剪叉式升降平台结构参数及剪叉臂的优化设计.pdf

第 26 卷 第 2 期2012 年 5 月山 东 轻 工 业 学 院 学 报F 6 2012收稿日期 : 2012 济南市高校自主创新项目 ( 05010201)作者简介 : 张荣敏 ，( 1986-) ， 男 ， 山东省莱芜市人 ， 山东轻工业学院在读硕士研究生 ， 研究方向 : 动力机械计算机辅助工程 *通讯作者 : 王仁人 ， 男 ， 山东轻工业学院教授 ， 博士 ， 研究方向 : 动力机械计算机辅助工程 ， 章编号 : 10042012) 02 周莎莎 ， 王仁人*( 山东轻工业学院 机械与汽车工程学院 ， 山东 济南 250353)摘要 : 本文介绍了剪叉式升降平台的结构特点 ， 分析了剪叉式升降平台的结构参数 。并且利用 限元分析软件 ， 对剪叉式升降平台的剪叉臂进行了优化分析 ， 得到了最佳的剪叉臂尺寸 。在满足工程要求的前提下 ， 提高了材料的利用率 。关键词 : 剪叉式升降平台 ; 有限元 ; 剪叉臂 ; 优化中图分类号 : 献标识码 : f 50353， In of is is By of is is On of of is ey 言剪叉式升降平台是一种将人或者货物升降到某一高度的设备 ， 其起升高度从 1 m 至 20 m 不等 ， 由于一般采用液压驱动 ， 又被称为液压升降平台 1。剪叉式升降平台是应用非常广泛的一种升降装置 。剪叉式升降平台的结构决定了其功能和特点 ，具有结构稳固 、运行可靠 、安全高效 、故障率低 、维护方便等一系列优点 ， 因此广泛用于车站 、码头 、桥梁 、大厅 、厂房 、室内外机械安装 、设备维修 、建筑保养等场合 。但是 ， 剪叉式升降平台也存在一定的不足之处 ，例如粗大笨重 ， 造价较高 ， 造成使用上的不便 。一般起升高度在 10 m 左右的剪叉式升降平台其重量往往超过 1 t， 这样的重量在施工现场很难灵活移动 ，用专车配合使用成本高 ， 也会降低工作效率 。剪叉式升降平台含有大量的钢结构 ， 其结构特点和力学性能会对平台的质量和性能产生直接影响 。因此 ，应该对其优化 ， 使得升降平台构造科学 ， 减少耗材 ，使用方便 。本文介绍了剪叉式升降平台的结构特点 ， 分析了液压缸的最大推力等重要参数 ， 然后优化了剪叉臂的结构尺寸 。第 2 期 张荣敏 ， 等 : 剪叉式升降平台结构参数及剪叉臂的优化设计1 剪叉式升降平台的结构特点剪叉式升降平台通常由底座 、剪叉式起升机构和平台三个部分组成 。底座位于最下面 ， 其上附有支腿 ， 轮胎 ， 油箱等部件 。平台位于最上面 ， 主要是承受载荷 ， 供工作人员进行各种高空作业 。剪叉式起升机构是升降平台的关键组成部分 ， 不同型号的升降平台有各自的剪叉式起升机构 ， 从低起升到高起升 ， 组成剪叉杆的数目增多 ， 液压缸的布置形式也各不相同 ， 剪叉式起升机构的臂杆数和液压缸的布置形式由起升高度而定 。典型的剪叉式起升机构有两种 ， 一种是由 3 组剪叉臂杆和单个起升液压缸组成 ， 其起升高度大约为 6 m， 另一种由 4 组剪叉臂杆和双起升液压缸组成 ， 起升高度大约 8 m 2。2 剪叉式升降平台的结构参数分析本文研究的 剪叉式升降平台可以看做由三组剪叉臂杆和一个液压缸构成的 ， 以此为模型分析其结构 ， 如图 1 所示 。图 1 剪叉式起升机构结构简图对该剪叉式液压升降平台的模型进行分析可知 ， 该剪叉式起升机构最低一组剪叉臂 别于底座相连 ， 其中 A 点处与底座通过固定铰链连接 ， A 处为一转动副 。另一侧的 B 点则通过滚轮与底座中的滑轨相连接 ， 为移动副的形式 。平台上升或者下降的时候 ， 滚轮可以在底座中的轨道中做水平方向的平移运动 ， 使得剪叉机构伸展或收缩 ， 起升机构与平台则按照相同的方式连接 3。如图 1 所示 ， 定义剪叉臂两端销孔中心连线长度为 L， D 的距离 ， f 是液压缸活塞杆的铰接点与剪叉臂 心销孔之间的平行距离 ， s 则为液压缸下铰接点与剪叉杆 心销孔的平行距离 。剪叉臂与水平方向的夹角为 ， 液压缸相对于水平方向的倾斜角 ， 则剪叉式起升机构中心点与固定铰链的水平距离 e = L/2 ( 1)液压缸倾斜角 与剪叉臂倾斜角 之间的关系为 : =( L + s f) + ( ( f + s) + ( ( 2)同时可以推导出液压缸的最大长度 ( 图 1 中 + ( 2L + s 3f) ( 3)3 利用 行剪叉臂的优化设计为有限元分析工具 ， 可以在很大程度上节省结构优化问题的分析求解时间 ， 而 供的 参 数 化 设 计 语 言 也为结构优化设计的数值分析提供了一个良好的开发环境 。利用 程序语言与宏技术组织管理 有限元分析命令 ， 就可以实现参数化建模 、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果的显示 ， 从而实现参数化有限元分析的全过程 ， 同时这也是 处理分析的最高技术 。