论文部分内容阅读
【摘 要】沥青路面热再生修补车的双速提升及自卸机构是给混合料加热滚筒给料的重要机构，其性能直接影响进料的效率。针对PM500沥青路面热再生修补车，对其双速提升及自卸机构的工作过程进行了介绍，并对双速提升及自卸机构进行了分析，利用SolidWorks对其结构进行了仿真，为双速提升及自卸机构的设计提供了支撑。
【关键词】双速提升；自卸机构；SolidWorks
双速提升及自卸机构是沥青路面热再生修补车的重要组成部分。在满载工况时，要求料斗平稳、快速提升，在空载工况时，快速下降。因而其性能的好坏对给料的速度和施工效率具有重要影响。因此，本文对PM500沥青路面热再生修补车的双速提升及自卸机构进行了分析，并利用SolidWorks对其进行了仿真。
1 双速提升及自卸机构组成及功能
沥青路面热再生修补车双速提升及自卸机构主要由料斗总成、起升液压缸、链条、滑轮、内外导轨、支撑架轴承等组成。双速提升及自卸机构组成原理如下图1所示，料斗总成如图2所示。
起升液压缸固定在支撑架上，链1一端与外导轨固连，另一端绕过液压缸上固定的轮1与内导轨固连。链2一端固定在外导轨上，另一端通过内导轨上固定的滑轮与料斗总成相连。当液压缸活塞带动轮1上行时，链1带动内导轨上移；同时，内导轨上移带动固连其上的滑轮2上移，因而滑轮带动链2提升料斗总成上移，达到提升物料的目的。当料斗的托架6与内导轨上支撑架轴承5接触时，托架由于继续上移则使托架绕着点M转动，达到倾料的目的。图2中O点为料斗的质心，L1是质心到料斗旋转轴的距离，L2是料斗旋转件到内导轨上支撑架轴承中心的距离。
图1双速提升及自卸机构
1-链1；2-轮1；3-链2；4-轮2；
5-内导轨支撑架轴承；6-托架
图2料斗总成图
2 双速提升及自卸机构中液压缸的设计
2.1 液压缸行程和速度的确定
假设料斗在提升过程中，匀速上升，令液压缸行程为S ，上升速度为，料斗总成的行程为，料斗上升速度为，内导轨的行程为，则有[1]：
（1）
（2）
由（1）、（2）式可得：
（3）
（4）
2.2 液压缸活塞面积的确定
料斗上升过程中，设料斗总成重量为M，内导轨重量为M1，则有：
（5）
（6）
式中为轮1竖直方向所受的力，轮2竖直方向所受的力。
因而液压缸活塞杆所受的力为：
（7）
料斗倾斜卸料时，如图2所示，设接触点N处内导轨支撑件所受的力为，则有：
（8）
（9）
轮1竖直方向所受的力为：
（10）
由式（8）、（9）、（10）可得：
（11）
比较式（7）和式（11）可知，在料斗卸料时，液压缸活塞杆受力大，在确定活塞直径时按卸料工况受力计算。对液压缸受力分析如下图3所示。其中X表示活塞位移；P1和P2分别为左、右两腔的压力；Q1为液压缸的进油量；Q2为有杆腔出油流量；A1为无杆腔活塞的有效面积；A2为有杆腔活塞的有效面积；m是活塞、活塞杆和弹簧折合到活塞上的质量。
图3液压缸示意图
假设活塞及负载的粘性阻尼忽略，且活塞匀速上升，对活塞进行受力分析有：
（12）
所以活塞面积为：
（13）
上式中K为弹簧刚度。
2.3 液压缸弹簧刚度的影响分析
液压缸活塞上升提升料斗卸料的过程中，由于料斗的质量发生变化，会引起液压缸中油压的波动，这对液压缸的工作寿命有很大的影响。从式（12）可知，要使压力不变，即、为定值，而、也为定值，当负载的波动使发生变化时，合理选择K值，则可使式（12）恒成立。即满足如下条件：
（14）
上式中C为定值，将式（11）待入上式整理得：
（15）
在卸料过程中，参数、、和都是变化的，由于料斗中料的减少，对料斗质心在竖直方向的影响很小，忽略其影响，双速提升及自卸机构的运动关系有：
（16）
（17）
（18）
