（机械制造及其自动化专业论文）铜包装线整形工位升降台力学性能研究及优化设计.pdf

硕士学位论文 摘要 固定液压剪叉式升降平台是主要的升降运输设备之一，其结构形式和液压系统的布 置方式及控制形式直接影响到剪叉式升降平台的工作性能和使用寿命。在实际的应用 中，由于生产现场的空间大小和受力特点，必须对固定液压剪叉式升降平台进行有针对 性的设计。在铜自动包装生产线中，上料、配重和整形三个工位用到固定液压剪叉式升 降平台，主要用于实现将铜板撑起脱离输送链，来实现上料、称重和整形的目的。 本文对铜自动包装生产线整形工位剪叉式升降平台进行研究，采用计算的方法确定 整形力的大小，利用m a t l b 强大数据处理能力，进行参数化分析；根据生产现场的实 际情况，利用有限元分析方法对现有升降平台剪叉臂截面进行优化设计。具体包括： 1 对固定液压剪叉式升降平台进行载荷分析，利用计算的方法确定整形力的大小。 整形力包括摩擦力和铜豆的阻碍力，采用数值计算的方法来确定摩擦力的大小，建立滑 动摩擦和滚动摩擦的力学模型，推导出摩擦系数的近似计算公式。 2 通过对剪叉式结构进行运动学及动力学分析，确定了液压缸活塞的运动速度与 台面升降速度的关系，分析研究平台升降的稳定性。根据分析得到影响油缸的最大举升 力的关键参数，利用m a t l a b 对关键参数进行优化，使最大举升力的值在最低位置时最 小，利用传统的力学计算方法，分析计算各个构件在优化后所受的力。 3 对剪叉臂在承受整形力的作用下进行分析。用有限元软件a n s y s 对剪叉臂进行 静态分析，根据分析结果对截面进行优化，经过优化减小剪叉臂的重量，提高剪叉臂的 刚度。 4 通过对剪叉机构力的计算分析和剪叉臂的优化设计，根据生产现场的实际情况， 对现有固定液压升降平台关键构件进行校核计算。 关键词：固定液压升降平台；起升机构；受力分析；有限元分析；优化设计 铜包装线整形工位升降台力学性能研究及优化设计 a b s t r a c t s t a t i o n a r yh y d r a u l i cs c i s s o r sl i f tp l a t f o r mi so n eo ft h em a j o rm o v e m e n t so ft r a n s p o r t e q u i p m e n t s c i s s o r sl i f tp l a t f o r mp e r f o r m a n c ea n ds e r v i c el i f ew e r ed i r e c ti m p a c t e db yi t s s t r u c t u r ea n dl a y o u to ft h eh y d r a u l i cs y s t e ma n dc o n t r o lt h ef o r m i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ， s t a t i o n a r yh y d r a u l i cs c i s s o r sl i f t i n gp l a t f o r mm u s tb es p e c i f i cd e s i g n e ds i n c et h ep r o d u c t i o n l i n e ss p a t i a ls i z ea n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s s t a t i o n a r yh y d r a u l i cs c i s s o r sl i f tp l a t f o r m w e r eu s e di na u t o m a t i cp a c k a g i n gl i n eo ft h ec o p p e ri nt h em a t e r i a l ，w e i g h ta n dp l a s t i ct h r e e p o s i t i o n ，u s e dt op r o pu pc o p p e rf r o mt h ec h a i n , t oa c h i e v et h ep u r p o s eo fl o a d i n gw e i g h i n g a n d s h a p i n g ， i nt h i sp a p e r , s c i s s o r sl i f tp l a t f o r mo fs h a p i n gs t a t i o ni nc o p p e rp a c k a g i n gp r o d u c t i o nl i n e w a ss t u d i e d m e t h o do fc a l