50MN壓平機(jī)新型升降平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析①

楊天云 周存龍 馬國(guó)財(cái) 陳少航

(太原科技大學(xué) 山西太原030024)

1 前言

寬厚板壓平機(jī)所用的升降平臺(tái)是一種平面升降機(jī)構(gòu)，傳統(tǒng)的升降平臺(tái)采用的是四連桿機(jī)構(gòu)，設(shè)備本體笨重，且平臺(tái)升降時(shí)容易發(fā)生傾斜，嚴(yán)重影響實(shí)際生產(chǎn)的正常進(jìn)行，所以開發(fā)、研究一種承載能力強(qiáng)，平臺(tái)起升后平穩(wěn)性高，結(jié)構(gòu)緊湊的新型升降平臺(tái)迫在眉睫。

所依托的項(xiàng)目借鑒主要用于輕載的剪叉升降平臺(tái)，結(jié)合重載升降平臺(tái)的特點(diǎn)，開發(fā)了大型寬厚板壓平機(jī)用的剪叉式新型升降平臺(tái)，下面是對(duì)該結(jié)構(gòu)所做的運(yùn)動(dòng)分析和強(qiáng)度分析。

2 剪叉式新型升降機(jī)構(gòu)

本升降平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求承載為85000kg，上平臺(tái)升降高度需達(dá)到200mm，各機(jī)構(gòu)需運(yùn)動(dòng)靈活，不得有卡死現(xiàn)象。

該新型升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和三維實(shí)體模型如圖1、圖2所示。它包括底板、外叉臂、內(nèi)叉臂、鉸鏈軸、滾輪、液壓缸、上臺(tái)板，其采用液壓系統(tǒng)控制2個(gè)液壓缸同步運(yùn)動(dòng)，同時(shí)伸縮，相同的推力，活塞桿1推動(dòng)推車連桿2的4個(gè)滾輪，滾輪帶動(dòng)與之銷連接的外叉臂，外叉臂另一端繞著固定鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著滾輪在軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)(前進(jìn)或后退)，帶動(dòng)內(nèi)叉臂一端安裝的滾輪在軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)(前進(jìn)或后退)，另一端繞著固定鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，外叉臂與內(nèi)叉臂之間采用鉸鏈軸連接，從而使上臺(tái)板4上下運(yùn)動(dòng)。三維造型見圖2所示。

圖1 升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 升降平臺(tái)三維實(shí)體模型

一般情況下，機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算是新機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的重要內(nèi)容，下面將根據(jù)自由度計(jì)算公式來(lái)對(duì)該升降平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算［1］。

式中 n—活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目;

pl—低副的數(shù)目;

ph—高副的數(shù)目。

使用該公式的前提是，先判斷出一些特殊情況:復(fù)合鉸鏈，局部自由度和虛約束。對(duì)于局部自由度，處理方法是將兩個(gè)構(gòu)件并成一個(gè)整體;而復(fù)合鉸鏈處的轉(zhuǎn)動(dòng)副數(shù)目等于相連的構(gòu)件數(shù)目減1;虛約束處理方法是去掉重復(fù)的部分，只保留其中一個(gè)。根據(jù)以上方法，得出活動(dòng)構(gòu)件為7，低副為9，高副為2，帶入(1)式得

F=3n－2pl－ph=3×7－2×9－2=1

由于該機(jī)構(gòu)只有一個(gè)原動(dòng)件，原動(dòng)件的數(shù)目=自由度的數(shù)目，所以該機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)。

3 剪叉式新型升降平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 新型升降平臺(tái)模型的建立

該升降平臺(tái)三維模型利用三維軟件Inventor中進(jìn)行建模，以Parasolid格式導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行仿真。本升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了方便仿真分析，對(duì)分析結(jié)果影響不大的零部件略去，以得到簡(jiǎn)化模型。

3.2新型升降平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真分析

3.2.1 新型升降平臺(tái)技術(shù)難點(diǎn)及解決方法

開發(fā)新型升降平臺(tái)技術(shù)難點(diǎn)主要有兩個(gè)方面，①液壓缸型號(hào)的確定;②升降平臺(tái)的舉升行程及上臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡。為了解決上述難點(diǎn)，將三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。得出液壓缸的推力曲線軌跡和上臺(tái)板質(zhì)心的位置曲線軌跡。

