升降平臺升降機構研究現(xiàn)狀分析

杜 干

（海軍工程大學 勤務學院 海運補給系，天津 300450）

0 引言

升降平臺作為一種起重機械，在物流、搬運、裝配、城市停車系統(tǒng)、海上油田等各種工作場合中得到了廣泛的應用。其最主要功能是依靠驅動機構與升降機構將物體升降至不同高度。升降機構具有剛性與柔性的性質，根據(jù)升降機構屬性的不同，可將其分為3類：①剛性升降機構，主要利用機構的剛性特性對平臺進行直接頂升或推送；②柔性升降機構，主要通過鋼絲繩、鏈條等柔性構件以拉曳的方式實現(xiàn)平臺的升降；③剛柔雙屬性升降機構，此類機構進行頂升作業(yè)時具有剛性屬性，不工作時則表現(xiàn)出柔性屬性。

1 剛性升降機構

剛性升降機構包括齒輪齒條機構、柱塞機構、剪叉機構和絲杠機構等幾種機構形式。

1.1 齒輪齒條式升降機構

齒輪齒條機構包含齒條機構和齒輪機構，齒條設置于樁腿上，每根齒條對應有若干個小齒輪。動力通過齒輪減速器傳遞給小齒輪，從而驅動平臺升降。

齒輪齒條式升降機構具有工作連續(xù)、升降速度快、操作簡單、同步性好等優(yōu)點，同時，齒輪齒條機構易于將平臺調平且定位較精準。但由于價格貴，制造難度大，主要應用于海上自升式升降平臺。

文獻［1］對國內外自升式海洋風電安裝船的典型升降機構、工作原理進行了對比分析，結果認為，利用齒輪齒條升降機構進行升降作業(yè)是未來自升式升降系統(tǒng)的主流方向。文獻［2］介紹了一種齒輪齒條式施工升降機，通過布置在吊籠上的傳動裝置的齒輪與布置在導軌架上的齒條相吻合，使導軌上下運動，具有靜態(tài)穩(wěn)定性好，定點定位性好，同步精度高等優(yōu)點，但其運行平穩(wěn)性差，且造價高。文獻［3］通過對比分析，設計了一套齒輪齒條升降機構，具有結構緊湊、操作簡單、適應性強等優(yōu)點，可使用于自升自航式海洋船舶升降系統(tǒng)中。

一些學者對升降平臺中齒輪齒條機構的強度進行了研究。文獻［4］使用有限元分析軟件對某自升式升降平臺齒輪齒條升降機構的彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度進行計算和強度校核，發(fā)現(xiàn)由于海洋外部環(huán)境的影響，齒輪齒條升降機構的彎曲疲勞破壞是其主要失效形式。研究發(fā)現(xiàn)升降平臺的齒輪齒條機構在海洋復雜情況下易產生疲勞破壞，并且破壞程度和齒輪齒條倒角大小有關。文獻［5］采用ANSYS軟件建立了升降平臺齒輪齒條的二維和三維數(shù)值模型并進行了應力分析，根據(jù)分析結果優(yōu)化齒根過渡圓角和齒條齒寬。

1.2 柱塞式升降機構

柱塞式升降機構通常與液壓裝置配合工作，通過泵站將油壓入油缸，使柱塞運動，直接作用在平臺上，使升降平臺向上運動，升降平臺的下降則依靠平臺的自重實現(xiàn)。柱塞式升降機構結構簡單，工作可靠，但其同步精度較差，且存在能耗偏大的問題，因此這種升降技術在升降平臺上并不常用。

對柱塞式升降機構的使用主要有單缸直頂支撐與多缸直頂支撐兩種方式。其中單缸直頂支撐根據(jù)柱塞與平臺連接點位置的不同分為平衡型直頂式和不平衡直頂式。平衡型直頂式升降機構可使升降平臺承受較小的傾覆力矩，故可承受較大載荷；不平衡直頂升降機構使升降平臺承受較大的傾覆力矩，導軌易受較大反作用力，從而易產生磨損。多缸直頂支撐方式是指用一個以上的油缸來驅動平臺，當提升高度不大時，采用單級油缸直頂；當提升高度較大時，采用多級同步伸縮缸直頂驅動，通常油缸采用對稱布置，防止側向傾覆力。

