液壓升降裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能分析

趙永超

（晉能控股煤業(yè)集團煤峪口礦，山西 大同 037003）

引言

液壓升降裝置屬于高空作業(yè)設(shè)備，在礦井開采、碼頭、港口、建筑等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。我國現(xiàn)階段使用的液壓升降裝置多以仿制的為主，缺少相應(yīng)的設(shè)計標準及優(yōu)化改進[1]。液壓升降裝置的結(jié)構(gòu)多樣，在不同的結(jié)構(gòu)形式中，剪叉式液壓升降裝置以其折疊的結(jié)構(gòu)，可以具有兩種不同的工作狀態(tài)，并且以其靈活調(diào)整的特性得到了廣泛的應(yīng)用。剪叉式液壓升降裝置的起升結(jié)構(gòu)采用剪叉機構(gòu)，能夠保證較高的穩(wěn)定性，并且承載較大，可以依據(jù)需求制作較大的作業(yè)平臺，滿足多人作業(yè)[2]，從而提高高空作業(yè)的工作效率。本文對剪叉式液壓升降裝置進行結(jié)構(gòu)分析，并對主要的結(jié)構(gòu)件進行靜力學(xué)性能分析，為剪叉式液壓升降裝置的設(shè)計使用提供依據(jù)及參考。

1 剪叉式液壓升降裝置結(jié)構(gòu)分析

剪叉式液壓升降裝置主體結(jié)構(gòu)可以分為底座、起升結(jié)構(gòu)和作業(yè)平臺三部分，底座提供整體結(jié)構(gòu)的支撐，可以是固定式或者自行走的結(jié)構(gòu)[3]；作業(yè)平臺是為工作人員提供操作環(huán)境的結(jié)構(gòu)，可以承受一定的載荷，依據(jù)作業(yè)需求可以設(shè)計不同的平臺形式；起升機構(gòu)主要是由剪叉臂及液壓缸組成，依據(jù)起升高度及負載的需求，進行剪叉臂及液壓缸的結(jié)構(gòu)及數(shù)量的選擇，液壓缸布置在升降裝置的內(nèi)部，可以優(yōu)化整體的結(jié)構(gòu)，液壓缸多選用雙座泳的單桿活塞式液壓缸，通過液壓缸的驅(qū)動實現(xiàn)升降作業(yè)，同時保證在升降過程中的安全性，避免造成沖擊[4]。

起升機構(gòu)剪叉臂依據(jù)起升高度的不同，一般可以分為單組剪叉臂、兩組剪叉臂或者多組的剪叉臂，在進行液壓升降裝置的設(shè)計過程中，依據(jù)作業(yè)需求選取適當(dāng)?shù)募舨姹蹟?shù)量，將桿組進行分解，轉(zhuǎn)化為特定的桿組進行分析[5]。進行桿組的受力分析，不僅對升降裝置的動力性能具有影響，同時對剪叉臂的構(gòu)件尺寸及形狀具有一定的影響，因此對剪叉臂的受力性能進行分析是必須的驗證。

依據(jù)工作要求，設(shè)計起升高度為20 m的液壓升降裝置，根據(jù)分析，將其設(shè)計為兩副四個液壓缸驅(qū)動的八層十六組剪叉臂組成的起升機構(gòu)，剪叉臂的長度為3 m，進行液壓升降裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 液壓升降裝置整體結(jié)構(gòu)模型

2 液壓升降裝置剪叉臂性能分析

2.1 液壓升降裝置剪叉臂有限元分析前處理

本液壓升降裝置共設(shè)計有八層剪叉臂結(jié)構(gòu)，采用兩層液壓缸進行驅(qū)動，設(shè)定的額定載荷為300 kg，起升最大高度為20 m，剪叉臂的初始角度為5°，單根剪叉臂的長度為3 m，剪叉臂采用矩形管進行焊接制作。由于剪叉臂起升機構(gòu)自身的重量，最下層的剪叉臂承載量最大，對底層的剪叉臂受力性能進行分析，以確定其是否滿足使用需求。

采用Ansys有限元分析軟件對剪叉臂進行受力分析，ANSYS是進行有限元分析的常用軟件，可以進行多種模擬分析。剪叉臂的受力分析屬于靜力學(xué)分析的功能，將剪叉臂在承載狀態(tài)下的受力看作是施加在末端的載荷作用，進行剪叉臂的靜力學(xué)分析。進行有限元靜力學(xué)分析的主要步驟包括建立剪叉臂的幾何模型，對其施加相應(yīng)的約束，確定邊界條件，進行系統(tǒng)的網(wǎng)格化處理，施加相應(yīng)的載荷進行計算[6]。

剪叉臂的幾何結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，在進行建模的過程中，對剪叉臂的細小結(jié)構(gòu)進行一定的簡化，為了簡化受力分析的過程，建立單根作用的剪叉臂模型，將系統(tǒng)載荷施加到剪叉臂的中心孔位置處，建立剪叉臂的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，對剪叉臂的材料選定為Q235鋼，并對其進行網(wǎng)格劃分，選定自由網(wǎng)格的形式進行網(wǎng)格化處理。

圖2 剪叉臂的結(jié)構(gòu)模型

2.2 液壓升降裝置剪叉臂有限元分析結(jié)果

在進行液壓升降裝置剪叉臂有限元分析時，載荷的施加對于結(jié)果的正確及好壞具有重要的影響，施加載荷的類型包括位移、力作用、電磁作用等。進行施加載荷時，要考慮載荷的類型及作用位置，本分析過程中，對剪叉臂的中間連接孔處進行固定約束，并在剪叉臂兩端的銷孔處施加面載荷作用，由此進行剪叉臂的受力性能分析。

經(jīng)過ANSYS軟件的運算，可以得到剪叉臂的應(yīng)力變化如圖3所示。從圖3可以看出，剪叉臂的最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的中心孔位置處，這與該銷孔位置的固定約束有關(guān)，將銷孔處的應(yīng)力變化放大處理，得到如圖4所示的應(yīng)力變化圖。從圖4中可以看出，剪叉臂受到的最大應(yīng)力值為207 MPa，在銷孔的兩端基本呈對稱分布的趨勢，其值小于剪叉臂的材料Q235的許用應(yīng)力，滿足使用的需求，剪叉臂的受力滿足承載需求。

3 結(jié)論

圖3 剪叉臂的應(yīng)力（Pa）變化云圖

圖4 中心銷孔位置的應(yīng)力（Pa）變化云圖

剪叉式液壓升降裝置是廣泛使用的升降裝置類型，剪叉式結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)作業(yè)平臺的垂直運動，結(jié)構(gòu)簡單，具有較大的承載能力，且升降的高度可以依據(jù)需要進行調(diào)整，可以依據(jù)作業(yè)需求，設(shè)定固定或者移動式的升降裝置，具有良好的使用性。本文所分析研究的剪叉式液壓升降裝置的剪叉臂最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在中間銷孔的位置處，最大值小于材料的許用應(yīng)力，滿足剪叉臂的使用需求，可以保證剪叉臂的承載安全，保證液壓升降裝置的安全工作。