剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)叉架滑塊摩擦對(duì)油缸推力影響的分析

謝仁軍，陸進(jìn)添，鄧彧

（三一帕爾菲格特種車輛裝備有限公司，江蘇南通 226400）

0 引言

剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)是通過舉升油缸推動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)升降的形式將工作平臺(tái)和作業(yè)人員送至所需高度的機(jī)器，如圖1所示。整機(jī)主要由底座、叉架、工作平臺(tái)三大部分組成[1]，其中叉架是整機(jī)工作的核心。

圖1 剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)

在油缸的作用下，隨著液壓油缸的伸長和收縮，剪叉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)舉升和下降，從而實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)的升降[2]。舉升油缸兩端分別與叉臂油缸座上的銷軸以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接,內(nèi)外叉在左中右三點(diǎn)通過銷軸以轉(zhuǎn)動(dòng)副形式連接，整個(gè)剪叉機(jī)構(gòu)具有伸縮的1個(gè)自由度。

目前缺少關(guān)于剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)叉架滑塊摩擦對(duì)油缸推力影響的分析方面的研究，本文通過分析油缸舉升時(shí)克服重力勢(shì)能及摩擦做功等因素的影響，并應(yīng)用能量守恒定律等原理，得到了油缸壓力與滑塊摩擦的關(guān)系。有利于綜合計(jì)算舉升油缸的工作推力，得出油缸設(shè)計(jì)所需的關(guān)鍵參數(shù)及叉架工作效率。

1 分析原理

從運(yùn)動(dòng)方式看，剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)是通過舉升液壓油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)使叉架受力而發(fā)生相對(duì)夾角變化。油缸伸長需克服整體重力勢(shì)能、滑塊與上下平面間的摩擦及叉架結(jié)構(gòu)阻力等。本文以具有4層叉架的剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)為例，利用能量守恒定律，計(jì)算在同時(shí)克服整機(jī)重力勢(shì)能及滑塊摩擦做功的情況下所需的油缸推力。并通過試驗(yàn)對(duì)理論分析的可行性進(jìn)行校驗(yàn)，得出叉架滑塊與上下平臺(tái)間的滑動(dòng)摩擦對(duì)舉升油缸推力的影響及舉升運(yùn)動(dòng)效率。

2 能量守恒法

2.1 叉架模型的簡化

如圖2所示，取叉架整體為研究對(duì)象，其分別受底盤作用于最上及下層叉架鉸點(diǎn)a0、b0、a4及b4，各鉸點(diǎn)的受力均位于前后兩個(gè)平行的平面內(nèi)，對(duì)應(yīng)鉸點(diǎn)所受力的大小及方向一致，因此可將叉架簡化到一個(gè)二維平面內(nèi)[3]。同時(shí)設(shè)定叉架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需參數(shù)，簡化計(jì)算模型，如表1所示。

圖2 叉架模型的簡化

表1 叉架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入

2.2 整體結(jié)構(gòu)重力勢(shì)能

整體結(jié)構(gòu)是由各層叉臂、油缸、平臺(tái)及載荷組成。由于叉臂在左右及前后方向均為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故可假定每層叉架的重心均在當(dāng)層叉架叉臂中部位置，油缸的重心位置第二層叉架中間位置，平臺(tái)與載荷的中心位置位于a0與b0位置。

2.3 叉架滑塊摩擦力做功

將叉架作為整體分別與工作平臺(tái)及底座之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，假定滑塊與工作平臺(tái)及底座支架的滑動(dòng)摩擦因數(shù)一樣，均是μ。則叉架滑動(dòng)摩擦力分析如下：最上及最下層叉架與上下平面之間的滑動(dòng)摩擦，如圖3所示。

圖3 最上及最下層叉架受力分析

將工作平臺(tái)和載荷作為整體分析，鉸點(diǎn)a0為叉架與平臺(tái)連接的轉(zhuǎn)動(dòng)副，b0為滑動(dòng)副。

將叉架、油缸、工作平臺(tái)和載荷作為整體分析，鉸點(diǎn)a4為叉架與底座連接的轉(zhuǎn)動(dòng)副。b4為滑動(dòng)副。假定叉架結(jié)構(gòu)的左右兩部一致，則叉架結(jié)構(gòu)在a4及b4上所施加的重力一致。

