杠桿、死點脫離式助力機構在剪式升降車中的應用

任小博，杜方，張曉偉，鄒崇磊，牛曉武

（凱邁（洛陽）測控有限公司，河南洛陽 471000）

0 引言

現有的剪式手動液壓升降車中，液壓缸布局大多數為傾斜安裝或者垂直安裝，此種布局的優點在于液壓系統壓力低，升降效率高，缺點在于升降車降至最低點時，液壓缸的布局限制了升降車最低點的高度。近年來隨著軍工行業特殊需求的不斷增長，尤其在機載產品掛裝時，對手動式液壓升降車有極低的低點要求，需要液壓缸為水平布置，但液壓缸水平布置會使手動式液壓升降車液壓系統壓力急劇增大，從而帶來人員操作力的增加，降低保障效率，降低設備體驗感。

基于此，本文主要介紹一種杠桿、死點脫離式助力機構，該機構在手動式液壓升降車最低點時，通過機械式杠桿原理將升降車頂起，上升過程中通過死點原理使其自動分離。該設計極大地改善了液壓系統的受力情況，使得升降車液壓系統壓力得到極大改善，人員操作力大幅度降低70%以上，極大提高了保障效率，提高了設備操作人員的體驗感。

1 組成及原理

1.1 組成

助力機構如圖1所示，由杠桿機構、起升滾輪、滑軌軌道滾輪、液壓缸等組成。杠桿機構用于頂升剪式升降平臺，起升滾輪用于頂升過程中的滾動以減少摩擦力，滑軌軌道滾輪用于杠桿機構前后進給以及產生杠桿機構的運動回轉中心，液壓缸提供起升動力。

圖1 助力機構組成圖

1.2 原理

在常規的剪式升降平臺架構下，助力機構通過液壓缸的拉動，運用杠桿原理，作用于升降平臺的下方，在剪式升降臂和助力機構的共同作用下，升降平臺將會升起或在負載情況下自然下降，如圖2所示。

圖2 助力機構作功圖

當升降平臺繼續上升，液壓缸與助力機構的鉸接點接近水平時，助力機構和液壓缸缸體在死點效應的影響下開始達到一條直線，然后助力機構自動與升降平臺分離，如圖3所示。

圖3 助力機構脫離圖

助力機構完全分離后，將會完全由剪式升降臂起作用，此時已屬于常規的升降結構，在液壓缸的驅動下繼續上升，這時剪式升降車已經離開了液壓系統受力最嚴苛的位置，這也正是杠桿、死點脫離式助力機構的工作原理。除助力機構外，剪式升降車其他部組件均屬常規設計，不再贅述。

2 數學模型

本文采用經典的虛位移[1]方法建立了液壓缸水平布置、兩級剪式升降機構[2]的數學模型，同時也采用靜力學分析方法建立了助力機構的數學模型[3]。無助力機構時，該機構屬于經典的兩級剪式升降機構，根據實際情況設計升降機構最低點時剪叉臂與水平夾角θ1為4°。有助力機構時，根據實際情況預先設計了助力機構的整體尺寸及助力機構的脫離角度，設計升降機構最低點時助力機構與水平夾角θ2為10°，助力機構與升降平臺分離時剪式升降機構剪叉臂的水平夾角θ1為14.3°。如圖4、圖5所示。

圖4 典型剪式結構受力分析

圖5 助力機構數學模型

2.1 無助力機構時兩級剪式升降機構受力計算模型

兩級剪式升降、液壓缸水平布置的升降結構，按虛位移原理建立數學模型如圖4所示。θ為剪式升降機構剪臂的水平夾角，G為300 kg負載，F缸為液壓缸推力，計算過程如下。

用解析法建立坐標系如圖4所示，列虛功方程為

xb、yg坐標（如圖4）為：

其變分為

將δxb、δyg代入式（1），解得

2.2 增加助力機構后兩級剪式升降機構受力計算模型

液壓缸水平布置、兩級剪式升降機構，增加助力機構后，降至最低點時，助力機構與水平夾角θ2為10°，如圖5所示，相關數據根據實際需求設定，其中L1=443.5 mm、L2=63 mm、相對夾角θ3為75°，G為300 kg，液壓缸水平夾角θ4為3°。

