基于Spiralift和雙剪叉機構的升降平臺設計與分析

閆 磊，徐志鵬，廖長兵，廖義波

（1.中國計量學院 浙江省流量計量技術研究重點實驗室，杭州 310018；2.重慶海通機械制造有限公司，重慶 402160）

0 引言

升降平臺作為一種垂直運動的升降機構，在物流、搬運、裝配、海上油田、汽車檢測、載人模擬等工業場合中得到了廣泛應用。其最主要功能是依靠驅動機構和升降機構將負載升降至不同高度。剪叉式升降平臺是傳統升降平臺中使用中較為廣泛的結構之一[1]。

剪叉式升降平臺主要包括驅動執行部件和剪叉裝置，剪叉裝置作為剪叉式升降平臺的主體具有伸展折疊性能[2]。傳統的剪叉式升降平臺是在受到驅動執行部件的驅動時將驅動執行部件的小位移放大成垂直方向的較大行程，從而推動升降平臺的垂直移動。剪叉式升降機構具有結構緊湊，承載量大、驅動裝置通用性強和操控性好的特點，因而在各種場合中得到廣泛應用。但傳統的剪叉式升降機構也有不足之處，即平臺在升降過程中較難實現勻速，并且升降行程小，設計計算較為復雜，液壓驅動方式的平臺還存在漏油、污染及需要設計特定的液壓油路、油站等問題，使得中小型升降平臺的設計變得較為復雜、成本較高且外形體積較大[3,4]。

本文提出的剪叉式升降平臺是利用一種特殊的自組式螺旋電動升降裝置作為平臺的驅動部件，它具有行程大、回落高度低、設計較為簡單，平臺以電機驅動，運行平穩精度高等特點。為了提高系統的安全系數，設計了一套能實現平臺在任意高度位置時的自動鎖緊機構。為中小型升降平臺的研究提供了新思路。

1 系統方案與原理

該剪叉式升降平臺是由某所用于載人模擬系統而設計的，其主要設計參數如表1所示，根據設計參數和平臺功能，該平臺的機械部件主要由上平臺、高強度剪叉機構、自組式螺旋電動升降裝置、拉繩式位移傳感器、自鎖機構和下平臺構成，平臺機械結構如圖1所示。

表1 升降平臺主要設計參數

圖1 剪叉式升降平臺機械結構

平臺的工作原理是在電機驅動自組式螺旋電動升降裝置下，自組式螺旋電動升降裝置由壓縮狀態轉換為伸展狀態，從而帶動平臺和雙剪叉機構的垂直運動；同時鎖緊裝置在升降電機運轉時作水平方向的跟隨移動，確保鎖緊裝置緊跟動剪叉臂的鎖緊軸，以實現平臺在任意高度位置時的自動鎖緊；通過外置拉繩式位移傳感器實現對平臺高度的定位、實時反饋與檢測。平臺工作原理框圖如圖2所示。

圖2 平臺工作原理框圖

2 升降裝置及驅動系統設計

2.1 自組式螺旋電動升降裝置結構特點

自組式螺旋電動升降裝置由垂直和水平兩組帶狀不銹鋼鋼帶組成[5]，置于各自的存儲位置如圖3所示。在外來動力的作用下，垂直和水平兩組不銹鋼鋼帶分別從各自的儲存位置牽引出來，通過凸輪和擠入輪等部件， 將帶狀不銹鋼鋼帶組合成柱狀舉升體，自組式螺旋電動裝置的機械結構圖如圖4所示。垂直鋼帶與水平鋼帶同時以螺旋方式運動，在運動過程中，垂直鋼帶卡在水平鋼帶所設定的溝槽內，保證二者間無相對滑動。隨著兩組帶狀不銹鋼鋼帶的螺旋輸送、回收，同時帶動載荷做升降運動。

圖3 自組式螺旋電動裝置鋼帶示意圖

圖4 自組式螺旋電動裝置的機械結構圖

2.2 自組式螺旋電動升降裝置的選型

自組式螺旋電動升降裝置根據其升降柱直徑不同共分為四個系列，分別是ND6、HD9、ND9和ND18，其升降立柱直徑分別為152mm、230mm、230mm和457mm，各型號因其升降行程不同又分為若干規格。其中HD9和ND6是依靠蝸輪蝸桿傳動，不需要連接鏈條或皮帶而可以直接和電機或者傳動軸相連；ND9和ND18自帶鏈輪，是依靠鏈傳動提供動力。ND6系列是自組式螺旋電動升降裝置中的型號最小，專為重量輕、升降行程短、噪音低及結構要求緊湊的升降需要而設計的。ND9和HD9是升降機構相同而驅動不同的兩個系列，其適用于一般行程和負載的升降系統。ND18為行程較大、負載較大的升降領域所設計。以上四種系列的自組式螺旋電動升降裝置的主要技術參數如表2所示。

表2 自組式螺旋電動升降裝置的主要技術參數

根據平臺設計參數中最大升降高度2200mm、額定載荷2噸、升降時間20s等參數要求，結合自組式螺旋電動升降裝置各系列特點及技術參數表知，可選定行程為2744mm的HD9-9規格自組式螺旋電動升降裝置。

