四连杆升降机构的仿真与结构优化

贺平平（三门峡职业技术学院，河南三门峡472000）

四连杆升降机构的仿真与结构优化

贺平平
（三门峡职业技术学院，河南三门峡472000）

通过对四连杆升降机构进行建模，用运动仿真的方法，得出拉杆的最大拉力为38049kg；进一步通过有限元方法对四杆升降机构中的拉杆应力、应变进行了模拟；在有限元仿真结果的基础上进行了结构优化，优化后的拉杆性能更加趋于合理，最大Von Mises由300.7MPa降低到259.5MPa，整体质量也减轻了18.65kg，降低幅度达33%，同时也为四杆升降机构的其他零部件设计提供了切实可行的借鉴方法。

升降机构；模拟仿真；结构优化

0　前言

在各种工业用炉前对物料进行搬运的料车是一种专用运输设备，它的优点是在实现对待处理物料的进出炉和转运等工作中实现垂直起升。但完成料车垂直起升功能主要是由四连杆和滚动滑块机构组成，它是四连杆垂直升降料车的核心和关键的组成部分，具体结构如图1所示。

图1中，四连杆垂直升降结构所示的起升摇臂的左下端在O1处与机架相铰接，它的中部与拉杆的左端在A点铰接，其右上端与液压缸左上端的活塞杆在B点处铰接；拉杆的右端与起升连杆的上部在C点相互铰接，并且通过C点安装的滚轮将连杆的右端与导向槽板的导向槽相连接，形成滚轮滑块机构；在D点导向槽板的右端上所安装的滚轮与机架上的滚道同样形成滚轮滑块机构；起升连杆的左下端与机架的O2点相铰接，液压缸右下端与机架在O点处铰接。

四连杆垂直升降结构的动力源来自于设备所带的液压系统，工作时由液压系统所输出的动力驱动液压缸工作，由于液压缸是固定的，所以只能由活塞杆推动起升摇臂向左上方移动，此时，起升摇臂绕着O1点逆时针转动；在A点处，起升摇臂通过铰轴拉动拉杆向左移动，在O2点处，拉杆的右端带动起升连杆绕着O2点相对机架逆时针旋转，并通过C点处的滚轮作用，使其上部的导向槽板有向左上方斜向移动的趋势；但由于四连杆垂直升降结构右端的滚轮滑块机构消除了导向槽板的水平移动，所以，导向槽板只能带动安装在其上部平台及重物在垂直方向上移动，不能在水平方向移动，实现了物料的垂直起升。

1　三维建模与运动仿真

利用Solidworks三维建模功能，按照四连杆升降机构设计需要和参数化设计的原则，再与实际使用的情况相结合，确定该机构各零部件的三维模型；并利用其自带的功能进行装配，形成了四杆升降机构的虚拟样机模型，如图2所示。其中，机架、导向槽板右端的滚轮滑块机构是利用软件的装配功能予以实现的（未在图中示出）。建模过程中，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，只给出部分模型。并且各零部件的模型也都进行了合理简化。这样既可减少仿真时的冗余自由度、减少仿真模型中零件的数量，也可提高仿真效率。

为了使四连杆升降机构虚拟样机模型中每个零件的速度、加速度及位置等参数在各个时刻都完全确定，在确保没有欠约束和冗余自由度[1]的存在后，利用Solidworks中运动仿真功能中的配合功能和马达加载运动予以实现。

考虑到本设备最大载重量及起升机构及其他辅助机构的总重，加之各种运动副的传动效率；最后确定虚拟样机模型加载的负载为39730kg，并将其加载于导向槽板的上部。用软件中的线性马达功能模拟液压缸活塞杆的动作，确定行程为534mm；设备的最大垂直起升高度100mm。考虑设备的起升速度的要求，最终确定仿真的时间为37.5s，步长确定为25步。将上述参数加载与相应部位，经过运算，得到四连杆升降机构中拉杆所受作用力图解，如图3所示。

