升降平台升降机构研究现状分析

2013-12-23杜干

机械工程与自动化 2013年2期

杜干

（海军工程大学勤务学院海运补给系，天津 300450）

0 引言

升降平台作为一种起重机械，在物流、搬运、装配、城市停车系统、海上油田等各种工作场合中得到了广泛的应用。其最主要功能是依靠驱动机构与升降机构将物体升降至不同高度。升降机构具有刚性与柔性的性质，根据升降机构属性的不同，可将其分为3类：①刚性升降机构，主要利用机构的刚性特性对平台进行直接顶升或推送；②柔性升降机构，主要通过钢丝绳、链条等柔性构件以拉曳的方式实现平台的升降；③刚柔双属性升降机构，此类机构进行顶升作业时具有刚性属性，不工作时则表现出柔性属性。

1 刚性升降机构

刚性升降机构包括齿轮齿条机构、柱塞机构、剪叉机构和丝杠机构等几种机构形式。

1.1 齿轮齿条式升降机构

齿轮齿条机构包含齿条机构和齿轮机构，齿条设置于桩腿上，每根齿条对应有若干个小齿轮。动力通过齿轮减速器传递给小齿轮，从而驱动平台升降。

齿轮齿条式升降机构具有工作连续、升降速度快、操作简单、同步性好等优点，同时，齿轮齿条机构易于将平台调平且定位较精准。但由于价格贵，制造难度大，主要应用于海上自升式升降平台。

文献［1］对国内外自升式海洋风电安装船的典型升降机构、工作原理进行了对比分析，结果认为，利用齿轮齿条升降机构进行升降作业是未来自升式升降系统的主流方向。文献［2］介绍了一种齿轮齿条式施工升降机，通过布置在吊笼上的传动装置的齿轮与布置在导轨架上的齿条相吻合，使导轨上下运动，具有静态稳定性好，定点定位性好，同步精度高等优点，但其运行平稳性差，且造价高。文献［3］通过对比分析，设计了一套齿轮齿条升降机构，具有结构紧凑、操作简单、适应性强等优点，可使用于自升自航式海洋船舶升降系统中。

一些学者对升降平台中齿轮齿条机构的强度进行了研究。文献［4］使用有限元分析软件对某自升式升降平台齿轮齿条升降机构的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度进行计算和强度校核，发现由于海洋外部环境的影响，齿轮齿条升降机构的弯曲疲劳破坏是其主要失效形式。研究发现升降平台的齿轮齿条机构在海洋复杂情况下易产生疲劳破坏，并且破坏程度和齿轮齿条倒角大小有关。文献［5］采用ANSYS软件建立了升降平台齿轮齿条的二维和三维数值模型并进行了应力分析，根据分析结果优化齿根过渡圆角和齿条齿宽。

1.2 柱塞式升降机构

柱塞式升降机构通常与液压装置配合工作，通过泵站将油压入油缸，使柱塞运动，直接作用在平台上，使升降平台向上运动，升降平台的下降则依靠平台的自重实现。柱塞式升降机构结构简单，工作可靠，但其同步精度较差，且存在能耗偏大的问题，因此这种升降技术在升降平台上并不常用。

对柱塞式升降机构的使用主要有单缸直顶支撑与多缸直顶支撑两种方式。其中单缸直顶支撑根据柱塞与平台连接点位置的不同分为平衡型直顶式和不平衡直顶式。平衡型直顶式升降机构可使升降平台承受较小的倾覆力矩，故可承受较大载荷；不平衡直顶升降机构使升降平台承受较大的倾覆力矩，导轨易受较大反作用力，从而易产生磨损。多缸直顶支撑方式是指用一个以上的油缸来驱动平台，当提升高度不大时，采用单级油缸直顶；当提升高度较大时，采用多级同步伸缩缸直顶驱动，通常油缸采用对称布置，防止侧向倾覆力。

1.3 剪叉式升降机构

剪叉式升降机构包括驱动执行装置和剪叉装置。在驱动机构的驱动下，驱动执行装置产生小位移行程的同时将驱动力传递给剪叉装置。剪叉装置作为剪叉式升降机构的主体具有折叠伸展性能，它受到驱动执行装置的驱动并将驱动执行装置的小位移行程放大成竖直方向的较大行程，从而推动升降平台的上下移动。

剪叉式升降机构具有结构紧凑、承载量大、驱动装置通过性强和操控性好的特点，因而在各种场合中得到了广泛应用。但剪叉式升降机构也有不足之处，即台面在升降过程中较难实现匀速，并且升降行程较小。

剪叉式升降机构的驱动执行装置有多种结构。文献［6］比较分析了多种驱动执行装置的优缺点，其中动滑轮装置与滚珠丝杠装置传动精度高，但由于安装和制造精度的过高要求影响了其应用和推广；连杆装置安装精度要求较低且不易出故障，但其对剪叉式升降机构有尺寸限制从而也限制了其运用场合；相比较而言，液压柱塞装置可大幅减小剪叉升降机构的高度，且机构简单、传动环节少、故障低、易维修和更换零件，因此采用液压柱塞运动执行装置的剪叉式升降机构应用最为广泛。文献［7］设计一种采用滚轮丝杠驱动执行装置的剪叉式升降机构，通过对滚轮与剪叉臂行走曲面的设计，可使升降机构匀速升降。

