號后，必須對缸體強度進行分析和校核，以確保升降的穩(wěn)定性和安全性。由于液壓缸是軸對稱結構，為了節(jié)約計算時間，通常只對其整體結構的1/4進行模擬分析，模擬時缸體的彈性模量值取2.1×105MPa，泊松比值取0.298，根據(jù)實際情況，整個缸體內(nèi)表面有248 MPa壓強的均布載荷。將模擬的1/4機構鏡像后可得到整體效果圖，由圖6可知整個液壓缸體的應力分布情況，其應力值上限約為93.76 MPa，基本位于整個液壓缸體壁厚較薄的位置。液壓缸內(nèi)表面在整個運動過程中的位移分布如圖7所示，缸內(nèi)表面位移值上限為4.19×10-2mm。液壓缸強度是否符合要求還需要確定安全系數(shù)，具體根據(jù)液壓缸生產(chǎn)商提供的缸體材料，查詢屈服強度比上93.76 MPa，即得到安全系數(shù)。在實際生產(chǎn)過程中，安全系數(shù)與液壓缸承受的最大沖擊載荷關系很大，當沖擊載荷較高時，應取較大的安全系數(shù)值，反之，安全系數(shù)值可適當減小。

3 剪叉式升降平臺的有限元分析

為了分析校核剪叉式升降平臺能否滿足總體設計需求，還需要對其進行有限元分析，有限元軟件為ANSYS內(nèi)置的LS-DYNA軟件。由于本升降平臺結構較為復雜，如果將上述三維模型直接導入到LS-DYNA中進行模擬，不僅耗時較長，而且精度也無法得到確保，因此對剪叉式升降平臺的機械結構模型進行進一步的簡化，具體如圖8所示。有限元分析模型采用了solid164單元進行自由網(wǎng)格劃分，該單元為8節(jié)點自由單元，無實常數(shù)，特別適合于模擬重載低速三維模型，而剪叉式升降平臺機構的所有材料屬性密度值為7800 kg/m3，彈性模量值為2.095×105MPa，泊松比值為0.28。剪叉式升降平臺的具體加載則必須根據(jù)運輸模鍛件的實際放置情況決定，同時將底板全約束固定，機械構件與機械構件之間的所有接觸全部選用面面自動接觸，上平臺施加均布載荷2000 kN，滾輪則施加集中載荷500 kN。

圖8 升降平臺的約束及加載簡圖Figure 8 Constraints and loading diagram of lifting platform

上述剪叉式升降平臺簡化機構經(jīng)過有限元模擬分析后得到的米塞斯等效應力云圖，如圖9所示。由圖9可知，升降平臺在整個運行過程中，應力值上限約為483 MPa，具體位置基本都位于鉸鏈軸連接處，而傳統(tǒng)碳鋼的屈服強度一般都是235 MPa左右，所以鉸鏈軸位置處安全性比較低，所以這些危險位置應選用高強度鋼材或增大厚度尺寸。因此，鉸鏈軸位置及其配套銷軸選用42CrMo鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，使危險位置處屈服強度達到500 MPa以上，以滿足安全要求。

圖9 米塞斯等效應力云圖Figure 9 Mises equivalent stress cloud chart

4 總結

(1)針對模鍛壓機設備提出一種大型重載剪叉式升降平臺用于模鍛件的升降運輸，經(jīng)過自由度計算，論證了其機構的合理性。

(2)對模鍛壓機用大型重載剪叉式升降平臺進行運動仿真，模擬升降平臺的運輸運動軌跡，并校核液壓缸的強度，為其設計提供了依據(jù)。

(3)對模鍛壓機用大型重載剪叉式升降平臺的結構進行有限元結構分析，為其設計開發(fā)提供了高效安全的設計方法。