剪叉式升降台液压缸位置参数优化设计.pdf

2 0 1 0年 1 0月 第3 8卷 第2 0期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS Oc t ． 2 0 1 0 V0 l _ 3 8 No ． 2 0 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 0 ． 0 1 4 剪叉式升降台液压缸位置参数优化设计 郑玉巧 ，张堆学 ，毛建军 ，黄建龙 1 ．兰州理工大学数 字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室，甘肃兰州 7 3 0 0 5 0； 2 ．兰州市城投房地产有限公 司，甘肃兰州 7 3 0 0 0 0 摘要针对剪叉式液压升降台在工作过程中存在活塞最大推力偏大、液压系统工作压力偏高的问题 ，建立剪叉起升机 构力学模型，以活塞最大推力为优化 目标，对影响起升液压缸最大推力的位置参数进行优化。优化后活塞推力减小 3 7 ％， 验证优化的有效性，为剪叉式起升机构的设计计算提供理论依据。 关键词剪叉式液压升降台；力学模型；位置参数；优化 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 0 0 3 9 3 Opt i mi z a t i o n De s i g n o f Hy d r a ul i c Cy l i n de r Lo c a t i o n Pa r a me t e r o f S c i s s o r s El e v a t i ng Pl a t f o r m Z HE N G Y u q i a o ，Z H A N G D u i x u e ，MA O J i a n j u n ，H U A N G J i a n l o n g 1 ． K e y L a b o f D i g i t a l Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y a n d A p p l i c a t i o n ，t h e Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， La n z h o u Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o gy ， La nz ho u Ga n s u 7 3 0 05 0， Ch i n a 2 ． L a n z h o u C i t y I n v e s t me n t C0 ．，L t d ．，L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 0 0。C h i n a Ab s t r a c t I n t h e wo r k i n g p r o c e s s o f s c i s s o r s e l e v a t i n g p l a t f o r m ， t h e b i g g e s t t h r u s t o f t h e p i s t o n i s t o o l a r g e a n d t h e p r e s s u r e o f h y d r a u l i c s y s t e m i s t o o h i g h ． T o o v e r c o me t h e s e s h o r t c o mi n g s ， b a s e d o n e s t a b l i s h i n g h y d r a u l i c s c i s s o r s e l e v a t i n g p l a t f o rm me c h a n i c a l mo d e l ，t h e p a r a me t e r s a f f e c t i n g t h e b i g g e s t t h rus t o f t h e l i ft c y l i n d e r w e r e o p t i m i z e d t a k i n g t h e b i g g e s t t h r u s t o f t h e p i s t o n a s o b j e c t ． T h e o p t i mi z a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e b i g g e s t t h rus t o f t h e p i s t o n d e c r e a s e s 3 7 ％ ． I t v e r i f i e s t h e v a l i d i t y o f t h e o p t i mi z a t i o n a n d p r o - v i d e s r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n o f t h e s c i s s o r s e l e v a t i n g me c h a n i s m． