剪叉式升降机受力分析及有限元仿真-赵明君 新技术新工艺２０１３年第３期 １８ 《新技术新工艺》数字技术与机械工程 剪叉式升降机受力分析及有限元仿真 赵明君，刘剑雄，常安民，李军 （昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明６５０５００） 摘要：介绍了单层液压驱动剪叉式升降机的基本结构及工作特点。为获得升降机的结构参数，对 其在极限工作状态下的受力情况做了分析。为进一步确保升降机在界限状态下能够安全的工作，通过 有限元软件，对起升机构中叉臂的受力情况做了仿真分析，根据结果得出叉臂的强度满足规定的要求。 关键词：剪叉式升降机；受力分析；仿真...
新技术新工艺２０１３年第３期 １８ 《新技术新工艺》数字技术与机械工程 剪叉式升降机受力分析及有限元仿真 赵明君，刘剑雄，常安民，李军 （昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明６５０５００） 摘要：介绍了单层液压驱动剪叉式升降机的基本结构及工作特点。为获得升降机的结构参数，对 其在极限工作状态下的受力情况做了分析。为进一步确保升降机在界限状态下能够安全的工作，通过 有限元软件，对起升机构中叉臂的受力情况做了仿真分析，结果
。 关键词：剪叉式升降机；受力分析；仿真分析 中图分类号：ＴＨ２１２文献标志码：Ａ ＦｏｒｃｅＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＳｃｉｓｓｏｒＥｌｅｖａｔｏｒｓ ＺＨＡＯＭｉｎｇｊｕｎ，ＬＩＵＪｉａｎｘｉｏｎｇ，ＣＨＡＮＧＡｎｍｉｎ，ＬＩＪｕｎ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＫｕｎｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｋｕｎｍｉｎｇ６５０５００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒｓｃｉｓｓｏｒｅｌｅｖａｔｏｒｓｗｉｔｈｈｙｄｒａｕｌｉｃｄｒｉｖｅｗｅｒｅｉｎｔｒｏ－ ｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｅｌｅｖａｔｏｒ’ｓｆｏｒｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｕｎｄｅｒｌｉｍｉｔｅｄｗｏｒｋｉｎｇｓｔａｔｅｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｆｏｒｇｅｔｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆｅｌｅｖａｔｏｒｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｅｌｅｖａｔｏｒｕｎｄｅｒｌｉｍｉｔｅｄｓｔａｔｅ，ｔｈｅｆｏｒｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆｆｏｒｋａｒｍｂｅｌｏｎｇｔｏｔｈｅｈｏｉｓｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａ－ ｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｍａｔｅｒｉａｌｃｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｃｉｓｓｏｒｅｌｅｖａｔｏｒｓ，ｆｏｒｃｅａｎａｌｙｓｉｓ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ 剪叉式升降机是一种升降性能好，适合使用的范围广 泛的起升机械，由于其结构紧密相连、承载量大和操控性 好的特点，在现代物流、航空装卸、大型设备的制造 与维护中得到了较好的应用。对于剪叉式升降机而 言，起升机构即为其关键组成部分，并且剪叉式的结 构使工作台在起升过程中具有较好的稳定性。因此 在进行剪叉式升降机
