魏發(fā)孔

剪叉式升降臺(tái)具有設(shè)備自高低、升降行程放大作用突出、結(jié)構(gòu)簡單可靠的特點(diǎn)，多被用于劇場(chǎng)升降樂池或升降舞臺(tái)以及其他場(chǎng)合的起重升降結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)方式絕大多數(shù)采用液壓驅(qū)動(dòng)裝置。液壓驅(qū)動(dòng)具有承載力大，便于控制、調(diào)節(jié)，以及易于過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但是，對(duì)于雙片剪叉式液壓升降臺(tái)機(jī)械裝置，其左右兩片臺(tái)不同步始終是一個(gè)影響工作性能的問題。

1 利用特性列舉法分析背景技術(shù)

特性列舉法是技術(shù)創(chuàng)新活動(dòng)中常用的有效系統(tǒng)探求方法之一，①主要步驟是將需要改進(jìn)的對(duì)象列表分解其組成部分：名詞性、形容詞性及動(dòng)詞性等特征；編制其本質(zhì)特征表并分析所有特征；在分析的基礎(chǔ)上用取代、替換、簡化、組合等方法加以改進(jìn)。

已知對(duì)左右兩片臺(tái)不同步問題的解決辦法有如下幾種。②

（1）利用分流－集流閥控制同步

在液壓系統(tǒng)設(shè)置分流－集流閥，按等流量將油液分為兩股供給左右組油缸，可以使兩組油缸在承受不同載荷時(shí)仍能獲得相等（或成比例）的流量，從而實(shí)現(xiàn)左右組油缸的同步運(yùn)動(dòng)。

其方案結(jié)構(gòu)簡單，成本不是太高。但是，不利因素有：

a.據(jù)市場(chǎng)供貨選用的分流－集流閥與系統(tǒng)流量不完全匹配，實(shí)際分流精度較低；

b.分流－集流閥是利用載荷壓力反饋來補(bǔ)償因載荷壓力變化而引起流量變化的原理來調(diào)節(jié)流量變化的，而動(dòng)態(tài)頻繁的系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)誤差較大；

c.分流－集流閥要求其閥芯水平安裝，由于安裝條件及安裝精度較差，加之機(jī)械阻尼的差別等因素，也影響到其分流精度。

最終結(jié)果表明未達(dá)到理想的同步精度，普遍造成升降平臺(tái)上臺(tái)面嚴(yán)重變形，終使設(shè)備不能正常運(yùn)行。

（2）利用油缸內(nèi)置位置傳感器閉環(huán)控制系統(tǒng)控制同步

在左右兩片臺(tái)分別設(shè)置內(nèi)置傳感器油缸，隨即測(cè)試左右活塞運(yùn)動(dòng)伸長量增量，并將信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算比較其誤差，爾后指令控制電液比例流量閥調(diào)節(jié)各自流量，達(dá)到調(diào)節(jié)活塞同步運(yùn)動(dòng)的目的。此方案能比較準(zhǔn)確地控制設(shè)備同步運(yùn)行，但當(dāng)油缸內(nèi)置傳感器后，造成缸體結(jié)構(gòu)加長，致使安裝有困難，并影響到所需行程。

（3）利用水平外置傳感器閉環(huán)控制系統(tǒng)控制同步

在左右剪叉撐水平走輪處分別設(shè)置一直線傳感器，測(cè)出左右走輪的同步誤差，將信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)運(yùn)算后控制電液比例流量閥調(diào)節(jié)流量，達(dá)到控制同步的目的。但運(yùn)動(dòng)與控制關(guān)系比較復(fù)雜。

（4）利用垂直外置傳感器閉環(huán)控制系統(tǒng)控制同步

將位置傳感器置于臺(tái)面行程的垂直面內(nèi)，直接測(cè)試行程誤差，并反饋信息給流量閥調(diào)整流量來控制同步。當(dāng)直線式位置傳感器在升降平臺(tái)全行程內(nèi)伸長時(shí)，安裝會(huì)感到有一定的困難，在有些條件下甚至將不易實(shí)現(xiàn)。因此，又可采取改進(jìn)的方式，即通過鋼絲繞過滑輪將臺(tái)面直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再通過旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)試誤差從而控制同步。

上述（2）、（3）、（4）方案應(yīng)用于多臺(tái)升降臺(tái)同步控制效果良好，且都已有成功的實(shí)例。但對(duì)于單臺(tái)雙片結(jié)構(gòu)的升降臺(tái)來說，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，成本太高。而且，對(duì)左右兩片臺(tái)分別測(cè)試其運(yùn)行誤差再反饋給執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在動(dòng)態(tài)頻率較高的情況下，臺(tái)面始終受到瞬時(shí)誤差的影響而受力。因此，都有其局限性。

