剪叉式升降平台结构参数及剪叉臂的优化设计.docx

文章编号: 1004-4280( 2012) 02-0058-04剪叉式升降平台结构参数及剪叉臂的优化设计张荣敏，周莎莎，王仁人*( 山东轻工业学院 机械与汽车工程学院，山东 济南 250353)摘要: 本文介绍了剪叉式升降平台的结构特点，分析了剪叉式升降平台的结构参数。并且利用 ANSYS 有限元分析软件，对剪叉式升降平台的剪叉臂进行了优化分析，得到了最佳的剪叉臂尺寸。在满足工程要求的前提下，提高了 材料的利用率。关键词: 剪叉式升降平台; 有限元; 剪叉臂; 优化中图分类号: TH11文献标识码: AStructural Parameter Of Scissor-Type Lifting PlatformAnd Its Scissor Arm OptimizationZHANG Rong-min，ZHOU Sha-sha，WANG Ren-ren*( School of Mechanical and Automotive Engineering，Shandong Polytechnic University，Jinan 250353，China)Abstract: In this paper，the structural feature of scissor-type lifting platform is introduced，and itsstructural parameters is analyzed By using finite element software ANSYS，the scissor arm of scissor type lifting platform is optimized，and the most reasonable dimension is got On the premise of meeting engineering requirement，the utilization ratio of material is improvedKey words: scissor-type lifting platform; finite element; scissor arm; optimize但是，剪叉式升降平台也存在一定的不足之处，例如粗大笨重，造价较高，造成使用上的不便。一般 起升高度在 10 m 左右的剪叉式升降平台其重量往 往超过 1 t，这样的重量在施工现场很难灵活移动， 用专车配合使用成本高，也会降低工作效率。剪叉 式升降平台含有大量的钢结构，其结构特点和力学 性能会对平台的质量和性能产生直接影响。因此， 应该对其优化，使得升降平台构造科学，减少耗材， 使用方便。本 文 介绍了剪叉式升降平台的结构特 点，分析了液压缸的最大推力等重要参数，然后优化 了剪叉臂的结构尺寸。0引言剪叉式升降平台是一种将人或者货物升降到某一高度的设备，其起升高度从 1 m 至 20 m 不等，由 于一般采用液压驱动，又被称为液压升降平台1。剪叉式升降平台是应用非常广泛的一种升降装 置。剪叉式升降平台的结构决定了其功能和特点， 具有结构稳固、运行可靠、安全高效、故障率低、维护 方便等一系列优点，因此广泛用于车站、码头、桥梁、 大厅、厂房、室内外机械安装、设备维修、建筑保养等 场合。收稿日期: 2012-03-27基金项目: 济南市高校自主创新项目( 05010201)作者简介: 张荣敏，( 1986-) ，男，山东省莱芜市人，山东轻工业学院在读硕士研究生，研究方向: 动力机械计算机辅助工程* 通讯作者: 王仁人，男，山东轻工业学院教授，博士，研究方向: 动力机械计算机辅助工程，E-mail: wrr spu edu cn59第 2 期张荣敏，等: 剪叉式升降平台结构参数及剪叉臂的优化设计度为 L，h1 为液压缸活塞杆的铰接点高出剪叉臂 EN的距离，h2 而为液压缸的铰接点高出剪叉臂 AD 的 距离，f 是液压缸活塞杆的铰接点与剪叉臂 EN 中心 销孔之间的平 行 距 离，s 则为液压缸下铰接点与剪 叉杆 AD 中心销孔的平行距离。剪叉臂与水平方向 的夹角为 ，液压缸相对于水平方向的倾斜角 ，则 剪叉式起升机构中心点与固定铰 链 的 水 平 距 离 e 为:1剪叉式升降平台的结构特点剪叉式升降平台通常由底座、剪叉式起升机构和平台三个部分组成。底座位于最下面，其上附有 支腿，轮胎，油箱等部件。