式中为料斗未倾斜时M到N的水平距离，为料斗未倾斜时，质心到M的距离，为料斗旋转角度，R为托架圆角半径。将式（16）、（17）、（18）待入（15）得：
（19）
当料斗旋转角度大于90°时，下料速度最快，负载变化最剧烈，液压缸压力波动也最大，在此工况下，合理选择弹簧刚度K，能有效避免压力波动剧烈。并且实践发现此时料斗中的料约为满载时的三分之二，设满载初始质量为，所以当旋转角度为90°时有：
（20）
3 料斗托架有限元分析
料斗托架在频繁的提升中，不断冲击反链杆，容易发生疲劳破坏并且结构发生变形，从而影响卸料。为保证托架结构设计的合理性，因而采用SolidWorks中的simulation对其进行有限元分析[2] [3]。根据实测料斗总成总重为500Kg，小车上升速度为0.17m/s，而料斗托架与反链杆冲击接触时间约为0.2s，根据冲量定理可得作用在托架上的作用力约为417N，有限元仿真后，料斗托架应力与变形云图分别如下图4、图5所示。
图4托架应力云图
图5托架变形云图
从图4可知，托架最大应力约为，而屈服力为，因而托架最大应力远远小于屈服力，托架设计是合理安全的。从图5中可知，托架最大变形约为0.02mm，不会影响托架绕反链杆运动的轨迹，从而影响料斗倾料的速度。
4 结语
通过对PM500沥青路面热再生修补车的双速提升及自卸机构的分析可知，合理设计双速提升机构中液压缸的弹簧刚度能有效防止在倾料过程中引起的负载波动对液压缸密封元器件的有害影响。同时，通过对双速提升机构中托架的有限元分析可得，使用中托架变形很小，几乎可以忽略，因而，不会影响料斗的运动轨迹，由此可见，此结构合理。
参考文献：
[1]冯锡亮，王玉庭.FD150系列叉车双速起升液压系统的工作原理[J].起重运输机械，2001（2）.
[2]孙旭，陈无畏.自卸举升机构的仿真设计[J].机械工程师，2007（8）.
[3]江洪，陈燎，王智等.SolidWorks有限元分析实例解析[M]. 北京：机械工业出版社，2007.1.
【关键词】双速提升；自卸机构；SolidWorks
双速提升及自卸机构是沥青路面热再生修补车的重要组成部分。在满载工况时，要求料斗平稳、快速提升，在空载工况时，快速下降。因而其性能的好坏对给料的速度和施工效率具有重要影响。因此，本文对PM500沥青路面热再生修补车的双速提升及自卸机构进行了分析，并利用SolidWorks对其进行了仿真。
1 双速提升及自卸机构组成及功能
沥青路面热再生修补车双速提升及自卸机构主要由料斗总成、起升液压缸、链条、滑轮、内外导轨、支撑架轴承等组成。双速提升及自卸机构组成原理如下图1所示，料斗总成如图2所示。
起升液压缸固定在支撑架上，链1一端与外导轨固连，另一端绕过液压缸上固定的轮1与内导轨固连。链2一端固定在外导轨上，另一端通过内导轨上固定的滑轮与料斗总成相连。当液压缸活塞带动轮1上行时，链1带动内导轨上移；同时，内导轨上移带动固连其上的滑轮2上移，因而滑轮带动链2提升料斗总成上移，达到提升物料的目的。当料斗的托架6与内导轨上支撑架轴承5接触时，托架由于继续上移则使托架绕着点M转动，达到倾料的目的。图2中O点为料斗的质心，L1是质心到料斗旋转轴的距离，L2是料斗旋转件到内导轨上支撑架轴承中心的距离。
图1双速提升及自卸机构
1-链1；2-轮1；3-链2；4-轮2；
5-内导轨支撑架轴承；6-托架
图2料斗总成图
2 双速提升及自卸机构中液压缸的设计
2.1 液压缸行程和速度的确定
假设料斗在提升过程中，匀速上升，令液压缸行程为S ，上升速度为，料斗总成的行程为，料斗上升速度为，内导轨的行程为，则有[1]：
（1）
（2）
由（1）、（2）式可得：
