液壓升降臺結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

李增雙，李永波，魏 禹， 管小花

（1.湘潭鋼鐵集團有限公司，湘潭411101；2.哈爾濱工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱150001；3.漣源鋼鐵集團有限公司，婁底417100）

0 引 言

升降臺是現(xiàn)代機械行業(yè)不可缺少的基本設(shè)備，由于機電一體化進程的加快，升降臺向精度高、操控性好以及高智能化的方向發(fā)展.本文設(shè)計液壓剪叉式升降臺采用液壓傳動，主機采用單級剪叉式結(jié)構(gòu)，工作臺面為輥道形式，整機用鋼結(jié)構(gòu)件焊接及螺栓聯(lián)接而成.對于一級升降平臺，液壓缸布置在剪叉機構(gòu)的右側(cè)，對于多級升降臺，采用多級液壓缸分布在不同級別的支桿上，以達到較大高度，較大載荷的要求［1］.

本文通過有限元軟件ANSYS對液壓升降臺關(guān)鍵零部進行靜力學(xué)分析，仿真結(jié)果與許用應(yīng)力做對比，完成對壓力機的強度校核，驗證機構(gòu)滿足設(shè)計要求.

1 液壓升降臺的設(shè)計

1.1 技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)對液壓剪叉式升降臺的設(shè)計有至關(guān)重要的影響.表1是升降臺的技術(shù)指標(biāo)，依據(jù)設(shè)計相關(guān)要求，使完成后的升降臺具有結(jié)構(gòu)簡潔、運行平穩(wěn)、以操控等特點［2－3］.

表1 升降臺技術(shù)指標(biāo)

續(xù)表

1.2 總體方案設(shè)計

液壓剪叉式升降臺是由主機、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等幾大部分組成.由于升降臺有效行程是850 mm，液壓缸采用右側(cè)布置，與液壓缸下支點相連的耳座焊接固定在下平臺上，如圖1所示.

圖1 液壓剪叉式升降臺原理圖

油泵從油箱吸油，油液經(jīng)過濾器后推動單向閥開啟，經(jīng)過與液壓缸相連的二位二通閥后推動缸桿的伸出，從而完成升降臺的上升動作.溢流閥起安全閥的作用，對系統(tǒng)進行過載保護.變量泵起到系統(tǒng)流量自動調(diào)節(jié)的作用.

平臺的下降復(fù)位是通過自重實現(xiàn)的.油液先經(jīng)過與液壓缸相連的二位二通閥后經(jīng)過節(jié)流閥調(diào)速，通過另一個二位二通閥后流回油箱.平臺任意位置的停留是靠兩個二通閥油口的關(guān)斷來實現(xiàn)的［4］.同時單向閥在此時也對系統(tǒng)起到一個過載保護的作用，液壓系統(tǒng)原理如圖2所示.

圖2 液壓系統(tǒng)原理

1.3 零部件設(shè)計及三維建模

根據(jù)升降臺的設(shè)計要求，對液壓剪叉式升降臺的輥道、平臺、銷軸等進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并運用PrO／E三維建模軟件分別建立三維模型，最后完成底傳動壓力機的裝配.

1.3.1 輥道的設(shè)計

輥軸設(shè)計成臺階的形式，由軸肩在左側(cè)定位軸承；用墊片對軸承進行右側(cè)定位.用緊定螺釘對墊片進行固定.輥道是通過螺栓連接安裝在輥輪支撐架上，輥軸與軸承固定在輥軸支架上的支撐孔內(nèi)，軸承左側(cè)通過輥軸的軸肩定位，軸承的右側(cè)通過鉸接在輥軸支架上的墊片實現(xiàn)定位，如圖3所示.

圖3 輥道示意圖

1.3.2 平臺與銷軸連接設(shè)計

平臺由鋼板折制而成，與輥軸固定通過螺栓連接.滾子的滾道由角鋼焊接在上平臺下平面而成.剪叉桿支架由鋼板焊接而成，鋼板上打孔，通過銷軸與剪叉桿鉸接，如圖4（a）所示.銷軸與機架直接配合，銷軸與剪叉桿通過套筒鏈接，套筒對剪差桿的孔表面起保護作用，銷軸通過開槽螺母和開口銷進行軸向定位，如圖4（b）所示.

