張?zhí)?李成 王立志

遼寧陸平機(jī)器股份有限公司 遼寧鐵嶺 112001

1 前言

筆者近日研發(fā)了一款應(yīng)急通信車，需要在其天線艙內(nèi)安裝剪刀叉式液壓升降平臺，可通過升降平臺將天線系統(tǒng)舉升至指定高度，升降平臺展開狀態(tài)如圖1(a)所示。產(chǎn)品交付后在作業(yè)過程中，升降平臺底部滑槽限位插銷已機(jī)械鎖定，此時持續(xù)按下平臺下降按鈕，上部連桿產(chǎn)生彈性變形，而底部兩級連桿發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致液壓升降平臺發(fā)生偏移，不能正?；芈涞降撞客斜P內(nèi)，連桿變形如圖1(b)所示。針對此現(xiàn)象，進(jìn)行了深入分析，制定了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。

2 平臺結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)時，液壓升降平臺舉升載荷Q=380 kg，采用剪刀叉式結(jié)構(gòu)，包括五級剪叉平面連桿機(jī)構(gòu)，由上平臺、液壓缸、連桿、底座、限位插銷和液壓站等組成，升降平臺展開效果如圖2所示。連桿支臂采用矩形冷拔無縫鋼管，桿長（遠(yuǎn)端鉸接孔中心距）L=1 305 mm。采用電力-液壓驅(qū)動和手動操作兩種工作方式，及電氣控制箱和手持控制盒兩種控制方式。

圖1 升降平臺

升降平臺在原始位置和最大高度位置均設(shè)有行程控制開關(guān)，包括電氣和機(jī)械兩種限位，電氣限位用于中斷電機(jī)電源，機(jī)械限位用于行程保護(hù)和鎖定。為避免液壓缸長時間受力產(chǎn)生泄露而影響天線的工作姿態(tài)，升降平臺在4個工作位時，均設(shè)有機(jī)械鎖定，設(shè)置在底座滑槽上，采用限位插銷形

圖2 升降平臺展開效果圖

圖3 各級連桿截面圖

3 原結(jié)構(gòu)分析

液壓升降平臺連桿采用Q345材質(zhì)的冷拔無縫矩形鋼管加工成形，鋼管規(guī)格80 mm×50 mm×4 mm，各級連桿的截面相同，連桿截面如圖3所示。

3.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

根據(jù)連桿的結(jié)構(gòu)方案，對液壓升降平臺進(jìn)行受力分析計(jì)算。依靠底部限位插銷阻止平臺回落狀態(tài)下，進(jìn)行連桿強(qiáng)度的校核計(jì)算，結(jié)構(gòu)簡圖見圖4(a)。圖中P為天線質(zhì)心位置，力F為天線質(zhì)量，G為升降平臺質(zhì)量。

3.1.1 求取橫向約束力

首先求取g點(diǎn)的橫向約束力，把g處約束解除，以力Rgx代替，把此力作為主動力，則結(jié)構(gòu)變成圖4(b)所示機(jī)構(gòu)，用虛位移原理求解。

用解析法，建立坐標(biāo)系如圖4(b)所示，列虛功方程：

列出g點(diǎn)x坐標(biāo)xg、 r點(diǎn)y坐標(biāo)yr和 o點(diǎn)y坐標(biāo)yo：

其變分為：

將δxg、δyr和δyo帶入虛功方程，得

解得：

按上述方法可解得：

注：上述各式中，G隨其上部連桿和液壓缸數(shù)量的減少而依次減小。

圖4 連桿受力分析圖

3.1.2 求取g點(diǎn)的縱向約束力

以整體為研究對象，則結(jié)構(gòu)變成圖4(c)所示機(jī)構(gòu)，根據(jù)受力平衡原理可得出：

其余各點(diǎn)縱向約束力分別與g點(diǎn)和f點(diǎn)相同，在各式中質(zhì)量G隨其上部連桿和液壓缸數(shù)量的減少而依次減小。

3.1.3 連桿強(qiáng)度計(jì)算與校核

本次計(jì)算采用Abaqus有限元軟件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，有限元單元類型為殼單元和實(shí)體四面體單元，計(jì)算所述等效應(yīng)力為根據(jù)第四強(qiáng)度理論得出的Von-Mises等效應(yīng)力，并以云圖和數(shù)值方式表述。應(yīng)力圖中所列數(shù)值單位為Pa。

考慮零部件的重要程度、載荷計(jì)算及抗拉強(qiáng)度極限等因素，安全系數(shù)取1.5，即n=σs/σmax>1.5時強(qiáng)度滿足要求，反之則不滿足要求。上式中σmax為最大應(yīng)力，σs為材料的屈服強(qiáng)度，連桿材質(zhì)Q345，屈服強(qiáng)度345 MPa，安全系數(shù)取1.5時，[σ]=230 MPa。鋼質(zhì)材料彈性模量206 MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

