平行四杆垂直升降机构的运动仿真与结构优化

1、平行四杆垂直升降机构的运动仿真与结构优化引言：料车是一种在各种工业用炉前对物料进行搬运的专用 设备，它可以实现对需处理物料的转运、装炉和出炉等功能。料 车垂直起升机构主要用以完成加料小车的垂直升降功能， 是料车 各组成部分中最关键的部分。图 1 平行四杆垂直起升机构简图 平行四杆垂直起升机构简图如图 1 所示，起升摇臂的下部与 机架在01处铰接，其上部在B点与液压缸的活塞杆铰接，其中 部与拉杆的左端在 A 点铰接；拉杆的右端与起升连杆的上部铰 接，并在C点通过滚轮与导向槽板形成滚轮滑块机构；导向槽板的右端与机架在D点形成滚轮滑块机构；液压缸、起升连杆的下 部均与机架铰接。平行四杆垂直起升机构工

2、作时， 由液压缸形成原动力， 推动 起升摇臂绕01点逆时针旋转，并通过铰接的 A点带动拉杆向左 移动，拉杆带动起升连杆绕着 02点逆时针旋转，并通过 C点的 滚轮迫使其上部的导向槽板产生左上方的斜向移动趋势， 右端的 滚轮滑块机构用于消除导向槽板的水平移动。 此时导向槽板即可 带动固定其上部的重物在垂直方向上平移，以实现垂直起升目 的。一、建模与动力学仿真利用 Solidworks 建立平行四杆垂直起升机构的三维模型， 为了便于仿真， 在不影响仿真结果的前提下将中部的起升连杆部 分进行了简化，且右端滑块机构也使用配合功能以于实现，图 2 中只给出部分模型。这样既可减少仿真模型中零、部件数量，提

3、 高仿真效率，也可减少仿真时的冗余自由度 1 。图 2 平行四杆垂直起升机构模型用 Solidworks Motion 中的配合和马达功能，使每个零件的 位置、速度、加速度等参数在各时间点都完全确定，确保没有冗 余自由度和欠约束的存在。计算参数：载荷39730Kg （包括载荷重量和自重），仿真时 间 37.5s ，步长为 25 步，用线性马达模拟液压缸， 其行程为 534mm， 垂直起升高度100mm经过仿真，得到起升摇臂中部（A点）所 受作用力图解，如图 3 所示：图3起升摇臂中部（A点）作用力由图 1 分析得到， 随着液压缸的不断伸长， 使得起升连杆绕 其下部的机架02点逆时针旋转，在其上

4、空套的滚轮与导向槽板 上的导向槽间的压力角也随时间不断地变化， 其值呈逐渐变小的 趋势，由于起升连杆处的压力角逐渐变化， 会使得滚轮处的垂直 分力逐渐增大，水平分力逐渐减小。由图3知，起升摇臂中部（A点）的作用力随时间的推移而逐步减小，最大值出现在仿真的开始时刻，其值为 38049.3Kg ， 其它时刻均小于初始值，变化规律与理论分析结果相同。二、有限元仿真将起升摇臂分离， 并考虑起升摇臂的对称性， 本次仿真仅采 用单个起升摇臂侧板进行分析（其参数见图4）。考虑到有限元仿真精度及效率， 将起升摇臂侧板上的圆角简化， 并对应力较大 部位运用局部网格控制功能细化网格， 离散单元选择二阶实体单 元，

5、并且选择基于曲率的网格功能， 这样可有效协调仿真精度和 有限元模型的规模。图 4 起升摇臂侧板结构简图起升摇臂侧板采用 Q345-B2 制造而成，其屈服强度（T s > 345Mpa，抗拉强度 彷b> 520Mpa,泊松比0.3，密度 7.85 X 103 kg/m3，质量为 46.9Kg。起升摇臂侧板主要承受来自液压缸、 机架和中部拉杆的载荷 作用，所以起升摇臂侧板两端轴承孔分别采用固定铰链进行约 束；并选取起升摇臂侧板中部轴承孔加载平行于水平方的向轴承 载荷，用以模拟拉杆载荷，其大小为195246.5N （共有两个起升摇臂侧板380493N/2 ）。但考虑到偏载和液压缸不同步等

6、因素的 影响，在起升摇臂侧板侧面中部的凸台上加载 63415.5N（380493N/6）的侧向载荷，方向垂直于起升摇臂侧板。经过仿 真，得到应力图解与位移图解如图5、图 6 所示：图 5 起升摇臂侧板应力图解 图 6 起升摇臂侧板位移图解 由图5可知，起升摇臂侧板的最大 von mises为19MPa安 全系数达 18.1 ；从位移图解（图 6）可以看出，起升摇臂侧板最 大位移发生在起升摇臂侧板的中部，其值为0.376mm从对起升 摇臂侧板分析结果可以看出， 无论是强度与刚度， 都存在较大的 富裕量，有必要进一步对其结构进行优化。三、优化设计 在不改变起升摇臂侧板接口的前提下， 为实现即满足强

7、度要 求且重量最轻的目的，采用 Solidworks 中集成的结构优化功能 3 对起升摇臂侧板的结构进行优化。经过多次验算，选择起升 摇臂侧板端部圆弧x1、中部圆弧尺寸x2和壁厚x3为设计变量(见图4)，各变量的取值范围分别为：80Wx1<60、110Wx2<90、 40W x3w 26。选取起升摇臂侧板的最大 von mises和最大位移为 约束条件，安全系数5 ( 345/5=69MPa)。并选取起升摇臂侧板 的质量为优化目标，进行优化。起升摇臂侧板优化前后变量、约 束和目标等相关数据对比如表 1 所示：由表1知，优化后起升摇臂侧板的端部圆弧x1、中部圆弧尺寸 x2 和壁厚 x3 尺寸均有不同程度的减小。并且可知，最大 von mises由19MPat增大到31MPa最大位移由0.38mm增大到 0.91mm,完全满足实际使用要求。优化后起升摇臂的质量由 46.9Kg下降到27.2Kg，减轻了 19.7Kg，材料的质量比优化前减轻了 42%优化结果表明对减轻 起升摇臂侧板的质量、节约材料有明显效果。四、结论(1)本文采用 Solidworks Motion 对料车的垂直起升机构 进行了运动仿真， 得到起升摇臂的作用力图解， 并运用有限元仿