2.3 升降裝置驅動電機功率計算

由HD9系列選型公式，知提升速度計算公式：

式中，Vt為系統升降速度，m/min；n為電機額定轉速，r/min；R為蝸輪減速比，此處取16.25；

由此計算出電機的額定轉速：

電機輸入功率計算公式：

式中，P為電機軸輸入功率，kW；M為負載質量，kg；Vm為系統最大提升速度，取6m/min；E是系統效率，取55%。

由此計算出電機的輸入功率：

輸入扭矩計算公式：

式中，T為電機輸入扭矩，N·m；F為負載，N；Tm為最大載荷的驅動扭矩，此處取27.1N·m。

由此計算出電機的輸入扭矩：

實際工作中只需要選擇功率略大于7.12kW、輸入扭矩略大于24.36N·m及電機的額定轉速略大于2859r/min的電機即可為系統提供足夠的動力源。

3 自動鎖緊機構的設計

自動鎖緊機構用于系統的安全保護，對于載人模擬或汽車檢測等設備中，增加自動跟隨鎖緊機構提高了系統的安全保障。本文利用梯形絲杠具有機械自鎖性特定，采用雙邊電機驅動絲杠帶動絲杠螺母副以直線運動方式跟隨動剪叉臂的鎖緊軸，從而實現平臺在任意高度位置下的自動鎖緊。在系統掉電或其他的故障下，自動鎖緊裝置能阻礙剪叉機構下滑的保護作用。鎖緊裝置簡圖如圖5所示。

圖5 自動鎖緊機構簡圖

4 平臺建模與仿真分析

SolidWorks作為一種主流的三維設計軟件，操作簡單，功能強大。在SolidWorks軟件平臺上能夠完成三維模型繪制、裝配體繪制、干涉檢查及有限元分析等[6]。本文利用SolidWorks的三維建模和有限元分析功能，對平臺進行了加載負載后的應力、應變和位移情況的模擬。

建立平臺的三維模型是實現平臺有限元分析的必要條件，在完成各零件的設計繪制后，在裝配圖中完成平臺裝配體的裝配，在進行有限元分析之前對平臺裝配體進行干涉檢查。在平臺低位與平臺高位分別做了干涉檢查分析，通過更改零件及配合錯誤消除干涉后平臺高低位建模分別如圖6、圖7所示。

圖6 平臺高位模型

圖7 平臺低位模型

對此平臺進行有限元分析的目的在于模擬平臺在最高位時加載負載后對平臺的形變量及抗負載能力分析。在設計時，當平臺運行到最高位時，采取鎖緊機構鎖緊動剪叉臂的鎖緊軸，然后使自組式螺旋電動升降裝置退出受力狀態，讓平臺與負載的作用力完全加載到剪叉機構上。此處理方式一方面能增加自組式螺旋電動升降裝置的使用壽命，另一方面能使上平臺受力更加均勻。

基于以上設計工藝，自組式螺旋電動升降裝置即不在有限元分析之內。在選擇材料為普通碳鋼（彈性模量2.1×1011N/m2，泊松比0.28，密度7.8×103N/m3），底部和鎖緊機構采取固定幾何體方式夾具，采用標準網格對模型網格化。在上平臺頂部均勻施加2噸載荷，重力加速度取10m/s2，進行有限元分析結果如圖8所示。

圖8 平臺位移分析云圖

由分析結果云圖知，在對平臺頂部均勻施加2t壓力后，平臺的最大變形量為0.652mm，產生平臺最大位移變形量位置位于平臺中部，見仿真結果標注，仿真結果安全系數大于2.96。

5 結論

1）提出了一種基于Spiralift自組式螺旋電動升降裝置和雙剪叉機構的方案，對重載荷、低收縮高度以及高穩定性的升降平臺設計具有一定借鑒意義。

2）設計了一套能實現平臺在任意高度位置自動鎖緊機構，提高了平臺升降過程中的安全系數。

3）通過利用SolidWorks軟件對平臺三維建模和有限元分析，表明平臺結構設計安全可靠穩定，對平臺負載能力分析及平臺結構的優化設計具有重要意義。

[1] 杜干.升降平臺升降機構研究現狀分析[J].機械工程與自動化,2013(2)：205-207.

[2] 殷彬.剪叉式機動平臺的設計與結構優化[D].長沙：長沙理工大學,2012.

[3] 牛文歡.新型剪叉式高空作業平臺關鍵結構設計研究[D].山東：山東大學,2013.

[4] 王鋼,孟祥偉,彭曼,王立權.自升式平臺支撐升降系統結構設計與分析[J].機械設計,2011,28(7)：42-46.

[5] 李偉.自組式螺旋升降機[J].有色設備,2005(4)：10-12.

[6] 蔡慧林,戴建強,席晨飛.基于SolidWorks的應力分析和運動仿真的研究[J].機械設計與制造,2008(1)：92-94.