液壓升降裝置的結構設計及性能分析

趙永超

（晉能控股煤業集團煤峪口礦，山西 大同 037003）

引言

液壓升降裝置屬于高空作業設備，在礦井開采、碼頭、港口、建筑等行業中被廣泛應用。我國現階段使用的液壓升降裝置多以仿制的為主，缺少相應的設計標準及優化改進[1]。液壓升降裝置的結構多樣，在不同的結構形式中，剪叉式液壓升降裝置以其折疊的結構，可以具有兩種不同的工作狀態，并且以其靈活調整的特性得到了廣泛的應用。剪叉式液壓升降裝置的起升結構采用剪叉機構，能夠保證較高的穩定性，并且承載較大，可以依據需求制作較大的作業平臺，滿足多人作業[2]，從而提高高空作業的工作效率。本文對剪叉式液壓升降裝置進行結構分析，并對主要的結構件進行靜力學性能分析，為剪叉式液壓升降裝置的設計使用提供依據及參考。

1 剪叉式液壓升降裝置結構分析

剪叉式液壓升降裝置主體結構可以分為底座、起升結構和作業平臺三部分，底座提供整體結構的支撐，可以是固定式或者自行走的結構[3]；作業平臺是為工作人員提供操作環境的結構，可以承受一定的載荷，依據作業需求可以設計不同的平臺形式；起升機構主要是由剪叉臂及液壓缸組成，依據起升高度及負載的需求，進行剪叉臂及液壓缸的結構及數量的選擇，液壓缸布置在升降裝置的內部，可以優化整體的結構，液壓缸多選用雙座泳的單桿活塞式液壓缸，通過液壓缸的驅動實現升降作業，同時保證在升降過程中的安全性，避免造成沖擊[4]。

起升機構剪叉臂依據起升高度的不同，一般可以分為單組剪叉臂、兩組剪叉臂或者多組的剪叉臂，在進行液壓升降裝置的設計過程中，依據作業需求選取適當的剪叉臂數量，將桿組進行分解，轉化為特定的桿組進行分析[5]。進行桿組的受力分析，不僅對升降裝置的動力性能具有影響，同時對剪叉臂的構件尺寸及形狀具有一定的影響，因此對剪叉臂的受力性能進行分析是必須的驗證。

依據工作要求，設計起升高度為20 m的液壓升降裝置，根據分析，將其設計為兩副四個液壓缸驅動的八層十六組剪叉臂組成的起升機構，剪叉臂的長度為3 m，進行液壓升降裝置的結構設計，建立其結構模型如圖1所示。

圖1 液壓升降裝置整體結構模型

2 液壓升降裝置剪叉臂性能分析

2.1 液壓升降裝置剪叉臂有限元分析前處理

本液壓升降裝置共設計有八層剪叉臂結構，采用兩層液壓缸進行驅動，設定的額定載荷為300 kg，起升最大高度為20 m，剪叉臂的初始角度為5°，單根剪叉臂的長度為3 m，剪叉臂采用矩形管進行焊接制作。由于剪叉臂起升機構自身的重量，最下層的剪叉臂承載量最大，對底層的剪叉臂受力性能進行分析，以確定其是否滿足使用需求。

采用Ansys有限元分析軟件對剪叉臂進行受力分析，ANSYS是進行有限元分析的常用軟件，可以進行多種模擬分析。剪叉臂的受力分析屬于靜力學分析的功能，將剪叉臂在承載狀態下的受力看作是施加在末端的載荷作用，進行剪叉臂的靜力學分析。進行有限元靜力學分析的主要步驟包括建立剪叉臂的幾何模型，對其施加相應的約束，確定邊界條件，進行系統的網格化處理，施加相應的載荷進行計算[6]。

剪叉臂的幾何結構形狀復雜，在進行建模的過程中，對剪叉臂的細小結構進行一定的簡化，為了簡化受力分析的過程，建立單根作用的剪叉臂模型，將系統載荷施加到剪叉臂的中心孔位置處，建立剪叉臂的結構模型如圖2所示，對剪叉臂的材料選定為Q235鋼，并對其進行網格劃分，選定自由網格的形式進行網格化處理。

圖2 剪叉臂的結構模型

2.2 液壓升降裝置剪叉臂有限元分析結果

在進行液壓升降裝置剪叉臂有限元分析時，載荷的施加對于結果的正確及好壞具有重要的影響，施加載荷的類型包括位移、力作用、電磁作用等。進行施加載荷時，要考慮載荷的類型及作用位置，本分析過程中，對剪叉臂的中間連接孔處進行固定約束，并在剪叉臂兩端的銷孔處施加面載荷作用，由此進行剪叉臂的受力性能分析。

經過ANSYS軟件的運算，可以得到剪叉臂的應力變化如圖3所示。從圖3可以看出，剪叉臂的最大應力位置出現在結構的中心孔位置處，這與該銷孔位置的固定約束有關，將銷孔處的應力變化放大處理，得到如圖4所示的應力變化圖。從圖4中可以看出，剪叉臂受到的最大應力值為207 MPa，在銷孔的兩端基本呈對稱分布的趨勢，其值小于剪叉臂的材料Q235的許用應力，滿足使用的需求，剪叉臂的受力滿足承載需求。

3 結論

圖3 剪叉臂的應力（Pa）變化云圖

圖4 中心銷孔位置的應力（Pa）變化云圖

剪叉式液壓升降裝置是廣泛使用的升降裝置類型，剪叉式結構可以實現作業平臺的垂直運動，結構簡單，具有較大的承載能力，且升降的高度可以依據需要進行調整，可以依據作業需求，設定固定或者移動式的升降裝置，具有良好的使用性。本文所分析研究的剪叉式液壓升降裝置的剪叉臂最大應力位置出現在中間銷孔的位置處，最大值小于材料的許用應力，滿足剪叉臂的使用需求，可以保證剪叉臂的承載安全，保證液壓升降裝置的安全工作。