硅谷杂志：举升机构的优化方案

硅谷网8月11日消息 《硅谷》杂志2012年第13期刊文称，举升机构是自卸车重要的工作系统之一，其传动效率的高低直接影响汽车的经济性和使用特性。高位自卸车只实现简单的运动过程，不需要复杂的结构，倘若结构复杂化，必然限制载重量，而载重量是自卸车的首要优化对象，结构复杂化且影响稳定性，增大成本。利用ADMAS软件建立自卸车液压举升机构的参数化模型，以举升过程中油缸最大推力最小为优化目标，对举升机构的位置布置和几何参数进行优化设计，实现对举升机构关键位置参数的合理优化，为改进机构设计提供依据，具有较强的实用性。
　　为方便卸货，车厢的后移量可以任意调节，使用的构件单一，便于修理和集中维护。但是使用的液压缸太多，需要精确的液压控制，液压系统设计困难。而且由于液压缸直接承受车厢的重力，液压系统的压力较高，液压系统的制造和维护成本增加。由于受到车厢下面空间高低的限制，导致车厢的举升高度受到限制。
　　2选择的主要考虑及最终选择
　　选择的主要考虑：初始空间有限，且要充分利用车厢的空间；结构简单，易于加工、安装和维修；连杆的强度不能要求过高，控制机构简单；能够保证车厢在举升和下降过程中保持水平，稳定性好；能够很好的协调车厢上移量与后移量之间的关系，满足工作要求；机构的受力情况较好；在举升初始阶段传动角不能过小；液压缸推程要求合理
　　剪式机构有结构简单，紧凑的优点，很好且合理的运用车厢与车座间的距离；能够很好的协调车厢上移量与后移量之间的关系，满足工作要求；更重要的是，剪式举升机构在举升后期运动稳定，这对于实现边举升边翻转功能或接下来的翻转功能很是有利。但其液压缸水平布置时，在举升初始阶段，传动角几乎为零，不利于启动。于是对剪式举升机构各机构间运动副进行改进，采取多液压缸协同工作的形式。
　　3方案优化
　　1）充分利用条件中所给的车厢与底板间距Hd，设出双层计滑块机构，使之置于车厢和地板之间，占据全部的空间高度，使杆的初始位置不水平，即初始传动角大于0，设计完成后，初始传动角是略大于5°的。不至于产生死角，有利于启动。
　　2）采用双液压缸驱动双滑块使剪式机构完成举升运动，单缸驱动需要较大功率，且在举升后期又不需要较大功率液压缸。用双液压缸驱动后，初始驱动功率和驱动力约减半，而且可以实现举升与翻转一体化，详细做法后文详述。
　　3）改进两杆间的运动副关系。使两杆所需强度合理。初始改进方案是两个杆直接铰接，作为参照。最终改进方案是两杆间通过滑块连接。
　　4）重新装配及尺寸设计。合理设计各机构的装配位置及机构尺寸，可以使机构的力学性能提高，运行稳定，并充分考虑从开始到结束期间各机构位置对强度的影响。据此，两举升杆的最终位置要大约对称，第二，合理杆长。
　　初始改进方案设计如下图：
　　
　　
　　
　　4综合分析
　　在运动仿真中定义了油缸的运动速度（上文有具体的计算过程），根据油缸的运动速度，通过软件分析得到目标的位移、速度、和加速度线图。通过运动分析，判断机构的受力状态和运动状态是否良好，为机构的优化设计提供理论参照和数据支持。
　　从曲线上可以大致看出这种参数曲线的变化，借此可以大致分析机构的运行。举升的数据是以车厢相对底盘运动的运动速度的模为参量，运动结果大致符合设计要求的上升1800mm，运动速度曲线约在3秒后速度相对平滑，上升过程可以认为是匀速的，有利于在实现在任意位置停止，满足设计要求。加速度曲线在3秒后相对平滑，这使得油缸和车厢运行平稳，利于延长机器的使用时间及接下来的翻转功能。这也是剪式举升机构的最大优点所在：后期运行越来越平稳。但其初始速度及加速度较大且变化较大，不利于稳定启动，这也是剪式举升机构的最大缺点所在。
　　举升过程中的分析改进意见：通过这个分析过程，可以使油缸的初速是均匀增大到一定速度再匀速运动的，如果直接使用匀速运动的油缸，在油缸起步的时候，车厢的加速度很大，而且匀速运动的油缸只存在与理想条件中。在这个模拟中发现速度均匀增大的油缸在变为匀速的时候车厢有加速度突变，这是因为油缸有加速度突变。在机构难以做重大的改动的情况下，可以改善输入运动以改善机构的运动。可以通过使用节流阀等油缸控制元件，使油缸的速度以多项式的运动速度变化，减小加速度的变化，这样可以优化机构的工作环境，延长机器的使用时间。
　　5最终方案
　　虽然以上设计解决了始传动角为0和单缸驱动需要较大功率的问题，但通过对E处的铰接受力分析可知，此处受力较大，不利于高位自卸车的长久使用，且三秒后才趋于平稳，不利于工作。故对E处的链接方式进行改变，使杆AC与滑块E铰接，杆BD与滑块E通过滑动。对机构进行Adams仿真模拟。A处的油缸推动速度为100mm/s，B处的油缸推动速度为26.7mm/s，运行时间为1036/100=10.3s.计算步数为500步。两缸同时工作，十秒后，停止运行。得到滑块BD的s-t，v-t，a-t图如下：
　　
　　
　　杆达到了指定位置。开始启动时加速度非常大，三秒后加速度大幅下降并趋于平稳，体现出剪式机构的优点。通过这几个线图，对比上一种方案根据结果图可以看出，若油缸匀速运动，则在车厢的开始运动的过程中车厢的速度和加速度很大。存在柔性冲击，在运动过程中加速度变化平缓，运动稳定。要针对开始运动的时候的柔性冲击进行调整。
　　由图知，大约两秒后机构的加速度大幅下降并平稳，两杆的使用性能有一定提高，原因在于滑块E承担了一部分的压力，并且使机构提前进入稳定状态，但液压缸所需功率大幅度提高。
　　6总结
　　高位自卸车只实现简单的运动过程，不需要复杂的结构，倘若结构复杂化，必然限制载重量，而载重量是自卸车的首要优化对象，结构复杂化且影响稳定性，增大成本。但为了实现优良的性能，又需要较复杂的结构，对此，多动力化是一个比较好的折中方案，所以此次设计选择的方案皆有两个动力装置，分析此类设计的性能。这或许会成为未来高位自卸车设计的一个趋势。（原文载于《硅谷》杂志2012年第13期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载）