高空作業液壓升降平臺的結構優化與有限元分析

任小鴻，梅靜，陳麗

高空作業液壓升降平臺的結構優化與有限元分析

任小鴻1，梅靜1，陳麗2

(1.四川化工職業技術學院，四川瀘州646099; 2.瀘州華西機械有限責任公司，四川瀘州646300)

本文通過一種新型的液壓平臺的研發，改變了傳統升降平臺操作不便，作業平臺轉動難的缺點，通過結構的優化設計，并通過Ansys軟件對關鍵部件進行失穩分析，將其應用于生產。新的升降平臺具有可靠性強、平穩性高和安全性強等特點，具有著廣闊的發展前景。

高空作業;液壓升降平臺;Ansys

0 前言

高空作業平臺作為一種系列化的工程機械裝備，廣泛應用于化工、船舶、建筑、消防、港口貨運等行業。隨著高空作業領域的不斷擴大，對高空作業平臺的需求將會越來越大，特別是對高空作業平臺的可靠性、可操作性、使用范圍、安全性等提出了更高的要求，由于傳統的高空作業升降平臺采用在底座上固定導筒，并在導筒內滑動設置導柱，通過起重設備將平臺往上移，操作者要通過外加的梯子才能上平臺操作，樓梯的長短無法調整，作業人員不便在作業平臺上下，且工作平臺難以轉動，平臺的維護較為困難，安全性較差，由此，某公司根據實際情況，設計出一種新型高空作業液壓升降平臺，在傳統平臺的空心導筒內增加一液壓缸，液壓缸活塞桿與平臺通過鉸鏈連接，實現了作業平臺的升降平衡和平臺的旋轉，在平臺底側增加一可調節樓梯，保證梯子、平臺、地面連接，作業人員上下自如，本平臺已獲授權專利“高空作業液壓升降平臺”(專利號ZL201320358851.4)。

1 結構優化設計

液壓升降平臺的結構示意圖如圖1所示。

液壓平臺主要采用底座上固定一導筒，此導筒采用圓柱體，在導筒內部設置一中空導柱。導柱與導筒之間采用滑動配合，間隙較小，導柱與導筒之間進行液壓潤滑處理，使液壓平臺能自如旋轉，并且在較小的間隙條件下，能有效防止導筒變形。中空的導柱內采用液壓缸作為支撐，液壓缸的活塞桿與平臺底面采用鉸鏈機構。當液壓平臺需要旋轉時，通過調整鉸鏈機構，能有效地保證平臺的轉動，從而擴大液壓平臺的工作范圍;在平臺底部外側設置一外梯，此外梯與平臺底面通過軸銷聯接，另一端與底面接觸，梯子長度通過兩層內外梯子結構設計，采用滑動聯接，保證平臺在任意高度均能與地面或底座接觸，并且能保證梯子的層高均勻，使人能安全上下梯子進行作業，方便了作業人員的作業;另外，此平臺還設計了加長范圍與安全保護結構，主平臺與副平臺采用活頁聯接，副平臺上鉆有一定數量的孔，當作業人員在主平臺范圍內工作時，副平臺則成為了保護作業范圍的欄桿，當主平臺作業范圍不夠時，則需要將副平臺旋轉90°，并將銷子插入事先設置的孔內，以保證副平臺的展開，使工作范圍擴大，(圖2所示為作業范圍擴大后的示意圖)，將預先做好的防護欄通過在副平臺上的孔進行聯接，有效地保證了在作業范圍擴大的情況下保證了作業的安全性。

圖1 結構示意圖Fig.1Structure diagram

2 材料選用及其熱處理

圖2 作業范圍示意圖Fig.2Operating range

平臺在作業過程中，空心導柱受到偏心載荷的影響較大，影響了整個平臺的安全性，其材料的選擇及熱處理工藝對于整個液壓平臺的使用產生較大的影響。因此，經過多次試驗，導筒內部空心導柱采用材料T10A，T10A材料的強度及耐磨性均較高，不受較大沖擊的耐磨，避免在作業過程中產生偏載的影響。對于該材料的熱處理熱硬性低、淬透性不高且淬火變形大，采用淬火工藝后，在產品的外層采用氮化處理，其耐磨性得到提高，完全能滿足液壓平臺使用的要求。

3 關鍵零件ANSYS分析設計

根據液壓平臺的關鍵零件的受力情況進行ANSYS分析。通過分析，對于平臺下的底座下的中空導柱在使用中受到偏載，在UG軟件中進行造型，通過數據轉換，在ANSYS軟件中進行分析。在極限情況下的其應力、應變與總變形分別如圖3、圖4、圖5所示。由分析結果可知，變形不大，安全性較高，其結構的設計完全能滿足工況的需求。

圖3 總應力圖Fig.3Total stress figure

圖4 總應變圖Fig.4Total strain figure

圖5 總變形圖Fig.5Total deformation figure

4 液壓液壓缸及安全校核

作為液壓缸中活塞桿在作業人員作業時，最易產生失穩現象，因此，對其進行穩定性驗算，有效地保證了液壓缸的動作。液壓缸承受軸向壓縮載荷時，根據公式(略)計算出活塞桿的載荷為F=5.9×104N。當活塞桿直徑d與活塞桿的計算長度L之比大于10時，應校核活塞桿的縱向抗彎強度或穩定性。由材料受力可知，受壓細長桿，當荷力接近某一臨界值時，桿件將產生縱向彎曲。且其撓度值隨壓縮載荷的增加而急劇增大，可按歐拉公式計算臨界載荷Pk，即