以O點為回轉支承點，最低點時由力矩平衡解得

2.3 操作力計算

液壓系統是在綜合考慮相關技術特點及國軍標后進行設計的，液壓原理如圖6所示。主要由油箱、手動泵、單向節流閥、截止閥、防爆閥、液壓缸、透氣螺母等組成。為保證液壓元器件的可靠性、維修性、保障性、安全性、環境適應性等設計[4-7]，元器件本身均采用軍品品質，設計均進行五性設計。

圖6 液壓系統原理

該液壓系統原理簡單，操作方便，發生故障概率較低。依靠負載重力來實現液壓缸下放操作，提高了工作效率。當發生意外、需要緊急關閉油路時，手動關閉截止閥保證油路能夠立即關閉。當軟管發生爆裂時，防爆閥將立即關閉油路，防止升降機構突然下降所導致的人員意外發生。

一般液壓系統額定工作壓力不大于20 MPa, 此設備液壓缸活塞直徑為63 mm，活塞桿直徑為35 mm，行程為200 mm，有桿腔做功，工作介質為YH-10號航空液壓油，工作環境溫度為-40～+70 ℃。主要參數如表1所示。

表1 液壓缸主要技術參數

因剪叉機構由液壓缸拉動升降，活塞直徑D=63 mm，活塞桿直徑d=35 mm，取液壓缸機械效率ηm=0.9，采用的成品液壓缸最高壓力為35 MPa。

根據式（4），在無助力機構情況下，該兩級剪式升降機構降至最低點時θ1為4°，解得

由以上可知，液壓缸水平放置，經典兩級剪式升降機構的液壓缸受力為84 084 N。

根據式（5），在有助力機構情況下，該兩級剪式升降機構降至最低點時θ2為10°，解得

由以上可知，增加助力機構后液壓缸受力為22 050 N。同時，根據實際情況，設計助力機構分離時，θ1為14.3°，由式（4）解得

將以上數據代入式（6），解得

由以上可知，液壓缸水平放置，經典兩級剪式升降機構的液壓系統壓力為43.37 MPa, 此壓力已經完全超出正常范圍。

由以上可知，增加助力機構后液壓系統壓力為11.37 MPa。

由以上可知，助力機構分離后液壓系統壓力為11.89 MPa。

3 數據對比及實物驗證

3.1 數據對比

根據式（4）～式（6），繪制出有無助力機構壓力對比圖，如圖7所示。助力機構極大緩解了最低點時的液壓系統受力情況，改善了液壓系統手動泵的打壓力，增加了操作人員的體驗感。

圖7 有無助力機構壓力對比圖

由圖7分析出典型兩級剪式升降機構與增加助力機構后的最低點受力曲線對比情況，如表2所示。從表中可以看出，如果沒有助力機構進行助力，液壓系統壓力在最低點時為43.37 MPa, 已經超出常規范圍，屬于超高壓狀態。增加助力后，液壓系統壓力在最低點時為11.37 MPa,屬于常規壓力。助力機構分離后，液壓系統壓力數據一致，由此可見助力機構對于該系統改善情況的重要性。

表2 剪式升降機構增加助力機構前后數據對比表

3.2 實物驗證

現有行業內的手動剪式液壓升掛車優點是升掛的高度比較高，缺點是由于剪式結構的形式限制，低點不夠低，不能夠滿足特種飛機的低掛點要求。采用本文所論述的杠桿、死點脫離式助力機構設計，將原有的手動剪式液壓升掛車改造后，既能滿足高點要求，又能將低點降至最低。環境適應能力強，簡單可靠，且整車完全滿足小型化設計，是一款多功能、小巧型外場手動升掛車。實物驗證如圖8所示。

圖8 增加助力機構后實物驗證

4 結語

本文所述的杠桿、死點脫離式助力機構的原理及設計，與傳統的剪式升降機構相比[8-10]，實現原理簡單、易于實現、借鑒性強，主要是通過杠桿原理與死點平衡原理實現；效果明顯，經典剪式手動液壓升降車經此類設計后，尤其是低點受力情況降低70%以上；通用性強，能夠應用于所有此類剪式升降機構之中。