剪叉式高空作业平台叉架滑块摩擦对油缸推力影响的分析

谢仁军，陆进添，邓彧

（三一帕尔菲格特种车辆装备有限公司，江苏南通 226400）

0 引言

剪叉式高空作业平台是通过举升油缸推动剪叉机构升降的形式将工作平台和作业人员送至所需高度的机器，如图1所示。整机主要由底座、叉架、工作平台三大部分组成[1]，其中叉架是整机工作的核心。

图1 剪叉式高空作业平台

在油缸的作用下，随着液压油缸的伸长和收缩，剪叉机构实现举升和下降，从而实现工作平台的升降[2]。举升油缸两端分别与叉臂油缸座上的销轴以转动副连接,内外叉在左中右三点通过销轴以转动副形式连接，整个剪叉机构具有伸缩的1个自由度。

目前缺少关于剪叉式高空作业平台叉架滑块摩擦对油缸推力影响的分析方面的研究，本文通过分析油缸举升时克服重力势能及摩擦做功等因素的影响，并应用能量守恒定律等原理，得到了油缸压力与滑块摩擦的关系。有利于综合计算举升油缸的工作推力，得出油缸设计所需的关键参数及叉架工作效率。

1 分析原理

从运动方式看，剪叉式高空作业平台是通过举升液压油缸的伸缩运动使叉架受力而发生相对夹角变化。油缸伸长需克服整体重力势能、滑块与上下平面间的摩擦及叉架结构阻力等。本文以具有4层叉架的剪叉式高空作业平台为例，利用能量守恒定律，计算在同时克服整机重力势能及滑块摩擦做功的情况下所需的油缸推力。并通过试验对理论分析的可行性进行校验，得出叉架滑块与上下平台间的滑动摩擦对举升油缸推力的影响及举升运动效率。

2 能量守恒法

2.1 叉架模型的简化

如图2所示，取叉架整体为研究对象，其分别受底盘作用于最上及下层叉架铰点a0、b0、a4及b4，各铰点的受力均位于前后两个平行的平面内，对应铰点所受力的大小及方向一致，因此可将叉架简化到一个二维平面内[3]。同时设定叉架结构设计所需参数，简化计算模型，如表1所示。

图2 叉架模型的简化

表1 叉架结构设计参数输入

2.2 整体结构重力势能

整体结构是由各层叉臂、油缸、平台及载荷组成。由于叉臂在左右及前后方向均为对称结构，故可假定每层叉架的重心均在当层叉架叉臂中部位置，油缸的重心位置第二层叉架中间位置，平台与载荷的中心位置位于a0与b0位置。

2.3 叉架滑块摩擦力做功

将叉架作为整体分别与工作平台及底座之间的相对运动进行分析，假定滑块与工作平台及底座支架的滑动摩擦因数一样，均是μ。则叉架滑动摩擦力分析如下：最上及最下层叉架与上下平面之间的滑动摩擦，如图3所示。

图3 最上及最下层叉架受力分析

将工作平台和载荷作为整体分析，铰点a0为叉架与平台连接的转动副，b0为滑动副。

将叉架、油缸、工作平台和载荷作为整体分析，铰点a4为叉架与底座连接的转动副。b4为滑动副。假定叉架结构的左右两部一致，则叉架结构在a4及b4上所施加的重力一致。

2.4 油缸推力计算

当剪叉式高空作业平台的叉架升高至α角时，如图5所示,可以得出举升油缸长度S：

图4 油缸与叉架关系分析

2.5 能量守恒的应用

由能量守恒定律可知，举升油缸所做功等于整体结构重力势能的变化量与克服叉架滑块滑动摩擦力做功的和。同理，举升油缸瞬时做功等于整体结构重力势能的瞬时变化量与叉架滑块滑动摩擦力做功瞬时变化量之和，即WCY=EP+Wf，则

由以上可以得出油缸推力F、叉臂长度L0、叉架升起角度α、油缸上下铰点位置L5、L6、θ2、θ3及各层叉架质量的函数关系。

3 油缸举升压力试验验证

3.1 理论计算分析

通过计算分析，在不同的滑块摩擦因数下，举升油缸压力值随叉架起升过程中角度的变化而变化。并与实际工况下测得举升油缸压力数据进行对比，从而分析油缸压力的影响因素及叉架的动作效率。现作如下设计输入，如表2所示。

表2 整车参数输入

由于钢与钢之间一般使用尼龙作为摩擦介质，其滑动摩擦因数μ一般取0.2。在此基础上，取不同的摩擦因数计算油缸压力。同时分析载荷重心位置变对油缸压力的影响。

当叉架滑块刚起升时候，滑块水平运动速度较慢，后随着叉架举升角度的增大而变快，克服摩擦做的功随之变大，油缸举升压力也越大。分析计算可知，在叉架刚起升时油缸压力与滑动摩擦因数及平台载荷关系不大，在叉架起升的中后期，油缸压力随滑动摩擦因数及平台载荷关系的变化影响较大。举升压力与叉架举升角度呈抛物线关系。

3.2 油缸压力实测及对比

按照与理论计算同等工况条件，同时在滑块与接合面涂抹的润滑脂，测试油缸压力随叉架起升角度变化的数据。取载荷放置在居中位置时的举升油缸压力，如表3所示。

表3 实测油缸压力数值

如图5所示，油缸压力与叉架起升角度呈抛物线关系，刚起升及起升结束时油缸压力的差值随摩擦因数的变小而变小，理论趋势与实测趋势一致。在摩擦因数为0～0.05时，叉架起升过程的曲率更接近理论计状态。且油缸推力随载荷重心与滑块之间的距离较小而增大。

图5 油缸压力随叉架起升角度的变化

4 结论

通过理论计算及试验验证，叉架滑块摩擦在叉架起升过程中的影响较小。设计过程可忽略摩擦的影响，同时叉架效率在工作过程中较稳定，可以取定值，效率损失包括油缸损失、液压损失及运动结构间损失等。以上可以简化计算模型，极大地提高了在叉架受力分析及计算举升油缸推力上的工作效率。