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      剪升機(jī)構(gòu)平臺速度和活塞推力分析

      2014-03-18 07:20:32張博利顏超張威
      機(jī)床與液壓 2014年22期
      關(guān)鍵詞:支臂運動學(xué)液壓缸

      張博利,顏超,張威,4

      (1.中國民航大學(xué)基礎(chǔ)實驗中心,天津300300;2.中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院,天津300300;3.中國民航大學(xué)機(jī)場學(xué)院,天津300300;4.中國民航地面特種設(shè)備研究基地,天津300300)

      剪叉式升降機(jī)構(gòu)在機(jī)場地面特種設(shè)備中常見,如:配餐車、移動登機(jī)橋、高空作業(yè)車和機(jī)務(wù)維修車等。液壓剪叉式升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、升降平臺承載負(fù)荷大且平臺升程大,不僅在航空領(lǐng)域,在現(xiàn)代物流和自動化生產(chǎn)線等場合也得到廣泛應(yīng)用。液壓剪叉式升降機(jī)構(gòu)主要由剪叉機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)以及平臺共同構(gòu)成,液壓缸驅(qū)動剪叉機(jī)構(gòu)變幅,達(dá)到升降目的。在起升過程中,存在液壓缸活塞推力大、液壓系統(tǒng)工作壓力大、平臺起升速度不平穩(wěn)等問題,需對此進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)分析,為今后問題的解決和優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

      1 運動學(xué)分析

      剪叉式升降機(jī)構(gòu)由平臺BC、通過銷軸鉸接的支臂AC 和BD、液壓系統(tǒng)和底座AD 組成。其中,點A和B 為固定鉸支,點C 和D 為滑動鉸支。其中AE =EC=BE=ED = l,PE = a,AF = b,PC = d,β =0°。升降機(jī)構(gòu)運動學(xué)分析簡圖如圖1所示。

      圖1 升降機(jī)構(gòu)運動學(xué)分析簡圖

      已知升降機(jī)構(gòu)升降過程為平面運動,點B 豎直運動,點D 水平方向運動,通過瞬時速度中心法可知支臂BD 瞬轉(zhuǎn)中心為C。可得,點B 運動速度為平臺升降速度:

      支臂BD 瞬心角速度:

      由余弦定理可得:

      點P 運動速度:

      活塞運動速度:

      以上是在已知升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸和活塞運動速度下,確定平臺升降速度的關(guān)系式,也可根據(jù)平臺升降速度vB確定液壓缸流量。已知活塞運動速度為前提條件下,平臺升降速度:

      在活塞運動速度一定的情況下,平臺升降速度vB與α、θ 角有關(guān),并隨起升高度h 的變化而變化。液壓缸與支臂的鉸接位置同樣對平臺升降速度有影響。

      根據(jù)工作情況的需要,升降機(jī)構(gòu)在升降過程中要平穩(wěn)、勻速。已知升降機(jī)構(gòu)的平臺速度,則液壓缸的活塞速度:

      通過各變量對時間t 的求導(dǎo),隨著時間t 的變化,α、θ 角逐漸增大,加速度值減小。液壓缸活塞推力的大小根據(jù)F=ma、F=m˙v 計算,在不考慮升降機(jī)構(gòu)負(fù)載的情況下,起始時活塞推力最大,導(dǎo)致平臺升降速度不平穩(wěn),隨著起升高度和時間t 的變化,平臺速度可逐漸平穩(wěn),也可更改液壓油路設(shè)計,減小起始時對平臺速度的影響。

      2 動力學(xué)分析

      假定升降機(jī)構(gòu)等速升降,忽略自重,鉸鏈和滾輪的約束均為理想約束。動平臺上負(fù)載為W,液壓缸活塞推力P 為主動力,不計動載,如圖2所示。依虛位移原理知,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,經(jīng)計算整理后得:

      圖2 升降機(jī)構(gòu)受力簡圖

      在平臺負(fù)載W 一定的情況下,活塞推力P 與α、θ 角有關(guān),并隨著起升高度h 的變化而變化?;钊屏 和液壓缸軸線與水平方向的夾角θ 有很大關(guān)系,起始位置θ 最小,此時活塞推力的垂直分量最小,在升降平臺負(fù)載一定的情況下,要求液壓缸的推力最大,此刻油缸處于最劣工況。為減小活塞推力,可增大液壓缸與支臂的鉸接位置a。

      3 實例與計算結(jié)果

      通過運動學(xué)和動力學(xué)分析后,得出平臺速度和活塞推力的關(guān)系式,利用MATLAB 軟件對剪叉式升降機(jī)構(gòu)升程過程中平臺速度和液壓缸活塞推力隨起升高度的變化進(jìn)行仿真,如圖3—4所示。升降機(jī)構(gòu)具體參數(shù)如下:l=1 050 mm,h=500 ~1 600 mm,a=977 mm,b=940 mm,β=0°,W=100 kN,v=24.7 mm/s。

      圖3 vB-h(huán) 曲線

      圖4 P-h(huán) 曲線

      從圖3 中看出:升降機(jī)構(gòu)在活塞運動速度一定的情況下,平臺速度在起始位置最大,隨著時間t 的增長,在h=1 000 ~1 600 mm 時趨于平穩(wěn)。圖4 中,在升降機(jī)構(gòu)負(fù)載一定的情況下,起始位置時活塞推力增大,隨著時間t 的增長逐漸減小,在h = 1 000 ~1 600 mm 時趨于平穩(wěn)。驗證了運動學(xué)分析中,不考慮負(fù)載情況下,活塞推力根據(jù)F=m˙v,同樣是起始最大,而后逐漸減小。為使平臺速度和活塞推力在升程過程中平穩(wěn),可增大液壓缸與支臂的鉸接位置a。

      4 結(jié)論

      通過對升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)分析,得出升降機(jī)構(gòu)平臺速度與活塞速度和活塞推力與機(jī)構(gòu)負(fù)載之間的關(guān)系式,并利用MATLAB 軟件,分別仿真升降機(jī)構(gòu)平臺速度和活塞推力隨起升高度h 的變化曲線,在起始時平臺速度和活塞推力都較大,可通過改變液壓缸的鉸接位置、液壓系統(tǒng)流量和液壓油路的設(shè)計,減小平臺速度和活塞推力。

      [1]李鄂民,李金濤.剪叉機(jī)構(gòu)中兩種液壓缸布置方式的分析比較[J].甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000,26(1):54-57.

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      [4]周立鵬,張曉麗,邢志偉.移動登機(jī)橋舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計[J].中國民航大學(xué)學(xué)報,2009,27(3):23-25.

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