四連桿升降機(jī)構(gòu)的仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

賀平平（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南三門峽472000）

四連桿升降機(jī)構(gòu)的仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

賀平平
（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南三門峽472000）

通過對(duì)四連桿升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，用運(yùn)動(dòng)仿真的方法，得出拉桿的最大拉力為38049kg；進(jìn)一步通過有限元方法對(duì)四桿升降機(jī)構(gòu)中的拉桿應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行了模擬；在有限元仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的拉桿性能更加趨于合理，最大Von Mises由300.7MPa降低到259.5MPa，整體質(zhì)量也減輕了18.65kg，降低幅度達(dá)33%，同時(shí)也為四桿升降機(jī)構(gòu)的其他零部件設(shè)計(jì)提供了切實(shí)可行的借鑒方法。

升降機(jī)構(gòu)；模擬仿真；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0　前言

在各種工業(yè)用爐前對(duì)物料進(jìn)行搬運(yùn)的料車是一種專用運(yùn)輸設(shè)備，它的優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)對(duì)待處理物料的進(jìn)出爐和轉(zhuǎn)運(yùn)等工作中實(shí)現(xiàn)垂直起升。但完成料車垂直起升功能主要是由四連桿和滾動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)組成，它是四連桿垂直升降料車的核心和關(guān)鍵的組成部分，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，四連桿垂直升降結(jié)構(gòu)所示的起升搖臂的左下端在O1處與機(jī)架相鉸接，它的中部與拉桿的左端在A點(diǎn)鉸接，其右上端與液壓缸左上端的活塞桿在B點(diǎn)處鉸接；拉桿的右端與起升連桿的上部在C點(diǎn)相互鉸接，并且通過C點(diǎn)安裝的滾輪將連桿的右端與導(dǎo)向槽板的導(dǎo)向槽相連接，形成滾輪滑塊機(jī)構(gòu)；在D點(diǎn)導(dǎo)向槽板的右端上所安裝的滾輪與機(jī)架上的滾道同樣形成滾輪滑塊機(jī)構(gòu)；起升連桿的左下端與機(jī)架的O2點(diǎn)相鉸接，液壓缸右下端與機(jī)架在O點(diǎn)處鉸接。

四連桿垂直升降結(jié)構(gòu)的動(dòng)力源來自于設(shè)備所帶的液壓系統(tǒng)，工作時(shí)由液壓系統(tǒng)所輸出的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)液壓缸工作，由于液壓缸是固定的，所以只能由活塞桿推動(dòng)起升搖臂向左上方移動(dòng)，此時(shí)，起升搖臂繞著O1點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；在A點(diǎn)處，起升搖臂通過鉸軸拉動(dòng)拉桿向左移動(dòng)，在O2點(diǎn)處，拉桿的右端帶動(dòng)起升連桿繞著O2點(diǎn)相對(duì)機(jī)架逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并通過C點(diǎn)處的滾輪作用，使其上部的導(dǎo)向槽板有向左上方斜向移動(dòng)的趨勢；但由于四連桿垂直升降結(jié)構(gòu)右端的滾輪滑塊機(jī)構(gòu)消除了導(dǎo)向槽板的水平移動(dòng)，所以，導(dǎo)向槽板只能帶動(dòng)安裝在其上部平臺(tái)及重物在垂直方向上移動(dòng)，不能在水平方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了物料的垂直起升。

1　三維建模與運(yùn)動(dòng)仿真

利用Solidworks三維建模功能，按照四連桿升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要和參數(shù)化設(shè)計(jì)的原則，再與實(shí)際使用的情況相結(jié)合，確定該機(jī)構(gòu)各零部件的三維模型；并利用其自帶的功能進(jìn)行裝配，形成了四桿升降機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，如圖2所示。其中，機(jī)架、導(dǎo)向槽板右端的滾輪滑塊機(jī)構(gòu)是利用軟件的裝配功能予以實(shí)現(xiàn)的（未在圖中示出）。建模過程中，為了便于仿真，在不影響仿真結(jié)果的前提下，將中部的起升連桿部分進(jìn)行了簡化，只給出部分模型。并且各零部件的模型也都進(jìn)行了合理簡化。這樣既可減少仿真時(shí)的冗余自由度、減少仿真模型中零件的數(shù)量，也可提高仿真效率。

為了使四連桿升降機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型中每個(gè)零件的速度、加速度及位置等參數(shù)在各個(gè)時(shí)刻都完全確定，在確保沒有欠約束和冗余自由度[1]的存在后，利用Solidworks中運(yùn)動(dòng)仿真功能中的配合功能和馬達(dá)加載運(yùn)動(dòng)予以實(shí)現(xiàn)。