2.4 油缸推力計(jì)算

當(dāng)剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)的叉架升高至α角時(shí)，如圖5所示,可以得出舉升油缸長度S：

圖4 油缸與叉架關(guān)系分析

2.5 能量守恒的應(yīng)用

由能量守恒定律可知，舉升油缸所做功等于整體結(jié)構(gòu)重力勢(shì)能的變化量與克服叉架滑塊滑動(dòng)摩擦力做功的和。同理，舉升油缸瞬時(shí)做功等于整體結(jié)構(gòu)重力勢(shì)能的瞬時(shí)變化量與叉架滑塊滑動(dòng)摩擦力做功瞬時(shí)變化量之和，即WCY=EP+Wf，則

由以上可以得出油缸推力F、叉臂長度L0、叉架升起角度α、油缸上下鉸點(diǎn)位置L5、L6、θ2、θ3及各層叉架質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系。

3 油缸舉升壓力試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 理論計(jì)算分析

通過計(jì)算分析，在不同的滑塊摩擦因數(shù)下，舉升油缸壓力值隨叉架起升過程中角度的變化而變化。并與實(shí)際工況下測(cè)得舉升油缸壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而分析油缸壓力的影響因素及叉架的動(dòng)作效率?，F(xiàn)作如下設(shè)計(jì)輸入，如表2所示。

表2 整車參數(shù)輸入

由于鋼與鋼之間一般使用尼龍作為摩擦介質(zhì)，其滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ一般取0.2。在此基礎(chǔ)上，取不同的摩擦因數(shù)計(jì)算油缸壓力。同時(shí)分析載荷重心位置變對(duì)油缸壓力的影響。

當(dāng)叉架滑塊剛起升時(shí)候，滑塊水平運(yùn)動(dòng)速度較慢，后隨著叉架舉升角度的增大而變快，克服摩擦做的功隨之變大，油缸舉升壓力也越大。分析計(jì)算可知，在叉架剛起升時(shí)油缸壓力與滑動(dòng)摩擦因數(shù)及平臺(tái)載荷關(guān)系不大，在叉架起升的中后期，油缸壓力隨滑動(dòng)摩擦因數(shù)及平臺(tái)載荷關(guān)系的變化影響較大。舉升壓力與叉架舉升角度呈拋物線關(guān)系。

3.2 油缸壓力實(shí)測(cè)及對(duì)比

按照與理論計(jì)算同等工況條件，同時(shí)在滑塊與接合面涂抹的潤滑脂，測(cè)試油缸壓力隨叉架起升角度變化的數(shù)據(jù)。取載荷放置在居中位置時(shí)的舉升油缸壓力，如表3所示。

表3 實(shí)測(cè)油缸壓力數(shù)值

如圖5所示，油缸壓力與叉架起升角度呈拋物線關(guān)系，剛起升及起升結(jié)束時(shí)油缸壓力的差值隨摩擦因數(shù)的變小而變小，理論趨勢(shì)與實(shí)測(cè)趨勢(shì)一致。在摩擦因數(shù)為0～0.05時(shí)，叉架起升過程的曲率更接近理論計(jì)狀態(tài)。且油缸推力隨載荷重心與滑塊之間的距離較小而增大。

圖5 油缸壓力隨叉架起升角度的變化

4 結(jié)論

通過理論計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，叉架滑塊摩擦在叉架起升過程中的影響較小。設(shè)計(jì)過程可忽略摩擦的影響，同時(shí)叉架效率在工作過程中較穩(wěn)定，可以取定值，效率損失包括油缸損失、液壓損失及運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)間損失等。以上可以簡化計(jì)算模型，極大地提高了在叉架受力分析及計(jì)算舉升油缸推力上的工作效率。