张柏++张兴国++郭成功++陈锦翔++莫亚梅++袁国秋
摘要：通过对剪叉式升降机剪叉机构的结构性能分析，设计了一种新型的组合销止动装置，可以让剪叉机构在多位置高度实现锁定，具有安装与拆卸便捷、可靠性高、磨损小等性能特点。阐述了该组合销的结构组成，与单支撑杆、单销锁定方式进行了理论比较，并通过Midas软件进行仿真分析，验证了该组合销结构的优越性，为大负载升降机的安全保障提供一种新型装置。
关键词：剪叉式；升降机；组合销；单支撑杆；Midas；
中图分类号：TH212 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）11（a）-0000-00
0引言
在各种升降机中，剪叉式升降平台因其结构紧凑，安全可靠，使用方便，操控性好，被广泛应用在物流、装卸作业、制造维修等场合。在剪叉结构设计中，为了保持其工作状态，保证系统的安全性，一般在相邻剪叉构件上设计有固定支撑，或者用液压自锁的方式来实现。采用固定支撑装置的缺点是不能灵活地控制剪叉升降的高度，只能让其保持在某一个固定高度上，而且单支撑杆的质量性能直接影响到升降机的安全性。采用液压自锁的方式优于前者，不但解决了前者不能随意控制高度的问题，还提高了整个系统的稳定性、安全性。
笔者在实际工作中，研制了一款用于室内起吊用的升降机，主要用于起升室内变压器的钟罩。起升之后，工作人员要在钟罩正下方进行维修、装配作业，因此升降机的位置保持安全可靠性非常重要。这里设计了一种安装与拆卸便捷、可靠性高、磨损小的组合销，具有装卸和调整方便、多位置调节高度、安全可靠性高等特点。
1组合销的设计
1.1组合销的结构
图1为组合销结构示意图，图2为带销孔的配套剪叉构件示意图。这种新型的组合销主要由组合销体和组合销座两部分组成，其中组合销体由手柄部分和圆柱销体部分组成，圆柱销体部分用十六只等直径的圆柱销组合而成，因为通常的剪叉机构需要不同高度的定位，对于中间连接中心轴的部分我们就设计了均匀分布的十六只销孔，配合十六只圆柱销满足升高的不同角度的要求。手柄部分采用十字花式，抓取更加方便。销体和销座主体采用镂空式，可以减轻其自身重量，拆卸操作更加便捷。组合销座部分由两部分组成，解决了剪叉机构中间轴安装拆卸干涉的问题，在设计上同时采用安装手柄，便于安装与拆卸。同时主体部分同时设计十六只与圆柱销等直径均匀分布的配套的安装凹槽，使得每一只圆柱销都可以准确的安装固定在准确的位置上。从而保证剪叉机构保持在所要求的高度位置上。组合销座部分由两个半圆销座组成，既防止和剪叉机构中中间轴的干涉，同时又简化了操作。
1.2组合销的结构组装分析
通过对剪叉机构的仔细研究，我们认为让剪叉机构结构稳定且可以在任意高度具有可调整的性能的关键在于自锁方式。采用上述的组合销可以完成支撑、固定、导向、自锁、多位置高度调节的功能。具体组装方法如图3所示。操作时，首先将剪叉机构升降台提升或者降低在需要的位置，然后将组合销体部分与与之配套的剪叉叶片中间部分的销孔配套起来，插入销控中，保持固定。最后再将圆柱销插入销座部分的配套圆柱销安装凹槽，进一步固定，安装过程即可完毕。拆卸过程反之亦然。
2.组合销的理论分析
结合实际理论数据，证明组合销体比叶片之间支撑杆的方式固定更具有优势。首先给定一定的条件：我们这里只考虑一层剪叉机构的受力影响（多层同理可推知），给定同样的负载力5t，研究这两种不同固定方式下的受力情况如下。
2.1组合销的强度验算
所设计的组合销销体部分是圆柱销，一共有16个等直径（ 20）且均匀分布的圆柱销。圆柱销起定位作用时，它的直径大小的设定和本身结构有关。由上述条件可知，单个组合销的受力简图如图4所示。
销的剪切力的计算公式如下：
其中：F—横向力，N；d—销的直径，mm；Z—销数； —销的许用剪应力，MPa，对于销的常用材料取 =80MPa。
设承受5t的负载力，则 =5000 9.8=49000N
由结构可知，
所以由上式（1）可得销的剪切力：
2.2剪叉构件间单支撑杆固定方式的强度计算