圖4 升降臺設(shè)計示意圖

通過上述過程，采用Pro／E三維軟件完成了液壓剪叉式升降臺三維模型的建立，為下面運用有限元軟件ANSYS進行靜力學(xué)分析做了準(zhǔn)備，三維模型如圖5所示.

圖5 液壓剪叉式升降臺的三維模型

2 有限元分析

ANSYS是集結(jié)構(gòu)、傳熱學(xué)、流體、電磁、聲學(xué)和爆破分析于一體的商用有限元軟件.主要包括三個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊.前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型［5－6］；分析計算模塊可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以各種圖形方式方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出.

本文使用ANSYS12.0軟件中的結(jié)構(gòu)靜力分析模塊，ANSYS處理問題的標(biāo)準(zhǔn)步驟為：建立模型、劃分網(wǎng)格、加載和求解和結(jié)果后處理［7］.

升降臺在工作過程中剪叉桿承受拉力作用，同時在液壓缸回程時，剪叉桿受到承受滾子的重力作用，因此需要對剪叉桿做受拉伸和受壓的兩種情況的有限元分析.

2.1 受拉時的強度校核

剪叉桿受力如圖6所示，向下有集中力 （實際為均布力），向上有剪叉桿和滾子給上平臺的支撐力F.鋼板的寬度為50mm，鋼板的厚度為13mm，選用45鋼，由《材料力學(xué)》相關(guān)知識［8］，則：

X方向：

Y方向：

圖6 剪叉桿受力分析圖

取安全系數(shù) ，則許用拉伸應(yīng)力：

求解后的節(jié)點應(yīng)力如圖7所示.連桿最大拉應(yīng)力為115.41MPa，由于σ＜［σ］，驗證了剪叉桿拉伸強度滿足設(shè)計需求.

圖7 受拉節(jié)點應(yīng)力圖

2.2 受壓時的強度校核

液壓缸回程時，剪叉桿受到承受滾子的重力作用，此時剪叉桿受壓，剪叉桿承受的載荷：

式中：m——滑塊質(zhì)量，kg；

求解后的節(jié)點應(yīng)力如圖8所示.剪叉桿所受最大壓應(yīng)力為17.478MPa，剪叉桿的許用壓應(yīng)力［σ］＝177.5MPa，σ＜［σ］，因此所設(shè)計的升降臺結(jié)構(gòu)能滿足設(shè)計要求，因為所校核的力是保守的，允許有一定沖擊，即在一定的沖擊下，可以滿足工作要求的.

圖8 受壓節(jié)點應(yīng)力圖

3 結(jié) 論

本文采用三維建模軟件Pro／E建立了液壓剪叉式升降臺的三維模型，運用有限元軟件ANSYS對其進行靜力學(xué)仿真，仿真結(jié)果與許用應(yīng)力對比，驗證了液壓升降臺滿足設(shè)計要求.

［1］ 楊恩霞.機械設(shè)計［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006：90－108，126－194.

［2］ 成大先.機械設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：670－690，747－780，1150－1250.

［3］ 成大先.機械設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：670－690，747－780，1150－1250.

［4］ 劉 坤.ANSYS有限元方法精解［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004：72－98.

［5］ 王呼佳，陳洪軍.ANSYS工程分析進階實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2006：1－5.

［6］ Erdogan Madenci，Ibrahim Guven.The Finite Element Method and Applications in Engineering Using ANSYS［M］.Springer US，2006.

［7］ Shiuh－Chuan Her，Yu－Cheng Liang.The Finite Element Analysis of Composite Laminates and Shell Structures Subjected to Low Velocity Impact Original Research Article［J］.Composite Structures，2004，66（4）：277－285.

［8］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1992：20－60.