鄭繼平 陳裕炯 曾航 李春蓉 周智輝

摘要：本文對一種剪叉機構進行了參數優(yōu)化設計，采用動力學方法對剪叉機構的鉸點進行了設計研究，使剪叉的下油缸力降低10.8%，剪叉油缸力、剪叉作業(yè)高度均滿足設計要求，實現了機構的優(yōu)化設計。

Abstract： In dealing with the unreasonable force of the cylinders on the scissor mechanism， this article， by using dynamic method， the hinge points of the scissor mechanism is designed and studied. Successfully reducin

0 ?引言

剪叉式高空作業(yè)平臺是一種集機電液為一體的高空作業(yè)專用設備?？蓮V泛用于室內外機械安裝、設備維修、建筑保養(yǎng)等場合。剪叉結構和升降油缸是剪叉作業(yè)車的重要組成部分，是完成剪叉作業(yè)功能的關鍵部件。[1][2]國內有專業(yè)設計人員從事剪叉的研究工作，鄭玉巧，張堆學，毛建軍等對剪叉油缸位置進行了參數化設計，蘇毅，施國凱，董銘峰等進行了多連桿折疊機構的賦形設計，張光旭，袁端才進行了剪叉動力學仿真研究[3] [4] [5]，這些研究僅從有限元及機構仿形仿真的角度進行研究。本文采用LMS Virtual Lab Motion參數優(yōu)化設計的方法，對剪叉機構的上下油缸座鉸點進行優(yōu)化設計，降低了油缸推力，保證剪叉機構的舉升高度，實現了結構的優(yōu)化設計。

1 ?一種剪叉機構

剪叉機構如圖1所示。剪叉由外叉和內叉交錯連接組裝而成。如圖1所示。圖中序號依次為1.內叉1、2.外叉1、3內叉2、4.外叉2、5.內叉3、6.外叉3、7.內叉4、8.外叉4、9.外叉5、10.內叉5、11.內叉6、12.外叉6、13.上油缸、14.下油缸。 內叉1、內叉3、內叉5與下油缸、上油缸裝配。通過油缸的伸縮實現叉子的上升和下降。

2 ?剪叉機構鉸點設計

2.1 剪叉機構的幾何原理

剪叉機構中各軸的中心鉸接點稱為鉸點如圖2所示。各副叉子兩端通過鉸點相連，每節(jié)叉子分為內叉外叉，內叉外叉形成剪刀叉，通過中間鉸點相連。中間鉸點距兩端的距離相等。油缸座鉸點的設計對于油缸的選型及剪叉的結構設計起著至關重要的作用。

每個叉子中點到端點的距離為L，為單根叉子長度的二分之一，a，b，c，d為比例變量，取值小于1;為了保證結構布置合理，避免結構干涉。其取值范圍分別是a（0.3～0.85）、b（0.3～0.85）、c（0.3～0.85）、d（0.3～0.8）。內叉1油缸座鉸點與叉子的垂足距中點的距離為a×L，內叉1中點坐標（0，0），內叉1油缸座鉸點距叉子中心線垂直距離為h1;同理，內叉3中點坐標（0，y1），內叉3油缸座1鉸點與叉子的垂足距中點的距離為b×L，內叉3油缸座1鉸點距叉子中心線垂直距離為h2，內叉3油缸座2鉸點與叉子的垂足距中點的距離為c×L，內叉3油缸座2鉸點距叉子中心線垂直距離為h3;內叉5中點坐標（0，y2），內叉5油缸座鉸點與叉子的垂足距中點的距離為d×L，內叉5油缸座鉸點距叉子中心線垂直距離為h4。由幾何關系可推導出內叉1油缸座鉸點坐標（x3，y3）如下：

