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浅谈液压升降机结构参数与强度设计

发表时间：2021/5/19 来源：《基层建设》2020年第35期作者：董佳恩

[导读] 摘要：随着液压广泛适用于汽车、集装箱、模具制造，木材加工，化工灌装等各类工业企业及生产流水线，满足不同作业高度的升降需求，同时可配装各类台面形式（如滚珠、滚筒、转盘、转向、倾翻、伸缩），配合各种控制方式（分动、联动、防爆），具有平稳准确、频繁启动、载重量大等特点，有效解决工业企业中各类升降作业难点，使生产作业轻松自如，所以其推广应用越来越广泛，对其设计分析越显必要。

        浙江佳昇机械制造有限公司
        摘要：随着液压广泛适用于汽车、集装箱、模具制造，木材加工，化工灌装等各类工业企业及生产流水线，满足不同作业高度的升降需求，同时可配装各类台面形式（如滚珠、滚筒、转盘、转向、倾翻、伸缩），配合各种控制方式（分动、联动、防爆），具有平稳准确、频繁启动、载重量大等特点，有效解决工业企业中各类升降作业难点，使生产作业轻松自如，所以其推广应用越来越广泛，对其设计分析越显必要。
        关键词：液压升降机;设计；分析
        目前，我国液压技术已能够提供各种矿产品，工程机械，机床，纺织机械，化工机械等工业部门。然而，我国液压技术的数量和种类的产品，技术水平国际先进，水质要求举办的行业仍然有很大的差距，每年需要进口的数量大的液压元件，未来，液压技术会有性能更强大，新颖创新零件，体积逐渐变小、组合化集成化并结合微电子技术的发展趋势。
        1 升降机的介绍
        在日常工作中，升降机被当作是一种运用范围极为广泛的货物提升工具，其大多数被运用在生产流水线高度差距巨大的设备之间的货物传输和运送、物料供应线、对货物进行高效快捷装卸等多个方面。升运用液压操作系统，主要具有的优点有：
        (1) 在尺寸一样的液压装置可以产生较大的动力，而在功率相同的条件下，使得液压装置的体积较小。
        (2) 液压系统的工作状态相对稳定，由于惯性小，响应快，因此很容易实现快速启动、制动频繁更换。
        (3 ) 液压控制系统能够达到无级调速的目的。
        2 国内外液压升降机结构参数与强度设计方面的研究
        国外专家和学者目前对剪叉式液压升降机的研究主要集中在结构的创新上，美国专家Hachem等根据剪叉式液压升降机的特点提出采用并联连接剪叉臂的结构形式，之前的升降机主要是串联连接剪叉臂，串联连接限制了其工作台面的增加，并联连接不仅可以增加工作面积，还能够大大增加其稳定性。C.Gantes根据剪叉臂的受力情况提出了一套新的理论，对于双层剪叉臂起升机构的模型推导出了一个系统的设计和计算标准。W.Shan利用分析软件Matlab通过试算的方法对剪叉臂进行了尺寸优化，首先通过约束剪叉臂的载荷等条件，然后根据剪叉臂的许用应力采用刚度矩阵进行重复计算截面尺寸，从而得到最优的截面尺寸。
        剪叉式液压升降机目前在我国还没有进行明确的产业分类，也没有国际知名品牌，但随着升降机需求的猛增，社会各界对它也越来越重视。在市场上，现在剪叉式液压升降机的起升高度从4m到18m不等，载重量也从300kg到1000kg不等。
        太原科技大学的曾午平等人将剪叉式升降平台的剪叉机构划分为三种，并对每一种的运动特性进行了分析，根据其起升特点推导出了升降机在运动过程中的各铰点瞬间位置的计算公式。另外，国内还有兰州理工大学、山东轻工业学院、北京工业大学、广州铁道学院等单位也对剪叉式液压升降机有过研究。剪叉式机构工程应用比较多，分析比较少，设计人员往往参考现有产品类比设计，没有系统计算和分析。
        3 液压升降机结构参数与强度设计
        结构中的部件工作时不管是受到哪种载荷的作用，都会对自身产生一定的影响，如果所受到的载荷超过了构件自身能抵抗的能力，部件就会被破坏，影响机构的整体性能，所以，为了使整体结构能够承受其负载，各个部件一定要有较高的强度以及刚度。
        本章主要研究剪叉式液压升降机在工作过程其剪叉臂的强度、刚度以及稳定性情况。

