剪叉式升降機組合銷止動裝置的設計與研究

張柏++張興國++郭成功++陳錦翔++莫亞梅++袁國秋

摘要：通過對剪叉式升降機剪叉機構的結構性能分析，設計了一種新型的組合銷止動裝置，可以讓剪叉機構在多位置高度實現鎖定，具有安裝與拆卸便捷、可靠性高、磨損小等性能特點。闡述了該組合銷的結構組成，與單支撐桿、單銷鎖定方式進行了理論比較，并通過Midas軟件進行仿真分析，驗證了該組合銷結構的優越性，為大負載升降機的安全保障提供一種新型裝置。

關鍵詞：剪叉式；升降機；組合銷；單支撐桿；Midas；

中圖分類號：TH212 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）11（a）-0000-00

0引言

在各種升降機中，剪叉式升降平臺因其結構緊湊，安全可靠，使用方便，操控性好，被廣泛應用在物流、裝卸作業、制造維修等場合。在剪叉結構設計中，為了保持其工作狀態，保證系統的安全性，一般在相鄰剪叉構件上設計有固定支撐，或者用液壓自鎖的方式來實現。采用固定支撐裝置的缺點是不能靈活地控制剪叉升降的高度，只能讓其保持在某一個固定高度上，而且單支撐桿的質量性能直接影響到升降機的安全性。采用液壓自鎖的方式優于前者，不但解決了前者不能隨意控制高度的問題，還提高了整個系統的穩定性、安全性。

筆者在實際工作中，研制了一款用于室內起吊用的升降機，主要用于起升室內變壓器的鐘罩。起升之后，工作人員要在鐘罩正下方進行維修、裝配作業，因此升降機的位置保持安全可靠性非常重要。這里設計了一種安裝與拆卸便捷、可靠性高、磨損小的組合銷，具有裝卸和調整方便、多位置調節高度、安全可靠性高等特點。

1組合銷的設計

1.1組合銷的結構

圖1為組合銷結構示意圖，圖2為帶銷孔的配套剪叉構件示意圖。這種新型的組合銷主要由組合銷體和組合銷座兩部分組成，其中組合銷體由手柄部分和圓柱銷體部分組成，圓柱銷體部分用十六只等直徑的圓柱銷組合而成，因為通常的剪叉機構需要不同高度的定位，對于中間連接中心軸的部分我們就設計了均勻分布的十六只銷孔，配合十六只圓柱銷滿足升高的不同角度的要求。手柄部分采用十字花式，抓取更加方便。銷體和銷座主體采用鏤空式，可以減輕其自身重量，拆卸操作更加便捷。組合銷座部分由兩部分組成，解決了剪叉機構中間軸安裝拆卸干涉的問題，在設計上同時采用安裝手柄，便于安裝與拆卸。同時主體部分同時設計十六只與圓柱銷等直徑均勻分布的配套的安裝凹槽，使得每一只圓柱銷都可以準確的安裝固定在準確的位置上。從而保證剪叉機構保持在所要求的高度位置上。組合銷座部分由兩個半圓銷座組成，既防止和剪叉機構中中間軸的干涉，同時又簡化了操作。

1.2組合銷的結構組裝分析

通過對剪叉機構的仔細研究，我們認為讓剪叉機構結構穩定且可以在任意高度具有可調整的性能的關鍵在于自鎖方式。采用上述的組合銷可以完成支撐、固定、導向、自鎖、多位置高度調節的功能。具體組裝方法如圖3所示。操作時，首先將剪叉機構升降臺提升或者降低在需要的位置，然后將組合銷體部分與與之配套的剪叉葉片中間部分的銷孔配套起來，插入銷控中，保持固定。最后再將圓柱銷插入銷座部分的配套圓柱銷安裝凹槽，進一步固定，安裝過程即可完畢。拆卸過程反之亦然。

2.組合銷的理論分析

結合實際理論數據，證明組合銷體比葉片之間支撐桿的方式固定更具有優勢。首先給定一定的條件：我們這里只考慮一層剪叉機構的受力影響（多層同理可推知），給定同樣的負載力5t，研究這兩種不同固定方式下的受力情況如下。