3.2.2 新型升降平臺(tái)的加載條件

新型升降平臺(tái)在配合其他機(jī)器工作時(shí)，先是負(fù)載上升，然后空載下降。因此研究液壓缸的最大推力時(shí)，只需要研究升降平臺(tái)負(fù)載上升的過(guò)程。對(duì)此先定義構(gòu)件材料，在轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加旋轉(zhuǎn)副，液壓缸體與活塞之間添加滑移副，并將下臺(tái)板與大地固定;由于全部用低副來(lái)進(jìn)行約束容易形成一個(gè)封閉的回路，這樣就造成系統(tǒng)過(guò)約束，在過(guò)約束的情況下，系統(tǒng)在求解時(shí)會(huì)自動(dòng)解除一些約束，在被解除約束的自由度上就不會(huì)計(jì)算構(gòu)件之間的相互作用力，這種情況下可以使用基本副來(lái)代替低副，所以在對(duì)該模型進(jìn)行約束時(shí)，使用了點(diǎn)點(diǎn)副和點(diǎn)線副來(lái)代替旋轉(zhuǎn)副。上、下滾輪是在導(dǎo)軌上滾動(dòng)的，需要在上、下滾輪和軌道之間添加8個(gè)接觸。因?yàn)闈L輪與導(dǎo)軌的滾動(dòng)摩擦對(duì)本文分析結(jié)果影響不大，故不必涉及摩擦因數(shù)。

在進(jìn)行液壓缸推力仿真分析前，需要施加載荷和驅(qū)動(dòng)，將此載荷簡(jiǎn)化為一個(gè)集中力添加在上平臺(tái)的幾何中心處。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本模型中平臺(tái)所承受的最大載荷為850kN，液壓缸最大行程約為300mm，設(shè)機(jī)構(gòu)完成抬舉時(shí)間為10s。利用STEP函數(shù)為滑移副添加滑移驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)函數(shù)為:STEP(time，0，0，10，－300)［3］。仿真后得到2個(gè)液壓缸推力之和的變化曲線，如圖3所示、上臺(tái)板的位移曲線分別如圖4、5、6所示。

圖3 2個(gè)液壓缸推力之和的變化曲線

圖4 上臺(tái)板Y方向位置變化曲線

圖5 上臺(tái)板X方向位置變化曲線

圖6 上臺(tái)板Z方向位置變化曲線

3.2.3 運(yùn)動(dòng)結(jié)果分析

由圖3可知，兩個(gè)液壓缸在啟動(dòng)的初始狀態(tài)時(shí)，因?yàn)橥獠姹叟c內(nèi)叉臂支架的夾角最大，在外載荷不變的情況下，隨著滾輪的前進(jìn)，剪桿之間的夾角逐漸變小，隨之施加在滾輪X方向的力也隨著變小，所以最大值是860kN，故每個(gè)液壓缸的最大推力為420kN;圖4顯示上臺(tái)板可上升達(dá)到的最大高度約為1.2m(以地面為基準(zhǔn))，上臺(tái)板從1.07m開始運(yùn)動(dòng)到1.270m結(jié)束，抬升行程最大為0.2m。從圖5、6可知上臺(tái)板在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，只有Y方向有位移，X與Z方向沒(méi)有位移，所以，可以確定上臺(tái)板的運(yùn)動(dòng)方式為上下運(yùn)動(dòng)。通過(guò)上述運(yùn)動(dòng)仿真基本上確定了上臺(tái)板的運(yùn)動(dòng)軌跡和液壓缸的型號(hào)。

4 結(jié)論

1)與傳統(tǒng)升降平臺(tái)相比，該設(shè)備動(dòng)作平穩(wěn)可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)新型升降機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算，可以得出該設(shè)計(jì)方案是合理的。

2)通過(guò)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真確定了新型升降平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡及舉升行程。最后得出液壓缸的最大推力，為液壓缸型號(hào)的選定提供了一定的依據(jù)。

［1］哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理教研室編.機(jī)械原理.北京:高等教育出版社，2000:11－16.

［2］乞英煥，董為民，孫健，武建華.對(duì)稱驅(qū)動(dòng)剪叉液壓升降平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)仿真 新技術(shù)新工藝［J］，2013(5):41.

［3］孫光旭，袁端才.液壓剪叉式升降臺(tái)的動(dòng)力學(xué)仿真 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)［J］，2010(11):2651.

［4］李增剛著.ADAMS入門詳解與實(shí)例.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006:65－81.