任小鴻，梅靜，陳麗

高空作業(yè)液壓升降平臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與有限元分析

任小鴻1，梅靜1，陳麗2

(1.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川瀘州646099; 2.瀘州華西機(jī)械有限責(zé)任公司，四川瀘州646300)

本文通過(guò)一種新型的液壓平臺(tái)的研發(fā)，改變了傳統(tǒng)升降平臺(tái)操作不便，作業(yè)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)難的缺點(diǎn)，通過(guò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)Ansys軟件對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行失穩(wěn)分析，將其應(yīng)用于生產(chǎn)。新的升降平臺(tái)具有可靠性強(qiáng)、平穩(wěn)性高和安全性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有著廣闊的發(fā)展前景。

高空作業(yè);液壓升降平臺(tái);Ansys

0 前言

高空作業(yè)平臺(tái)作為一種系列化的工程機(jī)械裝備，廣泛應(yīng)用于化工、船舶、建筑、消防、港口貨運(yùn)等行業(yè)。隨著高空作業(yè)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)的需求將會(huì)越來(lái)越大，特別是對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)的可靠性、可操作性、使用范圍、安全性等提出了更高的要求，由于傳統(tǒng)的高空作業(yè)升降平臺(tái)采用在底座上固定導(dǎo)筒，并在導(dǎo)筒內(nèi)滑動(dòng)設(shè)置導(dǎo)柱，通過(guò)起重設(shè)備將平臺(tái)往上移，操作者要通過(guò)外加的梯子才能上平臺(tái)操作，樓梯的長(zhǎng)短無(wú)法調(diào)整，作業(yè)人員不便在作業(yè)平臺(tái)上下，且工作平臺(tái)難以轉(zhuǎn)動(dòng)，平臺(tái)的維護(hù)較為困難，安全性較差，由此，某公司根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出一種新型高空作業(yè)液壓升降平臺(tái)，在傳統(tǒng)平臺(tái)的空心導(dǎo)筒內(nèi)增加一液壓缸，液壓缸活塞桿與平臺(tái)通過(guò)鉸鏈連接，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)平臺(tái)的升降平衡和平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，在平臺(tái)底側(cè)增加一可調(diào)節(jié)樓梯，保證梯子、平臺(tái)、地面連接，作業(yè)人員上下自如，本平臺(tái)已獲授權(quán)專利“高空作業(yè)液壓升降平臺(tái)”(專利號(hào)ZL201320358851.4)。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

液壓升降平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

液壓平臺(tái)主要采用底座上固定一導(dǎo)筒，此導(dǎo)筒采用圓柱體，在導(dǎo)筒內(nèi)部設(shè)置一中空導(dǎo)柱。導(dǎo)柱與導(dǎo)筒之間采用滑動(dòng)配合，間隙較小，導(dǎo)柱與導(dǎo)筒之間進(jìn)行液壓潤(rùn)滑處理，使液壓平臺(tái)能自如旋轉(zhuǎn)，并且在較小的間隙條件下，能有效防止導(dǎo)筒變形。中空的導(dǎo)柱內(nèi)采用液壓缸作為支撐，液壓缸的活塞桿與平臺(tái)底面采用鉸鏈機(jī)構(gòu)。當(dāng)液壓平臺(tái)需要旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)調(diào)整鉸鏈機(jī)構(gòu)，能有效地保證平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而擴(kuò)大液壓平臺(tái)的工作范圍;在平臺(tái)底部外側(cè)設(shè)置一外梯，此外梯與平臺(tái)底面通過(guò)軸銷聯(lián)接，另一端與底面接觸，梯子長(zhǎng)度通過(guò)兩層內(nèi)外梯子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用滑動(dòng)聯(lián)接，保證平臺(tái)在任意高度均能與地面或底座接觸，并且能保證梯子的層高均勻，使人能安全上下梯子進(jìn)行作業(yè)，方便了作業(yè)人員的作業(yè);另外，此平臺(tái)還設(shè)計(jì)了加長(zhǎng)范圍與安全保護(hù)結(jié)構(gòu)，主平臺(tái)與副平臺(tái)采用活頁(yè)聯(lián)接，副平臺(tái)上鉆有一定數(shù)量的孔，當(dāng)作業(yè)人員在主平臺(tái)范圍內(nèi)工作時(shí)，副平臺(tái)則成為了保護(hù)作業(yè)范圍的欄桿，當(dāng)主平臺(tái)作業(yè)范圍不夠時(shí)，則需要將副平臺(tái)旋轉(zhuǎn)90°，并將銷子插入事先設(shè)置的孔內(nèi)，以保證副平臺(tái)的展開(kāi)，使工作范圍擴(kuò)大，(圖2所示為作業(yè)范圍擴(kuò)大后的示意圖)，將預(yù)先做好的防護(hù)欄通過(guò)在副平臺(tái)上的孔進(jìn)行聯(lián)接，有效地保證了在作業(yè)范圍擴(kuò)大的情況下保證了作業(yè)的安全性。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Structure diagram

