微型逃生電動(dòng)車用升降裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析＊

鄭志紅，陳智勇，黃曉婧，劉建壽，李彬，李妙玲，姚永玉，張廣廣

（1.洛陽理工學(xué)院 機(jī)器人學(xué)院，河南 洛陽 471023；2 洛陽理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 洛陽 471023； 3.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009）

1 設(shè)計(jì)背景

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的加速進(jìn)步，住宅用土地供應(yīng)日益緊張，城市中高層建筑的數(shù)量以一種空前的速度增長(zhǎng)。伴隨該現(xiàn)象而產(chǎn)生的問題隨著而來，特別是發(fā)生規(guī)模較大的火災(zāi)時(shí)，如果因?yàn)閿嚯妼?dǎo)致電梯井無法正常運(yùn)行，較高層數(shù)的住戶無法及時(shí)逃離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，火災(zāi)勢(shì)必會(huì)對(duì)住戶造成非常嚴(yán)重的人身安全和財(cái)物損失，同時(shí)因高層建筑區(qū)建筑密集、住戶較多，道路比較窄、地面車輛停放多等實(shí)際情況，導(dǎo)致火災(zāi)后的及時(shí)救援工作面臨很大的困難。

針對(duì)上述問題，結(jié)合電動(dòng)車逐步普及的現(xiàn)狀，根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)水平，設(shè)計(jì)一款剪叉式液壓升降平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)高層建筑區(qū)內(nèi)的快速搶險(xiǎn)救援。優(yōu)選了液壓升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)材質(zhì)，確立了支撐底座、液壓支撐臂布局，設(shè)計(jì)了剪叉結(jié)構(gòu)傳動(dòng)裝置，得到了一種質(zhì)量輕、體積小、可折疊的升降裝置，可搭載在小型電動(dòng)車上移動(dòng)和升降，經(jīng)過ANSYS 受力分析計(jì)算，驗(yàn)證升降裝置能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2 升降裝置結(jié)構(gòu)方式的確定

升降機(jī)構(gòu)既要滿足升降臺(tái)快速平穩(wěn)升降，又要保證工作時(shí)的穩(wěn)定性和移動(dòng)時(shí)的靈活性，還需要具備結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、操作簡(jiǎn)單、承載量大、有著較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)通過性、以及其上升及下降易操縱的特點(diǎn)，這就對(duì)結(jié)構(gòu)形式選擇、材料選用、具體結(jié)構(gòu)布局以及承受力等方面提出較高的要求。

2.1 升降裝置結(jié)構(gòu)的基本要求

本設(shè)計(jì)的主要目的是設(shè)計(jì)一款能在居民密集度高的高層住宅區(qū)進(jìn)行人員營(yíng)救，這就要求上裝升降裝置體積小、操作簡(jiǎn)單靈活。

然后在救生過程中要上下、左右移動(dòng)，升降裝置必須保證其升降移動(dòng)和水平移動(dòng)的穩(wěn)定性和速度性。

最后救援時(shí)被救生人員位于頂部的救援平臺(tái)，升降裝置的支撐部位在重力作用下，如果剛度、強(qiáng)度過低，升降裝置的支撐部位將發(fā)生大變形，甚至傾斜損壞，將給救援帶來新的危險(xiǎn)，因此升降裝置的支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度。

2.2 升降結(jié)構(gòu)型式的選擇

對(duì)比分析眾多升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，綜合考慮尺寸要求、所配合裝載的車輛使用要求，剪叉式升降機(jī)構(gòu)相比其他柱塞式、絲杠式、齒輪齒條式升降機(jī)構(gòu)，有著體積小、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊、承載量大、驅(qū)動(dòng)通過性強(qiáng)、以及上升下降易操縱的特點(diǎn)，所以本方案選擇剪叉式升降機(jī)構(gòu)。剪叉式升降機(jī)構(gòu)升降的實(shí)現(xiàn)是其將液壓缸活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成了橫臂的移動(dòng)，橫臂的移動(dòng)又進(jìn)一步轉(zhuǎn)成了叉臂的升降運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)升降平臺(tái)的舉升與降落。

同時(shí)考慮到該機(jī)構(gòu)的自重以及為了滿足救援目的，平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮負(fù)載時(shí)整體結(jié)構(gòu)的受力情況，若要實(shí)現(xiàn)其上升和下降過程，需要有較大的推力和拉力來驅(qū)動(dòng)，而在眾多驅(qū)動(dòng)方式中，可選的電動(dòng)和氣動(dòng)受使用場(chǎng)地和動(dòng)力的局限，綜合考慮選擇液壓驅(qū)動(dòng)。