c u l a t i o nu s e dt od e t e r m i n et h es i z eo ft h ep l a s t i cf o r c e ，u s eo f p o w e r f u ld a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e sm a t l b t op a r a m e t r i ca n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l s i t u a t i o no ft h ep r o d u c t i o ns i t e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so nt h ee x i s t i n ga r ms c i s s o r sl i f t p l a t f o r mt oo p t i m i z et h ed e s i g ns e c t i o n i n c l u d i n g ： ( 1 ) t h el o a do fs t a t i o n a r yh y d r a u l i cs c i s s o r sl i f t i n gp l a t f o r mw a sa n a l y z e d f o r c ec a l c u l a t i o nm e t h o du s e dt od e t e r m i n et h es i z eo fp l a s t i cf o r c e p l a s t i cf o r c ei n c l u d e df r i c t i o na n d i m p e d i n gf o r c eo fc o p p e rb e a n s n u m e r i c a lm e t h o du s e dt od e t e r m i n et h es i z eo ff r i c t i o n , t h e m e c h a n i c a lm o d e lo fs l i d i n gf r i c t i o na n dr o l l i n gf r i c t i o ne s t a b l i s h e dt h e nf r i c t i o nc o e f f i c i e n t d e r i v e da p p r o x i m a t ef o r m u l a ( 2 ) t h r o u g ht h es c i s s o r s - t y p es t r u c t u r ea n a l y s i so fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s ，d e t e r m i n e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev e l o c i t yo f h y d r a u l i cc y l i n d e rp i s t o na n dl i f tt a b l ev e r t i c a ls p e e d , t h e na n a l y s i so ft h es t a b i l i t yo f l i f t i n gp l a t f o r m a c c o r d i n gt oa n a l y s i s ，t h ek e yp a r a m e t e r so f i m p a c to nt h em a x i m u ml i f t i n gf o r c ec y l i n d e rg o t m a t l a bu s e dt oo p t i m i z ek e yp a r a m e t e r s t om a k em a x i m u ml i f t i n gf o r c et ot h ev a l u eo ft h es m a l l e s ti nt h el o w e s tp o s i t i o n t r a d i t i o n a l m e t h o d su s e di nm e c h a n i c a lc a l c u l a t i o n st oc a l c u l a t et h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h ef o r c e s a c t i n gi nt h eo p t i m i z e d 。