2.4 LMS Virtual Lab Motion 動力學建模

LMS Virtual Lab是一種一體化多學科3D仿真平臺，它提供集成的仿真環(huán)境，具備完整的結構、振動、聲學、多體動力學、疲勞、混合仿真分析、優(yōu)化設計等分析能力。LMS Virtual Lab Motion運動學和動力學分析模塊用于模擬各種機械系統(tǒng)的實際運動和載荷，可以快速地分析機械系統(tǒng)運動規(guī)律，優(yōu)化設計方案，保證在進行實物試驗前，設計方案和預期結果一樣。LMS Virtual Lab Motion具有強大的求解能力，其優(yōu)異的求解器和參數化的應用模塊大大提高了虛擬設計的效率。采用的LMS Virtual Lab Motion對剪叉機構建立動力學模型，將銷軸連接處采用采用轉動副連接，油缸筒與油缸桿采用圓柱副連接，工作平臺上的載荷以質量塊替代，重力方向為Y軸方向豎直向下。下油缸通過圓柱副的軸向位移驅動油缸活塞相對油缸缸筒進行直線運動實現油缸伸縮，上油缸通過圓柱副的軸向驅動力驅動活塞相對于油缸筒實現直線運動，通過內部派生函數提取下油缸的驅動力F2，按照上下油缸活塞的面積比進行分配到上油缸，即F1=f×F2，F1為上油缸力，通過上下油缸的共同驅動實現剪叉平臺的升降。建立模型如圖3所示。參變量的設計如圖2所示，各坐標值以上述公式進行參數化表達。

2.5 LMS Virtual Lab Motion優(yōu)化計算

首先對單變量進行設計研究，采用自動迭代法進行研究，以運行過程中下油缸力的最大值為研究目標，以變量a、b、c、d、f、h1、h2、h3、h4為設計變量，研究設計變量與目標的關系。設計分析的定義包括：在一定范圍內，改變設計變量;對每個數值進行一次仿真;對每次仿真，報告性能測試的結果;從生成的結果中，可以確定變量的最佳值;各個變量的靈敏度。靈敏度S與迭代次數的關系為：

變量a、b、c、d、f、h1、h2、h3、h4對于下油缸力最大值的靈敏度分析如表1所示。

對各變量的初始靈敏度進行比較，可知a、b、c、d、f的初始靈敏度都大于6×104，因此優(yōu)化a、b、c、d、f變量。以油缸力最小化設計優(yōu)化目標函數，以平臺上表面到下滑道高度13100mm、為節(jié)省油缸種類以上下油缸長度相等及平臺最小高度為約束條件進行參數優(yōu)化。油缸力優(yōu)化前329704N，最高點油缸力大于初始點油缸力，對油缸屈曲穩(wěn)定性不利，優(yōu)化后294101N，減少10.8%，且最高點油缸力小于初始點油缸力，對油缸屈曲穩(wěn)定性有利。平臺距下滑道高度值為優(yōu)化前725.7～13279mm，優(yōu)化后726.4～13250mm。高度基本保持原來高度。下油缸最小長度1805mm，最長距離3190mm;下油缸最小長度1807mm，最大長度3189mm。上下油缸長度安裝距一致。根據參數值對鉸點坐標進行調整并設計剪叉，經校核機構運動符合設計要求，結構布置合理，滿足設計要求。（圖4、表2）

3 ?結論

①通過對剪叉油缸座鉸點的優(yōu)化設計，將主臂油缸力下降10.8%，油缸力滿足設計要求。為油缸選型提供依據。②通過對剪叉油缸座鉸點的優(yōu)化設計，平臺的高度滿足設計高度。且上下油缸行程安裝距一致。③經過優(yōu)化設計，各油缸鉸點力減小，為油缸銷軸的設計及油缸座的優(yōu)化設計提供了依據。④優(yōu)化設計方法能有效解決設計中的問題，實現設計中的最優(yōu)解。為結構輕量化設計提供依據。對于結構在運動過程中的力學分析還需進行剛柔耦合技術及自適應網格技術進一步研究。

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