从图3中可以看出，拉杆左端（A点）作用力随仿真时间的推移而变化，并随着起升机构的起升高度增加,A点最大作用力力值逐步降低,最大值出现在仿真的开始时刻，其值为38049.3kg，并且呈现出单调下降的趋势，一直到达最小点，其值为39.8kg，A点的作用力的下降非常大。再由图1中所示结构和机械结构原理可知，随着仿真时间的持续进行，液压缸活塞将不断伸长，将迫使起升连杆绕着机架的O2点处逆时针旋转，空套在上面的滚轮与导向槽板上的导向槽间的压力角也随时间的进行而不断地变化，其值由大逐渐变小，将会呈现出单调递减的趋势，起升连杆处的压力角逐渐变小会使得水平方向分力会逐渐减小，垂直方向的分力逐渐增大。作用力的最大值应该处于仿真的最初时刻，其他时刻的作用力应小于初始时刻，其变化规律与仿真结果相同。

2　有限元仿真

将起拉杆分离，根据拉杆原有参数建立三维模型如图4所示，由于拉杆结构两端完全对称，因此本次分析仅采用拉杆模型的一半进行分析。在不影响分析结果的前提下，将拉杆上的细小结构、圆角等结构进行简化；网格划分时，利用局部的网格控制功能对应力集中部位的网格进行细化；考虑到分析时的效率及精度，打开软件的基于曲率的网格功能，并采用二阶实体单元网格对模型进行划分，这样可有效地控制有限元模型的规模并不降低模型分析精度。

拉杆由低合金结构钢Q345[2]制造而成（屈服强度σs≥295MPa，抗拉强度σb≥470～630MPa，泊松比0.3），质量为56.4kg。

拉杆所承受的载荷主要来自起升摇臂A点处（图1）心轴的载荷作用，对于拉杆来讲是拉伸载荷，没有侧向载荷；因此，选取拉杆右端（图4）心轴孔加载轴承载荷，并以正弦分布的形式进行加载，其方向处于水平面内，大小为38049.3kg。拉杆左端（图4）的约束采用固定铰链约束，仅限制其水平方向的自由度即可。

由物理模型经过加载约束后进行有限元分析得到应力图解与位移图解分别为图5、图6。通过分析云图可以清楚地看出轴拉杆中最大、最小von mises应力的分布情况。由拉杆应力图解（图5）可知，最大von mises应力为300.7MPa；从位移图解（图6）可以看出，拉杆最大位移为1.8mm。连杆和心轴连接处出现了应力集中,且最大应力强度发生在此处。安全系数已经小于1，在拉杆的心轴孔壁处已出现屈服现象，此模拟结果也与带孔平板的应力集中现象相吻合，证明了结果的正确性。但是，从整体的分析结果可以看出，除心轴孔壁外，其他部位的强度还是都存在较大的富余量，有必要进一步对拉杆的结构进行优化，用以解决强度不足问题和进一步减轻拉杆的整体质量。

3　结构优化

为实现满足强度要求且重量最轻的目的，在不改变拉杆连接尺寸的前提下，采用solidworks中集成的结构优化功能对拉杆的结构进行优化[3]。为确定优化的设计变量，分别对拉杆宽度、拉杆厚度、拉杆端部半径和拉杆心轴孔左部轴颈距离等参数对von mises的敏感度作分析，以确定对应力敏感的设计变量。

由图7可以看出随着拉杆宽度的增加，von mises值首先呈现出下降趋势，在大约59mm处达到最小值出现拐点，随后又由厚度的增加出现回升现象；由图8、图9可以看出，对拉杆厚度和端部半径都是随着尺寸的增大von mises值而出现下降趋势，但是，拉杆端部半径的敏感程度较对拉杆厚度尺寸更敏感；由图10可以看出，随着拉杆心轴孔左部轴颈尺寸的增加，von mises值首先呈现出上升现象，在大约180mm处达到最大值出现拐点，随后又由尺寸的增加出现下降趋势。

