總裝流水線自動升降平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

王 鵬，蘇東海(沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

液壓升降平臺是液壓技術(shù)發(fā)展過程中出現(xiàn)較早的一種輔助型工具，具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)方便、高效穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，廣為使用。如今液壓升降平臺已衍生出適用于不同領(lǐng)域的諸多種類：按用途可分為移動式和固定式升降平臺，按工作環(huán)境可分為車載式、曲臂式升降平臺等[1]。本文研究的機(jī)構(gòu)是某能源公司場地的總裝流水線自動升降平臺，對其要求和已完成選型的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析。

1 總裝流水線自動升降平臺力學(xué)分析

1.1 優(yōu)化前設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

公司總裝流水線自動升降平臺優(yōu)化前的機(jī)械部分示意圖如圖1。

圖1 總裝流水線自動升降行走平臺結(jié)構(gòu)示意圖

從示意圖中可知，驅(qū)動液壓缸的受力并不理想，左側(cè)液壓缸受力情況為自身重力、兩端鉸接點(diǎn)指向液壓缸的作用力；右側(cè)液壓缸受力為自身重力、兩端鉸接點(diǎn)指向液壓缸的作用力以及活塞與缸之間分向的作用力。由于缸的鉸接點(diǎn)貼近地面，容易對鉸接處造成污染，倘若活塞或缸與鉸接點(diǎn)之間的配合不理想，這種安裝方式會使活塞對缸的內(nèi)壁造成破壞，會影響缸的效率并增加缸的內(nèi)部泄漏，嚴(yán)重情況還會使缸失效。如果將右側(cè)驅(qū)動液壓缸改為與左側(cè)安裝液壓缸的位置和安裝方式一致，則會避免這種風(fēng)險。在示意圖中還可以發(fā)現(xiàn)，如果桿長設(shè)計不理想，會導(dǎo)致支撐架重心超過曲柄處使支架中的滾輪騰空，無法保證人員安全，應(yīng)改為滑塊導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)使支撐架時刻保證安全。

1.2 設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸確定

根據(jù)設(shè)備使用場合條件，具體技術(shù)要求如下：

1)平臺整體外形尺寸：平臺降到最低位置高度不超過1240 mm，起升后到最終位置時與機(jī)架保持平行，與地面夾角為5°(高度3000～2000 mm，以具體實(shí)測為準(zhǔn))，平臺長度及寬度依設(shè)計需要；

2)設(shè)備載重為3噸；

3)上升速度：1000～2000 mm/min可調(diào)。

與此同時，根據(jù)施工現(xiàn)場的平臺的使用要求，需要滿足兩個支架上的液壓缸可以各自獨(dú)立控制和同時動作。動作到位后，液壓缸采用截止閥鎖死方式，防止泄漏引起臺面下降。

根據(jù)技術(shù)要求，初選平臺高度為3000 mm，面積為4350 mm×1500 mm，設(shè)備載重3噸，起升后平臺與地面夾角為5°，步梯為可拆卸式步梯。初選左側(cè)升降架機(jī)架曲柄長度為1400 mm，連桿長度為1850 mm，右側(cè)升降架機(jī)架曲柄長度為1580 mm，連桿長度為1850 mm。

在升降架的其他組成桿件的尺寸確定上，采取了設(shè)置多組數(shù)值優(yōu)化集中誤差的方法來求得桿件尺寸，最終確定了合適的機(jī)構(gòu)的整體尺寸和升降位置，并求得了起落兩位置時液壓缸的長度和伸長比，如圖2所示。

圖2 總裝流水線自動升降行走平臺機(jī)構(gòu)簡圖尺寸示意圖

1.3 設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

升降平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸確定之后，液壓缸的輸出壓力和行程就可以確定。本升降平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)是2自由度，因此應(yīng)該將平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)受力分析分為：右支撐架不動時左支撐架在支撐極限位置下的左缸受力情況、左支撐架不動時右支撐架在支撐極限位置下的右缸受力情況、右支撐架不動時左支撐架在放置極限位置下的左缸受力情況、左支撐架不動時右支撐架在放置極限位置下的右缸受力情況。分別采用虛位移原理進(jìn)行分析，求出不同情況下液壓缸兩側(cè)的受力大小，根據(jù)受力情況和行程來選擇液壓缸的型號。