时，需要对升降机构中叉 臂的力学特性进行充分的研究，以确保其在整个工 作过程中具有较高的安全性。 根据剪叉式升降机驱动源的不同可分为很多种 类，本文对一种单层液压驱动的剪叉式升降机［１－２］的 受力情况做了分析，并对其在工作过程中叉臂的 强度进行了仿真研究 檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵 。 全年ＣＯＰ随集热器面积的增大而非线性提高，达到 一定值之后，ＣＯＰ趋于稳定。 图４集热器面积与系统全年能效比的关系 ６结语 基于ＴＲＮＳＹＳ软件进行数值模拟，对严寒地区 太阳能和地源热泵联合应用技术的可行性和参数优 选等问
进行了研究，研究结果可供有关人员参考。 参考文献 ［１］王倪宏，毕文锋，乔华．太阳能辅助土壤源热泵系统理论 分析［Ｊ］．河北建筑科技学院学报，２００５，２２（１）：１０－１４． ［２］郑瑞澄．民用建筑太阳能热水系统工程技术手册［Ｊ］．北 京：化学工业出版社，２００６． ［３］刘圣勇，张杰，张百良，等．太阳能蓄热系统提高温室地 温的试验研究［Ｊ］．太阳能学报，２００３，２４（４）：４６１－４６５． ［４］李永．太阳能－土壤复合式地源热泵运行特性研究［Ｄ］． 河北：河北工程大学，２００７． ＊ 国家自然科学基金青年基金资助项目（５１１０８２３８ ） 作者简介：潘建伍（１９７６－），男，博士，讲师，主要是做结构加 固与改造技术等方面的研究。 收稿日期：２０１２年１１月２３日 责任编辑李思文 数字技术 机械工程 《新技术新工艺》数字技术与机械工程 １９ １基本信息参数及结构 单层液压驱动剪叉式升降机主要使用在于卷烟厂 过滤嘴生产线上，在香烟过滤嘴的生产的全部过程中，需要 丝束包的高度基本保持不变；否则，会影响丝束的张 力，进而影响过滤嘴的过滤效果。升降机的基本参 数如下：最大承受载荷为９０００Ｎ；最小起升高度为 ４００ｍｍ；最大起升高度为１０００ｍｍ；工作台尺寸为 １４００ｍｍ×１０００ｍｍ。升降机的基本结构如图１ 所示。 图１升降机基本结构 由图１可知，剪叉式升降机主要有２部分组成： 机械系统和液压系统。机械系统主要起传递动力和 支撑作用，液压系统主要提供动力，两者共同作用实 现升降功能。在香烟过滤嘴的生产线上，随着生产 过程的进行，丝束包的质量在逐渐减小，而工作台４ 角所安装的传感器将把这一质量变化的信号传递给 液压控制系统，进而使输出的驱动力大小得到调整， 确保了工作台高度始终处于要求范围之内。剪叉式 升降机的主要结构特点如下。 １）剪叉式升降机将液压缸活塞杆的往复运动 转换成了横轴的移动，而横轴的移动又被进一步转 换成叉臂的升降运动，进而实现工作台的升降。可 见，横轴在整个机构的运动过程中起到了转换运动 的作用。 ２）剪叉式升降机利用滑块进行限位和承载，相 对于滚轮而言，面接触式的滑块运动滑道所受的压 强较小。 ３）剪叉式升降机采用液压驱动，液压驱动具有 在同等的功率下，装置结构紧凑，功率密度大且工作 平稳，反应快易于实现快速起动、制动和频繁换向以 及在大范围内实现无极调速等优点。 ２剪叉式升降机受力分析 剪叉式升降机在工作过程中，当承载载荷或工 作台所处的高度不同时，液压系统所输出的驱动力 大小也在不断的变化；因此，为了确定升降机的结构 参数，需对其进行受力分析［３－６］。 升降机在极限载荷作用下，当工作台处于最低 位置时，液压系统输出的驱动力最大，此条件即为升 降机工作的极限状态。升降机在极限状态下能够安 全的工作，便可确保整个工作过程的安全性；因此仅 需对该状态下升降机的受力情况进行分析即可。