( 3 ) a n a l y s i so ft h es c i s s o r sa r mu n d e rt h ea c t i o no ft h ep l a s t i cf o r c e f i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ea n s y su s e dt oa n a l y s i st h es t a t i ca n a l y s i so fa r n ls c i s s o r s b a s e do nt h er e s u l t s o p t i m i z et h ec r o s s s e c t i o no fs c i s s o r sa r m ，o p t i m i z e dt or e d u c et h ew e i g h to fa r ms c i s s o r sa n d i n c r e a s e ds t i f f n e s so fa r ms c i s s o r s ( 4 ) t h r o u g hc a l c u l a t i o no ff o r c eo fs c i s s o r sm e c h a n i s ma n do p t i m i z a t i o no fs c i s s o r sa r m a n da c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ep r o d u c t i o ns i t et oo p t i m i z et h ed e s i g no fk e y c o m p o n e n t so fs t a t i o n a r yh y d r a u l i c l i f tp l a t f o r m k e y w o r d ：s t a t i o n a r yh y d r a u l i cl i f tp l a t f o r mh o i s t i n gm e c h a n i s ms t r e s sa n a l y s i s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o p t i m i z a t i o n l l 硕士学位论文 插图索引 图1 1 剪叉式升降平台的结构形式6 图2 1 整形工位及整形机9 图2 2 整形工位升降平台结构及受力简图9 图2 3 整形工位工作台1 0 图2 4 铜板摩擦表面“1 0 图2 5 摩擦分类示意图。1 1 图2 6 接触表面凹凸不平形成机械咬和。1 1 图2 7 滑动摩擦时摩擦柱变形情况：1 5 图2 8 滚珠与铜板实际接触情况1 6 图2 9 滚珠与铜板接触时的受力情况1 6 图2 1 0 铜豆与滚珠的接触受力1 9 图3 1 运动分析机构简图2 2 图3 2 动力分析机构简图2 3 图3 3h = 0 6 4 m 时夹角，变化趋势图2 4 图3 4h = 0 6 4 m 时压力角a 变化趋势图2 4 图3 5h = 0 6 4 m 时压力变化趋势图2 5 图3 6h = 0 6 4 m 时工作台速度变化趋势图2 5 图3 7h = 0 8 4 m 时夹角f 变化趋势图2 5 图3 8h = 0 8 4 m 时压力角a 变化趋势图2 5 图3 9h = 0 8 4 m 时压力变化趋势图2 5 图3 1 0h = 0 8 4 m 时工作台速度变化趋势图2 5 图3 1 1 卢0 4 3 m 时夹角，变化趋势图2 6 图3 1 2 卢0 4 3 m 时压力角a 变化趋势图2 6 图3 1 3 ，- 0 4 3 m 时压力变化趋势图2 6 图3 1 4 户0 4 3 m 时工作台速度变化趋势图。2 6 图3 1 5s = l m 时夹角f 变化趋势图2 7 图3 1 6s = l m 时压力角a 变化趋势图2 7 图3 1 7s = l m 时压力变化趋势图2 7 图3 1 8s = l m 时工作台速度变化趋势图2 7 图3 1 9 夹角p 变化趋势图2 7 图3 2 0 夹角f 变化趋势图。2 7 图3 2 1 压力角a 变化趋势图2 7 i i i 铜包装线整形工位升降台力学性能研究及优化设计 图3 2 2 压力p 变化趋势图2 7 图3 2 3 工作台速度变化趋势图。2 8 图3 2 4 工作台和剪叉杆件力学模型3 0 图3 2 5f x 变化趋势图3 1 图3 2 6f y 变化趋势图。3 1 图3 2 7 屁变化趋势图。3 1 图3 2 8b 变化趋势图：。3 1 图4 1 剪叉臂划分网格后的模型图3 5 图4 2 剪叉臂受载时z 方向上变形图3 5 图4 3 剪叉臂受载时z 方向上最大位移云图3 6 图4 4 剪叉臂受载时等效应力云图3 6 图4 5 改进前内剪叉臂：。