一種剪叉機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭繼平 陳裕炯 曾航 李春蓉 周智輝

摘要：本文對(duì)一種剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用動(dòng)力學(xué)方法對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，使剪叉的下油缸力降低10.8%，剪叉油缸力、剪叉作業(yè)高度均滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

Abstract： In dealing with the unreasonable force of the cylinders on the scissor mechanism， this article， by using dynamic method， the hinge points of the scissor mechanism is designed and studied. Successfully reducin

0 ?引言

剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)是一種集機(jī)電液為一體的高空作業(yè)專用設(shè)備。可廣泛用于室內(nèi)外機(jī)械安裝、設(shè)備維修、建筑保養(yǎng)等場(chǎng)合。剪叉結(jié)構(gòu)和升降油缸是剪叉作業(yè)車的重要組成部分，是完成剪叉作業(yè)功能的關(guān)鍵部件。[1][2]國(guó)內(nèi)有專業(yè)設(shè)計(jì)人員從事剪叉的研究工作，鄭玉巧，張堆學(xué)，毛建軍等對(duì)剪叉油缸位置進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，蘇毅，施國(guó)凱，董銘峰等進(jìn)行了多連桿折疊機(jī)構(gòu)的賦形設(shè)計(jì)，張光旭，袁端才進(jìn)行了剪叉動(dòng)力學(xué)仿真研究[3] [4] [5]，這些研究?jī)H從有限元及機(jī)構(gòu)仿形仿真的角度進(jìn)行研究。本文采用LMS Virtual Lab Motion參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)的上下油缸座鉸點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了油缸推力，保證剪叉機(jī)構(gòu)的舉升高度，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 ?一種剪叉機(jī)構(gòu)

剪叉機(jī)構(gòu)如圖1所示。剪叉由外叉和內(nèi)叉交錯(cuò)連接組裝而成。如圖1所示。圖中序號(hào)依次為1.內(nèi)叉1、2.外叉1、3內(nèi)叉2、4.外叉2、5.內(nèi)叉3、6.外叉3、7.內(nèi)叉4、8.外叉4、9.外叉5、10.內(nèi)叉5、11.內(nèi)叉6、12.外叉6、13.上油缸、14.下油缸。 內(nèi)叉1、內(nèi)叉3、內(nèi)叉5與下油缸、上油缸裝配。通過油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)叉子的上升和下降。

2 ?剪叉機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 剪叉機(jī)構(gòu)的幾何原理

剪叉機(jī)構(gòu)中各軸的中心鉸接點(diǎn)稱為鉸點(diǎn)如圖2所示。各副叉子兩端通過鉸點(diǎn)相連，每節(jié)叉子分為內(nèi)叉外叉，內(nèi)叉外叉形成剪刀叉，通過中間鉸點(diǎn)相連。中間鉸點(diǎn)距兩端的距離相等。油缸座鉸點(diǎn)的設(shè)計(jì)對(duì)于油缸的選型及剪叉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。

每個(gè)叉子中點(diǎn)到端點(diǎn)的距離為L(zhǎng)，為單根叉子長(zhǎng)度的二分之一，a，b，c，d為比例變量，取值小于1;為了保證結(jié)構(gòu)布置合理，避免結(jié)構(gòu)干涉。其取值范圍分別是a（0.3～0.85）、b（0.3～0.85）、c（0.3～0.85）、d（0.3～0.8）。內(nèi)叉1油缸座鉸點(diǎn)與叉子的垂足距中點(diǎn)的距離為a×L，內(nèi)叉1中點(diǎn)坐標(biāo)（0，0），內(nèi)叉1油缸座鉸點(diǎn)距叉子中心線垂直距離為h1;同理，內(nèi)叉3中點(diǎn)坐標(biāo)（0，y1），內(nèi)叉3油缸座1鉸點(diǎn)與叉子的垂足距中點(diǎn)的距離為b×L，內(nèi)叉3油缸座1鉸點(diǎn)距叉子中心線垂直距離為h2，內(nèi)叉3油缸座2鉸點(diǎn)與叉子的垂足距中點(diǎn)的距離為c×L，內(nèi)叉3油缸座2鉸點(diǎn)距叉子中心線垂直距離為h3;內(nèi)叉5中點(diǎn)坐標(biāo)（0，y2），內(nèi)叉5油缸座鉸點(diǎn)與叉子的垂足距中點(diǎn)的距離為d×L，內(nèi)叉5油缸座鉸點(diǎn)距叉子中心線垂直距離為h4。由幾何關(guān)系可推導(dǎo)出內(nèi)叉1油缸座鉸點(diǎn)坐標(biāo)（x3，y3）如下：