更多的学者将目光投向了剪叉式升降机构的运动特性以及力学特性。文献［8］利用ADAMS软件对液压剪叉升降机构进行仿真，分析液压系统中方向阀控制函数对剪叉升降机构运动学特性的影响，并选出较优控制函数，减小了剪叉式升降机构升降过程中的加速度。文献［9］用几何分析方法，推导出剪叉式机构在伸展过程的运动方程，并给出几种基本剪叉式结构单元运动方程的具体形式。文献［10］介绍一种简便且通用性强的运动学建模方法，并对平面变比例剪叉式升降平台进行运动学分析与仿真，结果与实际相符。文献［11］通过ADAMS软件对剪叉装置进行仿真分析，并研究液压柱塞装置与剪叉装置连接位置参数与柱塞顶升力的关系，得到较为理想的结果。文献［12］对剪叉装置进行电测实验，实验结果验证了ANSYS计算中确定的最大应力值以及最大应力点发生的区域。

1.4 丝杠式升降机构

丝杠升降机构主要是利用丝杠可将旋转运动转变为直线运动的特性对平台进行升降。丝杠升降机构常用于与电驱动机构或液压驱动机构配套使用。其中，电驱动机构是将电动机的动力通过减速器、轴或链条传递给丝杆减速器，最终传递给丝杠；液压驱动机构则是将液压驱动单元输出的动力传递给丝杠螺母，将回转运动转换为直线运动来实现升降台面的升降［13］。

由于丝杠式升降机构是螺旋形式顶升，因此具有结构紧凑、运行平稳、传动准确等优点，同时丝杠易于实现自锁，故其安全可靠。

文献［14］介绍蜗轮丝杠升降机构的结构特点以及传动方式，该机构具有结构紧凑、体积小、重量轻、无噪声、可靠性高等优点，尤其适用于大面积微动平台。文献［15］根据丝杆机构的运动特点建立了机构失效模式及可靠性分析，创建了动力学方程，并对传动的可靠性进行了深入的研究。文献［16］设计出滚柱螺线丝杠副，改进了传统普通滑动螺线丝杠能够自锁但机械效率低、滚珠螺母丝杠副传动效率高但不能自锁的缺点。

2 柔性传动升降机构

升降平台柔性升降机构主要有钢丝绳升降机构和链条式升降机构。

2.1 钢丝绳升降机构

钢丝绳升降机构在各种场合的升降平台上被广泛运用，且技术较为成熟。根据钢丝绳收放方式的不同，钢丝绳升降机构可分为卷入式钢丝绳升降机构和顶升式钢丝绳升降机构。卷入式钢丝绳升降机构包括卷筒与钢丝绳，驱动装置带动卷筒转动，通过收放钢丝绳使平台升降，常见于施工升降机。顶升式钢丝绳升降机构包括液压柱塞与钢丝绳机构，通过液压柱塞的顶伸与收缩从而带动钢丝绳实现平台升降。

钢丝绳升降机构布置灵活且具有定点定位性好、运行噪声小、运行平稳性好等优点，但是对升降高度有一定限制。当钢丝绳使用伸长量变大后，升降机构定位不精确，运动平稳性变差，易受外界负载影响、惯性大、启动及换向慢。对于卷入式钢丝绳升降机构来说，升降所需耗钢丝绳的长度受卷筒绳容量的限制。

文献［17］对船载货运升降平台进行研究，它采用顶升式钢丝绳升降机构。柱塞与动滑轮相连接，钢丝绳绕过动滑轮一端与升降平台相连，一端连于基座上，如图1所示。柱塞推动动滑轮向前移动从而实现升降平台的起升作业。

图1 船载货运升降平台示意图

2.2 链条式升降机构

链条式升降机构采用链传动方式，一般将电机链轮作为驱动机构，通过联轴器、传动轴、链轮等一系列传动实现升降平台的升降。链条式升降机构具有结构简单、成本低等优点，常使用于低速与升降高度不大的场合。其采用的链条机构稳定性较强，定点定位好，同步精度高，但运行平稳性较钢丝绳式升降技术要差。

文献［18］对3种不同布置方式的链条式升降机构进行了对比分析。其中侧置链条式升降机构结构平稳性好，但成本较高；配重式链条升降机构结构简单但平稳性较差；封闭链条式升降机构能不足，且结构复杂，成本较高。

3 刚柔双属性升降机构

刚柔双属性升降机构是较晚才出现的新型升降机构，在对平台进行升降时可直接进行顶升或推送，从而获得较高速度和较大行程；在不进行升降作业时可盘折起来，从而可降低设备的自身高度并增加了升降机构布置的灵活性。

文献［19］介绍了一种自组式螺旋升降机构，该机构具有垂直与水平两组钢带。工作前，平卷螺旋板上下紧凑叠放，立卷螺旋板松散盘旋。在外来动力驱动下，垂直和水平钢带被牵引出，以螺旋方式上升，组合成柱状举升体，从而顶升升降平台。法国一家公司设计了一种新型刚性链升降机构，其基本结构与普通链条类同，但通过对链条的改进，使链条只能朝一个方向回转。当受到压力载荷时，相邻链节间产生相互锁紧，此时链条具有刚性机构的特性。而当链条不受外部力时，链条可弯曲的特性使其便于弯曲储存。文献［20］也设计了一种链式推拉齿条升降机构，其结构简单且成本较低。将齿条预先制造成无齿的齿条节，根据行程将数个齿条节以销轴首尾相连，并使其能绕单侧相互转动。当齿条节都相互转动时，齿条节组便形成了一侧具有承受顶升力的刚性特性，而另一侧具有承受拉力的柔性特性。推拉齿条的齿形是在齿条节铆接成齿条组后才加工成形。