張柏++張興國++郭成功++陳錦翔++莫亞梅++袁國秋

摘要：通過對(duì)剪叉式升降機(jī)剪叉機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能分析，設(shè)計(jì)了一種新型的組合銷止動(dòng)裝置，可以讓剪叉機(jī)構(gòu)在多位置高度實(shí)現(xiàn)鎖定，具有安裝與拆卸便捷、可靠性高、磨損小等性能特點(diǎn)。闡述了該組合銷的結(jié)構(gòu)組成，與單支撐桿、單銷鎖定方式進(jìn)行了理論比較，并通過Midas軟件進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了該組合銷結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，為大負(fù)載升降機(jī)的安全保障提供一種新型裝置。

關(guān)鍵詞：剪叉式；升降機(jī)；組合銷；單支撐桿；Midas；

中圖分類號(hào)：TH212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）11（a）-0000-00

0引言

在各種升降機(jī)中，剪叉式升降平臺(tái)因其結(jié)構(gòu)緊湊，安全可靠，使用方便，操控性好，被廣泛應(yīng)用在物流、裝卸作業(yè)、制造維修等場(chǎng)合。在剪叉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了保持其工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)的安全性，一般在相鄰剪叉構(gòu)件上設(shè)計(jì)有固定支撐，或者用液壓自鎖的方式來實(shí)現(xiàn)。采用固定支撐裝置的缺點(diǎn)是不能靈活地控制剪叉升降的高度，只能讓其保持在某一個(gè)固定高度上，而且單支撐桿的質(zhì)量性能直接影響到升降機(jī)的安全性。采用液壓自鎖的方式優(yōu)于前者，不但解決了前者不能隨意控制高度的問題，還提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性。

筆者在實(shí)際工作中，研制了一款用于室內(nèi)起吊用的升降機(jī)，主要用于起升室內(nèi)變壓器的鐘罩。起升之后，工作人員要在鐘罩正下方進(jìn)行維修、裝配作業(yè)，因此升降機(jī)的位置保持安全可靠性非常重要。這里設(shè)計(jì)了一種安裝與拆卸便捷、可靠性高、磨損小的組合銷，具有裝卸和調(diào)整方便、多位置調(diào)節(jié)高度、安全可靠性高等特點(diǎn)。

1組合銷的設(shè)計(jì)

1.1組合銷的結(jié)構(gòu)

圖1為組合銷結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為帶銷孔的配套剪叉構(gòu)件示意圖。這種新型的組合銷主要由組合銷體和組合銷座兩部分組成，其中組合銷體由手柄部分和圓柱銷體部分組成，圓柱銷體部分用十六只等直徑的圓柱銷組合而成，因?yàn)橥ǔ５募舨鏅C(jī)構(gòu)需要不同高度的定位，對(duì)于中間連接中心軸的部分我們就設(shè)計(jì)了均勻分布的十六只銷孔，配合十六只圓柱銷滿足升高的不同角度的要求。手柄部分采用十字花式，抓取更加方便。銷體和銷座主體采用鏤空式，可以減輕其自身重量，拆卸操作更加便捷。組合銷座部分由兩部分組成，解決了剪叉機(jī)構(gòu)中間軸安裝拆卸干涉的問題，在設(shè)計(jì)上同時(shí)采用安裝手柄，便于安裝與拆卸。同時(shí)主體部分同時(shí)設(shè)計(jì)十六只與圓柱銷等直徑均勻分布的配套的安裝凹槽，使得每一只圓柱銷都可以準(zhǔn)確的安裝固定在準(zhǔn)確的位置上。從而保證剪叉機(jī)構(gòu)保持在所要求的高度位置上。組合銷座部分由兩個(gè)半圓銷座組成，既防止和剪叉機(jī)構(gòu)中中間軸的干涉，同時(shí)又簡化了操作。