2.4 LMS Virtual Lab Motion 動(dòng)力學(xué)建模

LMS Virtual Lab是一種一體化多學(xué)科3D仿真平臺(tái)，它提供集成的仿真環(huán)境，具備完整的結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、聲學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)、疲勞、混合仿真分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等分析能力。LMS Virtual Lab Motion運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析模塊用于模擬各種機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)和載荷，可以快速地分析機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，保證在進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)前，設(shè)計(jì)方案和預(yù)期結(jié)果一樣。LMS Virtual Lab Motion具有強(qiáng)大的求解能力，其優(yōu)異的求解器和參數(shù)化的應(yīng)用模塊大大提高了虛擬設(shè)計(jì)的效率。采用的LMS Virtual Lab Motion對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)建立動(dòng)力學(xué)模型，將銷軸連接處采用采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，油缸筒與油缸桿采用圓柱副連接，工作平臺(tái)上的載荷以質(zhì)量塊替代，重力方向?yàn)閅軸方向豎直向下。下油缸通過圓柱副的軸向位移驅(qū)動(dòng)油缸活塞相對(duì)油缸缸筒進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)油缸伸縮，上油缸通過圓柱副的軸向驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)活塞相對(duì)于油缸筒實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，通過內(nèi)部派生函數(shù)提取下油缸的驅(qū)動(dòng)力F2，按照上下油缸活塞的面積比進(jìn)行分配到上油缸，即F1=f×F2，F(xiàn)1為上油缸力，通過上下油缸的共同驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)剪叉平臺(tái)的升降。建立模型如圖3所示。參變量的設(shè)計(jì)如圖2所示，各坐標(biāo)值以上述公式進(jìn)行參數(shù)化表達(dá)。

2.5 LMS Virtual Lab Motion優(yōu)化計(jì)算

首先對(duì)單變量進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，采用自動(dòng)迭代法進(jìn)行研究，以運(yùn)行過程中下油缸力的最大值為研究目標(biāo)，以變量a、b、c、d、f、h1、h2、h3、h4為設(shè)計(jì)變量，研究設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)的關(guān)系。設(shè)計(jì)分析的定義包括：在一定范圍內(nèi)，改變?cè)O(shè)計(jì)變量;對(duì)每個(gè)數(shù)值進(jìn)行一次仿真;對(duì)每次仿真，報(bào)告性能測(cè)試的結(jié)果;從生成的結(jié)果中，可以確定變量的最佳值;各個(gè)變量的靈敏度。靈敏度S與迭代次數(shù)的關(guān)系為：

變量a、b、c、d、f、h1、h2、h3、h4對(duì)于下油缸力最大值的靈敏度分析如表1所示。

對(duì)各變量的初始靈敏度進(jìn)行比較，可知a、b、c、d、f的初始靈敏度都大于6×104，因此優(yōu)化a、b、c、d、f變量。以油缸力最小化設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以平臺(tái)上表面到下滑道高度13100mm、為節(jié)省油缸種類以上下油缸長(zhǎng)度相等及平臺(tái)最小高度為約束條件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。油缸力優(yōu)化前329704N，最高點(diǎn)油缸力大于初始點(diǎn)油缸力，對(duì)油缸屈曲穩(wěn)定性不利，優(yōu)化后294101N，減少10.8%，且最高點(diǎn)油缸力小于初始點(diǎn)油缸力，對(duì)油缸屈曲穩(wěn)定性有利。平臺(tái)距下滑道高度值為優(yōu)化前725.7～13279mm，優(yōu)化后726.4～13250mm。高度基本保持原來高度。下油缸最小長(zhǎng)度1805mm，最長(zhǎng)距離3190mm;下油缸最小長(zhǎng)度1807mm，最大長(zhǎng)度3189mm。上下油缸長(zhǎng)度安裝距一致。根據(jù)參數(shù)值對(duì)鉸點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整并設(shè)計(jì)剪叉，經(jīng)校核機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)符合設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)布置合理，滿足設(shè)計(jì)要求。（圖4、表2）

3 ?結(jié)論

①通過對(duì)剪叉油缸座鉸點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將主臂油缸力下降10.8%，油缸力滿足設(shè)計(jì)要求。為油缸選型提供依據(jù)。②通過對(duì)剪叉油缸座鉸點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，平臺(tái)的高度滿足設(shè)計(jì)高度。且上下油缸行程安裝距一致。③經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，各油缸鉸點(diǎn)力減小，為油缸銷軸的設(shè)計(jì)及油缸座的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。④優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能有效解決設(shè)計(jì)中的問題，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的最優(yōu)解。為結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。對(duì)于結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中的力學(xué)分析還需進(jìn)行剛?cè)狁詈霞夹g(shù)及自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]張麗.我國(guó)高空作業(yè)車發(fā)展與分析[J].今日工程機(jī)械2013（09）：53.

[2]張華，李守林.國(guó)內(nèi)外高空作業(yè)機(jī)械的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].建設(shè)機(jī)械化，2013（03）：19-24.

[3]鄭玉巧，張堆學(xué)，王洪祥，等.剪叉式升降臺(tái)液壓缸位置參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2010，38（20）：39-41.

[4]蘇毅，施國(guó)凱，董銘峰，等.平面多連桿折疊機(jī)構(gòu)拋物線賦形的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2009，26（2）：46-48.

[5]張光旭，袁端才.液壓剪叉式升降平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010（11）：2650-2653.

[6]湯辛華，陳雪峰.剪叉式3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)科碩士學(xué)位論文，2013：20-22.

[7]喻天翔，張玉剛，萬曉峰，等.LMS Virtual. Lab Motion進(jìn)階與案例教程[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)版社，2017.

[8]劉競(jìng)一.基于ADAMS遺傳算法的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化仿真[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（6）：541-542.

[9]呂震宙，宋述芳，李洪雙，等.機(jī)構(gòu)可靠性及可靠性靈敏度分析[M].北京：科學(xué)出版社，2009.