各連桿有限元計(jì)算結(jié)果見圖5(a)~(e)（第5、4、3、2、1節(jié)順序，實(shí)物順序?yàn)閺南孪蛏希?，?jì)算結(jié)果為連桿與地面夾角為18.32°（限位銷插入滑槽端部限位孔）時各節(jié)連桿的等效應(yīng)力云圖。各連桿在4個工作位的計(jì)算結(jié)果見表1所示。

圖5 各連桿等效應(yīng)力云圖

3.2 分析結(jié)論

由上述分析可知，第5節(jié)~第3節(jié)的安全系數(shù)均小于1.5，最大應(yīng)力大于材料屈服強(qiáng)度，已產(chǎn)生塑性變形。經(jīng)現(xiàn)場檢查，當(dāng)?shù)撞肯尬讳N處于限位狀態(tài)時，此時持續(xù)按下平臺下降按鈕，底部支臂連桿受力持續(xù)增大，所受最大工作應(yīng)力超出材料的屈服強(qiáng)度，連桿發(fā)生變形。由此可見，原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，導(dǎo)致升降平臺底部兩級連桿發(fā)生塑性變形。

表1 各連桿參數(shù)和計(jì)算結(jié)果

表2 各連桿參數(shù)和計(jì)算結(jié)果

4 改進(jìn)結(jié)構(gòu)分析

4.1 連桿改進(jìn)結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)要輕量化，在質(zhì)量增加盡量少的前提下，改進(jìn)連桿結(jié)構(gòu)，確定各級連桿的使用材質(zhì)及截面尺寸，如圖6所示，從左往右依次按第5、4、3、2、1節(jié)順序排列（實(shí)物順序?yàn)閺南孪蛏希?/p>

第5節(jié)連桿采用HG70高強(qiáng)鋼板組焊成矩形管結(jié)構(gòu)，上、下板采用10 mm鋼板；左、右立板采用6 mm鋼板，同時，外側(cè)再增加3 mm和6 mm加強(qiáng)板；第4節(jié)連桿采用HG70高強(qiáng)鋼板組焊成矩形管結(jié)構(gòu)，上、下板采用10 mm鋼板，左、右立板采用6 mm鋼板；第3節(jié)連桿采用HG70高強(qiáng)鋼板折彎成槽形件，板厚5 mm，組焊成矩形管結(jié)構(gòu)；第2節(jié)連桿采用HG70高強(qiáng)鋼板折彎成槽形件，板厚4 mm，組焊成矩形管結(jié)構(gòu)；第1節(jié)連桿采用Q345材質(zhì)矩形鋼管加工成形，壁厚4 mm。

圖6 各級連桿截面圖

4.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

根據(jù)實(shí)際使用要求，改進(jìn)結(jié)構(gòu)要同時考慮平臺上部有2名維護(hù)人員（150 kg）時的工況，其他受力分析、橫向約束力、縱向約束力計(jì)算方法及安全系數(shù)選則與原結(jié)構(gòu)相同。連桿材質(zhì)HG70，屈服強(qiáng)度590 MPa，安全系數(shù)取1.5時，[σ]=393 MPa。

各連桿有限元計(jì)算結(jié)果見圖7(a)~(e)，計(jì)算結(jié)果為連桿與地面夾角為18.32°（限位銷插入滑槽端部限位孔）時各節(jié)連桿的等效應(yīng)力云圖。各連桿在4個工作位的計(jì)算結(jié)果見表2所示。

4.3 結(jié)論分析

由上述分析可知，第5節(jié)~第1節(jié)的安全系數(shù)均大于1.5，各連桿改進(jìn)后的材質(zhì)分別選用HG70和Q345，屈服強(qiáng)度分別為590 MPa和345 MPa，最大應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度，僅產(chǎn)生彈性變形。因此，連桿改進(jìn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足使用要求。

5 結(jié)語

針對升降平臺底部滑槽限位插銷已機(jī)械鎖定，持續(xù)按下平臺下降按鈕的特殊工況，筆者進(jìn)行了深入細(xì)致的分析，按改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，重新生產(chǎn)，將已出廠的產(chǎn)品更換了平臺，并按新工況進(jìn)行了多次試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，改進(jìn)后的液壓升降平臺連桿結(jié)構(gòu)能夠滿足實(shí)際使用需要，能夠保證天線系統(tǒng)可靠工作。

圖7 各連桿等效應(yīng)力云圖

采用虛位移原理，分析、計(jì)算剪刀叉式液壓升降平臺的連桿支臂，可作為同類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參考。由于受質(zhì)量指標(biāo)和空間布局等限制，本次只能在已有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，若是全新設(shè)計(jì)剪刀叉式液壓升降平臺，其連桿支臂的截面結(jié)構(gòu)亦可以在計(jì)算后進(jìn)行優(yōu)化。