3 8 图4 6 方案一剪叉臂3 9 图4 7 方案二剪叉臂“3 9 图4 8 方案三剪叉臂。3 9 图4 9 剪叉改进方案二z 方向上最大位移变形量云图。4 0 图4 1 0 剪叉改进方案三z 方向上最大位移变形量云图4 0 图5 1 销轴截面应力分布4 3 图5 2 横梁的受力及弯矩图。4 5 图5 3 内叉臂的各点受力及分力图4 7 图5 4 内叉臂的径向力和轴向力分析图4 7 图5 5 内叉臂的所受弯矩和挤压力分析图4 8 i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：奉耄， 日期：砂d 年 月孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：套关茗、 导师签名：童耋垃 日期：加肜年箩月砑日 日期：劫d 年夕月彩日 硕士学位论文 1 1课题的背景和目的 第一章绪论弟一早珀t 匕 升降平台在现代物流、航空装卸、大型设备的制造与维护等场合广泛应用。 随着经济的发展，科学技术的进步，社会竞争也越来越激烈，为了提高企业生产 速度，减轻工人的劳动强度，并且实现生产过程的自动化，人们设计了可以减少 人力物力并且能够出色完成任务的升降平台。升降平台的种类比较繁多，根据不 同的用途、升降平台的结构、动力传递形式以及规格会有不同的选择和设计i l j 。 目前，我国的升降平台的种类比较多，按动力传递形式，主要可以分为电动 机机械传动和液压传动两种方式，它们都有各自的优点和不足之处。 电动机机械传动方式的特点是零件加工相对要求不高、结构较简单、加工容 易、维修方便、适应环境能力强、抗冲击性能好、可实现准确到位，并有自锁功 能、不污染环境，不足之处在于它的机械间的磨损很难克服，振动较大i z j 。其中 以电机为动力源来提升平台又可分为以下几种： 钢丝绳式和齿轮齿条式两者都是目前应用最广的施工升降机，是垂直运送人 员及物料的提升机械。随着我国建筑行业的蓬勃发展，各种大型建筑物不断增多， 旌工升降机的应用市场也在不断地扩大。特别是在1 9 9 2 年以来，施工升降机的发 展最为迅猛。施工升降机不但可以应用在这些场合，它还可以应用在大型化工厂 冷却塔、发电厂的烟囱、电视广播塔、大型桥式起重机及煤矿等位置。施工升降 机己成为各行业建设中一种必不可少的建筑机械【3 】。 蜗轮丝杠直项式升降平台作为基础起重部件，它具有结构紧凑、体积小、重 量轻、无噪音、安装方便、能自锁、可靠性高的特点。对于大面积平台，采用多 点提升，即每个顶点都安装一组蜗轮丝杠。其好处在于：( 1 ) 可以减少台板主梁断 面尺寸及应力，减小其挠度，增加平台自身刚度，提高运行平稳性；( 2 ) 可以减 少每个支点的受力，从而减小蜗轮丝杠的提升力，增强压杆稳定性，并能减轻设 备重量【4 1 。 液压传动方式的特点是结构紧凑、工作较平稳、磨损小、布局灵活、易于控 制。但液压件加工精度要求较高，密封泄漏难以控制，工作介质受温度限制等。 液压传动是后来才发展起来的，以它为动力源来带动的升降平台又可分为以下几 种： 链轮一承重链条机构的升降平台是由一个动滑轮和若干定滑轮以及承重链条 组成的。根据动滑轮的特点，利用较短的液压行程来获得大的平台升降高度，另 外，该平台可以根据环境条件用在地下车库等有较大的提升高度以及宽敞空间的 场合【5 1 。 1 铜包装线整形工位升降台力学性能研究及优化设计 楔块式撑臂升降平台是电动剪叉液压升降平台的一种类型，适用于超大载重 平台架的升降。主要优点是：平台降落时，机器总高度比其它起重机械低得多。 楔块式撑臂升降平台的工作原理是：由电动机、减速器驱动水平螺旋丝杠长轴， 带动楔块小车传动系统，同时推动多个撑臂，依托剪叉的导向，实现工作平台上 升或下降的要求。必要时，可以实现工作平台均速升降、多台同步运行。楔块式 撑臂升降平台独特的设备结构，适用于超大载重平台架的升降，具有结构简单、 维修方便、起升高度大、折叠高度低、机械同步性能好、易于实现自动化控制等 优点【6 1 。 自行剪叉式高空作业平台是一种轻型的升降平台，广泛用于高空作业专用设 备，可以移动。它的剪叉式机械结构，使升降台起井后有较高的稳定性，宽大的 作业平台和较高的承载能力，使高空作业范围更大，并适合多人同时作业，它使 高空作业效率更高，更安全【7 】。 大型升降平台具有承载量大、通用性强和操控性好等优点，在现代物流、国 防工业、航空装载、油田开采、大型设备的制造与维护等领域得到广泛的应用。 大型升降平台主要由基建、平台、液压系统和支撑柱等组成【引。 固定液压剪叉式升降平台它也是一种剪叉式结构，承载量较大，升降稳定性 好，适用范围广的货物举升设备。主要用于生产流水线高度差之间货物运送：物 料上线、下线；工件装配时调节工件高度；高处给料机送料；大型设备装配时部 件举升；大型机床上料、下料；仓储装卸场所与叉车等搬运车辆配套进行货物快 速装卸等p 1 。 