杠桿、死點(diǎn)脫離式助力機(jī)構(gòu)在剪式升降車(chē)中的應(yīng)用

任小博，杜方，張曉偉，鄒崇磊，牛曉武

（凱邁（洛陽(yáng)）測(cè)控有限公司，河南洛陽(yáng) 471000）

0 引言

現(xiàn)有的剪式手動(dòng)液壓升降車(chē)中，液壓缸布局大多數(shù)為傾斜安裝或者垂直安裝，此種布局的優(yōu)點(diǎn)在于液壓系統(tǒng)壓力低，升降效率高，缺點(diǎn)在于升降車(chē)降至最低點(diǎn)時(shí)，液壓缸的布局限制了升降車(chē)最低點(diǎn)的高度。近年來(lái)隨著軍工行業(yè)特殊需求的不斷增長(zhǎng)，尤其在機(jī)載產(chǎn)品掛裝時(shí)，對(duì)手動(dòng)式液壓升降車(chē)有極低的低點(diǎn)要求，需要液壓缸為水平布置，但液壓缸水平布置會(huì)使手動(dòng)式液壓升降車(chē)液壓系統(tǒng)壓力急劇增大，從而帶來(lái)人員操作力的增加，降低保障效率，降低設(shè)備體驗(yàn)感。

基于此，本文主要介紹一種杠桿、死點(diǎn)脫離式助力機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)在手動(dòng)式液壓升降車(chē)最低點(diǎn)時(shí)，通過(guò)機(jī)械式杠桿原理將升降車(chē)頂起，上升過(guò)程中通過(guò)死點(diǎn)原理使其自動(dòng)分離。該設(shè)計(jì)極大地改善了液壓系統(tǒng)的受力情況，使得升降車(chē)液壓系統(tǒng)壓力得到極大改善，人員操作力大幅度降低70%以上，極大提高了保障效率，提高了設(shè)備操作人員的體驗(yàn)感。

1 組成及原理

1.1 組成

助力機(jī)構(gòu)如圖1所示，由杠桿機(jī)構(gòu)、起升滾輪、滑軌軌道滾輪、液壓缸等組成。杠桿機(jī)構(gòu)用于頂升剪式升降平臺(tái)，起升滾輪用于頂升過(guò)程中的滾動(dòng)以減少摩擦力，滑軌軌道滾輪用于杠桿機(jī)構(gòu)前后進(jìn)給以及產(chǎn)生杠桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)中心，液壓缸提供起升動(dòng)力。

圖1 助力機(jī)構(gòu)組成圖

1.2 原理

在常規(guī)的剪式升降平臺(tái)架構(gòu)下，助力機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓缸的拉動(dòng)，運(yùn)用杠桿原理，作用于升降平臺(tái)的下方，在剪式升降臂和助力機(jī)構(gòu)的共同作用下，升降平臺(tái)將會(huì)升起或在負(fù)載情況下自然下降，如圖2所示。

圖2 助力機(jī)構(gòu)作功圖

當(dāng)升降平臺(tái)繼續(xù)上升，液壓缸與助力機(jī)構(gòu)的鉸接點(diǎn)接近水平時(shí)，助力機(jī)構(gòu)和液壓缸缸體在死點(diǎn)效應(yīng)的影響下開(kāi)始達(dá)到一條直線，然后助力機(jī)構(gòu)自動(dòng)與升降平臺(tái)分離，如圖3所示。

圖3 助力機(jī)構(gòu)脫離圖

助力機(jī)構(gòu)完全分離后，將會(huì)完全由剪式升降臂起作用，此時(shí)已屬于常規(guī)的升降結(jié)構(gòu)，在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)上升，這時(shí)剪式升降車(chē)已經(jīng)離開(kāi)了液壓系統(tǒng)受力最嚴(yán)苛的位置，這也正是杠桿、死點(diǎn)脫離式助力機(jī)構(gòu)的工作原理。除助力機(jī)構(gòu)外，剪式升降車(chē)其他部組件均屬常規(guī)設(shè)計(jì)，不再贅述。