1.2組合銷的結(jié)構(gòu)組裝分析

通過對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)的仔細(xì)研究，我們認(rèn)為讓剪叉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且可以在任意高度具有可調(diào)整的性能的關(guān)鍵在于自鎖方式。采用上述的組合銷可以完成支撐、固定、導(dǎo)向、自鎖、多位置高度調(diào)節(jié)的功能。具體組裝方法如圖3所示。操作時(shí)，首先將剪叉機(jī)構(gòu)升降臺(tái)提升或者降低在需要的位置，然后將組合銷體部分與與之配套的剪叉葉片中間部分的銷孔配套起來，插入銷控中，保持固定。最后再將圓柱銷插入銷座部分的配套圓柱銷安裝凹槽，進(jìn)一步固定，安裝過程即可完畢。拆卸過程反之亦然。

2.組合銷的理論分析

結(jié)合實(shí)際理論數(shù)據(jù)，證明組合銷體比葉片之間支撐桿的方式固定更具有優(yōu)勢(shì)。首先給定一定的條件：我們這里只考慮一層剪叉機(jī)構(gòu)的受力影響（多層同理可推知），給定同樣的負(fù)載力5t，研究這兩種不同固定方式下的受力情況如下。

2.1組合銷的強(qiáng)度驗(yàn)算

所設(shè)計(jì)的組合銷銷體部分是圓柱銷，一共有16個(gè)等直徑（ 20）且均勻分布的圓柱銷。圓柱銷起定位作用時(shí)，它的直徑大小的設(shè)定和本身結(jié)構(gòu)有關(guān)。由上述條件可知，單個(gè)組合銷的受力簡圖如圖4所示。

銷的剪切力的計(jì)算公式如下：

其中：F—橫向力，N；d—銷的直徑，mm；Z—銷數(shù)； —銷的許用剪應(yīng)力，MPa，對(duì)于銷的常用材料取 =80MPa。

設(shè)承受5t的負(fù)載力，則 =5000 9.8=49000N

由結(jié)構(gòu)可知，

所以由上式（1）可得銷的剪切力：

2.2剪叉構(gòu)件間單支撐桿固定方式的強(qiáng)度計(jì)算

剪叉構(gòu)件間單支撐桿固定方式的結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示，其中AB桿是所承受支撐的固定支撐桿，設(shè)外在條件和上述條件一致，AB桿的截面積形狀為 mm的矩形截面。則由實(shí)際情況可知，AB桿一定會(huì)承受外載力而彎曲，同樣計(jì)算它的剪切力。公式如（3）：

其中： —橫截面上的剪力，N；h，b—截面的長和寬，mm； —截面上距中性軸靜矩； —整個(gè)截面對(duì)中性軸的慣性矩。

設(shè)承受5t的負(fù)載力，則 =5000 9.8=49000N

由結(jié)構(gòu)可知， b=20mm h=20mm

所以由式（3）可得：

=1.5 183.75MPa （4）

綜上所述計(jì)算結(jié)果可以看出：9.753MPa<183.75MPa，組合銷受力小，更可靠。

2.3升降位置調(diào)節(jié)

研究的組合銷還具有在不同高度進(jìn)行定位的功能，其過程如下。將與之配套的兩個(gè)剪叉機(jī)構(gòu)的十六個(gè)銷孔標(biāo)號(hào)，分別是1、2、3…16，將連帶剪叉機(jī)構(gòu)的兩部分構(gòu)件取名為A板和B板。設(shè)定當(dāng)A板的1號(hào)孔與B板的1號(hào)孔對(duì)應(yīng)的時(shí)候，剪叉機(jī)構(gòu)的兩個(gè)構(gòu)件是重合的。那么當(dāng)需要在較底高度固定的時(shí)候，則可以將剪叉機(jī)構(gòu)調(diào)整到A板的1號(hào)孔和B板的3號(hào)孔對(duì)應(yīng)重合的位置，再將組合銷插入銷孔中，固定好即可。如果我們需要在較高的位置固定，則可以將A板的1號(hào)孔和B板的5號(hào)孔對(duì)應(yīng)重合的位置，再將組合銷插入銷孔中，固定好即可。同理，依次可以調(diào)節(jié)到其他高度位置，操作簡單，易行。