本文正是基于 用其优化设计模块对剪叉式液压升降平台进行了结构优化设计 4。31 问题描述本次研究的剪叉式升降平台中所包含的基本构件组为一个液压缸推动三幅剪叉 ， 其结构简图见图1。因为最底层的剪叉臂既要承载工作载荷 ， 又要承载平台自重 ， 其受力最大 ， 因此可以将剪叉臂 为研究对象 ， 其结构示意图如图 2。95山 东 轻 工 业 学 院 学 报 第 26 卷图 2 底层剪叉臂结构示意图剪叉式升降平台的剪叉臂的长度 L =1900 剪叉臂截面厚度 T = 8 宽度 B = 80高度 H =160 弹性模量 E =2 1泊松比为 03， 液压缸对其推力为 13413 N。对结构进行尺寸优化 ， 使剪叉臂体积 V 最小 ， 同时要求最大屈服应力不超过 120 厚度 T 取值在 3 9 宽度 B 取值在 70 100 间 ， 高度 H 取值在 140 200 间 。对剪叉臂 受力分析如图 3 所示 。图 3 剪叉臂 力简图根据结构形式选择三维实体力单元 用实体建模的方法建立有限元模型 。选择剪叉臂的体积 V 作为目标函数 ， 将剪叉臂厚度 T， 宽度 B，高度 H 作为设计变量 ， 提取最大屈服应力绝对值对剪叉臂的各表面施加位移约束条件 ， 然后对约束好的模型进行加载 ， 分析得各销孔处所受载荷符合余弦函数加载 ， 因此加载函数定义为q( ) = ( 9090) ( 4)32 优化结果及分析用命令流方式建立分析文件 ， 经过程序计算后 ，迭代循环 11 次后得到剪叉臂总体积 、截面厚度 、截面宽 、高以及最大屈服应力的优化结果 5。优化过程中各量的变化过程见表 1。其中优化后的状态变量为 32425 小于最大屈服应力的值 120 化后剪叉臂总体积由原来的 6661 减少了 656%。这将大大降低生产过程中的材料消耗 ， 减低成本 ， 从而产生更大的经济效益 。在优化过程中 ， 各个设计变量与状态变量数值均没有超出极限值 ， 都满足设计要求 ， 所以整个优化分析计算是合理的 。表 1 剪叉臂优化结果循环次数 目标函数 设计变量 B( 设计变量 T( 设计变量 H( 状态变量 66610 8000 8000 16000 114622 50071 9542 5328 16743 177553 62381 9077 6708 17225 139574 48416 9544 5815 14020 160375 61513 7961 6493 18756 139646 28560 7690 3670 14014 262697 24424 7151 3209 14013 298688 25139 8664 3067 14012 302099 23258 7042 3068 14012 3107310 24565 7014 3027 15437 3170111 22913 7015 3025 14012 3242506第 2 期 张荣敏 ， 等 : 剪叉式升降平台结构参数及剪叉臂的优化设计4 结论本文采用 析法对剪叉式液压升降平台的剪叉臂结构在满足变形与应力约束条件下进行体积最小的优化设计 ， 得到了最合理的尺寸 。优化后剪叉臂总体积得到降低 ， 这将大大减少生产过程中的材料消耗 ， 降低成本 ， 从而产生更大的经济效益 。参考文献 : 1 周伟 生产企业需要关注升降平台的应用 J 物流技术与应用 ， 2009， 5: 20 2 邓宏光 ， 孙大刚 ， 游思坤 ， 等 剪叉式升降平台建模及关键参数研究 J 机电工程技术 ， 2005， 34( 7) : 20 3 郭永耀 ， 刘立 ， 宋植林 剪叉式液压升降平台关键参数确定上的应用 J 现代制造技术与装备 ， 2006， 6: 38 4 博弈创作室 数化有限元分析技术及其应用实例 M 北京 : 中国水利水电出版社 ， 2004 5 张良 ， 王仁人 ， 史岩彬 变截面涡轮增压器三维流场的模拟计算 J 山东轻工业学院学报 ， 2011， 25( 3) : 42 上接第 57 页 )完成温度场的理论分析后 ， 用有限元分析软件对相应模型进行温度场的数值模拟 10。模拟结果表明 ， C/C 复合材料在高温下具有良好的导热性 。对于本文分析结果 ， 可以进一步考虑研究管状编织 C/C 复合材料在承受温度载荷条件下的热应力问题 。参考文献 : 1 吴世平 ， 唐绍锋 ， 梁军 ， 等 周期性复合材料热力耦合性能的多尺度方法 J 哈尔滨工业大学学报 ， 2006， 38 ( 12) : 2049 2 刘冬欢 ， 郑小平 ， 王飞 ， 等 内置高温热管 C/C 复合材料热防护结构热力耦合机制 J 复合材料学报 ， 2010， 27( 3) : 43 3 李崇俊 ， 郑金煌 ， 苏红 ， 等 二维 C/C 复合材料高温力学 、热物理性能研究 J 宇航材料工艺 ， 2004， 1: 33 4 雷宝灵 ， 易茂中 ， 徐惠娟 C/C 复合材料飞机刹车盘的三维温度场 J 复合材料学报 ， 2009， 26( 1) : 113 5 ， ， of J 2010， 48( 10) : 2980