2.1組合銷的強度驗算

所設計的組合銷銷體部分是圓柱銷，一共有16個等直徑（ 20）且均勻分布的圓柱銷。圓柱銷起定位作用時，它的直徑大小的設定和本身結構有關。由上述條件可知，單個組合銷的受力簡圖如圖4所示。

銷的剪切力的計算公式如下：

其中：F—橫向力，N；d—銷的直徑，mm；Z—銷數； —銷的許用剪應力，MPa，對于銷的常用材料取 =80MPa。

設承受5t的負載力，則 =5000 9.8=49000N

由結構可知，

所以由上式（1）可得銷的剪切力：

2.2剪叉構件間單支撐桿固定方式的強度計算

剪叉構件間單支撐桿固定方式的結構簡圖如圖5所示，其中AB桿是所承受支撐的固定支撐桿，設外在條件和上述條件一致，AB桿的截面積形狀為 mm的矩形截面。則由實際情況可知，AB桿一定會承受外載力而彎曲，同樣計算它的剪切力。公式如（3）：

其中： —橫截面上的剪力，N；h，b—截面的長和寬，mm； —截面上距中性軸靜矩； —整個截面對中性軸的慣性矩。

設承受5t的負載力，則 =5000 9.8=49000N

由結構可知， b=20mm h=20mm

所以由式（3）可得：

=1.5 183.75MPa （4）

綜上所述計算結果可以看出：9.753MPa<183.75MPa，組合銷受力小，更可靠。

2.3升降位置調節

研究的組合銷還具有在不同高度進行定位的功能，其過程如下。將與之配套的兩個剪叉機構的十六個銷孔標號，分別是1、2、3…16，將連帶剪叉機構的兩部分構件取名為A板和B板。設定當A板的1號孔與B板的1號孔對應的時候，剪叉機構的兩個構件是重合的。那么當需要在較底高度固定的時候，則可以將剪叉機構調整到A板的1號孔和B板的3號孔對應重合的位置，再將組合銷插入銷孔中，固定好即可。如果我們需要在較高的位置固定，則可以將A板的1號孔和B板的5號孔對應重合的位置，再將組合銷插入銷孔中，固定好即可。同理，依次可以調節到其他高度位置，操作簡單，易行。

3. 組合銷基于Midas的受力分析

3.1 組合銷Midas的受力分析

用Midas軟件對組合銷的受力進行分析。首先在solidworks中建立好組合銷的模型，尺寸如前述理論數據。16只銷的直徑d=20mm，組合銷外圓直徑d=240mm。選用Q235作為銷的材料，在Midas中用高速四面體的方法對整體劃分網格，一共劃分了14386個單元，26948個節點。加負載力49000N，用Midas分析后總平動位移如圖6所示，受到最大位移移動的位置為4.02958 mm，在圖中紅色標記位置處。相應的組合銷的等效應力圖如圖7所示。

3.2組合銷及單支撐桿、單銷的受力比較

同樣方法，可以對單支撐桿、單銷進行Midas受力分析，結果與前述計算結果一致，組合銷的受力優于單支撐桿、單銷。另外，組合銷中板上均布的16只孔可以分布成4等分。在上半部1/4位置的銷給剪叉機構不同位置起主要定位的作用，而其余的3/4部分是在不同狀態固定時起到加強固定的作用。如果采用單銷，經過長時間的使用和磨損，定位會造成極大程度上的不準確。同時沒有了多孔的固定，在實際應用中極容易受到過載的影響，導致斷裂，甚至發生事故等。安全性得不到保證。組合銷在這些方面都有著良好的性能，提高了強度和可靠性，同時滿足了在各個高度上都可以固定的要求，在負載較大的場合，具有其獨特優點。

4.結束語

終上所述，可得到結論：組合銷的強度性能和多角度定位性能比以往固定方式更具優勢，安全可靠，裝卸便捷，是適用于剪叉機構的一種新型的鎖定裝置，使得剪叉機構在整體上更穩定，實際應用過程中不易發生隱患，該研究對剪叉式升降機在實用方面的新穎性、可靠性是顯而易見的。

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作者簡介：張柏，（1992-），女，研究生，研究方向：機電一體化及機器人技術。

*通訊作者：張興國（1975 -），男，江蘇沭陽人，副教授，碩士，主要從事光機電一體化及機器人技術方面教學、科研工作。