总之，随着经济的发展，目前出现了不同类型的升降平台，传动方式由以前 单一的靠机械电力传动转向液压传动，升降平台的特点是根据不同的使用环境和 所想达到不同的目的来进行设计的。在生产现场的实际应用中要考虑各方面的实 际情况及空间大小来选择升降平台的类型及关键部件的设计。 本课题来源于兰州理工大学与金川公司联合申请金川阴极铜板自动包装生 产线项目。该项目综合应用机械、电子、液压传动、精密计量、计算机控制等不 同学科的基础理论和专业技术，通过理论分析、试验研究和计算机仿真等技术手 段，对阴极铜包装作业过程中涉及到的计量、配重、整形、压紧、贴标、自动打 包、标识印制及生产线自动控制等技术进行研究，完成的铜自动包装生产线，在 一定程度上解决了原来人工包装作业劳动强度大、工作环境恶劣、生产成本高、 生产率低下等问题，是实现其大规模工业化生产的关键技术之一。在该生产线中， 上料、配重和整形三个工位用到升降平台，目的是用于将铜板撑起脱离输送链， 来实现上料、称重和整形。其技术参数如下：额定承载量为2 5 吨、平台最低高 度为6 4 0 m m 、升降高度为2 0 0 m m ，其它具体的尺寸规格，见附录b 。 根据所需平台的设计要求和安装平台的空间位置，在额定承载量给定的情况 2 硕士学位论文 下，齿轮齿条式和钢丝绳式的升降平台尽管结构简单，经济性好，但由于受到承 载能力、爬坡度、使用寿命以及空间位置的影响，它们不能满足实际要求，故不 能采纳；蜗轮丝杠直顶式升降平台对于平台面积大，一般采用多点提升，即每个 顶点都用一组蜗轮丝杠。从使用范围来考虑，它主要使用于大面积微动平台，升 降高度受到限制。从加工成本来考虑，丝杠加工起来比较复杂，造价比较高，而 且在升降高度比较大时，稳定性要求会更高，使其成本很高，故也不予采纳。经 过比较分析，采用剪叉式还是比较合适。因此，本课题是根据实际情况选用的一 种能够满足生产要求的固定液压剪叉式升降平台。 根据生产现场的实际情况，对固定液压升降平台进行受力分析，并对摩擦力 进行研究，计算出在整形的过程中整形力的大小；利用m a t l a b 对影响液压缸位置 的关键参数进行优化分析；采用a n s y s 分析在整形力作用下剪叉臂的变形。通 过对铜包装线整形工位的分析研究，建立了滑动摩擦和滚动摩擦的力学模型，推 导出摩擦系数的近似计算公式，并利用该公式求出整形工位摩擦力的大小，为整 形工位后序的设计研究提供了依据，为具有相似条件下的摩擦力的确定提供了简 便的方法。研究了固定液压升降平台在受侧向力时剪叉臂的变形情况，弥补了 固定液压升降平台研究领域的一个空白，为升降平台的设计拓宽了思路，增添了 新的有效的设计方法，为其以后的发展积累了宝贵经验。 1 2升降台的国内外研究现状及国内发展现状 1 2 1升降台的国内外研究现状 固定剪叉式液压升降平台，承载量较大，升降稳定性好，在工程和城市建设 领域应用非常广泛，为了满足工程的实际的需要，许多国内学者对剪叉式升降平 台做了深入的研究。如胡小舟，胡军科i l o 】等通过分析剪叉式举升机构的受力，建 立剪叉式举升机构的力学模型，利用m a t l a b 软件进行计算分析，研究了关键参数 对举升机构的影响，为剪叉式举升机构的设计提供理论依据；王照林、徐建国l l l j 分析了具弹性结构的复杂动力学系统的稳定性与控制问题，论证了系统解的存在 性、唯一性，且适当选取一定的控制之后，能使得系统的弹性振动( 包括弯曲振 动和扭转振动) 指数渐近稳定，亦可保证梁的姿态定位；陈奖1 1 2 】等对升降台稳定 承载能力做了深入的研究，对扣件式钢管支模架的稳定性进行了分析，建立了扣 件连接的半刚性模型，探讨了水平加强层和竖向剪刀撑对支模架稳定性的影响； 李鄂民【”】对液压缸驱动的剪叉机构进行了运动学和动力学分析，推导出了液压 缸活塞运动速度与剪叉机构运动速度的关系式及活塞推力与剪叉机构重荷的关 系。吴刚，任光胜【8 】针对大型升降平台易发生平台倾斜的现象，设计水平保持机 构并介绍其结构组成及其工作原理。对平台进行受力分析，阐述平台产生水平误 差的原因，并通过优化结构的方法减小误差；宋耀军【1 4 】等对内装式液压缸驱动 3 铜包装线整形- 下位升降台力学性能研究及优化设计 的剪刀撑机构进行运动学及动力学分析，推导出液压缸活塞运动速度与剪刀撑机 构运动速度的关系式及活塞推力与剪刀撑机构荷重的关系式；魏发孔i ”】对双片 剪刀撑液压升降平台的多种同步技术方案进行了分析比较，对典型的内( 外) 置 位置传感器反馈闭环系统控制方案中用到的运动关系给出了推导结果。