液壓升降設(shè)備剛性同步機構(gòu)的一種創(chuàng)新設(shè)計

魏發(fā)孔

剪叉式升降臺具有設(shè)備自高低、升降行程放大作用突出、結(jié)構(gòu)簡單可靠的特點，多被用于劇場升降樂池或升降舞臺以及其他場合的起重升降結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動方式絕大多數(shù)采用液壓驅(qū)動裝置。液壓驅(qū)動具有承載力大，便于控制、調(diào)節(jié)，以及易于過載保護等優(yōu)點。但是，對于雙片剪叉式液壓升降臺機械裝置，其左右兩片臺不同步始終是一個影響工作性能的問題。

1 利用特性列舉法分析背景技術(shù)

特性列舉法是技術(shù)創(chuàng)新活動中常用的有效系統(tǒng)探求方法之一，①主要步驟是將需要改進的對象列表分解其組成部分：名詞性、形容詞性及動詞性等特征；編制其本質(zhì)特征表并分析所有特征；在分析的基礎(chǔ)上用取代、替換、簡化、組合等方法加以改進。

已知對左右兩片臺不同步問題的解決辦法有如下幾種。②

（1）利用分流－集流閥控制同步

在液壓系統(tǒng)設(shè)置分流－集流閥，按等流量將油液分為兩股供給左右組油缸，可以使兩組油缸在承受不同載荷時仍能獲得相等（或成比例）的流量，從而實現(xiàn)左右組油缸的同步運動。

其方案結(jié)構(gòu)簡單，成本不是太高。但是，不利因素有：

a.據(jù)市場供貨選用的分流－集流閥與系統(tǒng)流量不完全匹配，實際分流精度較低；

b.分流－集流閥是利用載荷壓力反饋來補償因載荷壓力變化而引起流量變化的原理來調(diào)節(jié)流量變化的，而動態(tài)頻繁的系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)誤差較大；

c.分流－集流閥要求其閥芯水平安裝，由于安裝條件及安裝精度較差，加之機械阻尼的差別等因素，也影響到其分流精度。

最終結(jié)果表明未達到理想的同步精度，普遍造成升降平臺上臺面嚴重變形，終使設(shè)備不能正常運行。

（2）利用油缸內(nèi)置位置傳感器閉環(huán)控制系統(tǒng)控制同步

在左右兩片臺分別設(shè)置內(nèi)置傳感器油缸，隨即測試左右活塞運動伸長量增量，并將信號送入計算機進行運算比較其誤差，爾后指令控制電液比例流量閥調(diào)節(jié)各自流量，達到調(diào)節(jié)活塞同步運動的目的。此方案能比較準確地控制設(shè)備同步運行，但當(dāng)油缸內(nèi)置傳感器后，造成缸體結(jié)構(gòu)加長，致使安裝有困難，并影響到所需行程。

（3）利用水平外置傳感器閉環(huán)控制系統(tǒng)控制同步

在左右剪叉撐水平走輪處分別設(shè)置一直線傳感器，測出左右走輪的同步誤差，將信號傳遞給計算機運算后控制電液比例流量閥調(diào)節(jié)流量，達到控制同步的目的。但運動與控制關(guān)系比較復(fù)雜。

（4）利用垂直外置傳感器閉環(huán)控制系統(tǒng)控制同步

將位置傳感器置于臺面行程的垂直面內(nèi)，直接測試行程誤差，并反饋信息給流量閥調(diào)整流量來控制同步。當(dāng)直線式位置傳感器在升降平臺全行程內(nèi)伸長時，安裝會感到有一定的困難，在有些條件下甚至將不易實現(xiàn)。因此，又可采取改進的方式，即通過鋼絲繞過滑輪將臺面直線運動轉(zhuǎn)換為回轉(zhuǎn)運動，再通過旋轉(zhuǎn)編碼器測試誤差從而控制同步。

上述（2）、（3）、（4）方案應(yīng)用于多臺升降臺同步控制效果良好，且都已有成功的實例。但對于單臺雙片結(jié)構(gòu)的升降臺來說，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，成本太高。而且，對左右兩片臺分別測試其運行誤差再反饋給執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié)，在動態(tài)頻率較高的情況下，臺面始終受到瞬時誤差的影響而受力。因此，都有其局限性。