考慮到本設(shè)備最大載重量及起升機(jī)構(gòu)及其他輔助機(jī)構(gòu)的總重，加之各種運(yùn)動(dòng)副的傳動(dòng)效率；最后確定虛擬樣機(jī)模型加載的負(fù)載為39730kg，并將其加載于導(dǎo)向槽板的上部。用軟件中的線性馬達(dá)功能模擬液壓缸活塞桿的動(dòng)作，確定行程為534mm；設(shè)備的最大垂直起升高度100mm?？紤]設(shè)備的起升速度的要求，最終確定仿真的時(shí)間為37.5s，步長確定為25步。將上述參數(shù)加載與相應(yīng)部位，經(jīng)過運(yùn)算，得到四連桿升降機(jī)構(gòu)中拉桿所受作用力圖解，如圖3所示。

從圖3中可以看出，拉桿左端（A點(diǎn)）作用力隨仿真時(shí)間的推移而變化，并隨著起升機(jī)構(gòu)的起升高度增加,A點(diǎn)最大作用力力值逐步降低,最大值出現(xiàn)在仿真的開始時(shí)刻，其值為38049.3kg，并且呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢，一直到達(dá)最小點(diǎn)，其值為39.8kg，A點(diǎn)的作用力的下降非常大。再由圖1中所示結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)原理可知，隨著仿真時(shí)間的持續(xù)進(jìn)行，液壓缸活塞將不斷伸長，將迫使起升連桿繞著機(jī)架的O2點(diǎn)處逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，空套在上面的滾輪與導(dǎo)向槽板上的導(dǎo)向槽間的壓力角也隨時(shí)間的進(jìn)行而不斷地變化，其值由大逐漸變小，將會(huì)呈現(xiàn)出單調(diào)遞減的趨勢，起升連桿處的壓力角逐漸變小會(huì)使得水平方向分力會(huì)逐漸減小，垂直方向的分力逐漸增大。作用力的最大值應(yīng)該處于仿真的最初時(shí)刻，其他時(shí)刻的作用力應(yīng)小于初始時(shí)刻，其變化規(guī)律與仿真結(jié)果相同。

2　有限元仿真

將起拉桿分離，根據(jù)拉桿原有參數(shù)建立三維模型如圖4所示，由于拉桿結(jié)構(gòu)兩端完全對(duì)稱，因此本次分析僅采用拉桿模型的一半進(jìn)行分析。在不影響分析結(jié)果的前提下，將拉桿上的細(xì)小結(jié)構(gòu)、圓角等結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化；網(wǎng)格劃分時(shí)，利用局部的網(wǎng)格控制功能對(duì)應(yīng)力集中部位的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化；考慮到分析時(shí)的效率及精度，打開軟件的基于曲率的網(wǎng)格功能，并采用二階實(shí)體單元網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分，這樣可有效地控制有限元模型的規(guī)模并不降低模型分析精度。

拉桿由低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345[2]制造而成（屈服強(qiáng)度σs≥295MPa，抗拉強(qiáng)度σb≥470～630MPa，泊松比0.3），質(zhì)量為56.4kg。

拉桿所承受的載荷主要來自起升搖臂A點(diǎn)處（圖1）心軸的載荷作用，對(duì)于拉桿來講是拉伸載荷，沒有側(cè)向載荷；因此，選取拉桿右端（圖4）心軸孔加載軸承載荷，并以正弦分布的形式進(jìn)行加載，其方向處于水平面內(nèi)，大小為38049.3kg。拉桿左端（圖4）的約束采用固定鉸鏈約束，僅限制其水平方向的自由度即可。

由物理模型經(jīng)過加載約束后進(jìn)行有限元分析得到應(yīng)力圖解與位移圖解分別為圖5、圖6。通過分析云圖可以清楚地看出軸拉桿中最大、最小von mises應(yīng)力的分布情況。由拉桿應(yīng)力圖解（圖5）可知，最大von mises應(yīng)力為300.7MPa；從位移圖解（圖6）可以看出，拉桿最大位移為1.8mm。連桿和心軸連接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中,且最大應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生在此處。安全系數(shù)已經(jīng)小于1，在拉桿的心軸孔壁處已出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，此模擬結(jié)果也與帶孔平板的應(yīng)力集中現(xiàn)象相吻合，證明了結(jié)果的正確性。但是，從整體的分析結(jié)果可以看出，除心軸孔壁外，其他部位的強(qiáng)度還是都存在較大的富余量，有必要進(jìn)一步對(duì)拉桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，用以解決強(qiáng)度不足問題和進(jìn)一步減輕拉桿的整體質(zhì)量。

3　結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)滿足強(qiáng)度要求且重量最輕的目的，在不改變拉桿連接尺寸的前提下，采用solidworks中集成的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能對(duì)拉桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[3]。為確定優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量，分別對(duì)拉桿寬度、拉桿厚度、拉桿端部半徑和拉桿心軸孔左部軸頸距離等參數(shù)對(duì)von mises的敏感度作分析，以確定對(duì)應(yīng)力敏感的設(shè)計(jì)變量。