1.3 剪叉式升降機構

剪叉式升降機構包括驅動執(zhí)行裝置和剪叉裝置。在驅動機構的驅動下，驅動執(zhí)行裝置產生小位移行程的同時將驅動力傳遞給剪叉裝置。剪叉裝置作為剪叉式升降機構的主體具有折疊伸展性能，它受到驅動執(zhí)行裝置的驅動并將驅動執(zhí)行裝置的小位移行程放大成豎直方向的較大行程，從而推動升降平臺的上下移動。

剪叉式升降機構具有結構緊湊、承載量大、驅動裝置通過性強和操控性好的特點，因而在各種場合中得到了廣泛應用。但剪叉式升降機構也有不足之處，即臺面在升降過程中較難實現(xiàn)勻速，并且升降行程較小。

剪叉式升降機構的驅動執(zhí)行裝置有多種結構。文獻［6］比較分析了多種驅動執(zhí)行裝置的優(yōu)缺點，其中動滑輪裝置與滾珠絲杠裝置傳動精度高，但由于安裝和制造精度的過高要求影響了其應用和推廣；連桿裝置安裝精度要求較低且不易出故障，但其對剪叉式升降機構有尺寸限制從而也限制了其運用場合；相比較而言，液壓柱塞裝置可大幅減小剪叉升降機構的高度，且機構簡單、傳動環(huán)節(jié)少、故障低、易維修和更換零件，因此采用液壓柱塞運動執(zhí)行裝置的剪叉式升降機構應用最為廣泛。文獻［7］設計一種采用滾輪絲杠驅動執(zhí)行裝置的剪叉式升降機構，通過對滾輪與剪叉臂行走曲面的設計，可使升降機構勻速升降。

更多的學者將目光投向了剪叉式升降機構的運動特性以及力學特性。文獻［8］利用ADAMS軟件對液壓剪叉升降機構進行仿真，分析液壓系統(tǒng)中方向閥控制函數(shù)對剪叉升降機構運動學特性的影響，并選出較優(yōu)控制函數(shù)，減小了剪叉式升降機構升降過程中的加速度。文獻［9］用幾何分析方法，推導出剪叉式機構在伸展過程的運動方程，并給出幾種基本剪叉式結構單元運動方程的具體形式。文獻［10］介紹一種簡便且通用性強的運動學建模方法，并對平面變比例剪叉式升降平臺進行運動學分析與仿真，結果與實際相符。文獻［11］通過ADAMS軟件對剪叉裝置進行仿真分析，并研究液壓柱塞裝置與剪叉裝置連接位置參數(shù)與柱塞頂升力的關系，得到較為理想的結果。文獻［12］對剪叉裝置進行電測實驗，實驗結果驗證了ANSYS計算中確定的最大應力值以及最大應力點發(fā)生的區(qū)域。

1.4 絲杠式升降機構

絲杠升降機構主要是利用絲杠可將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動的特性對平臺進行升降。絲杠升降機構常用于與電驅動機構或液壓驅動機構配套使用。其中，電驅動機構是將電動機的動力通過減速器、軸或鏈條傳遞給絲桿減速器，最終傳遞給絲杠；液壓驅動機構則是將液壓驅動單元輸出的動力傳遞給絲杠螺母，將回轉運動轉換為直線運動來實現(xiàn)升降臺面的升降［13］。

由于絲杠式升降機構是螺旋形式頂升，因此具有結構緊湊、運行平穩(wěn)、傳動準確等優(yōu)點，同時絲杠易于實現(xiàn)自鎖，故其安全可靠。

文獻［14］介紹蝸輪絲杠升降機構的結構特點以及傳動方式，該機構具有結構緊湊、體積小、重量輕、無噪聲、可靠性高等優(yōu)點，尤其適用于大面積微動平臺。文獻［15］根據(jù)絲桿機構的運動特點建立了機構失效模式及可靠性分析，創(chuàng)建了動力學方程，并對傳動的可靠性進行了深入的研究。文獻［16］設計出滾柱螺線絲杠副，改進了傳統(tǒng)普通滑動螺線絲杠能夠自鎖但機械效率低、滾珠螺母絲杠副傳動效率高但不能自鎖的缺點。