提出了串 联式偏置同步拉杆结构的同步方案及其受力支点布局的要点，解决了此类设备运 行不同步，尤其是停靠过程偏置下沉造成的台面变形的隐患；杨志勇【1 6 】等在传 统剪叉式液压升降台的基础上开发、研制了机械式恒转矩匀速升降台这是一种新 型升降台，这种升降台具有恒转矩驱动、台面匀速升降、结构简单、维修方便、 起升高度大，折叠高度低，安装空间小，易于实现集中控制及自动化程度高等优 点，能应用于传统剪叉式升降台的使用场合及需匀速升降的使用场所；曾振鹏、 戴加维【r 7 】等针对机场用升降台开裂原因做了深入的研究，通过升降平台的裂纹 进行无损检测和对焊缝进行了材质分析，并实测了结构的应力值及应力分布状 况，找出了升降台开裂的原因，为解决升降台出现类似的问题提供了理论依据。 目前，国外对升降平台的研究主要体现在对新产品的开发上。如俄罗斯圣彼 得堡建筑机械实验工厂生产了一种1 0 型铰接式液压升降平台【1 8 l ，这种升降平 台可用于民用建筑和工业建筑安装以及装修作业。它能替代梯子、脚手架、挂篮 和其他一些维修安装的设备，还能用来维修输电设备和安装电话线等。因为这种 设备的外形尺寸较小，所以无论露天作业还是室内作业，或是狭窄地区都能使用。 这种升降平台的特点是：装置质量轻，起升高度大，旋转半径小，支撑面积小， 工作半径大。 另外，还有许多国外专家学者钻研于柔性机构的研究【”2 1 1 ，这些研究成果 为剪叉机构的优化做出了卓越的贡献。如l i c h 采用“精确法 建立了兼考虑关 节和连杆柔性的曲柄滑块机构的弹性动力学模型。并通过数值仿真研究了关节的 柔性和滑块的惯性对连杆弹性振动的影响。b r i c o u t 利用有限元并结合齐次变换 矩阵导出了柔性连杆机械手的动力学方程。c h e n 以具有柔性连杆的曲柄滑块机 构为研究对象。在假定刚体曲柄作匀角速转动的情况下，导出了连杆的弹性振动 方程，并通过数值仿真研究了曲柄的长度和转速对于连杆弹性振动出现倍周期分 叉的依从关系，另外还说明了连杆的弹性振动经过倍周期分叉通向混沌的道路。 1 2 2 升降平台国内发展现状 中国升降平台生产企业从2 0 世纪7 0 年代起步，至今已有多年的历史。到目 前为止，国内升降平台生产企业已由当时的7 、8 家发展到1 0 0 余家，其中与国 外合资或合作生产的企业有4 家。行业几个骨干企业通过近几年的技术改造，其 生产规模不断扩大，都形成了各具特色的产品系列，企业的各项主要经济指标逐 步上升，经济效益也逐年提高，基本能满足国内市场的需要，并有部分产品出口。 虽然这些年国内升降平台机械发展很快，但企业发展很不平衡，企业之间出现了 4 硕士学位论文 较大的差距，因此，对行业的现状及产品的发展问题进行分析和探讨有着十分重 要的意义。 近几年中国升降平台的发展主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 品种数量不断增加。1 0 年前，中国升降平台产品主要是剪叉式、套筒 油缸式等产品为主，产品的移位大都靠手推为主。随着国民经济和城市建设的发 展，需求量逐年增加，各种规格的新产品近几年增加较快。如北京京城重工集团 在短短几年时间先后开发了单桅柱铝合金平台和双桅柱铝合金平台、车载剪叉式 平台、剪叉自行式平台等多种规格的产品。 ( 2 ) 产品性能有较大提高。中国的升降平台产品通过学习、引进和消化国外 先进技术开发了许多新产品，其产品的技术水平和产品质量都不断提高，达到和 接近国际同类产品的水平，在国内市场中竞争力强，市场销路好，产量也增加较 快。如北京京城重工集团开发了剪叉自行式平台。 ( 3 ) 市场份额进一步扩大。一些企业利用自身的优势，在原有产品的基础上 根据国内底盘品种的增加和一些基础零部件的更新，不断加大新产品的开发力 度，走企业横向联合多种经营的综合开发道路，不但使企业自身的生产和销售步 入了良性循环轨道，还带动了附属企业和国内相关企业产品的销售发展。 ( 4 ) 优势互补，推动了行业的技术进步。 近年来存在的主要问题有以下几个方面： ( 1 ) 部分企业技术创新能力较差。一部分企业不重视产品的更新和新产品的 开发，产品几十年一贯制，企业效益差。 ( 2 ) 特殊产品仍以进口产品为主。近几年，国外产品纷纷进入国内，如在高 空作业机械中芬兰的b r o n t o 公司、美国的j l g 、g e n i n 、u p r i g h t 、s n o r k e l 、s k y j a c k 等公司以及英国、意大利、丹麦的一些著名公司在中国都相继设立了办事机构， 而且在大高度产品和特殊产品中仍然占有国内主要市场，如高空绝缘作业车、蜘 蛛式大高度作业平台、自行式高空作业平台等，国内产品还有很多空白。 ( 3 ) 基础零部件配套水平较差。国内产品的基础零部件配套生产厂家少，规 格品种少，配套水平还较差，电气元件、液压元件、动力部件的性能和使用可靠 性还不高，这也影响了国内产品的开发。 ( 4 ) 专业化生产水平低。国内大部分企业以自主生产为主，专业化生产水平 很低，工艺落后，劳动生产率低。 ( 5 ) 小作坊式企业较多。