剪叉构件间单支撑杆固定方式的结构简图如图5所示，其中AB杆是所承受支撑的固定支撑杆，设外在条件和上述条件一致，AB杆的截面积形状为 mm的矩形截面。则由实际情况可知，AB杆一定会承受外载力而弯曲，同样计算它的剪切力。公式如（3）：
其中： —横截面上的剪力，N；h，b—截面的长和宽，mm； —截面上距中性轴静矩； —整个截面对中性轴的惯性矩。
设承受5t的负载力，则 =5000 9.8=49000N
由结构可知， b=20mm h=20mm
所以由式（3）可得：
=1.5 183.75MPa （4）
综上所述计算结果可以看出：9.753MPa<183.75MPa，组合销受力小，更可靠。
2.3升降位置调节
研究的组合销还具有在不同高度进行定位的功能，其过程如下。将与之配套的两个剪叉机构的十六个销孔标号，分别是1、2、3…16，将连带剪叉机构的两部分构件取名为A板和B板。设定当A板的1号孔与B板的1号孔对应的时候，剪叉机构的两个构件是重合的。那么當需要在较底高度固定的时候，则可以将剪叉机构调整到A板的1号孔和B板的3号孔对应重合的位置，再将组合销插入销孔中，固定好即可。如果我们需要在较高的位置固定，则可以将A板的1号孔和B板的5号孔对应重合的位置，再将组合销插入销孔中，固定好即可。同理，依次可以调节到其他高度位置，操作简单，易行。
3. 组合销基于Midas的受力分析
3.1 组合销Midas的受力分析
用Midas软件对组合销的受力进行分析。首先在solidworks中建立好组合销的模型，尺寸如前述理论数据。16只销的直径d=20mm，组合销外圆直径d=240mm。选用Q235作为销的材料，在Midas中用高速四面体的方法对整体划分网格，一共划分了14386个单元，26948个节点。加负载力49000N，用Midas分析后总平动位移如图6所示，受到最大位移移动的位置为4.02958 mm，在图中红色标记位置处。相应的组合销的等效应力图如图7所示。
3.2组合销及单支撑杆、单销的受力比较
同样方法，可以对单支撑杆、单销进行Midas受力分析，结果与前述计算结果一致，组合销的受力优于单支撑杆、单销。另外，组合销中板上均布的16只孔可以分布成4等分。在上半部1/4位置的销给剪叉机构不同位置起主要定位的作用，而其余的3/4部分是在不同状态固定时起到加强固定的作用。如果采用单销，经过长时间的使用和磨损，定位会造成极大程度上的不准确。同时没有了多孔的固定，在实际应用中极容易受到过载的影响，导致断裂，甚至发生事故等。安全性得不到保证。组合销在这些方面都有着良好的性能，提高了强度和可靠性，同时满足了在各个高度上都可以固定的要求，在负载较大的场合，具有其独特优点。
4.结束语
终上所述，可得到结论：组合销的强度性能和多角度定位性能比以往固定方式更具优势，安全可靠，装卸便捷，是适用于剪叉机构的一种新型的锁定装置，使得剪叉机构在整体上更稳定，实际应用过程中不易发生隐患，该研究对剪叉式升降机在实用方面的新颖性、可靠性是显而易见的。
参考文献
[1]尹冠生.理论力学[M]. 西安： 西北工业大学出版社，2004.
[2]成大先.机械设计手册[M]. 5 版. 北京： 化学工业大学出版社，2008.
[3]刘麒闻. 壁行吊车梁系统的数值仿真[J]. 南通大学学报（自然科学版），2016，02：40-47.
[4]刘洋，吴国庆，宋晨光，张旭东. 1kW垂直轴风力发电机叶片静力分析[J]. 南通大学学报（自然科学版），2016，02：1-7.
[5]王钰明，曹初，胡冬宝，吕先洋. 扭转梁式后悬架系统力学特性有限元分析[J]. 南通大学学报（自然科学版），2014，04：31-35.
[6]张晨，徐勋倩，陈静. 悬臂钢管混凝土构件在横向冲击荷载下承载性能有限元分析[J]. 南通大学学报（自然科学版），2012，03：34-38.
[7]陈光营，张晨，李加才. 顶底角钢连接中带肋角钢有限元分析[J]. 南通大学学报（自然科学版），2015，04：58-63.
作者简介：張柏，（1992-），女，研究生，研究方向：机电一体化及机器人技术。
*通讯作者：张兴国（1975 -），男，江苏沭阳人，副教授，硕士，主要从事光机电一体化及机器人技术方面教学、科研工作。
