四連桿升降機構的仿真與結構優化

賀平平（三門峽職業技術學院，河南三門峽472000）

四連桿升降機構的仿真與結構優化

賀平平
（三門峽職業技術學院，河南三門峽472000）

通過對四連桿升降機構進行建模，用運動仿真的方法，得出拉桿的最大拉力為38049kg；進一步通過有限元方法對四桿升降機構中的拉桿應力、應變進行了模擬；在有限元仿真結果的基礎上進行了結構優化，優化后的拉桿性能更加趨于合理，最大Von Mises由300.7MPa降低到259.5MPa，整體質量也減輕了18.65kg，降低幅度達33%，同時也為四桿升降機構的其他零部件設計提供了切實可行的借鑒方法。

升降機構；模擬仿真；結構優化

0　前言

在各種工業用爐前對物料進行搬運的料車是一種專用運輸設備，它的優點是在實現對待處理物料的進出爐和轉運等工作中實現垂直起升。但完成料車垂直起升功能主要是由四連桿和滾動滑塊機構組成，它是四連桿垂直升降料車的核心和關鍵的組成部分，具體結構如圖1所示。

圖1中，四連桿垂直升降結構所示的起升搖臂的左下端在O1處與機架相鉸接，它的中部與拉桿的左端在A點鉸接，其右上端與液壓缸左上端的活塞桿在B點處鉸接；拉桿的右端與起升連桿的上部在C點相互鉸接，并且通過C點安裝的滾輪將連桿的右端與導向槽板的導向槽相連接，形成滾輪滑塊機構；在D點導向槽板的右端上所安裝的滾輪與機架上的滾道同樣形成滾輪滑塊機構；起升連桿的左下端與機架的O2點相鉸接，液壓缸右下端與機架在O點處鉸接。

四連桿垂直升降結構的動力源來自于設備所帶的液壓系統，工作時由液壓系統所輸出的動力驅動液壓缸工作，由于液壓缸是固定的，所以只能由活塞桿推動起升搖臂向左上方移動，此時，起升搖臂繞著O1點逆時針轉動；在A點處，起升搖臂通過鉸軸拉動拉桿向左移動，在O2點處，拉桿的右端帶動起升連桿繞著O2點相對機架逆時針旋轉，并通過C點處的滾輪作用，使其上部的導向槽板有向左上方斜向移動的趨勢；但由于四連桿垂直升降結構右端的滾輪滑塊機構消除了導向槽板的水平移動，所以，導向槽板只能帶動安裝在其上部平臺及重物在垂直方向上移動，不能在水平方向移動，實現了物料的垂直起升。

1　三維建模與運動仿真

利用Solidworks三維建模功能，按照四連桿升降機構設計需要和參數化設計的原則，再與實際使用的情況相結合，確定該機構各零部件的三維模型；并利用其自帶的功能進行裝配，形成了四桿升降機構的虛擬樣機模型，如圖2所示。其中，機架、導向槽板右端的滾輪滑塊機構是利用軟件的裝配功能予以實現的（未在圖中示出）。建模過程中，為了便于仿真，在不影響仿真結果的前提下，將中部的起升連桿部分進行了簡化，只給出部分模型。并且各零部件的模型也都進行了合理簡化。這樣既可減少仿真時的冗余自由度、減少仿真模型中零件的數量，也可提高仿真效率。

為了使四連桿升降機構虛擬樣機模型中每個零件的速度、加速度及位置等參數在各個時刻都完全確定，在確保沒有欠約束和冗余自由度[1]的存在后，利用Solidworks中運動仿真功能中的配合功能和馬達加載運動予以實現。

考慮到本設備最大載重量及起升機構及其他輔助機構的總重，加之各種運動副的傳動效率；最后確定虛擬樣機模型加載的負載為39730kg，并將其加載于導向槽板的上部。用軟件中的線性馬達功能模擬液壓缸活塞桿的動作，確定行程為534mm；設備的最大垂直起升高度100mm。考慮設備的起升速度的要求，最終確定仿真的時間為37.5s，步長確定為25步。將上述參數加載與相應部位，經過運算，得到四連桿升降機構中拉桿所受作用力圖解，如圖3所示。

從圖3中可以看出，拉桿左端（A點）作用力隨仿真時間的推移而變化，并隨著起升機構的起升高度增加,A點最大作用力力值逐步降低,最大值出現在仿真的開始時刻，其值為38049.3kg，并且呈現出單調下降的趨勢，一直到達最小點，其值為39.8kg，A點的作用力的下降非常大。再由圖1中所示結構和機械結構原理可知，隨著仿真時間的持續進行，液壓缸活塞將不斷伸長，將迫使起升連桿繞著機架的O2點處逆時針旋轉，空套在上面的滾輪與導向槽板上的導向槽間的壓力角也隨時間的進行而不斷地變化，其值由大逐漸變小，將會呈現出單調遞減的趨勢，起升連桿處的壓力角逐漸變小會使得水平方向分力會逐漸減小，垂直方向的分力逐漸增大。作用力的最大值應該處于仿真的最初時刻，其他時刻的作用力應小于初始時刻，其變化規律與仿真結果相同。

2　有限元仿真

將起拉桿分離，根據拉桿原有參數建立三維模型如圖4所示，由于拉桿結構兩端完全對稱，因此本次分析僅采用拉桿模型的一半進行分析。在不影響分析結果的前提下，將拉桿上的細小結構、圓角等結構進行簡化；網格劃分時，利用局部的網格控制功能對應力集中部位的網格進行細化；考慮到分析時的效率及精度，打開軟件的基于曲率的網格功能，并采用二階實體單元網格對模型進行劃分，這樣可有效地控制有限元模型的規模并不降低模型分析精度。