2.3 材料的選擇

升降裝置結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣在很大程度上取決于材料的性能，為此，首先應(yīng)結(jié)合剪叉型結(jié)構(gòu)形式合理選擇材料，進(jìn)而達(dá)到機(jī)構(gòu)的最優(yōu)性能。考慮升降裝置的特殊功能需求和可供性、價(jià)格等因素影響，對(duì)比分析多種材料，如Q235、Q345、鋁合金、Mg-Al 合金、鈦合金等，綜合考慮選定液壓升降平臺(tái)主要采用Q345 和Mg-Al 合金兩種材料，其材料屬性見表1。

表1 材料屬性

3 升降平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 臂架計(jì)算

一層升降平臺(tái)的臂架由四根支撐臂和三根橫梁組成。

根據(jù)任務(wù)要求，初定支撐臂長(zhǎng)度L0為1 米，令其升起到極限位置時(shí)同側(cè)兩支撐臂之間較小的夾角的角度α 為60 度，則完全升起時(shí)每層高度H1為：

在不考慮底座和頂部救援平臺(tái)兩部分高度的情況下，若要滿足總高（H）為15m 的設(shè)計(jì)要求，一共需要的層數(shù)（n）為：

考慮升降平臺(tái)裝載在車廂上，以及底座和頂部救援平臺(tái)的高度，圓整n，取n 為17。

17 層臂架折疊后高度不能超過600mm（即為0.6m），則每層臂架的高度（H2）應(yīng)為：

由于剪叉機(jī)構(gòu)呈對(duì)稱布置，則每根支撐臂的高度（H3）應(yīng)小于等于0.017m，為了給剪叉機(jī)構(gòu)的底座和上部平臺(tái)在高度上留充足安裝余量，取H3為0.015m。

臂架材料選取時(shí)考慮控制重量，選用Mg-Al 合金，且為中空設(shè)計(jì)，橫梁橫截面為圓環(huán)，D 為外徑，d 為內(nèi)徑。彎曲正應(yīng)力的強(qiáng)度條件為：

最大彎矩：

圓環(huán)抗彎截面系數(shù)：

因所設(shè)計(jì)的橫梁與支撐臂接觸位置較為復(fù)雜，則暫定其厚度為30mm，初步將支撐臂輪廓尺寸定為長(zhǎng)×寬×高=1000mm×30mm×80mm，該尺寸會(huì)根據(jù)ANSYS 結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 頂部救援平臺(tái)設(shè)計(jì)

由于尺寸限制，同時(shí)考慮到在極限位置時(shí)，如果剪叉機(jī)構(gòu)與救援平臺(tái)相連的固定端橫梁距離太過靠近邊緣，相對(duì)來說容易造成平臺(tái)變形甚至傾倒，為了使平臺(tái)穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)時(shí)改變固定端與較近一側(cè)邊緣的位置，令臂架整體較為靠近中間位置。設(shè)計(jì)平臺(tái)底部輪廓尺寸為長(zhǎng)×寬×高=1500mm×800mm×200mm。

為了保證救援安全、方便，安裝升降平臺(tái)防護(hù)裝置必不可少，初步設(shè)計(jì)在救援平臺(tái)四周安裝防護(hù)欄，并在救援平臺(tái)一側(cè)設(shè)計(jì)一梯子，救援平臺(tái)三維模型如圖1 所示，其中護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式可多樣化設(shè)計(jì)，并不局限于圖中顯示結(jié)構(gòu)形式。

圖1 救援平臺(tái)三維模型

3.3 底座設(shè)計(jì)

由于整個(gè)剪叉機(jī)構(gòu)和救援平臺(tái)均依靠底座來約束限制自由度，則底座的設(shè)計(jì)一定要滿足以下條件：可以為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定支撐，與車身相連保證穩(wěn)定，對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)的行程進(jìn)行限制，裝布置液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及操縱機(jī)構(gòu)等。

設(shè)計(jì)其輪廓尺寸長(zhǎng)×寬×高=1200mm×1000mm×150mm。為了方便裝配，底座一端有可拆卸擋板，通過螺釘與底座相連，螺釘有定位及緊固作用，底座三維模型如圖2所示。

圖2 底座三維模型

3.4 滑塊設(shè)計(jì)

剪叉機(jī)構(gòu)的舉升與降落是通過安裝在最底層臂架橫梁與底座橫梁之間的液壓泵來提供推力或拉力而實(shí)現(xiàn)的。在剪叉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程中，底座橫梁與滑槽之間的摩擦形式是滑動(dòng)摩擦，其接觸面為橫梁弧面與滑槽接觸的部分，由于弧面與滑槽接觸面積太小，易引起橫梁結(jié)構(gòu)彎曲變形。為了減少?gòu)澢冃?，可從改善結(jié)構(gòu)形式和載荷作用方式或選擇合理的截面形狀等方面入手。