2 數(shù)學(xué)模型

本文采用經(jīng)典的虛位移[1]方法建立了液壓缸水平布置、兩級(jí)剪式升降機(jī)構(gòu)[2]的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)也采用靜力學(xué)分析方法建立了助力機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型[3]。無(wú)助力機(jī)構(gòu)時(shí)，該機(jī)構(gòu)屬于經(jīng)典的兩級(jí)剪式升降機(jī)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)升降機(jī)構(gòu)最低點(diǎn)時(shí)剪叉臂與水平夾角θ1為4°。有助力機(jī)構(gòu)時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況預(yù)先設(shè)計(jì)了助力機(jī)構(gòu)的整體尺寸及助力機(jī)構(gòu)的脫離角度，設(shè)計(jì)升降機(jī)構(gòu)最低點(diǎn)時(shí)助力機(jī)構(gòu)與水平夾角θ2為10°，助力機(jī)構(gòu)與升降平臺(tái)分離時(shí)剪式升降機(jī)構(gòu)剪叉臂的水平夾角θ1為14.3°。如圖4、圖5所示。

圖4 典型剪式結(jié)構(gòu)受力分析

圖5 助力機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

2.1 無(wú)助力機(jī)構(gòu)時(shí)兩級(jí)剪式升降機(jī)構(gòu)受力計(jì)算模型

兩級(jí)剪式升降、液壓缸水平布置的升降結(jié)構(gòu)，按虛位移原理建立數(shù)學(xué)模型如圖4所示。θ為剪式升降機(jī)構(gòu)剪臂的水平夾角，G為300 kg負(fù)載，F(xiàn)缸為液壓缸推力，計(jì)算過(guò)程如下。

用解析法建立坐標(biāo)系如圖4所示，列虛功方程為

xb、yg坐標(biāo)（如圖4）為：

其變分為

將δxb、δyg代入式（1），解得

2.2 增加助力機(jī)構(gòu)后兩級(jí)剪式升降機(jī)構(gòu)受力計(jì)算模型

液壓缸水平布置、兩級(jí)剪式升降機(jī)構(gòu)，增加助力機(jī)構(gòu)后，降至最低點(diǎn)時(shí)，助力機(jī)構(gòu)與水平夾角θ2為10°，如圖5所示，相關(guān)數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定，其中L1=443.5 mm、L2=63 mm、相對(duì)夾角θ3為75°，G為300 kg，液壓缸水平夾角θ4為3°。

以O(shè)點(diǎn)為回轉(zhuǎn)支承點(diǎn)，最低點(diǎn)時(shí)由力矩平衡解得

2.3 操作力計(jì)算

液壓系統(tǒng)是在綜合考慮相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)及國(guó)軍標(biāo)后進(jìn)行設(shè)計(jì)的，液壓原理如圖6所示。主要由油箱、手動(dòng)泵、單向節(jié)流閥、截止閥、防爆閥、液壓缸、透氣螺母等組成。為保證液壓元器件的可靠性、維修性、保障性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性等設(shè)計(jì)[4-7]，元器件本身均采用軍品品質(zhì)，設(shè)計(jì)均進(jìn)行五性設(shè)計(jì)。

圖6 液壓系統(tǒng)原理

該液壓系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單，操作方便，發(fā)生故障概率較低。依靠負(fù)載重力來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓缸下放操作，提高了工作效率。當(dāng)發(fā)生意外、需要緊急關(guān)閉油路時(shí)，手動(dòng)關(guān)閉截止閥保證油路能夠立即關(guān)閉。當(dāng)軟管發(fā)生爆裂時(shí)，防爆閥將立即關(guān)閉油路，防止升降機(jī)構(gòu)突然下降所導(dǎo)致的人員意外發(fā)生。

一般液壓系統(tǒng)額定工作壓力不大于20 MPa, 此設(shè)備液壓缸活塞直徑為63 mm，活塞桿直徑為35 mm，行程為200 mm，有桿腔做功，工作介質(zhì)為YH-10號(hào)航空液壓油，工作環(huán)境溫度為-40～+70 ℃。主要參數(shù)如表1所示。

表1 液壓缸主要技術(shù)參數(shù)

因剪叉機(jī)構(gòu)由液壓缸拉動(dòng)升降，活塞直徑D=63 mm，活塞桿直徑d=35 mm，取液壓缸機(jī)械效率ηm=0.9，采用的成品液壓缸最高壓力為35 MPa。