剪 叉式升降机的整体受力情况可简化为如图２所示的 受力简图。 图２升降机整体受力情况 由图２升降机的整体受力分析可得： ＦＡｙ ＝ＦＢｙ ＝ １２Ｗ （１） 升降机工作台及叉臂的受力情况如图３所示。 通过对升降机整体及各部件进行受力分析，并根据 力平衡原理可得： 图３升降机工作台及叉臂受力情况 根据力矩平衡原理，对Ａ 点进行力矩平衡分 析，可得： Ｆｌｃｏｓθ＝ＦＥｘ １２ｌｓｉｎθ （５） 则由式５可得： ＦＥｘ ＝２Ｆｃｏｔθ （６） 根据基本信息参数要求可知，剪叉式升降机所能承 新技术新工艺２０１３年第３期 ２０ 《新技术新工艺》数字技术与机械工程 受的极限载荷大小为Ｗ ＝９０００Ｎ。通过三维建模 软件建模及仿真分析，可以测得剪叉式升降机的虚 拟样机在处于极限工作状态时，叉臂与工作台之间 的夹角θ＝８°。 联立式２、式３及式６，可得： ＦＡｙ ＝ＦＢｙ ＝Ｆ＝４５００Ｎ （７） ＦＡｘ ＝ＦＥｘ ＝ＦＢｘ ＝Ｆ′Ｅｘ ＝６４６６８Ｎ （８） 通过以上的分析计算可知，单层剪叉式升降机在 极限工作状态下所需的驱动力为ＦＡｘ ＝６４６６８Ｎ。 ３有限元仿真 为确保剪叉式升降机在极限工作状态下能够安 全的工作，本文通过有限元软件对叉臂的受力情况 进行了仿线］，并校核了其强度。 ３．１有限元仿真前处理 升降机叉臂的材料为 Ｑ２３５，因叉臂结构简单， 故在有限元软件中直接对其建模，并采用Ｓｏｌｉｄ９５ 单元对其进行自由网格划分。 根据升降机在运动过程中的特征，对叉臂的３ 个铰接孔施加约束。铰接孔Ａ 在升降机工作过程 中有ｘ方向的位移及绕轴向的转动，铰接孔Ｅ有ｘ、 ｙ方向的位移及绕轴向的转动，铰接孔Ｄ 有ｙ方向 位移及绕轴向的转动，故应对各铰接孔除以上分析 之外的全部自由度进行约束。根据升降机在极限工 作状态下的实际受力分析情况，对各铰接孔处施加 载荷。叉臂施加约束和载荷的情况如图４所示。 图４试样施加约束及载荷后情况 ３．２仿真结果分析 叉臂在仿线ａ所示。由图 可知，最大变形发生在叉臂与工作台连接的铰接孔 处，且形变位移沿坐标轴ｙ方向大小为０．１８９ｍｍ。 叉臂的应力如图５ｂ所示，由图可知，最大应力出现 在叉臂与滑块连接的铰接孔处，且最大应力值为 ３１．３ＭＰａ。故在界限状态下，叉臂所受的最大应力 远小于叉臂材料的屈服极限２３５ＭＰａ；因此，叉臂的 强度满足要求。 ４结语 本文介绍了单层液压驱动剪叉式升降机的基本 结构组成及工作特点，并对其在极限工作状态下的 受力情况进行了建模分析。为确保剪叉式升降机在 图５叉臂的受力分析 界限状态下能够安全的工作，通过有限元软件对叉 臂的受力情况做了仿真分析，结果显示，叉臂的强 度满足要求。 参考文献 ［１］濮良贵，纪名刚．机械设计［Ｍ］．７版．北京：高等教育出 版社，２００１． ［２］徐灏．机械设计手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９１． ［３］胡小舟，胡军科，何国华．剪叉式举升机构建模及关键 参数的研究［Ｊ］．机械研究与应用，２００６，１９（４）：８４－８５． ［４］孙光旭，袁端．液压剪叉式升降台的动力学仿真［Ｊ］．系 统仿线］张亚军，王剑，侯波，等．剪叉式节能升降机设计［Ｊ］．矿 业科学技术，２００９，３７（３／４）：２０－３４． ［６］曾午平，卫良保．剪叉式液压升降台的设计计算［Ｊ］．起 重运输机械，２０１０（１）：２０－２２． ［７］李世芸，李功宇．ＡＮＳＹＳ９．０基础及应用实例［Ｍ］．北 京：中国科学文化出版社， ２００５． 作者简介：赵明君（１９８６－），男，硕士研究生，主要是做金属材 料破碎等方面的研究。 收稿日期：２０１２年１０月０８日 责任编辑吕菁
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