郑志红，陈智勇，黄晓婧，刘建寿，李彬，李妙玲，姚永玉，张广广

（1.洛阳理工学院 机器人学院，河南 洛阳 471023；2 洛阳理工学院 机械工程学院，河南 洛阳 471023； 3.中国航空工业集团公司 洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471009）

1 设计背景

近年来，随着经济快速发展、科学技术的加速进步，住宅用土地供应日益紧张，城市中高层建筑的数量以一种空前的速度增长。伴随该现象而产生的问题随着而来，特别是发生规模较大的火灾时，如果因为断电导致电梯井无法正常运行，较高层数的住户无法及时逃离火灾现场，火灾势必会对住户造成非常严重的人身安全和财物损失，同时因高层建筑区建筑密集、住户较多，道路比较窄、地面车辆停放多等实际情况，导致火灾后的及时救援工作面临很大的困难。

针对上述问题，结合电动车逐步普及的现状，根据国内现有的技术水平，设计一款剪叉式液压升降平台，从而实现高层建筑区内的快速抢险救援。优选了液压升降平台结构材质，确立了支撑底座、液压支撑臂布局，设计了剪叉结构传动装置，得到了一种质量轻、体积小、可折叠的升降装置，可搭载在小型电动车上移动和升降，经过ANSYS 受力分析计算，验证升降装置能够满足设计指标要求。

2 升降装置结构方式的确定

升降机构既要满足升降台快速平稳升降，又要保证工作时的稳定性和移动时的灵活性，还需要具备结构紧凑、体积小、操作简单、承载量大、有着较强的驱动通过性、以及其上升及下降易操纵的特点，这就对结构形式选择、材料选用、具体结构布局以及承受力等方面提出较高的要求。

2.1 升降装置结构的基本要求

本设计的主要目的是设计一款能在居民密集度高的高层住宅区进行人员营救，这就要求上装升降装置体积小、操作简单灵活。

然后在救生过程中要上下、左右移动，升降装置必须保证其升降移动和水平移动的稳定性和速度性。

最后救援时被救生人员位于顶部的救援平台，升降装置的支撑部位在重力作用下，如果刚度、强度过低，升降装置的支撑部位将发生大变形，甚至倾斜损坏，将给救援带来新的危险，因此升降装置的支撑结构应具有足够的刚度和强度。

2.2 升降结构型式的选择

对比分析众多升降机构的设计方案，综合考虑尺寸要求、所配合装载的车辆使用要求，剪叉式升降机构相比其他柱塞式、丝杠式、齿轮齿条式升降机构，有着体积小、操作简单、稳定性好、结构紧凑、承载量大、驱动通过性强、以及上升下降易操纵的特点，所以本方案选择剪叉式升降机构。剪叉式升降机构升降的实现是其将液压缸活塞杆的往复运动转换成了横臂的移动，横臂的移动又进一步转成了叉臂的升降运动，从而实现整个升降平台的举升与降落。

同时考虑到该机构的自重以及为了满足救援目的，平台设计时应考虑负载时整体结构的受力情况，若要实现其上升和下降过程，需要有较大的推力和拉力来驱动，而在众多驱动方式中，可选的电动和气动受使用场地和动力的局限，综合考虑选择液压驱动。

2.3 材料的选择

升降装置结构性能的优劣在很大程度上取决于材料的性能，为此，首先应结合剪叉型结构形式合理选择材料，进而达到机构的最优性能。考虑升降装置的特殊功能需求和可供性、价格等因素影响，对比分析多种材料，如Q235、Q345、铝合金、Mg-Al 合金、钛合金等，综合考虑选定液压升降平台主要采用Q345 和Mg-Al 合金两种材料，其材料属性见表1。

表1 材料属性

3 升降平台设计

3.1 臂架计算

一层升降平台的臂架由四根支撑臂和三根横梁组成。

根据任务要求，初定支撑臂长度L0为1 米，令其升起到极限位置时同侧两支撑臂之间较小的夹角的角度α 为60 度，则完全升起时每层高度H1为：

在不考虑底座和顶部救援平台两部分高度的情况下，若要满足总高（H）为15m 的设计要求，一共需要的层数（n）为：

考虑升降平台装载在车厢上，以及底座和顶部救援平台的高度，圆整n，取n 为17。

17 层臂架折叠后高度不能超过600mm（即为0.6m），则每层臂架的高度（H2）应为：

由于剪叉机构呈对称布置，则每根支撑臂的高度（H3）应小于等于0.017m，为了给剪叉机构的底座和上部平台在高度上留充足安装余量，取H3为0.015m。

臂架材料选取时考虑控制重量，选用Mg-Al 合金，且为中空设计，横梁横截面为圆环，D 为外径，d 为内径。弯曲正应力的强度条件为：

最大弯矩：

圆环抗弯截面系数：

因所设计的横梁与支撑臂接触位置较为复杂，则暂定其厚度为30mm，初步将支撑臂轮廓尺寸定为长×宽×高=1000mm×30mm×80mm，该尺寸会根据ANSYS 结果进行优化。