2 材料選用及其熱處理

圖2 作業(yè)范圍示意圖Fig.2Operating range

平臺(tái)在作業(yè)過(guò)程中，空心導(dǎo)柱受到偏心載荷的影響較大，影響了整個(gè)平臺(tái)的安全性，其材料的選擇及熱處理工藝對(duì)于整個(gè)液壓平臺(tái)的使用產(chǎn)生較大的影響。因此，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，導(dǎo)筒內(nèi)部空心導(dǎo)柱采用材料T10A，T10A材料的強(qiáng)度及耐磨性均較高，不受較大沖擊的耐磨，避免在作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生偏載的影響。對(duì)于該材料的熱處理熱硬性低、淬透性不高且淬火變形大，采用淬火工藝后，在產(chǎn)品的外層采用氮化處理，其耐磨性得到提高，完全能滿足液壓平臺(tái)使用的要求。

3 關(guān)鍵零件ANSYS分析設(shè)計(jì)

根據(jù)液壓平臺(tái)的關(guān)鍵零件的受力情況進(jìn)行ANSYS分析。通過(guò)分析，對(duì)于平臺(tái)下的底座下的中空導(dǎo)柱在使用中受到偏載，在UG軟件中進(jìn)行造型，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在ANSYS軟件中進(jìn)行分析。在極限情況下的其應(yīng)力、應(yīng)變與總變形分別如圖3、圖4、圖5所示。由分析結(jié)果可知，變形不大，安全性較高，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)完全能滿足工況的需求。

圖3 總應(yīng)力圖Fig.3Total stress figure

圖4 總應(yīng)變圖Fig.4Total strain figure

圖5 總變形圖Fig.5Total deformation figure

4 液壓液壓缸及安全校核

作為液壓缸中活塞桿在作業(yè)人員作業(yè)時(shí)，最易產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，因此，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，有效地保證了液壓缸的動(dòng)作。液壓缸承受軸向壓縮載荷時(shí)，根據(jù)公式(略)計(jì)算出活塞桿的載荷為F=5.9×104N。當(dāng)活塞桿直徑d與活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度L之比大于10時(shí)，應(yīng)校核活塞桿的縱向抗彎強(qiáng)度或穩(wěn)定性。由材料受力可知，受壓細(xì)長(zhǎng)桿，當(dāng)荷力接近某一臨界值時(shí)，桿件將產(chǎn)生縱向彎曲。且其撓度值隨壓縮載荷的增加而急劇增大，可按歐拉公式計(jì)算臨界載荷Pk，即

式中，k為常數(shù)，當(dāng)活塞桿為實(shí)心時(shí)k取1.02; n為末端條件系數(shù)，n=1;d為活塞桿桿徑，d =0.05 mm;L為活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度，即活塞桿在最大伸出時(shí)，活塞桿端支點(diǎn)和液壓缸安裝點(diǎn)間的距離，L=3.63 mm。

臨界載荷Pk大于液壓缸的最大載荷，所以液壓缸是穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)生縱向彎曲變形。

5 液壓升降平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用效果

本液壓平臺(tái)經(jīng)過(guò)多家客戶的使用，效果良好。是一款具有可靠性強(qiáng)、平穩(wěn)性高和安全性強(qiáng)的液壓平臺(tái)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白［1］。

(1)液壓平臺(tái)的上下移動(dòng)自如。傳統(tǒng)的平臺(tái)盡管采用有導(dǎo)柱，但是平臺(tái)的起降主要是通過(guò)外加起吊設(shè)備來(lái)控制，成本較高，并且常常由于位置的限制使得作業(yè)人員無(wú)法操作，通過(guò)在空心的導(dǎo)柱內(nèi)加入液壓缸，液壓缸的進(jìn)出油與管路與油泵相連，并在管路上設(shè)有控制系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置在液壓平臺(tái)上的控制按鍵可有效地控制平臺(tái)的升降，操作自如。

(2)液壓平臺(tái)的工作范圍較大，通過(guò)液壓缸中活塞桿與液壓平臺(tái)底部采用的鉸鏈連接，當(dāng)作業(yè)范圍不夠時(shí)，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)達(dá)到要求的位置，另外，在液壓平臺(tái)的底部設(shè)置了一個(gè)主平臺(tái)與副平臺(tái)(3個(gè)方面)，主平臺(tái)與副平臺(tái)間采用的活頁(yè)聯(lián)接，當(dāng)需要增加作業(yè)范圍時(shí)，可將副平臺(tái)旋轉(zhuǎn)90°，以保證副平臺(tái)的展開(kāi)，使工作范圍擴(kuò)大，可以通過(guò)在任意副平臺(tái)方向旋轉(zhuǎn)后，可以加大液壓平臺(tái)的工作范圍。