考虑四连杆的使用情况和结构的限制情况，并由敏度分析结果，选择拉杆宽度x1、拉杆厚度x2、拉杆端部半径x3和拉杆心轴孔左部轴颈距离x4为设计变量。各变量的取值范围分别为（单位mm）：55≤x1≤65、40≤x2≤45、100≤x3≤120、175≤x4≤185。优化的约束选择拉杆的von mises值小于265MPa为约束条件，选择拉杆的质量为目标。拉杆优化前后变量、约束和目标等相关对比数据如表1所示：

表1　拉杆优化前后相关数据对比

从表1中的初始值与圆整值可以看出，优化后拉杆的拉杆宽度x1、拉杆厚度x2、拉杆端部半径x3和拉杆心轴孔左部轴颈距离x4的值与初始值相比，均有不同程度的变化。但是拉杆宽度x1由120mm下降到55mm，变化比较明显。并且可知，最大von mises由300.7MPa下降到259.5MPa的情况下，拉杆的质量由56.40kg下降到37.75kg，减轻了18.65kg，这一优化使材料的质量比优化大约前减轻了33%，满足实际使用要求。结果表明，经过结构优化，减轻了拉杆质量，材料节约效果明显。

4　结论

本文中的拉杆虽然在极限应力状态下的最大von mises为259.5MPa，安全系数只有1.13，但是仿真时的参数全部为极限情况下的参数，在使用过程中，出现各种极限工况出现的概率较小。因此，虽然安全系数较小，有理由认为拉杆但出现失效的概率不大，满足实际的使用要求。并可得到以下结论：

1）应用Solidworks的仿真模块对料车的垂直起升机构进行了运动仿真和有限元仿真，得到拉杆的各项参数，并仿真出了拉杆在极限载荷下的应力分布情况。

2）在有限元仿真的基础上，对拉杆进行了敏度分析，进而确定了拉杆结构优化的设计变量。

3）优化后的起升摇臂侧板性能更加趋于合理，整体质量减轻了18.65kg，降低了33%，降低了原料消耗及生产成本，并为生产提供了科学的指导。

[1]张武，高启坤，杨晓苞,等.丝杠螺母副升降机构运动学稳定性分析[J].火控雷达技术，2011，40（2）：76-81.

[2]孔祥东，翟富刚，张扬，等.锻造操作机夹钳平行升降机构运动学特性分析[J].陕县科技大学学报，2012，30（1）：36-39.

[3]徐进.丝杠升降机构传动的可靠性设计研究[J].煤矿机械，2003(10)：15-18.

[4]GB/T 1591—1994，低合金结构钢的化学成分和力学性能[S].

[5]华大年，华志宏.连杆机构设计与应用创新[M].北京：机械工业出版社，2008.

[6]陈超祥，胡其登.Solidworks Motion 2012运动仿真教程[M].北京：机械工业出版社，2012.

(责任编辑：郝安林）

Four Connecting Rod Lifting Mechanism Simulation and Structure Optimization

HE Ping-ping
（Sanmenxia Polytechnix,Sanmenxia 472000，China）

Through the four connecting rod lifting mechanism modeling,use the method of motion simulation,it is concluded that the maximum tension rod for 38049 kg;Further through the finite element method to bar stress and strain of the four rod lifting mechanism is simulated;In finite element based on the results of simulation and structure optimization,the optimized rod performance is more reasonable,the maximum Von Mises reduced from 300.7 MPa to 300.7 MPa,the overall quality and to reduce the 18.65 kg,lower by 33%,but also for other parts of four rod lifting mechanism design provides a feasible method for reference.

lifting mechanism;simulation;structure optimization

HT112

A

1673-2928（2015）02-0018-04

2014-12-20

贺平平（1981-），女，河南陕县人，三门峡职业技术学院讲师，硕士，研究方向：机械设计、制造。