對右支撐架不動時左支撐架以及平臺進(jìn)行標(biāo)注和受力分析，可得如圖3所示的平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)受力情況。

圖3 支撐極限位置左缸受力情況分析

已知平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)承載3噸均布載荷，經(jīng)簡化為作用于平臺中點(diǎn)C處的集中力P。液壓缸兩端受有大小相等方向相反的拉力FA升和FB升。在右支撐架不動的情況下，以O(shè)為圓心的曲柄OB在支撐架的虛位移下具有角速度ω1，平臺具有以O(shè)1為圓心的角速度ω2，連桿BE具有以點(diǎn)B和點(diǎn)E互為圓心的角速度ω3。平臺在力P的作用下有一個虛位移δC，A點(diǎn)和B點(diǎn)處有虛位移δA和δB。采用虛功原理的虛速度法[2]如下：

∑δW=0∶P·vc·cos5°+FA升vA·cos60°+FB升·vB·cos37°=0

(1)

式中：vA—液壓缸A點(diǎn)的速度(m/s)；

當(dāng)支撐架動作時，在任一瞬時的任何構(gòu)件均具有其速度瞬心，使用速度瞬心法可以確定液壓缸A點(diǎn)的速度方向和大小。在本平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)中已知滾輪F的運(yùn)動速度vF平行于地面，曲柄連接交叉點(diǎn)D處的速度vD方向垂直于曲柄OB，垂直于速度vD和vF方向的直線的交點(diǎn)為速度瞬心P1。由此可得速度vA：

(2)

為了建立3個角速度之間的關(guān)系，選取不同的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行速度矢量分析。由于vA和vB均已知方向和大小，故在H點(diǎn)處進(jìn)行速度矢量分析，可得如圖4所示的H點(diǎn)速度矢量分析圖：

圖4 H點(diǎn)速度矢量分析

根據(jù)H點(diǎn)處的速度矢量分析可得矢量關(guān)系：

vA+vHA=vB+vHB

(3)

由于vB與vHA夾角很小，故將其視為共線。根據(jù)速度投影定理，將vHB、vA向vHA的垂直方向投影。由此可得矢量關(guān)系：

(4)

因此可得出ω1和ω3的關(guān)系：

(5)

圖5 E點(diǎn)速度矢量分析圖

滑塊E在滑軌上滑動，是支撐架和平臺連接的關(guān)鍵點(diǎn)。因此在O1點(diǎn)處建立定系，在E點(diǎn)處建立動系，可得如圖5所示的速度矢量圖。

根據(jù)E點(diǎn)處速度矢量分析圖可得矢量關(guān)系：

vr1+ve1=vB+vEB

(6)

根據(jù)速度投影定理，將vEB和vB向vr1垂直方向投影，可得矢量關(guān)系：

(7)

結(jié)合式(1)-(5)，可得出ω1和ω2的關(guān)系：

(8)

在式(5)和式(8)中已經(jīng)得知了三個角速度之間的關(guān)系，將式(5)和式(8)代入式(1)中可求出液壓缸受力FB升：

(9)

經(jīng)計算得出液壓缸兩端所受拉力FB升大小為23390.81 N。

其他三種位置計算以此類推，可得支撐極限位置右缸受力情況分析、H2點(diǎn)速度矢量分析、E2點(diǎn)速度矢量分析、放置極限位置左缸受力情況分析、H點(diǎn)速度矢量分析、E點(diǎn)速度矢量分析、放置極限位置右缸受力情況分析、H2點(diǎn)速度矢量分析、E2點(diǎn)速度矢量分析圖如圖6至圖14。

圖6 支撐極限位置右缸受力情況分析

圖7 H2點(diǎn)速度矢量分析

圖8 E2點(diǎn)速度矢量分析圖

計算液壓缸受力FB2升，如式(10)所示：

(10)