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c e l e v a t i n g p l a t f o rm ； Me c h a n i c a l mo d e l ； L o c a t i o n p a r a me t e r ；Op t i mi z a t i o n 剪叉式液压升降台具有结构简单、承载量大、安 装空间小 、 自动 化程 度 高且 易 于实 现集 中控 制 等特 点 ，因此在现代物 流 、航空 、 自动化生产线等场合 中 得到广泛应用 。剪叉式起升机构作为升降 台钢结构 的 关键组成部分，其力学特性会对升降台性能产生直接 影响。计算、分析剪叉式起升机构的传统方法通常为 人工计算或有限元分析方法。但人工计算精度差，效 率低；而有限元分析法适用于后期的验算分析，但在 设计分析的初期 ，其在建模 和快速调整模 型参数存在 困难⋯。作者针对液压升降台工作过程中存在活塞的 最大推力偏大 、液压系统工作压力偏高等问题进行优 化。由于受其安装空间和液压缸安装长度的限制 ，液 压缸安装位置优化属于有约束最优化问题，作者利用 MA T L A B软件的强大矩阵计算功能，对影响剪叉式起 升机构力学特性的主要参数进行分析，对影响起升液 压缸最大推力 的位置参数进行优化 ，能有效地减小活 塞的最大推力以及液压系统的工作压力 ，为剪叉式液 压升降台机构设计提供了一种行之有效的分析方法。 1 剪叉式液压升降台的主要参数 剪叉式液压升降台主要是 由剪叉起升机构和液压 系统以及 台共 同组成 ，其 中液压 缸是驱 动剪叉起升 的 动力装 置 ，活塞 的最 大推力 P 是确定液压 系统工作 压力的依据。在设计剪叉式起升机构时，必须考虑起 升油缸与平台底座内各零部件的几何关系，避免干 涉 。 额定载荷 2 4 5 0 0 N 最大载荷 2 9 4 0 0 N 起升高度3 4 2～ 6 4 2 m m o t 2 0 。 ～ 4 0 。 台尺寸 长 宽 1 3 0 0 m m 4 5 0 m m 活塞行程 2 0 0 m lT ／ 液压缸最小安装距离 4 5 0 m m 其他参数 L 5 0 0 m m 起升高度为 5 m的剪叉式起升机构，该机构包括 3组剪叉杆和 1 个起升油缸。起升机构最高一组剪叉 收稿 日期 2 0 0 91 1 1 6 基金项目甘肃省科技重大专项 0 8 0 1 G K D A 0 5 2 作者简介郑玉巧 1 9 7 7 一 ，女，硕士，助理研究员，研究方 向为成套设备及 自动化。电话 1 3 9 1 9 8 0 9 1 7 9 ，Em a i l 73 48 7 2 92 6 q q． c o m。 4 0 机床与液压 第 3 8卷 杆 的一端 与平 台以 固 定铰 支 座相 连 接 ，另 一 端 则 与 滑 靴 铰 接 ， 平台起升／ 下降时，滑 靴可在 平 台地板 的 内 嵌 滑道 里 滑 动 ，实 现 剪又 机 构 变 幅。起 升 机 构与 底 座采 用 同样 图 1 升降台机构简图 方式连接。液压 缸安装实 际位置参数 a3 0 0 m m， b 一1 2 5 m m，C 一 5 0 m m 。定义 a和 b 分别 为液压 缸上 、下安装点与 剪叉杆 中心销孔 距离 ，如 图 1 示 ， 定义剪叉杆两端销孑 L 中心连线 长度为 z ，其与水平 线 夹角 为 ，则液压缸轴线与水平线夹 角 0与 O ／ 有 以下 函数关系 s i n z 小 i n t - c ] 3 2 剪叉式升降台力学模型 结合剪叉式升降 台机 构 的结 构特点 和受载状 况 ， 建立其力学模型如图 2 所示 。 f S [ 1 一 a c o s o ／ 一6 】 [ 1 a s i n 一 c ] 。 1 图2 剪叉机构力学模型 c。s 专 [ z 一 。 