式中，k為常數，當活塞桿為實心時k取1.02; n為末端條件系數，n=1;d為活塞桿桿徑，d =0.05 mm;L為活塞桿計算長度，即活塞桿在最大伸出時，活塞桿端支點和液壓缸安裝點間的距離，L=3.63 mm。

臨界載荷Pk大于液壓缸的最大載荷，所以液壓缸是穩定的，不會發生縱向彎曲變形。

5 液壓升降平臺的實際應用效果

本液壓平臺經過多家客戶的使用，效果良好。是一款具有可靠性強、平穩性高和安全性強的液壓平臺，填補了國內的空白［1］。

(1)液壓平臺的上下移動自如。傳統的平臺盡管采用有導柱，但是平臺的起降主要是通過外加起吊設備來控制，成本較高，并且常常由于位置的限制使得作業人員無法操作，通過在空心的導柱內加入液壓缸，液壓缸的進出油與管路與油泵相連，并在管路上設有控制系統，通過設置在液壓平臺上的控制按鍵可有效地控制平臺的升降，操作自如。

(2)液壓平臺的工作范圍較大，通過液壓缸中活塞桿與液壓平臺底部采用的鉸鏈連接，當作業范圍不夠時，可以通過旋轉平臺達到要求的位置，另外，在液壓平臺的底部設置了一個主平臺與副平臺(3個方面)，主平臺與副平臺間采用的活頁聯接，當需要增加作業范圍時，可將副平臺旋轉90°，以保證副平臺的展開，使工作范圍擴大，可以通過在任意副平臺方向旋轉后，可以加大液壓平臺的工作范圍。

(3)液壓平臺的安全性好，此液壓平臺的梯子設計是一個創新，梯子的一端與液壓平臺的底部通過活動關節聯接，同時，采用內外滑動梯子結構保證了梯子在液壓平臺升降時友好地與地面或底座相接觸，保證了作業人員在作業時上下的方便，梯子的層數均勻，從而保證的操作人員的安全，另外在副平臺未工作時作為欄桿，副平臺在工作時，通過預先做好的欄桿裝在副平臺上，保證了作業人員的安全性。

［1］賈永清．高空作業車舉升臂液壓控制系統分析與設計［D］．重慶:重慶交通大學．2012．

［2］張博利，顏超，張威．剪升機構平臺速度和活塞推力分析［J］．機床與液壓，2014，(22):124－126

［3］鄭玉巧，張堆學，毛建軍，等．剪叉式升降臺液壓缸位置參數優化設計［J］．機床與液壓，2010 (20):39－41．

［4］李鄂民，齊文虎，王濱，等．液壓缸雙梁鉸接式剪叉機構動力學及運動學分析［J］．機床與液壓，2011(22):71－72．

［5］周莎莎．剪叉式液壓升降平臺性能分析與結構優化［D］．濟南:山東輕工業學院，2012．

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

［7］劉全政．伸縮臂高空作業平臺輕量化設計及控制系統研究［D］．濟南:山東大學，2012．

［8］吳剛．18米高空作業車作業臂結構設計與優化仿真分析［D］．合肥:合肥工業大學，2012．

［9］江偉．多功能高空作業平臺設計及關鍵機構動態特性分析［D］．鎮江:江蘇科技大學，2012．

［10］姜文超．剪叉式液壓升降平臺參數化系統設計及優化［D］．濟南:濟南大學，2015．

［11］李興慧．銅包裝線整形工位升降臺力學性能研究及優化設計［D］．蘭州:蘭州理工大學，2010．

［12］閆磊．銅包裝線升降臺載荷特性及動態力學性能研究［D］．蘭州:蘭州理工大學，2011．

［13］李敏．全向剪叉自行式高空作業平臺的開發［D］．南京:南京航空航天大學，2013．

［14］馬孝林．高壓帶電作業機器人作業機械臂的設計及優化［D］．濟南:山東建筑大學，2014．

［15］姜振廷．六自由度帶電作業機器人的運動仿真及動力特性分析［D］．濟南:山東建筑大學，2014．

［16］黃小征．自行式高空作業平臺結構分析與穩定性研究［D］．沈陽:沈陽建筑大學，2013．

［17］郭佳．混合臂式高空作業車的結構設計及分析［D］．哈爾濱:哈爾濱工業大學，2013．

［18］舒南翔．多功能車升降機構的設計與研究［D］．長沙:湖南大學，2013．

［19］王建超．懸掛式丘陵山地果園作業升降平臺設計［D］．濟南:山東農業大學，2013．

［20］高煥兵．帶電搶修作業機器人運動分析與控制方法研究［D］．濟南:山東大學，2015．

［21］宋興龍．基于ANSYS的高空作業平臺的有限元分析［D］．南京:南京林業大學，2009．

Structure optimization and the finite element analysis of aerial work hydraulic lifting platform

REN Xiao-hong1，MEI Jing1，CHEN Li2
(1.Sichuan Vocational college of Chemical Technology，Luzhou 646099，China; 2.Luzhou huaxi machinery Co.，Ltd.，Luzhou 646300，China)

In this paper，a new type of hydraulic platform is developed，some shortcoming such the traditional lift platform operating inconvenience as turning difficult are changed．Through optimization design of the structure，and buckling analysis of the key components by Ansys，New lift platform applied to the production，the platform has high reliability，stability and safety，and is widely used in industry．

aerial work;hydraulic lift platform;Ansys

TD528

A

1001－196X(2017)01－0087－04

2016－03－05;

2016－04－27

任小鴻(1973－)，男，副教授，主要從事模具CAD/ CAM技術研究及應用工作