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在通常情况下，因为剪叉式机构的用途不相同，它所能承受载荷的性质也会不一样，例如剪叉式升降机主要是承受压力，然而伸缩装置由于在安装中存在一定的倾斜角度，主要是承受横向剪切力。本论文所分析的剪叉式机构主要是起支撑作用的，在不同的工作环境中，剪叉式升降机可能会受到压力、弯矩或风载荷作用，当然剪叉式机构大多数情况是同时承受多个不同性质的载荷，因而应当根据不同的情况来计算剪叉式机构的承载能力。
        3.1 风载荷标准值的计算
        风在行进的过程中，通常会遇到很多阻碍，在克服阻碍运动的过程中，就会对阻碍体产生力的作用，这种压力成为风压。风压在工程中十分的常见的侧向载荷，要在工程中对风里进行分析，就要具体问题具体对待，根据工程所在地的实际情况进行分析，根据当地的风力资料，来确定所要考虑的风压。风压的影响因素很多，其中风压会随着高度的增加而发生变化、地貌等特征对风压都有很大的影响。
        3.2 综合承载能力分析
        虽然分析了受力的情况，但是空间展开式液压升降机在通常情况下，它会受到压力、弯曲、剪切等载荷的综合的外力，这种受力就会比上面所做的受力分析的要复杂很多，如果要研究实际的工作中所有外力组合的情况下剪叉臂的变形情况，我们就必须用到力学中叠加原理的理论来解决，而能否利用叠加原理，要确定的是剪叉臂由于受到压力、弯矩、风载等各种综合负载时的位移及应力与受力之间的关系，经过确定受力的构件的应变位移与外力是线性关系，那么我们就可以通过叠加原理对剪叉臂实际工作情况进行受力分析。所谓叠加原理，就是根据剪叉臂所受的每一种负载来计算出它所对应的应力、应变和位移，然后再将所有的结果进行叠加，从而得到构件在综合变形的应力、应变以及位移。由于升降机承受的风载荷就是一种弯矩，所以将风载规划为平台所承受的弯矩，对于升降机在实际的情况下所受的力我们可以分为剪叉臂同时受压和弯矩，剪叉臂同时受压和风载荷、剪叉臂同时受压、受弯矩和风载荷三种情况。
        3.3 剪叉臂同时受到压力和弯矩
        工程中的构件一般都会受到拉压与弯曲的组合变形，根据上述的叠加原理，我们可以利用公式计算出来剪叉臂在危险截面处受到的应力值的最大值，剪叉臂所受到的变形肯定比单独受到弯矩时的变形要大，但是根据剪叉臂的结构及刚度可知，剪叉臂所受到的弯矩而产生的变形与受到的轴向力所产生的压缩变形相比，弯矩产生的变形非常小，属于小变形，所以这里将轴向力产生的弯矩以及产生的变形忽略，轴向力所带来的剪叉臂的变形就只有对剪叉臂的压缩变形，具体来说剪叉臂的沿轴方向的变形就是受到压力的压缩，沿径向方向的变形就是受弯矩的变形。同样的道理，在处理风载对剪叉臂的变形影响时，我们也将初始的弯曲变形忽略，那么沿径向方向变形就是风载荷引起的弯曲变形。
        3.4 剪叉臂同时到压力、弯矩和风载
        风载荷和弯矩引起的是变形是弯曲变形，当这两种载荷对剪叉臂的施加方向一致时，剪叉臂产生的弯曲变形达到最大，剪叉式液压升降机的起升部分由剪叉臂连接而成。可以对升降机做刚度分析，此时所得到的的刚度矩阵将会复杂，需要大量计算。如果是剪叉式液压升降机，通过结构简化以及有限元分析，最后可以知道其空间展开式液压升降机的变形情况。创建有限元模型的前期工作包括，首先是建立几何模型以及数学模型，然后施加适当的约束，最后要确定的是边界条件、载荷的大小、载荷的形式。
        4 结束语
        本论文只分析了其起升机构，对于底座没有做进一步的分析和优化。起升机构优化以后，其自重大大的降低，所以底座部分所承受的载荷也会下降，因此，底座部分的结构也存在简化的空间，今后可以对其进行进一步的分析。
        参考文献：
        [1]王文荣,王志坤.新型液压升降机的结构设计[J].河北农机,2019(05):37.
        [2]赵志勇.内燃机车柴油机液压升降机钢结构改进设计[J].铁道技术监督,2018,46(11):47-49+102.
        [3]陈玉和.液压升降机结构参数与强度设计分析[J].科技创新与应用,2017(22):88-89.