c osa - b 】 2 方 程 翥 ’ 在 不 考 虑 摩 擦 力 的 情 况 下 建 立 力 学 平 衡 l 0 0 0 0 O 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 2 ／ c o s a 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 l 0 0 1 一l 0 l s i n ／ c o s a 0 0 0 l c o s a 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 l 0 1 0 0 0 0 2 ／ c o s a／ s i n a 一／ c o s a 0 0 可得到活塞 推力 的函数关 系如下 P 面 ／ s i n 0 a s i n 0 O t 5 ‘ [ 一 】 、 另外 ，式 4 给出了外 载 、剪叉起 升机构 几何 参数与油缸推力及各剪叉杆受力的相互关系，为剪叉 起升机构相关位置参数的优化提供了理论依据。 3 液压缸安装位置参数优化 在给定载荷下，起升油缸的最大推力 P ⋯决定了 剪叉起升机构的性能。P ⋯不但影响到剪叉杆的刚 度 、强度 ，同时也影 响液压系统 的选型及其他相关系 统 。由公式 5 可得出在满足给定工作载荷的 情况下，探索如何改变升降台液压缸位置参数以降低 起升油缸的最大推力是很有意义的。分析前述剪叉式 起升台，发现 P 和油缸轴线与支架梁之间的夹角 0 有较大的关系。给定载荷下，起升油缸夹角越小，则 所需推力越大。 由于文中讨论的某型5 m起升升降台，当升降台 处于最低位置时，油缸上、下安装支座附近空间比布 置双起升油缸时稍大 ，因此，上述相关参数可在 一 定范围内调整而不至于产生干涉。根据剪叉起升机 Fl F2 F F3 F4 F5 0 G G e Pc o s 0 Ps i n 0 P a s i n O t 0 0 0 O 4 构力学模型式 4 ，作者编制的 M A T L A B运算程序 如下 。 f m i n c o n函数求解有约束最优化问题一般形式为 m i n f X S ． t ． AX ≤b Ae q X b e q 1 ≤X≤ U c X≤0 c e q X 0 f m i n c o n函数输入参数语法 X f m i n c o n f u n ， x 0 ， A， b ， A e q ， b e q ， l b ， u b ， n o n l c o n 3 ． 1 确定 设计 变量 作者将对决定液压缸安装位置的参数 a 、b 、c 进 行优化 ，故独立设计变量为a 、b 、c ，即 X[ 。 ， 2 ， ] [ 口 ， b ， c ] 3 ． 2 确定线性约束条件 设计要求 0≤0 ≤9 0 。 ，5 0 m i l l ≤口≤4 5 0 m m， 一 2 0 0 mm≤b 5 0 0 m m， 一1 0 0 m m≤c ≤1 0 0 mm。因 此E x l ， 2 ， 3 ] 的选择有限制，5 0 ≤ l 4 5 0 ，一 2 0 0 ≤ 2≤3 0 0， 一1 0 0 ≤ 3 ≤1 0 0 ， 3 ≤ Z 1 s i n o t m i n 且 0 0 0 0 0 0 0 第 2 0期 郑玉巧 等剪叉式升降台液压缸位置参数优化设计 4 1 2 ≤ 2 一 1 e O S O ／ 。 3 ． 3确定 目标 函数与非线性约束函数 为分析 液压缸推力 P随角度 变 化的变化 情况 ， 将式 5 对 O L 求导 d P 2 G Z IS I, 1 s i n O d 一[ ／ s i n 0 一 O ／ a s i n 0 O ／ ] 由于 0 ≤Z ≤0 ，0 ≤0 ≤9 0 。 ，d P ／ d o ≥0 ， 为 O ／ ra i n 时 P值最大。故活塞最大推力为 P 2 Gl e o s I n 一[ ／ s i n 0 一O ／ i a s i n 0 _n ] 6 因此 7 将式 1 -- 3 代入式 7 并用[ ， ， ] 代 替[ o ， b ， c ] 可得到 目标函数如公式 8 ， P 2 G ／ c o s a lIli √[ z 一 1 e O S O ／肌 一 X 2 ] [ z 1 s in o t吼 一 3 ] 2 ／ x l s i n 2 a 血 一 3 Z 1 e o s o ／ Ill i 2 Z 一 1 s i n o t r I1i 8 由液压缸最小安装距离为 4 5 0 m m可得到非线性 约束函数 ] ，见公式 9 。 c X 4 5 0一 ／ [ z 一 1 e o o z m i 一 2 ] [ z 1 s i n m i 一 3 ] ≤ 0 9 3 ． 4优 化 结果 由以上公式可得剪叉式升降 台液压缸位置参数优 化结 果见表 1 。 