3.2 顶部救援平台设计

由于尺寸限制，同时考虑到在极限位置时，如果剪叉机构与救援平台相连的固定端横梁距离太过靠近边缘，相对来说容易造成平台变形甚至倾倒，为了使平台稳定，在设计时改变固定端与较近一侧边缘的位置，令臂架整体较为靠近中间位置。设计平台底部轮廓尺寸为长×宽×高=1500mm×800mm×200mm。

为了保证救援安全、方便，安装升降平台防护装置必不可少，初步设计在救援平台四周安装防护栏，并在救援平台一侧设计一梯子，救援平台三维模型如图1 所示，其中护栏结构形式可多样化设计，并不局限于图中显示结构形式。

图1 救援平台三维模型

3.3 底座设计

由于整个剪叉机构和救援平台均依靠底座来约束限制自由度，则底座的设计一定要满足以下条件：可以为整个系统提供稳定支撑，与车身相连保证稳定，对剪叉机构的行程进行限制，装布置液压驱动机构以及操纵机构等。

设计其轮廓尺寸长×宽×高=1200mm×1000mm×150mm。为了方便装配，底座一端有可拆卸挡板，通过螺钉与底座相连，螺钉有定位及紧固作用，底座三维模型如图2所示。

图2 底座三维模型

3.4 滑块设计

剪叉机构的举升与降落是通过安装在最底层臂架横梁与底座横梁之间的液压泵来提供推力或拉力而实现的。在剪叉机构的运动过程中，底座横梁与滑槽之间的摩擦形式是滑动摩擦，其接触面为横梁弧面与滑槽接触的部分，由于弧面与滑槽接触面积太小，易引起横梁结构弯曲变形。为了减少弯曲变形，可从改善结构形式和载荷作用方式或选择合理的截面形状等方面入手。

综合考虑，由于结构形式和载荷作用方式不易改变，首选改变其接触面来减小底座横梁与底座支撑臂之间的弯矩，在一定程度上改善弯矩值以达到减小弯曲变形的目的。滑块不仅可以增大支撑横梁与滑道之间的接触面积从而减少压强，起到承载作用，还可以利用滑块对横臂的滑动进行限位。

3.5 固定液压缸的底座支撑臂及底层臂架横臂设计

该设计主要是为了保证液压缸的安装及定位正确，尾部双耳环安装适合于活塞杆端工作过程中沿同一运动平面呈曲线运动路径的工况，它可以在同一运动平面任意角度使用，这种安装方式契合使用要求，设计中液压按照尾部双耳环安装，与液压缸相连的支撑臂设计如图3 所示。

图3 底座液压支撑臂三维模型

3.6 升降装置应用效果图

将所设计的升降装置安装到三轮车微型逃生电动车上装部分，其折叠状态、升起作业状态造型设计效果分别如图4、图5 所示。

图4 升降装置收缩状态效果图

图5 升降装置升起作业状态效果图

4 基于ANSYS 的有限元仿真分析

经上述的结构方案设计后，最终确定了微型逃生电动车用升降装置的结构形式，并对升降装置结构进行有限元仿真分析，本文利用有限元软件ANSYS WORKBENCH 进行仿真分析。通过模型导入、添加材料、生成实体模型、建立坐标系、网格划分、施加约束和载荷，对升降装置的刚度、强度进行校核分析。

4.1 液压支撑横臂刚度、强度分析

图6 液压支撑臂等效应力云图

液压支撑横臂在工作状态下的受力云图如图6 所示，液压支撑臂变形最大处约为0.97mm，最大von Mises 等效应力约为195.51MPa，取安全系数1.5，对比表1 中Q345 材料属性，该液压支撑横臂满足刚度、强度要求。

4.2 救援平台刚度、强度分析

图7 救援平台等效应力云图

救援平台在工作状态下的受力云图如图7 所示，救援平台变形最大处约为5.19mm，最大von Mises 等效应力约为12.58MPa，取安全系数1.5，对比表1 中Mg-Al 合金材料属性，该救援平台满足刚度、强度要求。

4.3 升降结构刚度、强度分析

图8 升降结构等效应力云图

升降结构在工作状态下的受力云图如图8 所示，升降结构变形最大处约为17.0mm，最大von Mises 等效应力约为69.72MPa，取安全系数1.5，对比表1 中Mg-Al 合金材料属性，该升降结构满足刚度、强度要求。

4.4 底座刚度、强度分析

底座在工作状态下的受力云图如图9 所示，底座变形最 大处约为0.0005mm，最大von Mises 等效应力约为1.09MPa，取安全系数1.5，对比表1 中Mg-Al 合金材料属性，底座满足刚度、强度要求。

5 结论

本文在结构设计的基础上，利用有限元模拟技术、结构优化设计理论设计了微型逃生电动车用升降装置。有限元仿真计算结果表明，该微型逃生电动车用升降装置在刚度、强度及模态分析均满足要求。该升降装置质量轻，体积小，可折叠，操控灵活，可搭载在小型电动车上移动和升降，为高层建筑区内抢险救援工作带来很大便利。另外，本文所采用的微型逃生电动车用升降装置设计方法也可为其他逃生装置、升降装置结构设计提供参考和借鉴。