推雪鏟平行四邊形提升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度分析

葛凌志

（長沙中聯(lián)重科環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司， 湖南 長沙 410200）

0 引言

除雪是我國北方地區(qū)冬季的主要應(yīng)急保障工作，穩(wěn)定可靠的除雪設(shè)備是實(shí)現(xiàn)快速除雪的有力保障。 根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用情況， 國內(nèi)外主要除雪方式是機(jī)械式除雪[1]。 機(jī)械除雪裝置又以前置除雪設(shè)備為主，前置除雪設(shè)備是指安裝在牽引車輛前端的除雪滾刷， 推雪鏟等設(shè)備， 前置除雪設(shè)備通過液壓及相應(yīng)的機(jī)械提升結(jié)構(gòu)在各個(gè)除雪工作場地間進(jìn)行轉(zhuǎn)移， 國外一般采用液壓油缸帶動(dòng)舉升臂和柔性鏈條提升除雪設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)場工作，但該結(jié)構(gòu)在牽引車輛行駛時(shí)存在反復(fù)的跳動(dòng)， 嚴(yán)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(jī)構(gòu)為鉸接剛性結(jié)構(gòu)， 設(shè)備在快速轉(zhuǎn)換場地時(shí)幾乎沒有跳動(dòng)， 用于推雪鏟等前置除雪設(shè)備的提升裝置具有很大的優(yōu)勢。

1 平行四邊形提升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

平行四邊形機(jī)構(gòu)輸出桿和輸入桿能以相同的角速度同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，且連桿只能做平行移動(dòng)。 根據(jù)機(jī)械原理知識(shí)，平行四邊形的自由度為：3×3-2×4＝1， 一個(gè)主動(dòng)件就能實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)動(dòng)[2]。 采用平行四邊形機(jī)構(gòu)的推雪鏟，能夠保證在一個(gè)液壓油缸驅(qū)動(dòng)的升降時(shí)鏟板在一個(gè)豎直面上穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)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(jìn)行分析， 推雪鏟自重1200kg，連接形式呈懸臂結(jié)構(gòu)。推雪鏟的提升機(jī)構(gòu)，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(diǎn)連接，形成平行四邊形機(jī)構(gòu)。

圖1 提升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of lifting mechanism

2 平行四邊形提升機(jī)構(gòu)力學(xué)模型

圖2 提升機(jī)構(gòu)力學(xué)幾何模型Fig.2 Mechanical geometric model of lifting mechanism

建立平行四桿提升機(jī)構(gòu)力學(xué)幾何模型如圖2 所示，F(xiàn)點(diǎn)為除雪設(shè)備工作裝置質(zhì)心，其重量為G，C、D 分別為油缸的兩個(gè)鉸點(diǎn)， 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(jī)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(gè)整體構(gòu)件ABF；ABOE 為平行四邊形結(jié)構(gòu)AB=OE，L1=OE，L2=AE=BO，L3為F 點(diǎn)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(shè)F1，F(xiàn)2 和F3 分別為BO 桿、桿AE 和桿CD 上的作用力，油缸實(shí)時(shí)長度為L。作 輔 助 線AK ⊥BO，EN ⊥AB，BM ⊥AE，OJ ⊥AE，OH ⊥CD，DP⊥OC 則根據(jù)幾何知識(shí)得到：

從工程角度， 在進(jìn)行力矩平衡計(jì)算時(shí)將油缸的下鉸點(diǎn)D 與平行四桿機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)B 合并考慮，則G 和F2對B點(diǎn)力矩平衡：

式（9）和式（10）為平行四邊形機(jī)構(gòu)的力學(xué)幾何模型。根據(jù)總體結(jié)構(gòu)尺寸及運(yùn)動(dòng)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(tài)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(jī)構(gòu)的ADAMS 仿真

以平行四邊形機(jī)構(gòu)的各連接鉸點(diǎn)及推雪鏟工作裝置質(zhì)心建立Marker 參數(shù)化點(diǎn)，構(gòu)建ADAMS 仿真模型如圖6 所示， 將油缸的伸縮長度設(shè)為自變量， 計(jì)算油缸以及平行四邊形結(jié)構(gòu)上、 下叉臂受力， 相應(yīng)曲線，見圖7～圖9 所示。

對比ADAMAS 模型仿真計(jì)算結(jié)果與幾何算法得出的F1 和F3 對比，兩種算法計(jì)算結(jié)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(qiáng)度分析

根據(jù)實(shí)際工況分析，上、下叉臂是平行四邊提升機(jī)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，單獨(dú)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。

4.1 上叉臂的強(qiáng)度分析

根據(jù)圖8， 上叉臂在提升油缸提升至最上方，即上叉臂向上翻轉(zhuǎn)50°時(shí)，受力最大，為13500N。通過計(jì)算，其應(yīng)力云圖，見圖10， 最大應(yīng)力為鉸接孔耳板處σ=253Mpa，未超過Q345 的 許 用 應(yīng) 力 [σs]=345Mpa，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖10 上叉臂應(yīng)力云圖Fig.10 Stress nephogram of upper fork arm

4.2 下叉臂的強(qiáng)度分析

根據(jù)工況分析， 當(dāng)提升油缸提升至最上方，即下叉臂向上翻轉(zhuǎn)50°時(shí)，下叉臂受力最大，此時(shí)油缸受力為17000N， 下叉臂本身受力為25000N，通過計(jì)算得到應(yīng)力云圖，見圖11，最大應(yīng)力為鉸接孔耳板處σ=198Mpa， 未超過Q345的許用應(yīng)力[σs]=345Mpa，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖11 下叉臂應(yīng)力云圖Fig. 11 Stress nephogram of lower fork arm

5 結(jié)束語

本文分析并建立了推雪鏟平行四邊形提升機(jī)構(gòu)的力學(xué)幾何模型和ADAMS 多體動(dòng)力學(xué)仿真模型， 研究了運(yùn)動(dòng)過程中各結(jié)構(gòu)的受力特征， 確定了前置除雪機(jī)械平行四邊形提升機(jī)構(gòu)有限元分析邊界條件， 并對重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核， 探索出了該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法。 通過該設(shè)計(jì)方法研發(fā)的推雪鏟已在國內(nèi)多個(gè)城市使用，整體結(jié)構(gòu)已得到了實(shí)際驗(yàn)證。希望本文能夠?qū)ν蒲╃P的產(chǎn)品設(shè)計(jì)者起到一定的啟發(fā)作用。 、