赵永超

（晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西 大同 037003）

引言

液压升降装置属于高空作业设备，在矿井开采、码头、港口、建筑等行业中被广泛应用。我国现阶段使用的液压升降装置多以仿制的为主，缺少相应的设计标准及优化改进[1]。液压升降装置的结构多样，在不同的结构形式中，剪叉式液压升降装置以其折叠的结构，可以具有两种不同的工作状态，并且以其灵活调整的特性得到了广泛的应用。剪叉式液压升降装置的起升结构采用剪叉机构，能够保证较高的稳定性，并且承载较大，可以依据需求制作较大的作业平台，满足多人作业[2]，从而提高高空作业的工作效率。本文对剪叉式液压升降装置进行结构分析，并对主要的结构件进行静力学性能分析，为剪叉式液压升降装置的设计使用提供依据及参考。

1 剪叉式液压升降装置结构分析

剪叉式液压升降装置主体结构可以分为底座、起升结构和作业平台三部分，底座提供整体结构的支撑，可以是固定式或者自行走的结构[3]；作业平台是为工作人员提供操作环境的结构，可以承受一定的载荷，依据作业需求可以设计不同的平台形式；起升机构主要是由剪叉臂及液压缸组成，依据起升高度及负载的需求，进行剪叉臂及液压缸的结构及数量的选择，液压缸布置在升降装置的内部，可以优化整体的结构，液压缸多选用双座泳的单杆活塞式液压缸，通过液压缸的驱动实现升降作业，同时保证在升降过程中的安全性，避免造成冲击[4]。

起升机构剪叉臂依据起升高度的不同，一般可以分为单组剪叉臂、两组剪叉臂或者多组的剪叉臂，在进行液压升降装置的设计过程中，依据作业需求选取适当的剪叉臂数量，将杆组进行分解，转化为特定的杆组进行分析[5]。进行杆组的受力分析，不仅对升降装置的动力性能具有影响，同时对剪叉臂的构件尺寸及形状具有一定的影响，因此对剪叉臂的受力性能进行分析是必须的验证。

依据工作要求，设计起升高度为20 m的液压升降装置，根据分析，将其设计为两副四个液压缸驱动的八层十六组剪叉臂组成的起升机构，剪叉臂的长度为3 m，进行液压升降装置的结构设计，建立其结构模型如图1所示。

图1 液压升降装置整体结构模型

2 液压升降装置剪叉臂性能分析

2.1 液压升降装置剪叉臂有限元分析前处理

本液压升降装置共设计有八层剪叉臂结构，采用两层液压缸进行驱动，设定的额定载荷为300 kg，起升最大高度为20 m，剪叉臂的初始角度为5°，单根剪叉臂的长度为3 m，剪叉臂采用矩形管进行焊接制作。由于剪叉臂起升机构自身的重量，最下层的剪叉臂承载量最大，对底层的剪叉臂受力性能进行分析，以确定其是否满足使用需求。

采用Ansys有限元分析软件对剪叉臂进行受力分析，ANSYS是进行有限元分析的常用软件，可以进行多种模拟分析。剪叉臂的受力分析属于静力学分析的功能，将剪叉臂在承载状态下的受力看作是施加在末端的载荷作用，进行剪叉臂的静力学分析。进行有限元静力学分析的主要步骤包括建立剪叉臂的几何模型，对其施加相应的约束，确定边界条件，进行系统的网格化处理，施加相应的载荷进行计算[6]。

剪叉臂的几何结构形状复杂，在进行建模的过程中，对剪叉臂的细小结构进行一定的简化，为了简化受力分析的过程，建立单根作用的剪叉臂模型，将系统载荷施加到剪叉臂的中心孔位置处，建立剪叉臂的结构模型如图2所示，对剪叉臂的材料选定为Q235钢，并对其进行网格划分，选定自由网格的形式进行网格化处理。

图2 剪叉臂的结构模型

2.2 液压升降装置剪叉臂有限元分析结果

在进行液压升降装置剪叉臂有限元分析时，载荷的施加对于结果的正确及好坏具有重要的影响，施加载荷的类型包括位移、力作用、电磁作用等。进行施加载荷时，要考虑载荷的类型及作用位置，本分析过程中，对剪叉臂的中间连接孔处进行固定约束，并在剪叉臂两端的销孔处施加面载荷作用，由此进行剪叉臂的受力性能分析。

经过ANSYS软件的运算，可以得到剪叉臂的应力变化如图3所示。从图3可以看出，剪叉臂的最大应力位置出现在结构的中心孔位置处，这与该销孔位置的固定约束有关，将销孔处的应力变化放大处理，得到如图4所示的应力变化图。从图4中可以看出，剪叉臂受到的最大应力值为207 MPa，在销孔的两端基本呈对称分布的趋势，其值小于剪叉臂的材料Q235的许用应力，满足使用的需求，剪叉臂的受力满足承载需求。

3 结论

图3 剪叉臂的应力（Pa）变化云图

图4 中心销孔位置的应力（Pa）变化云图

剪叉式液压升降装置是广泛使用的升降装置类型，剪叉式结构可以实现作业平台的垂直运动，结构简单，具有较大的承载能力，且升降的高度可以依据需要进行调整，可以依据作业需求，设定固定或者移动式的升降装置，具有良好的使用性。本文所分析研究的剪叉式液压升降装置的剪叉臂最大应力位置出现在中间销孔的位置处，最大值小于材料的许用应力，满足剪叉臂的使用需求，可以保证剪叉臂的承载安全，保证液压升降装置的安全工作。