3. 組合銷基于Midas的受力分析

3.1 組合銷Midas的受力分析

用Midas軟件對(duì)組合銷的受力進(jìn)行分析。首先在solidworks中建立好組合銷的模型，尺寸如前述理論數(shù)據(jù)。16只銷的直徑d=20mm，組合銷外圓直徑d=240mm。選用Q235作為銷的材料，在Midas中用高速四面體的方法對(duì)整體劃分網(wǎng)格，一共劃分了14386個(gè)單元，26948個(gè)節(jié)點(diǎn)。加負(fù)載力49000N，用Midas分析后總平動(dòng)位移如圖6所示，受到最大位移移動(dòng)的位置為4.02958 mm，在圖中紅色標(biāo)記位置處。相應(yīng)的組合銷的等效應(yīng)力圖如圖7所示。

3.2組合銷及單支撐桿、單銷的受力比較

同樣方法，可以對(duì)單支撐桿、單銷進(jìn)行Midas受力分析，結(jié)果與前述計(jì)算結(jié)果一致，組合銷的受力優(yōu)于單支撐桿、單銷。另外，組合銷中板上均布的16只孔可以分布成4等分。在上半部1/4位置的銷給剪叉機(jī)構(gòu)不同位置起主要定位的作用，而其余的3/4部分是在不同狀態(tài)固定時(shí)起到加強(qiáng)固定的作用。如果采用單銷，經(jīng)過長時(shí)間的使用和磨損，定位會(huì)造成極大程度上的不準(zhǔn)確。同時(shí)沒有了多孔的固定，在實(shí)際應(yīng)用中極容易受到過載的影響，導(dǎo)致斷裂，甚至發(fā)生事故等。安全性得不到保證。組合銷在這些方面都有著良好的性能，提高了強(qiáng)度和可靠性，同時(shí)滿足了在各個(gè)高度上都可以固定的要求，在負(fù)載較大的場(chǎng)合，具有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

4.結(jié)束語

終上所述，可得到結(jié)論：組合銷的強(qiáng)度性能和多角度定位性能比以往固定方式更具優(yōu)勢(shì)，安全可靠，裝卸便捷，是適用于剪叉機(jī)構(gòu)的一種新型的鎖定裝置，使得剪叉機(jī)構(gòu)在整體上更穩(wěn)定，實(shí)際應(yīng)用過程中不易發(fā)生隱患，該研究對(duì)剪叉式升降機(jī)在實(shí)用方面的新穎性、可靠性是顯而易見的。

參考文獻(xiàn)

[1]尹冠生.理論力學(xué)[M]. 西安： 西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 5 版. 北京： 化學(xué)工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[3]劉麒聞. 壁行吊車梁系統(tǒng)的數(shù)值仿真[J]. 南通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，02：40-47.

[4]劉洋，吳國慶，宋晨光，張旭東. 1kW垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片靜力分析[J]. 南通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，02：1-7.

[5]王鈺明，曹初，胡冬寶，呂先洋. 扭轉(zhuǎn)梁式后懸架系統(tǒng)力學(xué)特性有限元分析[J]. 南通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，04：31-35.

[6]張晨，徐勛倩，陳靜. 懸臂鋼管混凝土構(gòu)件在橫向沖擊荷載下承載性能有限元分析[J]. 南通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，03：34-38.

[7]陳光營，張晨，李加才. 頂?shù)捉卿撨B接中帶肋角鋼有限元分析[J]. 南通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，04：58-63.

作者簡介：張柏，（1992-），女，研究生，研究方向：機(jī)電一體化及機(jī)器人技術(shù)。

*通訊作者：張興國（1975 -），男，江蘇沭陽人，副教授，碩士，主要從事光機(jī)電一體化及機(jī)器人技術(shù)方面教學(xué)、科研工作。