一种液压升降平台的结构改进

张太林 李成 王立志

辽宁陆平机器股份有限公司 辽宁铁岭 112001

1 前言

笔者近日研发了一款应急通信车，需要在其天线舱内安装剪刀叉式液压升降平台，可通过升降平台将天线系统举升至指定高度，升降平台展开状态如图1(a)所示。产品交付后在作业过程中，升降平台底部滑槽限位插销已机械锁定，此时持续按下平台下降按钮，上部连杆产生弹性变形，而底部两级连杆发生塑性变形，导致液压升降平台发生偏移，不能正常回落到底部托盘内，连杆变形如图1(b)所示。针对此现象，进行了深入分析，制定了结构改进方案。

2 平台结构

设计时，液压升降平台举升载荷Q=380 kg，采用剪刀叉式结构，包括五级剪叉平面连杆机构，由上平台、液压缸、连杆、底座、限位插销和液压站等组成，升降平台展开效果如图2所示。连杆支臂采用矩形冷拔无缝钢管，杆长（远端铰接孔中心距）L=1 305 mm。采用电力-液压驱动和手动操作两种工作方式，及电气控制箱和手持控制盒两种控制方式。

图1 升降平台

升降平台在原始位置和最大高度位置均设有行程控制开关，包括电气和机械两种限位，电气限位用于中断电机电源，机械限位用于行程保护和锁定。为避免液压缸长时间受力产生泄露而影响天线的工作姿态，升降平台在4个工作位时，均设有机械锁定，设置在底座滑槽上，采用限位插销形

图2 升降平台展开效果图

图3 各级连杆截面图

3 原结构分析

液压升降平台连杆采用Q345材质的冷拔无缝矩形钢管加工成形，钢管规格80 mm×50 mm×4 mm，各级连杆的截面相同，连杆截面如图3所示。

3.1 结构力学分析

根据连杆的结构方案，对液压升降平台进行受力分析计算。依靠底部限位插销阻止平台回落状态下，进行连杆强度的校核计算，结构简图见图4(a)。图中P为天线质心位置，力F为天线质量，G为升降平台质量。

3.1.1 求取横向约束力

首先求取g点的横向约束力，把g处约束解除，以力Rgx代替，把此力作为主动力，则结构变成图4(b)所示机构，用虚位移原理求解。

用解析法，建立坐标系如图4(b)所示，列虚功方程：

列出g点x坐标xg、 r点y坐标yr和 o点y坐标yo：

其变分为：

将δxg、δyr和δyo带入虚功方程，得

解得：

按上述方法可解得：

注：上述各式中，G随其上部连杆和液压缸数量的减少而依次减小。

图4 连杆受力分析图

3.1.2 求取g点的纵向约束力

以整体为研究对象，则结构变成图4(c)所示机构，根据受力平衡原理可得出：

其余各点纵向约束力分别与g点和f点相同，在各式中质量G随其上部连杆和液压缸数量的减少而依次减小。

3.1.3 连杆强度计算与校核

本次计算采用Abaqus有限元软件进行强度计算，有限元单元类型为壳单元和实体四面体单元，计算所述等效应力为根据第四强度理论得出的Von-Mises等效应力，并以云图和数值方式表述。应力图中所列数值单位为Pa。

考虑零部件的重要程度、载荷计算及抗拉强度极限等因素，安全系数取1.5，即n=σs/σmax>1.5时强度满足要求，反之则不满足要求。上式中σmax为最大应力，σs为材料的屈服强度，连杆材质Q345，屈服强度345 MPa，安全系数取1.5时，[σ]=230 MPa。钢质材料弹性模量206 MPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3。

各连杆有限元计算结果见图5(a)~(e)（第5、4、3、2、1节顺序，实物顺序为从下向上），计算结果为连杆与地面夹角为18.32°（限位销插入滑槽端部限位孔）时各节连杆的等效应力云图。各连杆在4个工作位的计算结果见表1所示。

图5 各连杆等效应力云图

3.2 分析结论

由上述分析可知，第5节~第3节的安全系数均小于1.5，最大应力大于材料屈服强度，已产生塑性变形。经现场检查，当底部限位销处于限位状态时，此时持续按下平台下降按钮，底部支臂连杆受力持续增大，所受最大工作应力超出材料的屈服强度，连杆发生变形。由此可见，原设计结构强度不足，导致升降平台底部两级连杆发生塑性变形。

表1 各连杆参数和计算结果

表2 各连杆参数和计算结果

4 改进结构分析

4.1 连杆改进结构

结构要轻量化，在质量增加尽量少的前提下，改进连杆结构，确定各级连杆的使用材质及截面尺寸，如图6所示，从左往右依次按第5、4、3、2、1节顺序排列（实物顺序为从下向上）。

第5节连杆采用HG70高强钢板组焊成矩形管结构，上、下板采用10 mm钢板；左、右立板采用6 mm钢板，同时，外侧再增加3 mm和6 mm加强板；第4节连杆采用HG70高强钢板组焊成矩形管结构，上、下板采用10 mm钢板，左、右立板采用6 mm钢板；第3节连杆采用HG70高强钢板折弯成槽形件，板厚5 mm，组焊成矩形管结构；第2节连杆采用HG70高强钢板折弯成槽形件，板厚4 mm，组焊成矩形管结构；第1节连杆采用Q345材质矩形钢管加工成形，壁厚4 mm。

图6 各级连杆截面图

4.2 改进结构力学分析

根据实际使用要求，改进结构要同时考虑平台上部有2名维护人员（150 kg）时的工况，其他受力分析、横向约束力、纵向约束力计算方法及安全系数选则与原结构相同。连杆材质HG70，屈服强度590 MPa，安全系数取1.5时，[σ]=393 MPa。

各连杆有限元计算结果见图7(a)~(e)，计算结果为连杆与地面夹角为18.32°（限位销插入滑槽端部限位孔）时各节连杆的等效应力云图。各连杆在4个工作位的计算结果见表2所示。

4.3 结论分析

由上述分析可知，第5节~第1节的安全系数均大于1.5，各连杆改进后的材质分别选用HG70和Q345，屈服强度分别为590 MPa和345 MPa，最大应力均小于材料屈服强度，仅产生弹性变形。因此，连杆改进结构的强度满足使用要求。

5 结语

针对升降平台底部滑槽限位插销已机械锁定，持续按下平台下降按钮的特殊工况，笔者进行了深入细致的分析，按改进后的结构，重新生产，将已出厂的产品更换了平台，并按新工况进行了多次试验验证。经实际验证，改进后的液压升降平台连杆结构能够满足实际使用需要，能够保证天线系统可靠工作。

图7 各连杆等效应力云图

采用虚位移原理，分析、计算剪刀叉式液压升降平台的连杆支臂，可作为同类型结构的设计参考。由于受质量指标和空间布局等限制，本次只能在已有结构基础上进行改进，若是全新设计剪刀叉式液压升降平台，其连杆支臂的截面结构亦可以在计算后进行优化。