基于平行四邊形機(jī)構(gòu)的油機(jī)提升裝置設(shè)計(jì)

胡志堅(jiān) 趙柏程

摘? 要：為了提高猛士車(chē)柴油發(fā)電機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱“油機(jī)”）上下車(chē)的便利性，設(shè)計(jì)了基于平行四邊形機(jī)構(gòu)的油機(jī)提升裝置設(shè)計(jì)，該裝置采用平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理，對(duì)油機(jī)提升過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得出最大受力工況，利用力矩平衡原理計(jì)算驅(qū)動(dòng)裝置力矩及功率，分析了關(guān)鍵零部件的受力情況并對(duì)其進(jìn)行了有限元強(qiáng)度校核，分析結(jié)果顯示各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：油機(jī)、提升裝置、平行四邊形、輕量化

一、引言

目前輕高機(jī)底盤(pán)電力來(lái)源主要有發(fā)動(dòng)機(jī)取力發(fā)電、車(chē)載油機(jī)發(fā)電、外接市電三種形式，根據(jù)不同的任務(wù)需求通常采取多種取電方式并存，野外特種作業(yè)等專用車(chē)往往采用車(chē)載油機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)下車(chē)工作，發(fā)電機(jī)噪聲和振動(dòng)不會(huì)傳導(dǎo)到車(chē)體上，對(duì)在車(chē)廂內(nèi)工作的人員幾乎無(wú)影響，且下車(chē)后使用維護(hù)非常便利，但是大功率發(fā)電機(jī)自身重量較重，上下車(chē)需要人工搬運(yùn)比較費(fèi)勁，為了提高油機(jī)上下車(chē)的便利性，提高整車(chē)的裝載量，設(shè)計(jì)了一種輕高機(jī)猛士底盤(pán)的輕量化油機(jī)提升裝置。

二、提升裝置技術(shù)指標(biāo)

基于平行四邊形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的油機(jī)提升裝置主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1）提升高度：980mm;

2）提升/撤收時(shí)間：1min;

3）提升重量：120Kg;

4）設(shè)備自重：75Kg;

5）提升到位后能夠可靠鎖定與解鎖。

設(shè)計(jì)油機(jī)提升裝置時(shí)要充分考慮可靠性、人機(jī)工程學(xué)，在滿足功能技術(shù)指標(biāo)動(dòng)的前提下，還要使其結(jié)構(gòu)緊湊、美觀、輕巧。

三、提升裝置工作原理簡(jiǎn)介

油機(jī)提升裝置通過(guò)普通減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)高力矩渦輪蝸桿減速機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)吊籃從車(chē)上運(yùn)動(dòng)到地面，以及從地面運(yùn)動(dòng)到車(chē)上，提升裝置利用渦輪蝸桿的自鎖性可在提升過(guò)程任意位置停止并鎖定，在初始狀態(tài)下，油機(jī)安裝在吊籃上，吊籃通過(guò)可調(diào)高度的橡膠緩沖柱限位，在電磁鐵磁力作用下限制吊籃在X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸方向的運(yùn)動(dòng)，能夠有效抵御運(yùn)輸顛簸，電磁鐵通電后磁力消失，開(kāi)啟電機(jī)可通過(guò)執(zhí)行裝置翻轉(zhuǎn)到地面工作。執(zhí)行裝置可簡(jiǎn)化為一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，其中AB桿為機(jī)架，AC桿為主動(dòng)搖桿，BD桿為從動(dòng)搖桿，CD桿為連桿，如下圖所示。

油機(jī)上車(chē)過(guò)程為下車(chē)過(guò)程的逆過(guò)程，油機(jī)的下車(chē)工作流程如下圖所示：

四、結(jié)構(gòu)組成

油機(jī)提升裝置包含驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行裝置、鎖定裝置、緩沖限位裝置、位置檢測(cè)裝置、控制箱等部件組成。其中驅(qū)動(dòng)裝置主要包含電機(jī)、高力矩渦輪蝸桿減速機(jī)，執(zhí)行裝置主要包含固定基座、主動(dòng)臂、從動(dòng)臂、吊籃、軸套、銷(xiāo)軸等組成，鎖定裝置主要由斷電保持型電磁鐵、安裝座等組成，緩沖限位裝置主要由可調(diào)螺柱、橡膠柱等組成，位置檢測(cè)裝置主要由光電接近開(kāi)關(guān)、安裝座等組成，如下圖所示。

五、計(jì)算過(guò)程

從運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析可知主動(dòng)臂AC呈水平狀態(tài)時(shí)，此時(shí)的阻力臂Lmax最長(zhǎng)（約800mm左右），阻力矩最大。