2 剛性同步機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計

為了使雙片剪叉式液壓升降臺左右片臺簡單可靠地同步升降，而且同步性能的保證不依賴于液壓系統(tǒng)，即不受液壓元件性能的影響。在上述特征分析改進的基礎(chǔ)上綜合利用奧斯本設(shè)問法（系統(tǒng)探求的創(chuàng)新方法之一）③提出一種剛性同步雙片剪叉式液壓升降設(shè)備的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)（專利批準號200420041829.8），④能圓滿解決上述問題，且完全滿足演藝場館及其他場合的大臺面液壓載重升降的要求。

如圖1所示，本機構(gòu)解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：將剪叉撐梁體用聯(lián)梁管聯(lián)結(jié)成的內(nèi)外支架，以鉸鏈形式聯(lián)結(jié)于底座及上臺面梁上，左右片臺的鉸鏈靠臺體兩頭，靠近中間一頭剪叉撐梁體頭部都裝有滾輪，在內(nèi)外支架靠外側(cè)受力聯(lián)梁管之間安裝油缸，左右片臺對稱設(shè)置，油缸都在外側(cè)。在左右兩片臺內(nèi)支架剪叉撐梁體的下走輪軸上分別鉸接一同步齒條，一側(cè)在上一側(cè)在下，中間設(shè)一聯(lián)動齒輪，且用齒條滑套將上下側(cè)（也是左右側(cè)）同步齒條始終約束在聯(lián)動齒輪上。在液壓驅(qū)動力作用下，當(dāng)兩邊油缸的活塞桿伸出時迫使左右內(nèi)外支架剪叉夾角變化，從而頂起上臺面梁，下滾輪分別向兩邊水平運動，同時帶動各自的同步齒條運動，由于聯(lián)動齒輪的作用，使左右片臺始終同步升降。當(dāng)液壓系統(tǒng)或元件產(chǎn)生誤差致使兩側(cè)的油缸活塞運動速度有誤差時，同步齒條將受推（拉）力。在合理設(shè)計計算同步齒條及聯(lián)動齒輪后，使其強度剛度滿足要求，從而形成剛性同步。同時臺面在升起位置時當(dāng)一側(cè)油缸微量泄漏致使臺面梁下沉而另一側(cè)未泄漏時，剛性同步機構(gòu)也抑制了臺面梁下沉。

該機構(gòu)的有益效果是：

（1）同步齒條與聯(lián)動齒輪組成的剛性同步機構(gòu)，使雙片剪叉式液壓升降臺左右兩片臺保證了可靠的同步升降；

（2）由于機構(gòu)是在左右片剪叉之間設(shè)置的機械結(jié)構(gòu)，故不受液壓系統(tǒng)或元件性能的影響；

（3）剛性同步機構(gòu)同時抑制了由于液壓系統(tǒng)的泄漏造成的下沉現(xiàn)象；

（4）結(jié)構(gòu)的簡單使設(shè)備成本較低。

本設(shè)計實例中， 臺面面積S = 17 m × 3 m；升降行程H = 2.4 m；總外載為Qz= 100 kN；平均升降速度vj= 0.06 m/s。

3 設(shè)計計算

（1）以單片結(jié)構(gòu)分析，其運動簡圖如圖2所示。

運動中A點垂直向上，速度為v；則C點水平向左，速度為vs；機構(gòu)為平面運動，可用速度瞬心法求解。⑤

設(shè)AC桿長為L，AC桿的瞬心角速度為ω，其瞬時轉(zhuǎn)動中心為B點。

A點運動速度（即臺面升降速度）為

v=ωLcosα （1）

C點運動速度（即水平傳動速度）為

vs=ωLsinα=vtgα=Kvv （2）

式（2）中，Kv為速度放大系數(shù)。

本機根據(jù)剪叉結(jié)構(gòu)設(shè)計α在10.34°～ 52.77°之間變化，故Kv在0.182 5 ～ 1.316 0之間變化。

由油缸定速推算的臺面速度vmax與vmin在0.10 m/s ～ 0.02 m/s之間變化；

則臺面起步時的水平傳動速度

vs= Kvvmax= 0.182 5 × 0.1 = 0.018 25 m/s

（2）機構(gòu)動力分析如圖2所示。

以單片機構(gòu)為平衡對象，鉸鏈的約束為理想約束。載荷重力Q，水平推力F，依據(jù)虛位移原理，所有作用在該質(zhì)點系的主動力在任何虛位移中所做的虛功之和等于零。⑥即：

