50MN压平机新型升降平台运动学分析①

2014-05-28杨天云周存龙马国财陈少航

冶金设备 2014年2期

关键词：滚轮上台数目

杨天云周存龙马国财陈少航

(太原科技大学山西太原030024)

1 前言

宽厚板压平机所用的升降平台是一种平面升降机构，传统的升降平台采用的是四连杆机构，设备本体笨重，且平台升降时容易发生倾斜，严重影响实际生产的正常进行，所以开发、研究一种承载能力强，平台起升后平稳性高，结构紧凑的新型升降平台迫在眉睫。

所依托的项目借鉴主要用于轻载的剪叉升降平台，结合重载升降平台的特点，开发了大型宽厚板压平机用的剪叉式新型升降平台，下面是对该结构所做的运动分析和强度分析。

2 剪叉式新型升降机构

本升降平台的设计要求承载为85000kg，上平台升降高度需达到200mm，各机构需运动灵活，不得有卡死现象。

该新型升降平台结构简图和三维实体模型如图1、图2所示。它包括底板、外叉臂、内叉臂、铰链轴、滚轮、液压缸、上台板，其采用液压系统控制2个液压缸同步运动，同时伸缩，相同的推力，活塞杆1推动推车连杆2的4个滚轮，滚轮带动与之销连接的外叉臂，外叉臂另一端绕着固定铰链转动，随着滚轮在轨道内运动(前进或后退)，带动内叉臂一端安装的滚轮在轨道内运动(前进或后退)，另一端绕着固定铰链转动，外叉臂与内叉臂之间采用铰链轴连接，从而使上台板4上下运动。三维造型见图2所示。

图1 升降平台结构简图

图2 升降平台三维实体模型

一般情况下，机构自由度的计算是新机构结构分析的重要内容，下面将根据自由度计算公式来对该升降平台进行计算［1］。

式中 n—活动构件的数目;

pl—低副的数目;

ph—高副的数目。

使用该公式的前提是，先判断出一些特殊情况:复合铰链，局部自由度和虚约束。对于局部自由度，处理方法是将两个构件并成一个整体;而复合铰链处的转动副数目等于相连的构件数目减1;虚约束处理方法是去掉重复的部分，只保留其中一个。根据以上方法，得出活动构件为7，低副为9，高副为2，带入(1)式得

F=3n－2pl－ph=3×7－2×9－2=1

由于该机构只有一个原动件，原动件的数目=自由度的数目，所以该机构有确定的运动。

3 剪叉式新型升降平台的运动仿真

3.1 新型升降平台模型的建立

该升降平台三维模型利用三维软件Inventor中进行建模，以Parasolid格式导入到ADAMS中进行仿真。本升降平台结构复杂，为了方便仿真分析，对分析结果影响不大的零部件略去，以得到简化模型。

3.2新型升降平台运动仿真分析

3.2.1 新型升降平台技术难点及解决方法

开发新型升降平台技术难点主要有两个方面，①液压缸型号的确定;②升降平台的举升行程及上台的运动轨迹。为了解决上述难点，将三维模型导入到ADAMS中，对其进行运动仿真。得出液压缸的推力曲线轨迹和上台板质心的位置曲线轨迹。

3.2.2 新型升降平台的加载条件

新型升降平台在配合其他机器工作时，先是负载上升，然后空载下降。因此研究液压缸的最大推力时，只需要研究升降平台负载上升的过程。对此先定义构件材料，在转动副上添加旋转副，液压缸体与活塞之间添加滑移副，并将下台板与大地固定;由于全部用低副来进行约束容易形成一个封闭的回路，这样就造成系统过约束，在过约束的情况下，系统在求解时会自动解除一些约束，在被解除约束的自由度上就不会计算构件之间的相互作用力，这种情况下可以使用基本副来代替低副，所以在对该模型进行约束时，使用了点点副和点线副来代替旋转副。上、下滚轮是在导轨上滚动的，需要在上、下滚轮和轨道之间添加8个接触。因为滚轮与导轨的滚动摩擦对本文分析结果影响不大，故不必涉及摩擦因数。

在进行液压缸推力仿真分析前，需要施加载荷和驱动，将此载荷简化为一个集中力添加在上平台的几何中心处。根据设计要求，本模型中平台所承受的最大载荷为850kN，液压缸最大行程约为300mm，设机构完成抬举时间为10s。利用STEP函数为滑移副添加滑移驱动，其驱动函数为:STEP(time，0，0，10，－300)［3］。仿真后得到2个液压缸推力之和的变化曲线，如图3所示、上台板的位移曲线分别如图4、5、6所示。

图3 2个液压缸推力之和的变化曲线

图4 上台板Y方向位置变化曲线

图5 上台板X方向位置变化曲线

图6 上台板Z方向位置变化曲线

3.2.3 运动结果分析

由图3可知，两个液压缸在启动的初始状态时，因为外叉臂与内叉臂支架的夹角最大，在外载荷不变的情况下，随着滚轮的前进，剪杆之间的夹角逐渐变小，随之施加在滚轮X方向的力也随着变小，所以最大值是860kN，故每个液压缸的最大推力为420kN;图4显示上台板可上升达到的最大高度约为1.2m(以地面为基准)，上台板从1.07m开始运动到1.270m结束，抬升行程最大为0.2m。从图5、6可知上台板在运动过程中，只有Y方向有位移，X与Z方向没有位移，所以，可以确定上台板的运动方式为上下运动。通过上述运动仿真基本上确定了上台板的运动轨迹和液压缸的型号。