(3)液壓平臺(tái)的安全性好，此液壓平臺(tái)的梯子設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)新，梯子的一端與液壓平臺(tái)的底部通過(guò)活動(dòng)關(guān)節(jié)聯(lián)接，同時(shí)，采用內(nèi)外滑動(dòng)梯子結(jié)構(gòu)保證了梯子在液壓平臺(tái)升降時(shí)友好地與地面或底座相接觸，保證了作業(yè)人員在作業(yè)時(shí)上下的方便，梯子的層數(shù)均勻，從而保證的操作人員的安全，另外在副平臺(tái)未工作時(shí)作為欄桿，副平臺(tái)在工作時(shí)，通過(guò)預(yù)先做好的欄桿裝在副平臺(tái)上，保證了作業(yè)人員的安全性。

［1］賈永清．高空作業(yè)車舉升臂液壓控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［D］．重慶:重慶交通大學(xué)．2012．

［2］張博利，顏超，張威．剪升機(jī)構(gòu)平臺(tái)速度和活塞推力分析［J］．機(jī)床與液壓，2014，(22):124－126

［3］鄭玉巧，張堆學(xué)，毛建軍，等．剪叉式升降臺(tái)液壓缸位置參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．機(jī)床與液壓，2010 (20):39－41．

［4］李鄂民，齊文虎，王濱，等．液壓缸雙梁鉸接式剪叉機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］．機(jī)床與液壓，2011(22):71－72．

［5］周莎莎．剪叉式液壓升降平臺(tái)性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］．濟(jì)南:山東輕工業(yè)學(xué)院，2012．

［6］牛文歡．新型剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［D］．濟(jì)南:山東大學(xué)，2013．

［7］劉全政．伸縮臂高空作業(yè)平臺(tái)輕量化設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)研究［D］．濟(jì)南:山東大學(xué)，2012．

［8］吳剛．18米高空作業(yè)車作業(yè)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化仿真分析［D］．合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2012．

［9］江偉．多功能高空作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析［D］．鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué)，2012．

［10］姜文超．剪叉式液壓升降平臺(tái)參數(shù)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化［D］．濟(jì)南:濟(jì)南大學(xué)，2015．

［11］李興慧．銅包裝線整形工位升降臺(tái)力學(xué)性能研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］．蘭州:蘭州理工大學(xué)，2010．

［12］閆磊．銅包裝線升降臺(tái)載荷特性及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究［D］．蘭州:蘭州理工大學(xué)，2011．

［13］李敏．全向剪叉自行式高空作業(yè)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)［D］．南京:南京航空航天大學(xué)，2013．

［14］馬孝林．高壓帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)及優(yōu)化［D］．濟(jì)南:山東建筑大學(xué)，2014．

［15］姜振廷．六自由度帶電作業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真及動(dòng)力特性分析［D］．濟(jì)南:山東建筑大學(xué)，2014．

［16］黃小征．自行式高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析與穩(wěn)定性研究［D］．沈陽(yáng):沈陽(yáng)建筑大學(xué)，2013．

［17］郭佳．混合臂式高空作業(yè)車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013．

［18］舒南翔．多功能車升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究［D］．長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2013．

［19］王建超．懸掛式丘陵山地果園作業(yè)升降平臺(tái)設(shè)計(jì)［D］．濟(jì)南:山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013．

［20］高煥兵．帶電搶修作業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析與控制方法研究［D］．濟(jì)南:山東大學(xué)，2015．

［21］宋興龍．基于ANSYS的高空作業(yè)平臺(tái)的有限元分析［D］．南京:南京林業(yè)大學(xué)，2009．

Structure optimization and the finite element analysis of aerial work hydraulic lifting platform

REN Xiao-hong1，MEI Jing1，CHEN Li2
(1.Sichuan Vocational college of Chemical Technology，Luzhou 646099，China; 2.Luzhou huaxi machinery Co.，Ltd.，Luzhou 646300，China)

In this paper，a new type of hydraulic platform is developed，some shortcoming such the traditional lift platform operating inconvenience as turning difficult are changed．Through optimization design of the structure，and buckling analysis of the key components by Ansys，New lift platform applied to the production，the platform has high reliability，stability and safety，and is widely used in industry．

aerial work;hydraulic lift platform;Ansys

TD528

A

1001－196X(2017)01－0087－04

2016－03－05;

2016－04－27

任小鴻(1973－)，男，副教授，主要從事模具CAD/ CAM技術(shù)研究及應(yīng)用工作