經(jīng)計算得出液壓缸兩端所受拉力FB2升方向指向液壓缸，大小為17246.85 N。

圖9 放置極限位置左缸受力情況分析

圖10 H點(diǎn)速度矢量分析 圖11 E點(diǎn)速度矢量分析圖

計算液壓缸受力FB降，如式(11)所示：

經(jīng)計算得出液壓缸兩端所受拉力FB降大小為190525.62 N。

圖12 放置極限位置右缸受力情況分析圖

圖13 H2點(diǎn)速度矢量分析 圖14 E2點(diǎn)速度矢量分析圖

(11)

計算液壓缸受力FB2降，如式(12)所示：

(12)

經(jīng)計算得出液壓缸兩端所受拉力FB2降大小為228785.64 N。

1.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)組件選型

由于機(jī)構(gòu)最大受力為液壓缸拉力，考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)重力問題，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：

F總缸=K·F缸

(13)

式中，K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取1.4。

可計算出左支撐架液壓缸最大總受力為133.36 kN，右支撐架液壓缸最大總受力為160.15 kN，放置初始時左缸最大總受力為16.37 kN，右缸最大總受力為12.07 kN。

初選選擇機(jī)械結(jié)構(gòu)材料為45鋼，該材料是一種強(qiáng)度較高的中碳優(yōu)質(zhì)鋼，其屈服極限為355 MPa，抗拉強(qiáng)度為600 MPa，剪切強(qiáng)度為178 MPa，抗彎強(qiáng)度為400 MPa，適合制造強(qiáng)度要求較高的零件，可以在本文中使用。

根據(jù)液壓缸受力大小，初步選擇左支撐架液壓缸型號為CDH1MT4/125/70/630A3XM33 CLDTZWFWWYWFW，右支撐架液壓缸型號為CDH1MT4/125/70/700A3XM33CLDTZWFWWYWFW，拉力可達(dá)210.55 kN，壓力可達(dá)306.75 kN，額定壓力25 MPa，活塞面積為122.72 cm2，有桿腔作用面積為84.24 cm2。

底座導(dǎo)軌根據(jù)整體機(jī)械部分重量來選型。根據(jù)式(12)在式(13)中反推負(fù)載P可得機(jī)械部分總負(fù)載為41064.1 N，總重力為4190.2 kg。選擇力士樂滾柱導(dǎo)軌導(dǎo)向系統(tǒng)型號KWD-030-FLS-CS-C2-P-SS-0-01-S1-SL-BX-LS-LSS-RS-FSS-01，基本額定動載荷C為46 kN，基本額定靜載荷為66.9 kN，符合要求。

根據(jù)上述已選型的配件和材料在SolidWorks2018中對同步升降平臺機(jī)械部分進(jìn)行建模，可得模型在舉升和放置極限位置時的示意圖，如圖15、圖16所示。

圖15 同步升降平臺舉升極限位置示意圖 圖16 同步升降平臺放置極限位置示意圖

將模型導(dǎo)入ANSYS R17.0中進(jìn)行靜力學(xué)應(yīng)變仿真，可得結(jié)果如圖17。

圖17 ANSYS靜力學(xué)分析結(jié)果示意圖

可知支撐架在舉升位置時中下部分應(yīng)力變化較小，右支撐架與平臺鉸接處應(yīng)變最大可達(dá)到0.082603 mm，主要形變表現(xiàn)在平臺和支撐架上部，形變程度較小。

2 總結(jié)

本文從設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(fā)，找出了液壓缸安裝位置的隱患，更改了液壓缸安裝位置并對整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺寸確定和虛速度法受力分析，并選擇了合適的材料和軸承等組件，優(yōu)化了設(shè)備配置，經(jīng)過ANSYS靜力學(xué)應(yīng)變仿真得到了良好的效果，消除了優(yōu)化前設(shè)備安裝位置帶來的影響，提高了設(shè)備的性能和使用壽命。