平台位于最上面，主要是 承受载荷，供工作人员进行各种高空作业。剪叉式 起升机构是升降平台的关键组成部分，不同型号的 升降平台有各自的剪叉式起升机构，从低起升到高 起升，组成剪叉杆的数目增多，液压缸的布置形式也 各不相同，剪叉式起升机构的臂杆数和液压缸的布 置形式由起升高度而定。典型的剪叉式起升机构有 两种，一种是由 3 组剪叉臂杆和单个起升液压缸组 成，其起升高度大约为 6 m，另一种由 4 组剪叉臂杆 和双起升液压缸组成，起升高度大约 8 m2。( 1)e = L /2cos 液压缸倾斜角 与剪叉臂倾斜角 之间的关系为:( L + s f) sin + ( h1 + h2 ) cos tan =( 2)( f + s) cos + ( h1 h2 ) sin 同时可以推导出液压缸的最大长度( 图 1 中 PJ两铰接点的长度) Lcy 与各参数的关系为:( h1 + h2 ) cos + ( 2 L + s 3 f) sin ( 3)Lcy =sin 剪叉式升降平台的结构参数分析23利用 ANSYS 进行剪叉臂的优化设计本文研究的 SJPT 型剪叉式升降平台可以看做由三组剪叉臂杆和一个液压缸构成的，以此为模型 分析其结构，如图 1 所示。ANSYS 作为有限元分析工具，可以在很大程度上节省结构优化问题的分析求解时间，而 ANSYS 提供 的 参 数 化 设 计 语 言APDL ( ANSYS ParametricDesign Language) 也为结构优化设计的数值分析提 供了一个良好的开发环境。利用 APDL 的程序语言 与宏技术组织管理 ANSYS 的有限元分析命令，就可 以实现参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参 数化后处理结果的显示，从而实现参数化有限元分 析的全过程，同时这也是 ANSYS 批处理分析的最高 技术。本文正是基于 APDL 利用其优化设计模块对 剪叉式液压升降平台进行了结构优化设计4。3 1 问题描述本次研究的剪叉式升降平台中所包含的基本构 件组为一个液压缸推动三幅剪叉，其结构简图见图1。因为最底层的剪叉臂既要承载工作载荷，又要承 载平台自重，其受力最大，因此可以将剪叉臂 AD 作 为研究对象，其结构示意图如图 2。图 1 剪叉式起升机构结构简图对该剪叉式液压升降平台的模型进行分析可 知，该剪叉式起升机构最低一组剪叉臂 AD 和 BC 分 别于底座相连，其中 A 点处与底座通过固定铰链连 接，A 处为一转动副。另一侧的 B 点则通过滚轮与 底座中的滑轨相连接，为移动副的形式。平台上升 或者下降的时候，滚轮可以在底座中的轨道中做水 平方向的平移运动，使得剪叉机构伸展或收缩，起升 机构与平台则按照相同的方式连接3。如图 1 所示，定义剪叉臂两端销孔中心连线长60山 东 轻 工 业 学 院 学 报第 26 卷图 2 底层剪叉臂结构示意图SJPT 型剪 叉 式 升 降 平台的剪叉臂的长度 L =1900 mm，剪叉臂截面厚度 T = 8 mm，宽 度 B = 80 mm，高度 H = 160 mm，弹性模量 E = 2 1E5 Mpa，泊 松比为 0 3，液压缸对其推力为 13413 N。对结构进 行尺寸优化，使剪 叉 臂 体 积 V 最 小，同 时 要 求 最 大 屈服应力不超过 120 Mpa，厚度 T 取值在 3 9 mm 之间，宽度 B 取值在 70 100 mm 之间，高度 H 取值 在 140 200 mm 之间。对剪叉臂 AD 的受力分析如 图 3 所示。Smax 作为状态变量。对剪叉臂的各表面施加位移约束条件，然后对约束好的模型进行加载，分析得各销 孔处所受载荷符合余弦函数加载，因此加载函数定 义为q( ) = Pcos ( 9090)优化结果及分析( 4)3 2用命令流方式建立分析文件，经过程序计算后，迭代循环 11 次后得到剪叉臂总体积、截面厚度、截 面宽、高以及最大屈服应力的优化结果5。优化过 程中各量的变化过程见表 1。其中优化后的状态变 量为 32 425 Mpa，小于最大屈服应力的值 120 Mpa。 优化后剪叉臂总体积由原来的 6661 mm3 下 降 到2291 3 mm3 ，减少了 65 6% 。这将大大降低生产过 程中的材料消耗，减低成本，从而产生更大的经济效 益。在优化过程中，各个设计变量与状态变量数值 均没有超出极限值，都满足设计要求，所以整个优化 分析计算是合理的。