（3）
（4）
2.2 液压缸活塞面积的确定
料斗上升过程中，设料斗总成重量为M，内导轨重量为M1，则有：
（5）
（6）
式中为轮1竖直方向所受的力，轮2竖直方向所受的力。
因而液压缸活塞杆所受的力为：
（7）
料斗倾斜卸料时，如图2所示，设接触点N处内导轨支撑件所受的力为，则有：
（8）
（9）
轮1竖直方向所受的力为：
（10）
由式（8）、（9）、（10）可得：
（11）
比较式（7）和式（11）可知，在料斗卸料时，液压缸活塞杆受力大，在确定活塞直径时按卸料工况受力计算。对液压缸受力分析如下图3所示。其中X表示活塞位移；P1和P2分别为左、右两腔的压力；Q1为液压缸的进油量；Q2为有杆腔出油流量；A1为无杆腔活塞的有效面积；A2为有杆腔活塞的有效面积；m是活塞、活塞杆和弹簧折合到活塞上的质量。
图3液压缸示意图
假设活塞及负载的粘性阻尼忽略，且活塞匀速上升，对活塞进行受力分析有：
（12）
所以活塞面积为：
（13）
上式中K为弹簧刚度。
2.3 液压缸弹簧刚度的影响分析
液压缸活塞上升提升料斗卸料的过程中，由于料斗的质量发生变化，会引起液压缸中油压的波动，这对液压缸的工作寿命有很大的影响。从式（12）可知，要使压力不变，即、为定值，而、也为定值，当负载的波动使发生变化时，合理选择K值，则可使式（12）恒成立。即满足如下条件：
（14）
上式中C为定值，将式（11）待入上式整理得：
（15）
在卸料过程中，参数、、和都是变化的，由于料斗中料的减少，对料斗质心在竖直方向的影响很小，忽略其影响，双速提升及自卸机构的运动关系有：
（16）
（17）
（18）
式中为料斗未倾斜时M到N的水平距离，为料斗未倾斜时，质心到M的距离，为料斗旋转角度，R为托架圆角半径。将式（16）、（17）、（18）待入（15）得：
（19）
当料斗旋转角度大于90°时，下料速度最快，负载变化最剧烈，液压缸压力波动也最大，在此工况下，合理选择弹簧刚度K，能有效避免压力波动剧烈。并且实践发现此时料斗中的料约为满载时的三分之二，设满载初始质量为，所以当旋转角度为90°时有：
（20）
3 料斗托架有限元分析
料斗托架在频繁的提升中，不断冲击反链杆，容易发生疲劳破坏并且结构发生变形，从而影响卸料。为保证托架结构设计的合理性，因而采用SolidWorks中的simulation对其进行有限元分析[2] [3]。根据实测料斗总成总重为500Kg，小车上升速度为0.17m/s，而料斗托架与反链杆冲击接触时间约为0.2s，根据冲量定理可得作用在托架上的作用力约为417N，有限元仿真后，料斗托架应力与变形云图分别如下图4、图5所示。
图4托架应力云图
图5托架变形云图
从图4可知，托架最大应力约为，而屈服力为，因而托架最大应力远远小于屈服力，托架设计是合理安全的。从图5中可知，托架最大变形约为0.02mm，不会影响托架绕反链杆运动的轨迹，从而影响料斗倾料的速度。
4 结语
通过对PM500沥青路面热再生修补车的双速提升及自卸机构的分析可知，合理设计双速提升机构中液压缸的弹簧刚度能有效防止在倾料过程中引起的负载波动对液压缸密封元器件的有害影响。同时，通过对双速提升机构中托架的有限元分析可得，使用中托架变形很小，几乎可以忽略，因而，不会影响料斗的运动轨迹，由此可见，此结构合理。
参考文献：
[1]冯锡亮，王玉庭.FD150系列叉车双速起升液压系统的工作原理[J].起重运输机械，2001（2）.
[2]孙旭，陈无畏.自卸举升机构的仿真设计[J].机械工程师，2007（8）.
[3]江洪，陈燎，王智等.SolidWorks有限元分析实例解析[M]. 北京：机械工业出版社，2007.1.