一些小公司、小作坊式企业纷纷起来，如在江苏等 地一个地区就有数十家企业，这些小企业产量低、质量差、价格低，严重冲击和 影响着正常的市场销售。随着城市建设发展的需要，加大本行业技术创新力度， 开发先进的升降平台机械，提高中国产品的市场竞争能力是当务之急。 5 铜包装线整形- t 位升降台力学性能研究及优化设计 1 3固定液压升降平台特点及结构形式 固定液压剪叉式升降平台的原理是通过液压缸的举升带动剪叉机构的变幅 来推动平台稳定升降。根据这个原理可以设计出多种结构的液压剪叉式升降平 台，它具有承载量大、稳定性好、通过性强和操控性好的特点，因此它在现代物 流、航空装卸、大型设备的制造与维护等场合中得到广泛应1 2 2 1 。 根据液压油缸位置的不同，可以得到不同形式的升降平台，下面以固定单剪 叉来说明，用长度相等的两根支撑杆a b 和m n 铰接于两杆的中心点e ，两杆的m 、 a 端分别铰接于平板和机架上，两杆的b 、n 端分别于两滚轮铰接，并可在上平 板和机架上的导向槽内滚动。如图1 1 所示的三种结构形式示意图，它们的不同 之处在于驱动气( 液压) 缸的安装位置不同。 ( a ) 直立固定剪叉式 ( b ) 水平固定剪叉式 ( c ) 双铰接剪叉式 图1 1 剪叉式升降平台的结构形式 6 三| - o 硕十学位论文 图1 1 ( a ) 中的驱动气( 液压) 缸的下部固定在机架上，上部的活塞杆以球头上 平板球窝接触。气( 液压) 缸通过活塞杆使上平台铅直升降；图1 1 ( b ) 中的卧式气( 液 压) 缸活塞杆与支撑杆m n 铰接于n 处。气( 液压) 缸驱动活塞杆控制平台铅直升降； 图1 1 ( c ) 中的气( 液压) 缸缸体尾部与机架铰接于g 处，活塞头部与支撑杆a b 铰接 于f 处。气( 液压) 缸活塞杆可控制平台铅直升降。 按照气( 液压) 缸的安装形式，本文称图1 1 ( a ) 的形式为直立固定剪叉式结构， 图1 1 ( b ) 的形式为水平固定剪叉式结构，图1 1 ( c ) 的形式为双铰接剪叉式结构。 直立固定剪叉式结构，气( 液压) 缸的行程等于平台的升降行程，整体结构尺 寸庞大，且铰链加工复杂，在实际中应用较少。水平固定剪叉式结构，通过分析 计算可知，平台的升降行程大于气( 液压) 缸的行程，但不足之处是活塞杆受横向 力作用，影响密封件的使用寿命。双铰接剪叉式结构避免了上述缺点。结构比较 合理，平台的升降行程可到达气( 液压) 缸行程的两倍以上。故现在的生产厂家都 运用双铰接式的基本形式设计制造升降平台1 2 引。 1 4 论文的内容和方法 升降平台的安装位置已经确定，最低高度和升降台的宽度已经不能改变，在 提升重量一定的情况下，剪叉式结构中各构件受力也基本确定，因此，必须针对 铜自动包装生产线整形工位升降平台剪叉机构及现有的工况条件，分析关键参数 对升降台性能的影响；剪叉式升降平台在受侧向力的情况下剪叉的变形情况等。 剪叉式起升机构做为升降平台钢结构的关键组成部分，其力学特性会对平台性能 产生直接影响【2 钔。计算、分析剪叉式起升机构的传统方法通常为手工试算或整 体有限元分析方法。但手工试算法精度不高，效率低下；整体有限元分析法较适 用于后期的验算分析【1 0 j 。本文利用m a t l b 强大数据处理能力，仿真建模进行 参数化分析，对影响油缸的最大举升力的关键参数进行了研究，得出了剪叉起升 机构的关键参数值，确定了剪叉式平台的液压缸的安装位置；确定液压缸的安装 位置后，运用牛顿运动定理建立起升机构各独立杆件的受力模型，运用m a t l a b 编程求解该模型。然后根据计算的摩擦力的大小，利用a n s y s 计算剪叉臂在侧 向整形力的作用下侧向变形的大小；最后计算校核各构件的刚度、强度，确定组 成升降平台的各构件的材料和尺寸，从而实现对升降平台最优化设计。 关于固定液压剪叉式升降平台的研究，具体思路如下： ( 1 ) 根据生产现场的实际情况计算在整形机的作用下所产生的整形力的大 小，推导滚动摩擦和滑动摩擦的近似计算公式。 ( 2 ) 对剪叉式升降平台进行运动学及动力学分析，对剪叉机构进行参数化分 析，确定影响液压缸位置的关键参数，利用m a t l a b 对这些关键参数进行优化， 同时还计算优化前后起升机构各杆内力，并进行分析比较。 ( 3 ) 根据侧向整形力的大小，利用a n s y s 计算剪叉在侧向力的作用下的变 7 铜包装线整形t 位升降台力学性能研究及优化设计 形，综合考虑上步的计算结果确定剪叉臂的截面形状及尺寸。 ( 4 ) 根据以上的优化结果，对现有剪叉式升降平台各个杆件与关键点进行分 析，计算校核各构件的刚度、强度，确定升降平台的各组件的材料和尺寸。 8 硕士学位论文 第二章剪叉式升降平台的载荷分析 21 铜自动包装生产线整形工位 铜自动包装生产线包括e 料、配重、整形、打包、喷码、下料等工位，其中 在上料、配重和整形工位由剪叉式升降甲台来使铜板上升和下降。