剪叉式升降工作平臺動力學仿真分析

韓 鵬

（1.太原重工股份有限公司技術中心， 山西 太原 030024；2.智能采礦裝備技術全國重點實驗室， 山西 太原 030024）

0 引言

剪叉式升降平臺為垂直升降結構，其利用液壓系統推動剪叉機構上下運動，將工作人員與隨身工具、材料等送到高空指定位置并完成相關作業，是一種常用的高空作業設備，其具有結構簡單、運行平穩、用途廣泛、效率高等特點[1-2]。剪叉式升降平臺主要由底盤、剪叉式升降機構和工作平臺三大部件組成，其中剪叉式升降機構是剪叉式升降平臺的主體，也是主要承力構件，因此需要充分了解額定載荷下、不同起升高度時，液壓缸和剪叉機構的受力情況[3]。通常求解液壓缸和剪叉機構鉸接點的受力有兩種方法，力學解析法與仿真分析法[4]。本文利用動力學仿真軟件Simcenter Motion，建立剪叉式升降平臺的多體動力學模型，分析液壓缸和剪叉機構鉸接點在整個工作循環中的受力變化。

1 模型建立

將升降平臺的三維模型導入動力學軟件Simcenter Motion 中，選擇叉臂全收縮狀態為初始時刻，此時叉臂與水平面角度為2.8°，見圖1。共同運動的零部件設定為同一運動體，并按照所給圖紙通過改變模型密度參數，使模型重量與實際保持一致。在不同的運動體之間建立正確的連接關系，如叉臂之間、油缸與叉臂之間定義為旋轉副，滑塊與滑軌、油缸與工作桿之間定義為移動副等。

圖1 工作平臺初始狀態

2 仿真設置

升降平臺的額定載重量為250 kg，包括操作人員和工具、材料兩部分質量，其中移動平臺上質量為113 kg，固定平臺上質量為137 kg。

本次仿真總時間為48 s，時間步長設定為0.01 s。仿真時移動平臺從固定平臺中伸出900 mm（見圖2）?？紤]了添加柔性滑塊與滑軌之間的摩擦力對油缸驅動力的影響，其靜摩擦系數為0.45，動摩擦系數為0.4。

圖2 分析工況示意圖

本文中的剪叉式升降工作平臺由兩個液壓缸共同驅動，一起承擔工作平臺的起升負載。根據該工作平臺的液壓設計，兩個驅動液壓缸型號一致，處于同一液壓泵供油的相同液壓回路中且并聯設置。由于相同液壓回路中的壓力相等，因此由液壓設計可知在整個工作過程中，兩個液壓缸的作用力始終相等。

本文首先通過常規的位移驅動單獨控制兩個液壓缸的行程，盡管行程保持一致，但得到的液壓缸作用力并不相同，這與該工作平臺的液壓設計完全不符。為此，本文采用閉環控制與逆向動力學相結合的方法對工作平臺的工作過程進行仿真，以獲取與液壓設計相符的結果[5]。其控制系統原理圖如圖3 所示，采用傳統的負反饋控制調節，對輸入的升降平臺期望值與仿真模型反饋的實際測量值進行比較得到偏差，然后通過PID 進行控制，從而求得液壓缸的作用力。

圖3 控制系統原理圖

升降工作平臺的預期速度vi采用step 函數來定義，可有效避免速度的施加對仿真模型造成的沖擊，其函數表達式為step（time，0，0，1，0）+step（time，1，0，3，291.15）+step（time，44，0，46，-291.15）+step（time，46，0，48，0），其物理意義是1 s 內升降工作平臺達到靜力平衡狀態，1～3 s 內升降工作平臺加速到291.15 mm/s，然后平臺保持勻速運動，直至44～46 s 內減速到0，隨后保持2 s 的靜力平衡狀態。

3 分析結果

模型中叉臂之間各旋轉副編號如圖4 所示。

圖4 連接副編號示意圖

圖5 中給出的是工作平臺整個展開過程中的豎直方向位移曲線，由圖5 中可以看出，平臺共升高12 513 mm，滿足設計要求。實線為工作平臺實際位移曲線，虛線為工作平臺期望位移曲線，從圖5 中可以看出，兩者保持一致，誤差很小。

圖6 中給出的是工作液壓缸在整個展開過程中的行程位移變化曲線，由圖6 中可以看出，液壓缸行程為1 455 mm，可用于液壓缸選型確定。

圖6 液壓缸行程曲線

圖7 中給出的是叉臂與水平面的角度，從圖7 中可以看出，展開過程叉臂由2.8°變為62.03°。

圖7 叉臂與水平面的角度曲線

圖8 中給出的是工作液壓缸在整個展開過程中的作用力變化曲線，橫坐標為叉臂與水平面角度，由圖8 中虛線可以看出，在不考慮滑塊與滑軌摩擦力下，整個過程中，液壓缸作用力在初始時刻最大，為78 504 N；液壓缸作用力在叉臂與平臺角度為35°時最小，為48 803 N。

圖8 液壓缸作用力曲線

圖8 中還給出了考慮摩擦后，油缸力的變化曲線（實線）。從圖8 中可以看出，隨著叉臂角度地增加，油缸力增加更為明顯，這是由于隨著平臺地上升，滑塊的受力逐步增加，摩擦力也隨之增加。在平臺最高處，是否考慮摩擦求出的油缸作用力分別為75 941 N 與64 148 N，兩者相差18.4%。

圖9 中給出的是鉸接點A1～A7、B1～B7、O1～O6在整個展開過程中的作用力變化曲線，橫坐標仍為叉臂與水平面角度。由此可以獲取工作過程中任意姿態下各鉸接點處的載荷，可為銷軸的選型及校核提供參考。

圖9 鉸接點作用力曲線

由圖8 和圖9 的作用力變化曲線還可以看出，液壓缸作用力與鉸接點作用力的最大值均出現在初始時刻，此外在叉臂完全展開時也會出現較大的載荷，這就說明對于整個升降平臺的強度與穩定性校核應該著重考慮這兩個姿態。

4 結語

本文通過對剪叉式升降工作平臺進行分析研究，建立雙液壓缸驅動的6 副剪叉機構組成的升降工作平臺的動力學仿真模型，采用仿真法，獲取了升降平臺整個工作過程中的液壓缸和鉸接點處的作用力動態變化曲線，以及液壓缸行程、平臺升降位移等運動參數，為升降平臺整機和組件的設計選型，強度、穩定性校核提供了可靠的數據基礎。