根據(jù)式（4），在無(wú)助力機(jī)構(gòu)情況下，該兩級(jí)剪式升降機(jī)構(gòu)降至最低點(diǎn)時(shí)θ1為4°，解得

由以上可知，液壓缸水平放置，經(jīng)典兩級(jí)剪式升降機(jī)構(gòu)的液壓缸受力為84 084 N。

根據(jù)式（5），在有助力機(jī)構(gòu)情況下，該兩級(jí)剪式升降機(jī)構(gòu)降至最低點(diǎn)時(shí)θ2為10°，解得

由以上可知，增加助力機(jī)構(gòu)后液壓缸受力為22 050 N。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)助力機(jī)構(gòu)分離時(shí)，θ1為14.3°，由式（4）解得

將以上數(shù)據(jù)代入式（6），解得

由以上可知，液壓缸水平放置，經(jīng)典兩級(jí)剪式升降機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)壓力為43.37 MPa, 此壓力已經(jīng)完全超出正常范圍。

由以上可知，增加助力機(jī)構(gòu)后液壓系統(tǒng)壓力為11.37 MPa。

由以上可知，助力機(jī)構(gòu)分離后液壓系統(tǒng)壓力為11.89 MPa。

3 數(shù)據(jù)對(duì)比及實(shí)物驗(yàn)證

3.1 數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)式（4）～式（6），繪制出有無(wú)助力機(jī)構(gòu)壓力對(duì)比圖，如圖7所示。助力機(jī)構(gòu)極大緩解了最低點(diǎn)時(shí)的液壓系統(tǒng)受力情況，改善了液壓系統(tǒng)手動(dòng)泵的打壓力，增加了操作人員的體驗(yàn)感。

圖7 有無(wú)助力機(jī)構(gòu)壓力對(duì)比圖

由圖7分析出典型兩級(jí)剪式升降機(jī)構(gòu)與增加助力機(jī)構(gòu)后的最低點(diǎn)受力曲線對(duì)比情況，如表2所示。從表中可以看出，如果沒(méi)有助力機(jī)構(gòu)進(jìn)行助力，液壓系統(tǒng)壓力在最低點(diǎn)時(shí)為43.37 MPa, 已經(jīng)超出常規(guī)范圍，屬于超高壓狀態(tài)。增加助力后，液壓系統(tǒng)壓力在最低點(diǎn)時(shí)為11.37 MPa,屬于常規(guī)壓力。助力機(jī)構(gòu)分離后，液壓系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)一致，由此可見(jiàn)助力機(jī)構(gòu)對(duì)于該系統(tǒng)改善情況的重要性。

表2 剪式升降機(jī)構(gòu)增加助力機(jī)構(gòu)前后數(shù)據(jù)對(duì)比表

3.2 實(shí)物驗(yàn)證

現(xiàn)有行業(yè)內(nèi)的手動(dòng)剪式液壓升掛車(chē)優(yōu)點(diǎn)是升掛的高度比較高，缺點(diǎn)是由于剪式結(jié)構(gòu)的形式限制，低點(diǎn)不夠低，不能夠滿足特種飛機(jī)的低掛點(diǎn)要求。采用本文所論述的杠桿、死點(diǎn)脫離式助力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，將原有的手動(dòng)剪式液壓升掛車(chē)改造后，既能滿足高點(diǎn)要求，又能將低點(diǎn)降至最低。環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，簡(jiǎn)單可靠，且整車(chē)完全滿足小型化設(shè)計(jì)，是一款多功能、小巧型外場(chǎng)手動(dòng)升掛車(chē)。實(shí)物驗(yàn)證如圖8所示。

圖8 增加助力機(jī)構(gòu)后實(shí)物驗(yàn)證

4 結(jié)語(yǔ)

本文所述的杠桿、死點(diǎn)脫離式助力機(jī)構(gòu)的原理及設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的剪式升降機(jī)構(gòu)相比[8-10]，實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、借鑒性強(qiáng)，主要是通過(guò)杠桿原理與死點(diǎn)平衡原理實(shí)現(xiàn)；效果明顯，經(jīng)典剪式手動(dòng)液壓升降車(chē)經(jīng)此類(lèi)設(shè)計(jì)后，尤其是低點(diǎn)受力情況降低70%以上；通用性強(qiáng)，能夠應(yīng)用于所有此類(lèi)剪式升降機(jī)構(gòu)之中。