2 柔性傳動升降機構

升降平臺柔性升降機構主要有鋼絲繩升降機構和鏈條式升降機構。

2.1 鋼絲繩升降機構

鋼絲繩升降機構在各種場合的升降平臺上被廣泛運用，且技術較為成熟。根據(jù)鋼絲繩收放方式的不同，鋼絲繩升降機構可分為卷入式鋼絲繩升降機構和頂升式鋼絲繩升降機構。卷入式鋼絲繩升降機構包括卷筒與鋼絲繩，驅動裝置帶動卷筒轉動，通過收放鋼絲繩使平臺升降，常見于施工升降機。頂升式鋼絲繩升降機構包括液壓柱塞與鋼絲繩機構，通過液壓柱塞的頂伸與收縮從而帶動鋼絲繩實現(xiàn)平臺升降。

鋼絲繩升降機構布置靈活且具有定點定位性好、運行噪聲小、運行平穩(wěn)性好等優(yōu)點，但是對升降高度有一定限制。當鋼絲繩使用伸長量變大后，升降機構定位不精確，運動平穩(wěn)性變差，易受外界負載影響、慣性大、啟動及換向慢。對于卷入式鋼絲繩升降機構來說，升降所需耗鋼絲繩的長度受卷筒繩容量的限制。

文獻［17］對船載貨運升降平臺進行研究，它采用頂升式鋼絲繩升降機構。柱塞與動滑輪相連接，鋼絲繩繞過動滑輪一端與升降平臺相連，一端連于基座上，如圖1所示。柱塞推動動滑輪向前移動從而實現(xiàn)升降平臺的起升作業(yè)。

圖1 船載貨運升降平臺示意圖

2.2 鏈條式升降機構

鏈條式升降機構采用鏈傳動方式，一般將電機鏈輪作為驅動機構，通過聯(lián)軸器、傳動軸、鏈輪等一系列傳動實現(xiàn)升降平臺的升降。鏈條式升降機構具有結構簡單、成本低等優(yōu)點，常使用于低速與升降高度不大的場合。其采用的鏈條機構穩(wěn)定性較強，定點定位好，同步精度高，但運行平穩(wěn)性較鋼絲繩式升降技術要差。

文獻［18］對3種不同布置方式的鏈條式升降機構進行了對比分析。其中側置鏈條式升降機構結構平穩(wěn)性好，但成本較高；配重式鏈條升降機構結構簡單但平穩(wěn)性較差；封閉鏈條式升降機構能不足，且結構復雜，成本較高。

3 剛柔雙屬性升降機構

剛柔雙屬性升降機構是較晚才出現(xiàn)的新型升降機構，在對平臺進行升降時可直接進行頂升或推送，從而獲得較高速度和較大行程；在不進行升降作業(yè)時可盤折起來，從而可降低設備的自身高度并增加了升降機構布置的靈活性。

文獻［19］介紹了一種自組式螺旋升降機構，該機構具有垂直與水平兩組鋼帶。工作前，平卷螺旋板上下緊湊疊放，立卷螺旋板松散盤旋。在外來動力驅動下，垂直和水平鋼帶被牽引出，以螺旋方式上升，組合成柱狀舉升體，從而頂升升降平臺。法國一家公司設計了一種新型剛性鏈升降機構，其基本結構與普通鏈條類同，但通過對鏈條的改進，使鏈條只能朝一個方向回轉。當受到壓力載荷時，相鄰鏈節(jié)間產生相互鎖緊，此時鏈條具有剛性機構的特性。而當鏈條不受外部力時，鏈條可彎曲的特性使其便于彎曲儲存。文獻［20］也設計了一種鏈式推拉齒條升降機構，其結構簡單且成本較低。將齒條預先制造成無齒的齒條節(jié)，根據(jù)行程將數(shù)個齒條節(jié)以銷軸首尾相連，并使其能繞單側相互轉動。當齒條節(jié)都相互轉動時，齒條節(jié)組便形成了一側具有承受頂升力的剛性特性，而另一側具有承受拉力的柔性特性。推拉齒條的齒形是在齒條節(jié)鉚接成齒條組后才加工成形。

4 結束語

本文根據(jù)機構的剛柔屬性對升降機構進行了分類，并對不同種類升降機構的結構、特點以及研究現(xiàn)狀進行了分析，對推動新型升降機構的開發(fā)研制，提高升降平臺產品的性能具有重要意義。

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