上料和配重t 位升降平台仅承受铜板的重力，所以在这两个工位的升降平台只要进行静力学计 算就可以满足要求。整形工位的剪叉式升降平台除承受铜板的重力外还承受整形 机的侧向挤压力，如围2 1 所示，剪叉臂承受空问两个方向的力，这时对剪叉臂 的要求比较高，除了能保证铜板平稳的卜升下降外，还要保证侧向变形不能太大。 铜自动包装生产线的整形工位主要是对铜板进行侧向挤压，使铜板整齐。便于下 一工位的包装。其整形工位升降平台结构及受力简图如图2 2 所示。为了减小铜 板与工作台之刊的摩擦力工作台上装了4 个# 4 0 的滚珠，如图23 所示。 固21 整形工位及整形机 图22 整形工位升降平台结构豆受力简图 1 铜板；2 托桨：3 液压缸；4 底座 根据对生产现场的分析，剪叉式液压升降平台所受的载荷有两类：1 、铜板 的重力载荷，升降台在起升的过程中要克服铜板的重力作用；2 、整形载荷，出 于铜板表面产生的有铜豆存在，如图2 4 所示，整形载荷包括摩擦力和铜豆的阻 碍力。摩擦力包括铜板之间和铜板与工作台之间的摩擦力，整形的过程中产生很 铜包装线整形工位升降台力学性能研究及优化设计 大的摩擦力和阻碍力 图23 整形工位工作台 曩熏：；滞；茹氍；崩群溯鞭氍麓目 图24 铜板摩攘表面 2 2 剪叉式液压升降平台受到铜板的重力载荷 根据金川公司要求，每摞铜板重量为2 5 吨左右，铜板的尺寸为 1 0 0 0 m r a x 6 0 0 m m ，每摞铜板有1 7 - 1 8 块，以每摞铜板2 5 吨计，重力加速度取 9 8 n k g 则升降平台所受的铜板重力载荷为： g 2 5 0 0 x 9 8 - 2 4 5 0 0 n 2 3 整形摩擦简介 剪叉式升降平台所受到的整形载荷包括两个部分，一是在整形过程中所产生 的摩擦力，二是铜豆所产生的阻碍力。摩擦力常分为滑动摩擦和滚动摩擦，如耍 计算摩擦力的大小必须首先确定摩擦系数的大小，根据目前的研究现状，一般都 是利用试验的方法来确定摩擦系数，然而由于生产现场的条件限制，有些情况下 不能进行试验。本课题拟利用数值计算的方法来确定摩擦系数。 2 3 1 摩擦的分类 根据接触表面之间的润拊状态的不同，可以把摩擦分为四种类型i ”2 i 即 干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混舍摩擦。 f 1 ) 干摩擦一当两接触表面之间不存在任何外来的介质，即直接接触时所 产生的摩擦称为干摩擦见图2 5 ( 0 。这种绝对理想的干摩擦在实际生产中是不存 在的这是由于两接触面暴露在空气中，其表面总会产生氧化膜或吸附些气体、 灰尘等其他介质。通常所说的干摩擦是指不加任何润滑剂的摩擦，所以在实际的 加工过程中干摩擦现象是不存在的。干摩擦现象只是一种理想的简化摩擦现象， 研究千摩擦的摩擦机理，只是为了研究实际生产过程中混合摩擦现象中的干摩擦 分量。 ( 2 ) 边界摩擦一当两接触表面上加润滑剂时，随着接触压力的增加，接触表 面凸起部分被压平，润滑剂被挤入凹坑中，并被封存在旱面，这时在压平部分两 表面之删存在一层极薄的润滑膜其厚度约为1 06 m l l a 左右。这种润滑膜一般是 硕士学位论文 一种流体的单分子膜，接触表面就处在被这种单分子膜隔开的状态，这种单分子 膜润滑的状态称为边界润滑，这种状态下产生的摩擦称为边界摩擦，如图2 5 ( b ) 所示。若这层单分子膜完全被挤掉，则两接触面直接接触。大多数大压力之下的 摩擦均属于边界摩擦。 ( 3 ) 流体摩擦一当两接触表面之间的润滑剂层较厚，两表面完全被润滑剂隔 开，此时的润滑剂状态称为流体润滑，这种状态下的摩擦称为流体摩擦，如图 2 5 ( c ) 所示。流体摩擦与干摩擦和边界摩擦有着本质上的区别，其摩擦特征与所 加润滑剂的性质( 粘度) 和相对速度梯度有关。 ( 4 ) 混合摩擦一混合摩擦是指在摩擦表面上同时存在着流体摩擦、边界摩擦 和干摩擦的混合状态下的摩擦。混合摩擦一般以半干摩擦或半流体摩擦的形式出 现，所谓半干摩擦是指在摩擦表面上同时存在着干摩擦和边界摩擦的状况，而半 流体摩擦则是指在摩擦表面上同时存在着边界摩擦和流体摩擦的状况。根据生产 工况的不同随着接触压力的增大，其干摩擦所占的比例逐渐增大。 ( a ) 千摩擦( b ) 边界摩擦( c ) 流体摩擦 图2 5 摩擦分类示意图 图2 6 接触表面凹凸不平形成机械咬和 2 3 2 摩擦机理 摩擦的性质很复杂，目前关于摩擦产生的原因( 摩擦机理) 2 9 - 3 2 】有三种学说。 ( 1 ) 表面凹凸学说 此学说认为摩擦是由于接触面上的凹凸形状引起的，因为所有经过机械加工 的表面并非绝对平坦光滑，都有不同程度的微观凸牙和凹坑。当凹凸不平的两个 1 1 铜包装线整形工位升降台力学性能研究及优化设计 表面相互接触时，并在压力的作用下，一个表面的“凸牙”可能会插入另一个表面 的“凹坑”，产生机械咬和，见图2 6 。这样的接触表面在外力作