总装流水线自动升降平台机械结构分析与优化

时间：2024-07-28

王鹏，苏东海(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳 110870)

0 引言

液压升降平台是液压技术发展过程中出现较早的一种辅助型工具，具有结构简单、生产方便、高效稳定的优点，广为使用。如今液压升降平台已衍生出适用于不同领域的诸多种类：按用途可分为移动式和固定式升降平台，按工作环境可分为车载式、曲臂式升降平台等[1]。本文研究的机构是某能源公司场地的总装流水线自动升降平台，对其要求和已完成选型的机械结构进行力学分析。

1 总装流水线自动升降平台力学分析

1.1 优化前设备机械结构分析

公司总装流水线自动升降平台优化前的机械部分示意图如图1。

图1 总装流水线自动升降行走平台结构示意图

从示意图中可知，驱动液压缸的受力并不理想，左侧液压缸受力情况为自身重力、两端铰接点指向液压缸的作用力；右侧液压缸受力为自身重力、两端铰接点指向液压缸的作用力以及活塞与缸之间分向的作用力。由于缸的铰接点贴近地面，容易对铰接处造成污染，倘若活塞或缸与铰接点之间的配合不理想，这种安装方式会使活塞对缸的内壁造成破坏，会影响缸的效率并增加缸的内部泄漏，严重情况还会使缸失效。如果将右侧驱动液压缸改为与左侧安装液压缸的位置和安装方式一致，则会避免这种风险。在示意图中还可以发现，如果杆长设计不理想，会导致支撑架重心超过曲柄处使支架中的滚轮腾空，无法保证人员安全，应改为滑块导轨结构使支撑架时刻保证安全。

1.2 设备机械结构尺寸确定

根据设备使用场合条件，具体技术要求如下：

1)平台整体外形尺寸：平台降到最低位置高度不超过1240 mm，起升后到最终位置时与机架保持平行，与地面夹角为5°(高度3000～2000 mm，以具体实测为准)，平台长度及宽度依设计需要；

2)设备载重为3吨；

3)上升速度：1000～2000 mm/min可调。

与此同时，根据施工现场的平台的使用要求，需要满足两个支架上的液压缸可以各自独立控制和同时动作。动作到位后，液压缸采用截止阀锁死方式，防止泄漏引起台面下降。

根据技术要求，初选平台高度为3000 mm，面积为4350 mm×1500 mm，设备载重3吨，起升后平台与地面夹角为5°，步梯为可拆卸式步梯。初选左侧升降架机架曲柄长度为1400 mm，连杆长度为1850 mm，右侧升降架机架曲柄长度为1580 mm，连杆长度为1850 mm。

在升降架的其他组成杆件的尺寸确定上，采取了设置多组数值优化集中误差的方法来求得杆件尺寸，最终确定了合适的机构的整体尺寸和升降位置，并求得了起落两位置时液压缸的长度和伸长比，如图2所示。

图2 总装流水线自动升降行走平台机构简图尺寸示意图

1.3 设备机械结构力学分析

升降平台机械结构的尺寸确定之后，液压缸的输出压力和行程就可以确定。本升降平台机械结构是2自由度，因此应该将平台机械结构受力分析分为：右支撑架不动时左支撑架在支撑极限位置下的左缸受力情况、左支撑架不动时右支撑架在支撑极限位置下的右缸受力情况、右支撑架不动时左支撑架在放置极限位置下的左缸受力情况、左支撑架不动时右支撑架在放置极限位置下的右缸受力情况。分别采用虚位移原理进行分析，求出不同情况下液压缸两侧的受力大小，根据受力情况和行程来选择液压缸的型号。

对右支撑架不动时左支撑架以及平台进行标注和受力分析，可得如图3所示的平台机械结构受力情况。

图3 支撑极限位置左缸受力情况分析

已知平台机械结构承载3吨均布载荷，经简化为作用于平台中点C处的集中力P。液压缸两端受有大小相等方向相反的拉力FA升和FB升。在右支撑架不动的情况下，以O为圆心的曲柄OB在支撑架的虚位移下具有角速度ω1，平台具有以O1为圆心的角速度ω2，连杆BE具有以点B和点E互为圆心的角速度ω3。平台在力P的作用下有一个虚位移δC，A点和B点处有虚位移δA和δB。采用虚功原理的虚速度法[2]如下：

∑δW=0∶P·vc·cos5°+FA升vA·cos60°+FB升·vB·cos37°=0

(1)

式中：vA—液压缸A点的速度(m/s)；

当支撑架动作时，在任一瞬时的任何构件均具有其速度瞬心，使用速度瞬心法可以确定液压缸A点的速度方向和大小。在本平台机械结构中已知滚轮F的运动速度vF平行于地面，曲柄连接交叉点D处的速度vD方向垂直于曲柄OB，垂直于速度vD和vF方向的直线的交点为速度瞬心P1。由此可得速度vA：