2 剛性同步機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

為了使雙片剪叉式液壓升降臺(tái)左右片臺(tái)簡單可靠地同步升降，而且同步性能的保證不依賴于液壓系統(tǒng)，即不受液壓元件性能的影響。在上述特征分析改進(jìn)的基礎(chǔ)上綜合利用奧斯本設(shè)問法（系統(tǒng)探求的創(chuàng)新方法之一）③提出一種剛性同步雙片剪叉式液壓升降設(shè)備的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)（專利批準(zhǔn)號(hào)200420041829.8），④能圓滿解決上述問題，且完全滿足演藝場(chǎng)館及其他場(chǎng)合的大臺(tái)面液壓載重升降的要求。

如圖1所示，本機(jī)構(gòu)解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：將剪叉撐梁體用聯(lián)梁管聯(lián)結(jié)成的內(nèi)外支架，以鉸鏈形式聯(lián)結(jié)于底座及上臺(tái)面梁上，左右片臺(tái)的鉸鏈靠臺(tái)體兩頭，靠近中間一頭剪叉撐梁體頭部都裝有滾輪，在內(nèi)外支架靠外側(cè)受力聯(lián)梁管之間安裝油缸，左右片臺(tái)對(duì)稱設(shè)置，油缸都在外側(cè)。在左右兩片臺(tái)內(nèi)支架剪叉撐梁體的下走輪軸上分別鉸接一同步齒條，一側(cè)在上一側(cè)在下，中間設(shè)一聯(lián)動(dòng)齒輪，且用齒條滑套將上下側(cè)（也是左右側(cè)）同步齒條始終約束在聯(lián)動(dòng)齒輪上。在液壓驅(qū)動(dòng)力作用下，當(dāng)兩邊油缸的活塞桿伸出時(shí)迫使左右內(nèi)外支架剪叉夾角變化，從而頂起上臺(tái)面梁，下滾輪分別向兩邊水平運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)各自的同步齒條運(yùn)動(dòng)，由于聯(lián)動(dòng)齒輪的作用，使左右片臺(tái)始終同步升降。當(dāng)液壓系統(tǒng)或元件產(chǎn)生誤差致使兩側(cè)的油缸活塞運(yùn)動(dòng)速度有誤差時(shí)，同步齒條將受推（拉）力。在合理設(shè)計(jì)計(jì)算同步齒條及聯(lián)動(dòng)齒輪后，使其強(qiáng)度剛度滿足要求，從而形成剛性同步。同時(shí)臺(tái)面在升起位置時(shí)當(dāng)一側(cè)油缸微量泄漏致使臺(tái)面梁下沉而另一側(cè)未泄漏時(shí)，剛性同步機(jī)構(gòu)也抑制了臺(tái)面梁下沉。

該機(jī)構(gòu)的有益效果是：

（1）同步齒條與聯(lián)動(dòng)齒輪組成的剛性同步機(jī)構(gòu)，使雙片剪叉式液壓升降臺(tái)左右兩片臺(tái)保證了可靠的同步升降；

（2）由于機(jī)構(gòu)是在左右片剪叉之間設(shè)置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，故不受液壓系統(tǒng)或元件性能的影響；

（3）剛性同步機(jī)構(gòu)同時(shí)抑制了由于液壓系統(tǒng)的泄漏造成的下沉現(xiàn)象；

（4）結(jié)構(gòu)的簡單使設(shè)備成本較低。

本設(shè)計(jì)實(shí)例中， 臺(tái)面面積S = 17 m × 3 m；升降行程H = 2.4 m；總外載為Qz= 100 kN；平均升降速度vj= 0.06 m/s。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）以單片結(jié)構(gòu)分析，其運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2所示。

運(yùn)動(dòng)中A點(diǎn)垂直向上，速度為v；則C點(diǎn)水平向左，速度為vs；機(jī)構(gòu)為平面運(yùn)動(dòng)，可用速度瞬心法求解。⑤

設(shè)AC桿長為L，AC桿的瞬心角速度為ω，其瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心為B點(diǎn)。

A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度（即臺(tái)面升降速度）為

v=ωLcosα （1）

C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度（即水平傳動(dòng)速度）為

vs=ωLsinα=vtgα=Kvv （2）

式（2）中，Kv為速度放大系數(shù)。

本機(jī)根據(jù)剪叉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)α在10.34°～ 52.77°之間變化，故Kv在0.182 5 ～ 1.316 0之間變化。

由油缸定速推算的臺(tái)面速度vmax與vmin在0.10 m/s ～ 0.02 m/s之間變化；

則臺(tái)面起步時(shí)的水平傳動(dòng)速度

vs= Kvvmax= 0.182 5 × 0.1 = 0.018 25 m/s

（2）機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析如圖2所示。

以單片機(jī)構(gòu)為平衡對(duì)象，鉸鏈的約束為理想約束。載荷重力Q，水平推力F，依據(jù)虛位移原理，所有作用在該質(zhì)點(diǎn)系的主動(dòng)力在任何虛位移中所做的虛功之和等于零。⑥即：