图 3 剪叉臂 AD 受力简图根据结构形式选择三维实 体 力 单 元 Solid45。 采用实体建模的方法建立有限元模型。选择剪叉臂 的体积 V 作为目标函数，将剪叉臂厚度 T，宽度 B， 高度 H 作 为 设 计 变 量，提取最大屈服 应 力 绝 对 值表 1 剪叉臂优化结果目标函数 VSUM ( mm3 )状态变量 Smax ( Mpa)循环次数设计变量 B( mm)设计变量 T( mm)设计变量 H( mm)123456661 05007 16238 14841 66151 380 0095 4290 7795 4479 618 0005 3286 7085 8156 493160 00167 43172 25140 20187 5611 46217 75513 95716 03713 96462856 076 903 670140 1426 26972442 471 513 209140 1329 86882513 986 643 067140 1230 20992325 870 423 068140 1231 07310112456 52291 370 1470 153 0273 025154 37140 1231 70132 42561第 2 期张荣敏，等: 剪叉式升降平台结构参数及剪叉臂的优化设计用，2009，5: 20-21邓宏光，孙大刚，游思坤，等 剪叉式升降平台建模及关键参数 研究J 机电工程技术，2005，34( 7) : 20-22 郭永耀，刘立，宋植林 ADAMS / view 在剪叉式液压升降平台关 键参数确定上的应 用J 现 代制造技术与装备，2006，6: 38-40博 弈 创 作 室 APOL 参数化有限元分析技术及其应 用 实 例M 北京: 中国水利水电出版社，2004张良，王仁人，史岩彬 变截面涡轮增压 器三维流场的模拟计 算J 山东轻工业学院学报，2011，25( 3) : 42-442结论43本文采用 ANSYS 分析法对剪叉式液压升降平台的剪叉臂结构在满足变形与应力约束条件下进行体 积最小的优化设计，得到了最合理的尺寸。优化后剪 叉臂总体积得到降低，这将大大减少生产过程中的材 料消耗，降低成本，从而产生更大的经济效益。45参考文献:1 周伟 生产企业需要关注升降平台的应用J 物流技术与应( 上接第 57 页)完成温度场的理论分析后，用有限元分析软件 对相应模型进行温度场的数值模 拟10。模 拟 结 果 表明，C / C 复合材料在高温下具有良好的导热性。对于本文分析结果，可以进一步考虑研究管状 编织 C / C 复合材料在承受温度载荷条件 下 的 热 应 力问题。度场J 复合材料学报，2009，26( 1) : 113-117Gaab L， Koch D， Grathwohl G Effects of thermal and thermomechanical induced mechanical changes of C / C compositesJ Carbon，2010，48( 10) : 2980-2988Van Hattum F，Bernardo C A，Finegan J C，et al A study of the thermomechanical properties of carbon fiber-polypropylene compositesJ Polymer composites，1999，20( 5) : 683-688Aboudi J The temperature field induced by the dynamic stresses of a transverse crack in periodically layered composites J International Journal of Engineering Science，2011，49: 732-754 Palaninathan R Behavior of Carbon-Carbon Composite under Intense Heating J International Journal of Aerospace Engineering，2010，10: 1-7魏高峰，孙晓强，刘国永，等 三维编织复合材料几何建模及数 值分析J 固体力学学报，2011( 32) : 65-69567参考文献:1吴世平，唐绍锋，梁军，等 周期性复合