1）力矩計(jì)算

T阻=（G1+G2）×Lmax

油機(jī)（滿油、滿水狀態(tài)）加吊籃按120kg估算，Lmax=800mm，通過(guò)上述公式計(jì)算可知T阻=941Nm。

T驅(qū)動(dòng)=S安全×T阻

初選力矩安全系數(shù)為S力矩=1.5左右，通過(guò)上述公式計(jì)算可知T驅(qū)動(dòng)=1412Nm。

2）速比計(jì)算及分配

下車(chē)動(dòng)作過(guò)程初步按1min計(jì)算，上車(chē)到下車(chē)過(guò)程主動(dòng)臂AC轉(zhuǎn)動(dòng)180°，那么渦輪蝸桿箱的輸出轉(zhuǎn)速為0.5r/min，初選電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min，那么總速比為：

i=3000/0.5=6000

根據(jù)減速電機(jī)以及渦輪蝸桿箱的樣本規(guī)格系列，初選i減速電機(jī)=81，i渦輪蝸桿=71，則i總=5751。

3）輸出轉(zhuǎn)速及工作時(shí)間計(jì)算

n渦輪蝸桿= n輸入/i總

n渦輪蝸桿=0.52r/min，實(shí)際翻轉(zhuǎn)工作時(shí)間為t=57.51s<1min滿足要求。

4）電機(jī)功率計(jì)算

根據(jù)減速電機(jī)、渦輪蝸桿選型樣本可知η減速電機(jī)=0.8，η渦輪蝸桿=0.4，代入公式計(jì)算可知P=240W，根據(jù)減速電機(jī)樣本規(guī)格系列初選電機(jī)功率為350W，電機(jī)功率有充足的安全裕量。

六、有限元分析

隨著軍工裝備的改革深化，各軍種對(duì)裝備的輕量化要求也越來(lái)越高。裝備輕量化設(shè)計(jì)，減輕自重，使車(chē)輛具有較高的裝載余量，該油機(jī)提升裝置為了減小安裝尺寸，提高電機(jī)作業(yè)效率，吊籃、主動(dòng)臂、從動(dòng)臂根據(jù)受力情況采用鏤空、加減重孔等設(shè)計(jì)思路，通過(guò)Ansys workbench有限元仿真分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)目的。

吊籃材質(zhì)為Q355，吊籃的上端左右兩處安裝孔采用固定約束，在吊籃底部加均布載荷100kg，力的方向垂直于底面豎直向下，網(wǎng)格采用四面體單元?jiǎng)澐?，網(wǎng)格尺寸為2mm，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)450265個(gè)，單元個(gè)數(shù)241447個(gè)，吊籃邊界條件、應(yīng)力云圖如下圖所示。

主動(dòng)臂材質(zhì)為Q355，屈服強(qiáng)度[σs]=355Mpa，主動(dòng)臂的輸入端螺紋孔采用固定約束，通過(guò)Ansys軟件反求吊籃銷(xiāo)軸上的反作用力大小與方向，在輸出端圓柱面加載938.13N，網(wǎng)格采用四面體單元?jiǎng)澐?，網(wǎng)格尺寸為2mm，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)139138個(gè)，單元個(gè)數(shù)77171個(gè)，主動(dòng)臂邊界條件、應(yīng)力云圖。

根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，吊籃最大應(yīng)力151.74Mpa，S2=355/ 151.74=2.3，主動(dòng)臂最大應(yīng)力為39.5MPa，安全系數(shù)S1=355/39.5=8.9，從動(dòng)臂最大應(yīng)力為283.8MPa，安全系數(shù)S1=690/283.8=2.4，在一系列減重措施的情況下，吊籃、主動(dòng)臂、從動(dòng)臂應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度，滿足可靠性要求。

七、結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算、仿真分析、實(shí)物驗(yàn)證可知采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)高力矩渦輪蝸桿減速機(jī)帶動(dòng)一個(gè)平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)油機(jī)隨吊籃上下車(chē)，該裝置工作機(jī)理清晰、可靠性高、體積小、重量輕，設(shè)計(jì)滿足實(shí)際需求。

參考文獻(xiàn)

[1]劉建坤，南江紅，王光輝，翁藝航，黃佳雷.基于平行四邊形機(jī)構(gòu)的天線舉升裝置設(shè)計(jì).機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2021年5月，第50卷第5期.

[2]張鵬飛，許俊龍，黃春明，林戈.一種單自由度雙平行四邊形機(jī)構(gòu)研究.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017年2月