(2)

为了建立3个角速度之间的关系，选取不同的节点进行速度矢量分析。由于vA和vB均已知方向和大小，故在H点处进行速度矢量分析，可得如图4所示的H点速度矢量分析图：

图4 H点速度矢量分析

根据H点处的速度矢量分析可得矢量关系：

vA+vHA=vB+vHB

(3)

由于vB与vHA夹角很小，故将其视为共线。根据速度投影定理，将vHB、vA向vHA的垂直方向投影。由此可得矢量关系：

(4)

因此可得出ω1和ω3的关系：

(5)

图5 E点速度矢量分析图

滑块E在滑轨上滑动，是支撑架和平台连接的关键点。因此在O1点处建立定系，在E点处建立动系，可得如图5所示的速度矢量图。

根据E点处速度矢量分析图可得矢量关系：

vr1+ve1=vB+vEB

(6)

根据速度投影定理，将vEB和vB向vr1垂直方向投影，可得矢量关系：

(7)

结合式(1)-(5)，可得出ω1和ω2的关系：

(8)

在式(5)和式(8)中已经得知了三个角速度之间的关系，将式(5)和式(8)代入式(1)中可求出液压缸受力FB升：

(9)

经计算得出液压缸两端所受拉力FB升大小为23390.81 N。

其他三种位置计算以此类推，可得支撑极限位置右缸受力情况分析、H2点速度矢量分析、E2点速度矢量分析、放置极限位置左缸受力情况分析、H点速度矢量分析、E点速度矢量分析、放置极限位置右缸受力情况分析、H2点速度矢量分析、E2点速度矢量分析图如图6至图14。

图6 支撑极限位置右缸受力情况分析

图7 H2点速度矢量分析

图8 E2点速度矢量分析图

计算液压缸受力FB2升，如式(10)所示：

(10)

经计算得出液压缸两端所受拉力FB2升方向指向液压缸，大小为17246.85 N。

图9 放置极限位置左缸受力情况分析

图10 H点速度矢量分析图11 E点速度矢量分析图

计算液压缸受力FB降，如式(11)所示：

经计算得出液压缸两端所受拉力FB降大小为190525.62 N。

图12 放置极限位置右缸受力情况分析图

图13 H2点速度矢量分析图14 E2点速度矢量分析图

(11)

计算液压缸受力FB2降，如式(12)所示：

(12)

经计算得出液压缸两端所受拉力FB2降大小为228785.64 N。

1.4 机械结构组件选型

由于机构最大受力为液压缸拉力，考虑到机械结构重力问题，根据经验公式：

F总缸=K·F缸

(13)

式中，K为经验系数，取1.4。

可计算出左支撑架液压缸最大总受力为133.36 kN，右支撑架液压缸最大总受力为160.15 kN，放置初始时左缸最大总受力为16.37 kN，右缸最大总受力为12.07 kN。

初选选择机械结构材料为45钢，该材料是一种强度较高的中碳优质钢，其屈服极限为355 MPa，抗拉强度为600 MPa，剪切强度为178 MPa，抗弯强度为400 MPa，适合制造强度要求较高的零件，可以在本文中使用。

根据液压缸受力大小，初步选择左支撑架液压缸型号为CDH1MT4/125/70/630A3XM33 CLDTZWFWWYWFW，右支撑架液压缸型号为CDH1MT4/125/70/700A3XM33CLDTZWFWWYWFW，拉力可达210.55 kN，压力可达306.75 kN，额定压力25 MPa，活塞面积为122.72 cm2，有杆腔作用面积为84.24 cm2。

底座导轨根据整体机械部分重量来选型。根据式(12)在式(13)中反推负载P可得机械部分总负载为41064.1 N，总重力为4190.2 kg。选择力士乐滚柱导轨导向系统型号KWD-030-FLS-CS-C2-P-SS-0-01-S1-SL-BX-LS-LSS-RS-FSS-01，基本额定动载荷C为46 kN，基本额定静载荷为66.9 kN，符合要求。

根据上述已选型的配件和材料在SolidWorks2018中对同步升降平台机械部分进行建模，可得模型在举升和放置极限位置时的示意图，如图15、图16所示。

图15 同步升降平台举升极限位置示意图图16 同步升降平台放置极限位置示意图

将模型导入ANSYS R17.0中进行静力学应变仿真，可得结果如图17。

图17 ANSYS静力学分析结果示意图

可知支撑架在举升位置时中下部分应力变化较小，右支撑架与平台铰接处应变最大可达到0.082603 mm，主要形变表现在平台和支撑架上部，形变程度较小。