由圖7可以看出隨著拉桿寬度的增加，von mises值首先呈現(xiàn)出下降趨勢，在大約59mm處達(dá)到最小值出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨后又由厚度的增加出現(xiàn)回升現(xiàn)象；由圖8、圖9可以看出，對(duì)拉桿厚度和端部半徑都是隨著尺寸的增大von mises值而出現(xiàn)下降趨勢，但是，拉桿端部半徑的敏感程度較對(duì)拉桿厚度尺寸更敏感；由圖10可以看出，隨著拉桿心軸孔左部軸頸尺寸的增加，von mises值首先呈現(xiàn)出上升現(xiàn)象，在大約180mm處達(dá)到最大值出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨后又由尺寸的增加出現(xiàn)下降趨勢。

考慮四連桿的使用情況和結(jié)構(gòu)的限制情況，并由敏度分析結(jié)果，選擇拉桿寬度x1、拉桿厚度x2、拉桿端部半徑x3和拉桿心軸孔左部軸頸距離x4為設(shè)計(jì)變量。各變量的取值范圍分別為（單位mm）：55≤x1≤65、40≤x2≤45、100≤x3≤120、175≤x4≤185。優(yōu)化的約束選擇拉桿的von mises值小于265MPa為約束條件，選擇拉桿的質(zhì)量為目標(biāo)。拉桿優(yōu)化前后變量、約束和目標(biāo)等相關(guān)對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示：

表1　拉桿優(yōu)化前后相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1中的初始值與圓整值可以看出，優(yōu)化后拉桿的拉桿寬度x1、拉桿厚度x2、拉桿端部半徑x3和拉桿心軸孔左部軸頸距離x4的值與初始值相比，均有不同程度的變化。但是拉桿寬度x1由120mm下降到55mm，變化比較明顯。并且可知，最大von mises由300.7MPa下降到259.5MPa的情況下，拉桿的質(zhì)量由56.40kg下降到37.75kg，減輕了18.65kg，這一優(yōu)化使材料的質(zhì)量比優(yōu)化大約前減輕了33%，滿足實(shí)際使用要求。結(jié)果表明，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減輕了拉桿質(zhì)量，材料節(jié)約效果明顯。

4　結(jié)論

本文中的拉桿雖然在極限應(yīng)力狀態(tài)下的最大von mises為259.5MPa，安全系數(shù)只有1.13，但是仿真時(shí)的參數(shù)全部為極限情況下的參數(shù)，在使用過程中，出現(xiàn)各種極限工況出現(xiàn)的概率較小。因此，雖然安全系數(shù)較小，有理由認(rèn)為拉桿但出現(xiàn)失效的概率不大，滿足實(shí)際的使用要求。并可得到以下結(jié)論：

1）應(yīng)用Solidworks的仿真模塊對(duì)料車的垂直起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真和有限元仿真，得到拉桿的各項(xiàng)參數(shù)，并仿真出了拉桿在極限載荷下的應(yīng)力分布情況。

2）在有限元仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)拉桿進(jìn)行了敏度分析，進(jìn)而確定了拉桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量。

3）優(yōu)化后的起升搖臂側(cè)板性能更加趨于合理，整體質(zhì)量減輕了18.65kg，降低了33%，降低了原料消耗及生產(chǎn)成本，并為生產(chǎn)提供了科學(xué)的指導(dǎo)。

[1]張武，高啟坤，楊曉苞,等.絲杠螺母副升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)穩(wěn)定性分析[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2011，40（2）：76-81.

[2]孔祥東，翟富剛，張揚(yáng)，等.鍛造操作機(jī)夾鉗平行升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析[J].陜縣科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，30（1）：36-39.

[3]徐進(jìn).絲杠升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的可靠性設(shè)計(jì)研究[J].煤礦機(jī)械，2003(10)：15-18.

[4]GB/T 1591—1994，低合金結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能[S].

[5]華大年，華志宏.連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng)新[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[6]陳超祥，胡其登.Solidworks Motion 2012運(yùn)動(dòng)仿真教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

(責(zé)任編輯：郝安林）

Four Connecting Rod Lifting Mechanism Simulation and Structure Optimization

HE Ping-ping
（Sanmenxia Polytechnix,Sanmenxia 472000，China）

Through the four connecting rod lifting mechanism modeling,use the method of motion simulation,it is concluded that the maximum tension rod for 38049 kg;Further through the finite element method to bar stress and strain of the four rod lifting mechanism is simulated;In finite element based on the results of simulation and structure optimization,the optimized rod performance is more reasonable,the maximum Von Mises reduced from 300.7 MPa to 300.7 MPa,the overall quality and to reduce the 18.65 kg,lower by 33%,but also for other parts of four rod lifting mechanism design provides a feasible method for reference.

lifting mechanism;simulation;structure optimization

HT112

A

1673-2928（2015）02-0018-04

2014-12-20

賀平平（1981-），女，河南陜縣人，三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、制造。