液压升降台结构设计及有限元分析

李增双，李永波，魏 禹， 管小花

（1.湘潭钢铁集团有限公司，湘潭411101；2.哈尔滨工程大学 机电工程学院，哈尔滨150001；3.涟源钢铁集团有限公司，娄底417100）

0 引 言

升降台是现代机械行业不可缺少的基本设备，由于机电一体化进程的加快，升降台向精度高、操控性好以及高智能化的方向发展.本文设计液压剪叉式升降台采用液压传动，主机采用单级剪叉式结构，工作台面为辊道形式，整机用钢结构件焊接及螺栓联接而成.对于一级升降平台，液压缸布置在剪叉机构的右侧，对于多级升降台，采用多级液压缸分布在不同级别的支杆上，以达到较大高度，较大载荷的要求［1］.

本文通过有限元软件ANSYS对液压升降台关键零部进行静力学分析，仿真结果与许用应力做对比，完成对压力机的强度校核，验证机构满足设计要求.

1 液压升降台的设计

1.1 技术指标

技术指标对液压剪叉式升降台的设计有至关重要的影响.表1是升降台的技术指标，依据设计相关要求，使完成后的升降台具有结构简洁、运行平稳、以操控等特点［2－3］.

表1 升降台技术指标

续表

1.2 总体方案设计

液压剪叉式升降台是由主机、液压系统、电气系统等几大部分组成.由于升降台有效行程是850 mm，液压缸采用右侧布置，与液压缸下支点相连的耳座焊接固定在下平台上，如图1所示.

图1 液压剪叉式升降台原理图

油泵从油箱吸油，油液经过滤器后推动单向阀开启，经过与液压缸相连的二位二通阀后推动缸杆的伸出，从而完成升降台的上升动作.溢流阀起安全阀的作用，对系统进行过载保护.变量泵起到系统流量自动调节的作用.

平台的下降复位是通过自重实现的.油液先经过与液压缸相连的二位二通阀后经过节流阀调速，通过另一个二位二通阀后流回油箱.平台任意位置的停留是靠两个二通阀油口的关断来实现的［4］.同时单向阀在此时也对系统起到一个过载保护的作用，液压系统原理如图2所示.

图2 液压系统原理

1.3 零部件设计及三维建模

根据升降台的设计要求，对液压剪叉式升降台的辊道、平台、销轴等进行结构设计，并运用PrO／E三维建模软件分别建立三维模型，最后完成底传动压力机的装配.

1.3.1 辊道的设计

辊轴设计成台阶的形式，由轴肩在左侧定位轴承；用垫片对轴承进行右侧定位.用紧定螺钉对垫片进行固定.辊道是通过螺栓连接安装在辊轮支撑架上，辊轴与轴承固定在辊轴支架上的支撑孔内，轴承左侧通过辊轴的轴肩定位，轴承的右侧通过铰接在辊轴支架上的垫片实现定位，如图3所示.

图3 辊道示意图

1.3.2 平台与销轴连接设计

平台由钢板折制而成，与辊轴固定通过螺栓连接.滚子的滚道由角钢焊接在上平台下平面而成.剪叉杆支架由钢板焊接而成，钢板上打孔，通过销轴与剪叉杆铰接，如图4（a）所示.销轴与机架直接配合，销轴与剪叉杆通过套筒链接，套筒对剪差杆的孔表面起保护作用，销轴通过开槽螺母和开口销进行轴向定位，如图4（b）所示.

图4 升降台设计示意图

通过上述过程，采用Pro／E三维软件完成了液压剪叉式升降台三维模型的建立，为下面运用有限元软件ANSYS进行静力学分析做了准备，三维模型如图5所示.

图5 液压剪叉式升降台的三维模型

2 有限元分析

ANSYS是集结构、传热学、流体、电磁、声学和爆破分析于一体的商用有限元软件.主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块.前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型［5－6］；分析计算模块可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以各种图形方式方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出.

本文使用ANSYS12.0软件中的结构静力分析模块，ANSYS处理问题的标准步骤为：建立模型、划分网格、加载和求解和结果后处理［7］.

升降台在工作过程中剪叉杆承受拉力作用，同时在液压缸回程时，剪叉杆受到承受滚子的重力作用，因此需要对剪叉杆做受拉伸和受压的两种情况的有限元分析.

2.1 受拉时的强度校核

剪叉杆受力如图6所示，向下有集中力 （实际为均布力），向上有剪叉杆和滚子给上平台的支撑力F.钢板的宽度为50mm，钢板的厚度为13mm，选用45钢，由《材料力学》相关知识［8］，则：

X方向：

Y方向：

图6 剪叉杆受力分析图

取安全系数 ，则许用拉伸应力：

求解后的节点应力如图7所示.连杆最大拉应力为115.41MPa，由于σ＜［σ］，验证了剪叉杆拉伸强度满足设计需求.

图7 受拉节点应力图

2.2 受压时的强度校核

液压缸回程时，剪叉杆受到承受滚子的重力作用，此时剪叉杆受压，剪叉杆承受的载荷：

式中：m——滑块质量，kg；

求解后的节点应力如图8所示.剪叉杆所受最大压应力为17.478MPa，剪叉杆的许用压应力［σ］＝177.5MPa，σ＜［σ］，因此所设计的升降台结构能满足设计要求，因为所校核的力是保守的，允许有一定冲击，即在一定的冲击下，可以满足工作要求的.

图8 受压节点应力图

3 结 论

本文采用三维建模软件Pro／E建立了液压剪叉式升降台的三维模型，运用有限元软件ANSYS对其进行静力学仿真，仿真结果与许用应力对比，验证了液压升降台满足设计要求.

［1］ 杨恩霞.机械设计［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006：90－108，126－194.

［2］ 成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2008：670－690，747－780，1150－1250.

［3］ 成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2008：670－690，747－780，1150－1250.

［4］ 刘 坤.ANSYS有限元方法精解［M］.北京：国防工业出版社，2004：72－98.

［5］ 王呼佳，陈洪军.ANSYS工程分析进阶实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2006：1－5.

［6］ Erdogan Madenci，Ibrahim Guven.The Finite Element Method and Applications in Engineering Using ANSYS［M］.Springer US，2006.

［7］ Shiuh－Chuan Her，Yu－Cheng Liang.The Finite Element Analysis of Composite Laminates and Shell Structures Subjected to Low Velocity Impact Original Research Article［J］.Composite Structures，2004，66（4）：277－285.

［8］ 刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，1992：20－60.