∑ ( Fixδxi+Fiyδyi+Fizδzi) = 0

按圖示坐標(biāo)軸建立方程：

-FδxF- QδyQ= 0 （3）

xF= Lcosα yQ= Lsinα

變分計(jì)算得：

δxF= -Lsinαδα δyQ= Lcosαδα

代入式（3）后整理得：

F = Qctgα= KQQ （4）

式中，KQ為力放大系數(shù)。上式表達(dá)了載荷Q與水平驅(qū)動(dòng)力F的關(guān)系。若Q為常數(shù)時(shí)，F(xiàn)只隨著α角的變化而變化，且當(dāng)α角趨向于更小時(shí)，F(xiàn)將趨向更大。

取單片臺(tái)外載的1/2為不平衡載荷，則分配到每套同步齒條機(jī)構(gòu)上的不平衡力為

Q = Qz/ (2×2×2) =12.5 kN，將其代入（4）式得同步齒條的推（拉）力為：

當(dāng)α=10.34°時(shí)，F(xiàn)max= 68 500 N；

當(dāng)α=52.77°時(shí)，F(xiàn)min= 9 500 N。

根據(jù)上述Fmax和vmax設(shè)計(jì)的聯(lián)動(dòng)齒輪參數(shù)⑦如下：

模數(shù)m =10 ；齒數(shù) z =17；有效齒寬 B = 80。

材料 40Cr ；熱處理表面淬火 48～55（HRC）； 齒條材料 20Cr；表面滲碳淬火 45～50（HRC）。

（3）同步齒條有限元分析簡圖如圖3所示。

MDT（Mechanical Desktop）是集AutoCAD與參數(shù)實(shí)體造型、曲面造型、裝配造型、二維與三維雙向關(guān)聯(lián)繪圖及IGES.STEP轉(zhuǎn)換器等模塊于一體的機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)。MDT能與許多有限元分析軟件、運(yùn)動(dòng)分析軟件、數(shù)控加工軟件等無縫連接，在MDT6中集成了有限元分析模塊，大大方便了設(shè)計(jì)計(jì)算。

在該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，同步齒條的力學(xué)結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，利用MDT6中集成的有限元分析模塊進(jìn)行分析計(jì)算，便于結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。

利用計(jì)算功能將同步齒條截面計(jì)算出其截面慣性矩，如圖3a所示，再按等效慣性矩做出等效簡化截面，如圖3b所示。簡化的等效截面便于運(yùn)用二維有限元分析模塊進(jìn)行計(jì)算。

將升降臺(tái)在起始時(shí)同步齒條的受力及約束施加于構(gòu)件（此時(shí)受力最大），得出其變形結(jié)果如圖3c所示，結(jié)果表明構(gòu)件橫向（y向）變形為-0.350、縱向（x向）變形為-0.297。

將升降臺(tái)面在最高位置時(shí)同步齒條的受力及約束施加于構(gòu)件（此時(shí)桿件受力段最長），得出其變形結(jié)果如圖3d所示，結(jié)果表明構(gòu)件橫向（y向）變形為+0.297、縱向（x向）變形為-0.162。

將升降臺(tái)在起始時(shí)同步齒條的受力及約束施加于構(gòu)件（此時(shí)受力最大），得出其應(yīng)力結(jié)果如圖3 e所示，結(jié)果表明最大應(yīng)力為182.33 MPa，位置在齒條齒根處。

上述計(jì)算為設(shè)計(jì)改進(jìn)構(gòu)件結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)，結(jié)構(gòu)均滿足要求。

4 結(jié)論

利用系統(tǒng)探求的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法奧斯本設(shè)問法和特性列舉法，在分析背景技術(shù)本質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，提出的剛性同步機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，有效解決了雙片剪叉式液壓升降設(shè)備的運(yùn)行不同步問題。并通過有限元分析計(jì)算設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)更趨合理。經(jīng)測(cè)試左右片臺(tái)不同步綜合誤差在0.8 ～ 0.3之間；抑制臺(tái)面下沉75%，具有理想的效果及簡單可靠的明顯效益。

注釋：

①③徐灝主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第2卷.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000，10-3 ～ 33

② 劉臻，魏發(fā)孔，宋耀軍.自適應(yīng)控制在液壓升降臺(tái)同步系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.演藝設(shè)備與科技，2005（2）：26～28

④ 戚昌滋.現(xiàn)代設(shè)計(jì)法.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1985，368

⑤ 郝桐生.理論力學(xué).北京：高等教育出版社，1982，218 ～ 2202

⑥ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室編.理論力學(xué)：下冊(cè).北京：高等教育出版社，1981，242～2443

⑦ 徐灝主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第4卷.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000，35-10 ～ 109