推雪鏟平行四邊形提升機構結構與強度分析

葛凌志

（長沙中聯重科環境產業有限公司， 湖南 長沙 410200）

0 引言

除雪是我國北方地區冬季的主要應急保障工作，穩定可靠的除雪設備是實現快速除雪的有力保障。 根據目前的技術發展及應用情況， 國內外主要除雪方式是機械式除雪[1]。 機械除雪裝置又以前置除雪設備為主，前置除雪設備是指安裝在牽引車輛前端的除雪滾刷， 推雪鏟等設備， 前置除雪設備通過液壓及相應的機械提升結構在各個除雪工作場地間進行轉移， 國外一般采用液壓油缸帶動舉升臂和柔性鏈條提升除雪設備進行轉場工作，但該結構在牽引車輛行駛時存在反復的跳動， 嚴重影響牽引車輛的駕駛性能，并且容易損傷車輛底盤大梁。平行四邊形機構為鉸接剛性結構， 設備在快速轉換場地時幾乎沒有跳動， 用于推雪鏟等前置除雪設備的提升裝置具有很大的優勢。

1 平行四邊形提升機構結構分析

平行四邊形機構輸出桿和輸入桿能以相同的角速度同時轉動，且連桿只能做平行移動。 根據機械原理知識，平行四邊形的自由度為：3×3-2×4＝1， 一個主動件就能實現確定的運動[2]。 采用平行四邊形機構的推雪鏟，能夠保證在一個液壓油缸驅動的升降時鏟板在一個豎直面上穩定運動并剛性固定在任一位置。本文針對高速公路用重型推雪鏟進行分析， 推雪鏟自重1200kg，連接形式呈懸臂結構。推雪鏟的提升機構，見圖1。 由上叉臂、油缸、后連接件、下叉臂和前連接件組成， 前連接件與除雪工作裝置鏟板相連， 后連接件安裝在牽引車輛底盤上。上叉臂、后連接件、下叉臂和前連接件之間通過鉸接點連接，形成平行四邊形機構。

圖1 提升機構結構圖Fig.1 Structure of lifting mechanism

2 平行四邊形提升機構力學模型

圖2 提升機構力學幾何模型Fig.2 Mechanical geometric model of lifting mechanism

建立平行四桿提升機構力學幾何模型如圖2 所示，F點為除雪設備工作裝置質心，其重量為G，C、D 分別為油缸的兩個鉸點， 桿CD 為升降油缸，AE 為上叉臂，OB 為下叉臂，OEC 為后連接件即機架，其中OE 安裝在車輛前端并成鉛垂布置， 推雪鏟工作裝置鏟板與前連接件視為一個整體構件ABF；ABOE 為平行四邊形結構AB=OE，L1=OE，L2=AE=BO，L3為F 點到AB 的垂直距離，L4=OC，L5=OD，ɑ 為OB 與水平面的夾角即提升角，γ 為OC 與水平面夾角，β 為CD 與OC 夾角； 設F1，F2 和F3 分別為BO 桿、桿AE 和桿CD 上的作用力，油缸實時長度為L。作 輔 助 線AK ⊥BO，EN ⊥AB，BM ⊥AE，OJ ⊥AE，OH ⊥CD，DP⊥OC 則根據幾何知識得到：

從工程角度， 在進行力矩平衡計算時將油缸的下鉸點D 與平行四桿機構的鉸點B 合并考慮，則G 和F2對B點力矩平衡：

式（9）和式（10）為平行四邊形機構的力學幾何模型。根據總體結構尺寸及運動所需空間， 取G 為1200kg，L1=495，L2=515，L3=293，L4=984.5，γ=75.725°

以α 為自變量， 得到不同姿態下油缸和上叉臂的受力情況和油缸長度變化情況，見圖3～圖5。

圖3 油缸力變化曲線Fig. 3 Oil cylinder force variation curve

圖4 上叉臂力變化曲線Fig. 4 Variation curve of upper fork arm strength

圖5 油缸行程變化曲線Fig. 5 Variation curve of oil cylinder stroke

3 平行四桿提升機構的ADAMS 仿真

以平行四邊形機構的各連接鉸點及推雪鏟工作裝置質心建立Marker 參數化點，構建ADAMS 仿真模型如圖6 所示， 將油缸的伸縮長度設為自變量， 計算油缸以及平行四邊形結構上、 下叉臂受力， 相應曲線，見圖7～圖9 所示。

對比ADAMAS 模型仿真計算結果與幾何算法得出的F1 和F3 對比，兩種算法計算結果相近。

圖6 ADAMS 仿真模型Fig.6 ADAMS simulation model

圖7 油缸力變化曲線Fig.7 Variation curve of cylinder force

圖8 上叉臂受力曲線Fig.8 Force curve of upper fork arm

圖9 下叉臂力受力曲線Fig.9 Force curve of lower fork arm

4 上下叉臂的強度分析

根據實際工況分析，上、下叉臂是平行四邊提升機構的薄弱環節，單獨對其結構進行強度分析。

4.1 上叉臂的強度分析

根據圖8， 上叉臂在提升油缸提升至最上方，即上叉臂向上翻轉50°時，受力最大，為13500N。通過計算，其應力云圖，見圖10， 最大應力為鉸接孔耳板處σ=253Mpa，未超過Q345 的 許 用 應 力 [σs]=345Mpa，結構設計合理。

圖10 上叉臂應力云圖Fig.10 Stress nephogram of upper fork arm

4.2 下叉臂的強度分析

根據工況分析， 當提升油缸提升至最上方，即下叉臂向上翻轉50°時，下叉臂受力最大，此時油缸受力為17000N， 下叉臂本身受力為25000N，通過計算得到應力云圖，見圖11，最大應力為鉸接孔耳板處σ=198Mpa， 未超過Q345的許用應力[σs]=345Mpa，結構設計合理。

圖11 下叉臂應力云圖Fig. 11 Stress nephogram of lower fork arm

5 結束語

本文分析并建立了推雪鏟平行四邊形提升機構的力學幾何模型和ADAMS 多體動力學仿真模型， 研究了運動過程中各結構的受力特征， 確定了前置除雪機械平行四邊形提升機構有限元分析邊界條件， 并對重要結構進行了強度校核， 探索出了該結構的設計計算理論和設計方法。 通過該設計方法研發的推雪鏟已在國內多個城市使用，整體結構已得到了實際驗證。希望本文能夠對推雪鏟的產品設計者起到一定的啟發作用。 、