高空作业平台六铰点变幅机构液压缸推力分析.docx

? ? 高空作业平台六铰点变幅机构液压缸推力分析* ? ? 刘文羿，何雪浤*，谢里阳，周振东 (1.东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819；2.江苏东迈重工机械有限公司，江苏 昆山 215334) 0 引 言 高空作业平台是将工作人员及工作设备运送至指定位置的特种作业设备。该设备最初是由起重机械发展而来，由于需要载人作业，其安全性和可靠性有着更高的要求[1]。 变幅机构是高空作业平台的主要动作机构，且该处的力学性质，直接影响整个系统的稳定性及可靠性[2]。目前，高空作业平台的变幅机构大部分采用三铰点机构，其计算方法可以分为理论计算和仿真模拟两种： (1)理论计算。主要利用力矩平衡法，建立变幅机构的力学模型，再利用该模型对铰点位置进行优化设计[3-4]； (2)仿真模拟。主要利用ADAMS软件来模拟变幅油缸的受力情况，并利用该结果，对铰点位置进行优化设计[5-6]。 六铰点变幅机构的力学模型和运动机理与传统三铰点机构不同，但在研究方法上却有相通之处。 本研究从理论计算的角度出发，对六铰点变幅机构液压缸推力计算进行不同建模方法的比较。在原理的选择上，力矩平衡法是静力学的基础，也是分析受力的主要手段；同时，虚位移原理也是一种解决机构驱动力与外部载荷关系的有效方法[7]。 故此，本研究分别采用力矩平衡法、虚位移原理两种基本思想进行求解，其中，由于在虚位移原理的应用中，不同的子方法可能会产生不同的误差[8]，本研究分别采用整体解析法和分点解析法进行求解计算；将上述方法所得结果代入某型号的直臂式高空作业平台六铰点变幅机构中，进行计算，并比较结果。 1 高空作业平台及其力学模型 高空作业平台力学简化模型如图1所示。 图1 高空作业车力学简化模型 为了便于描述计算过程，现作出如下假设： (1)在回转平面内，前后支撑板关于变幅油缸轴心线结构完全对称，且材质均匀； (2)前支撑板重心在DB连线上； (3)点C、D、F、G3、H、K在同一直线上； (4)忽略变幅液压缸[9]，调平液压缸及各个管线的重量。 2 力矩平衡法在模型中的应用 力矩平衡是静力学分析的基础。平面任意力系平衡的必要充分条件是：力系中所有力在作用面内任意两个坐标轴上的投影的代数和等于0，以及各力对于平面内任意点之间的力矩代数和等于0，具体可以表述如下[9]： ∑Fx=0，∑Fy=0,∑Mo(F)=0 (1) 式中：Fx—x方向上的合力；Fy—y方向上的合力；Mo—力对任一点的力矩。 对于六铰点变幅机构，由于其下端与臂架的连接点数量为3个，属于超静定问题，不能直接对变幅油缸所受推力列出力矩平衡方程，故需要对模型进行拆分，先从整体入手，求出下端固定点支座反力的受力情况，再利用下端支座反力的受力情况，推导出变幅油缸的受力情况。 支座反力的求解如下： 将臂架、工作平台、前支撑板、后支撑板看作一个整体系统，该系统的重力由点A和点B支撑；其主动力的力臂为各部件重心与所选取点的水平距离，主动力为各部件重力；与之平衡的力为点A和点B处的支座反力。 各部件间的几何位置关系如图2所示。 图2 力矩平衡法中的几何位置关系 对点B列总体的力矩平衡方程，可得： FAy×l1+FAx×l2+g1×(l1+l3)+g2×l4-g3×l5-g4×(l6+l7)=0 (2) 式中：FAy—A点在y方向上的支座反力；FAx—A点在x方向上的支座反力；l1—点A和点B在x方向上的距离长度；l2—点A和点B在y方向上的距离长度；l3—点A和点G1在x方向上的距离长度；l4—点G2和点B在x方向上的距离长度；l5—点G3和点B在x方向上的距离长度；l6—点K和点B在x方向上的距离长度；l7—点G4和点K在x方向上的距离长度；g1—后支撑板的重力；g2—前支撑板的重力；g3—臂架的重力；g4—前支撑板的重力。 在后支撑板上，对点C列关于后支撑板的力矩平衡方程，可得： -FAx×l8+FAy×l9+g1×(l9-l3)=0 (3) 式中：l8—点A和点C在y方向上的距离长度；l9—点A和点C在x方向上的距离长度。 由于式(2，3)中仅含FAx和FAy两个未知量，通过联立式(2，3)，即可解出FAx和FAy。 已知A点受力情况，根据力的平衡原理，可得出B点受力情况，即： (4) 式中：FBy—B点在y方向上的支座反力；FBx—B点在x方向上的支座反力。 在前支撑板上，对点D列关于前支撑板的力矩平衡方程，可得： F1×l10+g2×l12-FBy×(l12+l4)+FBx×l11=0 (5) 式中：l10—点D距离直线EF的距离长度；l11—点D和点B在y方向上的距离长度；l12—点D和点G2在x方向上的距离长度。 通过求解方程(5)，可得变幅油缸所受推力的最终表达式为： (6) 式中：F1—利用力矩平衡