∑ ( Fixδxi+Fiyδyi+Fizδzi) = 0

按圖示坐標軸建立方程：

-FδxF- QδyQ= 0 （3）

xF= Lcosα yQ= Lsinα

變分計算得：

δxF= -Lsinαδα δyQ= Lcosαδα

代入式（3）后整理得：

F = Qctgα= KQQ （4）

式中，KQ為力放大系數(shù)。上式表達了載荷Q與水平驅(qū)動力F的關(guān)系。若Q為常數(shù)時，F(xiàn)只隨著α角的變化而變化，且當(dāng)α角趨向于更小時，F(xiàn)將趨向更大。

取單片臺外載的1/2為不平衡載荷，則分配到每套同步齒條機構(gòu)上的不平衡力為

Q = Qz/ (2×2×2) =12.5 kN，將其代入（4）式得同步齒條的推（拉）力為：

當(dāng)α=10.34°時，F(xiàn)max= 68 500 N；

當(dāng)α=52.77°時，F(xiàn)min= 9 500 N。

根據(jù)上述Fmax和vmax設(shè)計的聯(lián)動齒輪參數(shù)⑦如下：

模數(shù)m =10 ；齒數(shù) z =17；有效齒寬 B = 80。

材料 40Cr ；熱處理表面淬火 48～55（HRC）； 齒條材料 20Cr；表面滲碳淬火 45～50（HRC）。

（3）同步齒條有限元分析簡圖如圖3所示。

MDT（Mechanical Desktop）是集AutoCAD與參數(shù)實體造型、曲面造型、裝配造型、二維與三維雙向關(guān)聯(lián)繪圖及IGES.STEP轉(zhuǎn)換器等模塊于一體的機械設(shè)計系統(tǒng)。MDT能與許多有限元分析軟件、運動分析軟件、數(shù)控加工軟件等無縫連接，在MDT6中集成了有限元分析模塊，大大方便了設(shè)計計算。

在該機構(gòu)的設(shè)計中，同步齒條的力學(xué)結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，利用MDT6中集成的有限元分析模塊進行分析計算，便于結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計。

利用計算功能將同步齒條截面計算出其截面慣性矩，如圖3a所示，再按等效慣性矩做出等效簡化截面，如圖3b所示。簡化的等效截面便于運用二維有限元分析模塊進行計算。

將升降臺在起始時同步齒條的受力及約束施加于構(gòu)件（此時受力最大），得出其變形結(jié)果如圖3c所示，結(jié)果表明構(gòu)件橫向（y向）變形為-0.350、縱向（x向）變形為-0.297。

將升降臺面在最高位置時同步齒條的受力及約束施加于構(gòu)件（此時桿件受力段最長），得出其變形結(jié)果如圖3d所示，結(jié)果表明構(gòu)件橫向（y向）變形為+0.297、縱向（x向）變形為-0.162。

將升降臺在起始時同步齒條的受力及約束施加于構(gòu)件（此時受力最大），得出其應(yīng)力結(jié)果如圖3 e所示，結(jié)果表明最大應(yīng)力為182.33 MPa，位置在齒條齒根處。

上述計算為設(shè)計改進構(gòu)件結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)，結(jié)構(gòu)均滿足要求。

4 結(jié)論

利用系統(tǒng)探求的創(chuàng)新設(shè)計方法奧斯本設(shè)問法和特性列舉法，在分析背景技術(shù)本質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，提出的剛性同步機構(gòu)的設(shè)計，有效解決了雙片剪叉式液壓升降設(shè)備的運行不同步問題。并通過有限元分析計算設(shè)計的結(jié)構(gòu)更趨合理。經(jīng)測試左右片臺不同步綜合誤差在0.8 ～ 0.3之間；抑制臺面下沉75%，具有理想的效果及簡單可靠的明顯效益。

注釋：

①③徐灝主編.機械設(shè)計手冊：第2卷.北京：機械工業(yè)出版社，2000，10-3 ～ 33

② 劉臻，魏發(fā)孔，宋耀軍.自適應(yīng)控制在液壓升降臺同步系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.演藝設(shè)備與科技，2005（2）：26～28

④ 戚昌滋.現(xiàn)代設(shè)計法.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1985，368

⑤ 郝桐生.理論力學(xué).北京：高等教育出版社，1982，218 ～ 2202

⑥ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室編.理論力學(xué)：下冊.北京：高等教育出版社，1981，242～2443

⑦ 徐灝主編.機械設(shè)計手冊：第4卷.北京：機械工業(yè)出版社，2000，35-10 ～ 109