拉桿由低合金結構鋼Q345[2]制造而成（屈服強度σs≥295MPa，抗拉強度σb≥470～630MPa，泊松比0.3），質量為56.4kg。

拉桿所承受的載荷主要來自起升搖臂A點處（圖1）心軸的載荷作用，對于拉桿來講是拉伸載荷，沒有側向載荷；因此，選取拉桿右端（圖4）心軸孔加載軸承載荷，并以正弦分布的形式進行加載，其方向處于水平面內，大小為38049.3kg。拉桿左端（圖4）的約束采用固定鉸鏈約束，僅限制其水平方向的自由度即可。

由物理模型經過加載約束后進行有限元分析得到應力圖解與位移圖解分別為圖5、圖6。通過分析云圖可以清楚地看出軸拉桿中最大、最小von mises應力的分布情況。由拉桿應力圖解（圖5）可知，最大von mises應力為300.7MPa；從位移圖解（圖6）可以看出，拉桿最大位移為1.8mm。連桿和心軸連接處出現了應力集中,且最大應力強度發生在此處。安全系數已經小于1，在拉桿的心軸孔壁處已出現屈服現象，此模擬結果也與帶孔平板的應力集中現象相吻合，證明了結果的正確性。但是，從整體的分析結果可以看出，除心軸孔壁外，其他部位的強度還是都存在較大的富余量，有必要進一步對拉桿的結構進行優化，用以解決強度不足問題和進一步減輕拉桿的整體質量。

3　結構優化

為實現滿足強度要求且重量最輕的目的，在不改變拉桿連接尺寸的前提下，采用solidworks中集成的結構優化功能對拉桿的結構進行優化[3]。為確定優化的設計變量，分別對拉桿寬度、拉桿厚度、拉桿端部半徑和拉桿心軸孔左部軸頸距離等參數對von mises的敏感度作分析，以確定對應力敏感的設計變量。

由圖7可以看出隨著拉桿寬度的增加，von mises值首先呈現出下降趨勢，在大約59mm處達到最小值出現拐點，隨后又由厚度的增加出現回升現象；由圖8、圖9可以看出，對拉桿厚度和端部半徑都是隨著尺寸的增大von mises值而出現下降趨勢，但是，拉桿端部半徑的敏感程度較對拉桿厚度尺寸更敏感；由圖10可以看出，隨著拉桿心軸孔左部軸頸尺寸的增加，von mises值首先呈現出上升現象，在大約180mm處達到最大值出現拐點，隨后又由尺寸的增加出現下降趨勢。

考慮四連桿的使用情況和結構的限制情況，并由敏度分析結果，選擇拉桿寬度x1、拉桿厚度x2、拉桿端部半徑x3和拉桿心軸孔左部軸頸距離x4為設計變量。各變量的取值范圍分別為（單位mm）：55≤x1≤65、40≤x2≤45、100≤x3≤120、175≤x4≤185。優化的約束選擇拉桿的von mises值小于265MPa為約束條件，選擇拉桿的質量為目標。拉桿優化前后變量、約束和目標等相關對比數據如表1所示：

表1　拉桿優化前后相關數據對比

從表1中的初始值與圓整值可以看出，優化后拉桿的拉桿寬度x1、拉桿厚度x2、拉桿端部半徑x3和拉桿心軸孔左部軸頸距離x4的值與初始值相比，均有不同程度的變化。但是拉桿寬度x1由120mm下降到55mm，變化比較明顯。并且可知，最大von mises由300.7MPa下降到259.5MPa的情況下，拉桿的質量由56.40kg下降到37.75kg，減輕了18.65kg，這一優化使材料的質量比優化大約前減輕了33%，滿足實際使用要求。結果表明，經過結構優化，減輕了拉桿質量，材料節約效果明顯。

4　結論

本文中的拉桿雖然在極限應力狀態下的最大von mises為259.5MPa，安全系數只有1.13，但是仿真時的參數全部為極限情況下的參數，在使用過程中，出現各種極限工況出現的概率較小。因此，雖然安全系數較小，有理由認為拉桿但出現失效的概率不大，滿足實際的使用要求。并可得到以下結論：

1）應用Solidworks的仿真模塊對料車的垂直起升機構進行了運動仿真和有限元仿真，得到拉桿的各項參數，并仿真出了拉桿在極限載荷下的應力分布情況。

2）在有限元仿真的基礎上，對拉桿進行了敏度分析，進而確定了拉桿結構優化的設計變量。

3）優化后的起升搖臂側板性能更加趨于合理，整體質量減輕了18.65kg，降低了33%，降低了原料消耗及生產成本，并為生產提供了科學的指導。

[1]張武，高啟坤，楊曉苞,等.絲杠螺母副升降機構運動學穩定性分析[J].火控雷達技術，2011，40（2）：76-81.

[2]孔祥東，翟富剛，張揚，等.鍛造操作機夾鉗平行升降機構運動學特性分析[J].陜縣科技大學學報，2012，30（1）：36-39.

[3]徐進.絲杠升降機構傳動的可靠性設計研究[J].煤礦機械，2003(10)：15-18.

[4]GB/T 1591—1994，低合金結構鋼的化學成分和力學性能[S].

[5]華大年，華志宏.連桿機構設計與應用創新[M].北京：機械工業出版社，2008.

[6]陳超祥，胡其登.Solidworks Motion 2012運動仿真教程[M].北京：機械工業出版社，2012.

(責任編輯：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

賀平平（1981-），女，河南陜縣人，三門峽職業技術學院講師，碩士，研究方向：機械設計、制造。