表 1 液压缸位置参数优化结果 输出变量 a ／ m m 2 b ／ m m X 3 ／ m m F l 目标函数P ⋯值 ／ N 4结束语 作者针对剪叉式液压升降台在工作过程中出现 的问题 ，建立了剪叉起升机构力学模型，分析 了液 压缸所需 的 推力 与 液压 缸 的安装 位 置 之 间 的关 系 ， 利用 MA T L A B进行优化计算 ，对影响起升液压缸最 大推力的参数进行了优化，优化结果是活塞最大推 力减小 3 7 ％ ，提高了剪叉式升降台机构设计的效率 和质量 。 参考文献 【 1 】 邓宏光． 剪叉式升降台建模及关键参数研究[ J ] ． 机 电 工程技术， 2 0 0 5 ， 3 4 7 2 02 2 ． 【 2 】陆敏恂， 万莉． 流体力学与液压传动[ M] ． 上海 同济大 学出版社， 2 0 0 6 ． 【 3 】 宋耀军 ， 刘榛． 液压缸驱动的剪刀撑机构运动及动力学 分析[ J ] ． 起重运输机械， 2 0 0 4 2 4 1 4 3 ． 【 4 】 张志涌． 精通 M A T L A B 6 ． 5 版[ M] ． 北京 北京航空航天 大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 5 】李鄂民． 液压缸驱动剪叉机构的运动学及动力学分析 [ J ] ． 甘肃工业大学学报 ， 1 9 9 4 4 3 43 5 ． 上接第 9页 3 在 M A T L A B命令窗口调用优化程序 x O[ 3 0 ， 3 ， 6 ， 3 ] ； l b[ 2 0 ， 2 ， 4 ， 2 ] ； u b[ 6 0 ， 1 5 ， 1 8 ， 7 ] ； o p t i o n s o p t i m s e t d i s p l a y ， i t e r ， L a r g e S c a l e ， 0 f f ； [ X ， f v a l ， e x i t fl a g ， o u t p u t ]f m i n c o n m y f u n ， x 0 ， [ ] ， [ ] ， [ ] ， [ ] ， l b ， u b ， m y c o n ， o p t i o n s 4 应用 M A T L A B优化工具箱 中的 S Q P法求解 ， 优化设 计结果 为 1 ， 2 ， 3 ， 4 3 8 ． 6 8 2 4 ， 9 ． 8 4 7 7 ， 1 4 ． 9 2 0 7 ， 6 ． 9 9 9 7 ， 即 d 0 1 3 8 ． 6 8 2 4 ， d b 2 9 ． 8 4 7 7 ， P 1 4． 9 2 0 7， 46 ． 9 9 9 7。 与原滚 珠 丝杠 副 的主要 设计 参数 d o 5 0 ， d 7 ． 1 4 4 ， P 1 6 ， 6 ． 4 2 ， V 2 ． 9 8 0 8 X 1 0 。 In to 相 比， 公 称直径、 导程都有减少， 体积和减少了 1 9 ． 8 ％。从对比 数据可以看出， 优化设计的效益显著， 使结构更紧凑。 4结束语 建立 了滚珠丝杠副多设计变量的优化设计数学 模型 ， 在约束条件 中考虑 了静载荷和接触疲劳寿命 ， 利用 M A T L A B的 S Q p法进行辅助优化计算与设计 ， 快速分析并计算 出优化结果 。算例表明 合理采用 M A T L A B工具箱求解该优化问题 ， 不仅优化算法可 靠 ， 而且程序编写简单， 与常规设计相 比， 优势 十分 明显 ， 设计效 率高 。 参考文献 【 1 】邹小琦． 滚珠丝杠副的可靠性设计[ J ] ． 南京航空航天 大学学报 ， 1 9 9 8 3 3 2 63 3 0 ． 【 2 】 刘波． 滚珠丝杠副额定动载荷值的影响因素研究及其计 算实现[ D] ． 杭州 浙江大学， 2 0 0 6 ． 3 1 41 6 ． 【 3 】程光仁 ， 施祖康， 张超鹏． 滚珠螺旋传动设计基础[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 7 ． 8 ． 【 4 】席平原． 应用 N A T L A B工具箱实现机械优化设计 [ J ] ． 机械设计与研究 ， 2 0 0 3 3 4 0 4 2 ． 【 5 】赵先琼， 杨 晓红． M A T L A B在机械优化设计中的应用 [ J ] ． 岳阳师范学院学报 自然科学版 ， 2 0 0 0 ， 1 3 1 6 8 7 0． 【 6 】 刘鹤松， 姜晶． 基于 M A T L A B 算法的机械优化设计[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 4 1 1 1 1一l 2 ．