綜合考慮，由于結(jié)構(gòu)形式和載荷作用方式不易改變，首選改變其接觸面來減小底座橫梁與底座支撐臂之間的彎矩，在一定程度上改善彎矩值以達(dá)到減小彎曲變形的目的?；瑝K不僅可以增大支撐橫梁與滑道之間的接觸面積從而減少壓強(qiáng)，起到承載作用，還可以利用滑塊對(duì)橫臂的滑動(dòng)進(jìn)行限位。

3.5 固定液壓缸的底座支撐臂及底層臂架橫臂設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)主要是為了保證液壓缸的安裝及定位正確，尾部雙耳環(huán)安裝適合于活塞桿端工作過程中沿同一運(yùn)動(dòng)平面呈曲線運(yùn)動(dòng)路徑的工況，它可以在同一運(yùn)動(dòng)平面任意角度使用，這種安裝方式契合使用要求，設(shè)計(jì)中液壓按照尾部雙耳環(huán)安裝，與液壓缸相連的支撐臂設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 底座液壓支撐臂三維模型

3.6 升降裝置應(yīng)用效果圖

將所設(shè)計(jì)的升降裝置安裝到三輪車微型逃生電動(dòng)車上裝部分，其折疊狀態(tài)、升起作業(yè)狀態(tài)造型設(shè)計(jì)效果分別如圖4、圖5 所示。

圖4 升降裝置收縮狀態(tài)效果圖

圖5 升降裝置升起作業(yè)狀態(tài)效果圖

4 基于ANSYS 的有限元仿真分析

經(jīng)上述的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)后，最終確定了微型逃生電動(dòng)車用升降裝置的結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)升降裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，本文利用有限元軟件ANSYS WORKBENCH 進(jìn)行仿真分析。通過模型導(dǎo)入、添加材料、生成實(shí)體模型、建立坐標(biāo)系、網(wǎng)格劃分、施加約束和載荷，對(duì)升降裝置的剛度、強(qiáng)度進(jìn)行校核分析。

4.1 液壓支撐橫臂剛度、強(qiáng)度分析

圖6 液壓支撐臂等效應(yīng)力云圖

液壓支撐橫臂在工作狀態(tài)下的受力云圖如圖6 所示，液壓支撐臂變形最大處約為0.97mm，最大von Mises 等效應(yīng)力約為195.51MPa，取安全系數(shù)1.5，對(duì)比表1 中Q345 材料屬性，該液壓支撐橫臂滿足剛度、強(qiáng)度要求。

4.2 救援平臺(tái)剛度、強(qiáng)度分析

圖7 救援平臺(tái)等效應(yīng)力云圖

救援平臺(tái)在工作狀態(tài)下的受力云圖如圖7 所示，救援平臺(tái)變形最大處約為5.19mm，最大von Mises 等效應(yīng)力約為12.58MPa，取安全系數(shù)1.5，對(duì)比表1 中Mg-Al 合金材料屬性，該救援平臺(tái)滿足剛度、強(qiáng)度要求。

4.3 升降結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度分析

圖8 升降結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

升降結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的受力云圖如圖8 所示，升降結(jié)構(gòu)變形最大處約為17.0mm，最大von Mises 等效應(yīng)力約為69.72MPa，取安全系數(shù)1.5，對(duì)比表1 中Mg-Al 合金材料屬性，該升降結(jié)構(gòu)滿足剛度、強(qiáng)度要求。

4.4 底座剛度、強(qiáng)度分析

底座在工作狀態(tài)下的受力云圖如圖9 所示，底座變形最 大處約為0.0005mm，最大von Mises 等效應(yīng)力約為1.09MPa，取安全系數(shù)1.5，對(duì)比表1 中Mg-Al 合金材料屬性，底座滿足剛度、強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

本文在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用有限元模擬技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)了微型逃生電動(dòng)車用升降裝置。有限元仿真計(jì)算結(jié)果表明，該微型逃生電動(dòng)車用升降裝置在剛度、強(qiáng)度及模態(tài)分析均滿足要求。該升降裝置質(zhì)量輕，體積小，可折疊，操控靈活，可搭載在小型電動(dòng)車上移動(dòng)和升降，為高層建筑區(qū)內(nèi)搶險(xiǎn)救援工作帶來很大便利。另外，本文所采用的微型逃生電動(dòng)車用升降裝置設(shè)計(jì)方法也可為其他逃生裝置、升降裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。