剪叉式物流液壓升降臺的設(shè)計含6張CAD圖.zip,剪叉式,物流,液壓,升降臺,設(shè)計,CAD 復合材料制升降平臺的新設(shè)計理念 L. Solazzi & R. Scalmana 摘要 作為一種起重設(shè)備，升降工作平臺越來越多的應(yīng)用于建筑行業(yè)和維修領(lǐng)域。例如，風力渦輪機樞紐的維護就需要通過使用工作平臺來完成；但是因為高速公路標準的限制還有這些結(jié)構(gòu)自身的高度要求很高，例如最大軸載和最大總尺寸，所以為了滿足這些要求，需要把結(jié)構(gòu)的材料從經(jīng)典結(jié)構(gòu)鋼（S235 JR，S275 JR或S355JR）改為高強度鋼（S700至S1100或更高），這樣就可以獲得更高的比電阻。 本文的想法是使用復合材料來制作升降平臺的臂，以減少機器的整體重量。同時通過對新型平臺的分析表明，用復合材料作為臂部材料大約會降低機器部件50%的重量。當然作為可行性研究，可能仍然會存在一些問題，例如所用復合材料的機械性能（疲勞，環(huán)境影響等）。 關(guān)鍵詞 復合結(jié)構(gòu)設(shè)計；碳纖維；起重平臺 1 引言 由于使用了高強度鋼材，近年來巨大的高層平臺優(yōu)化了機械特性，減輕了重量，發(fā)展的很快（圖1）；事實上，為了能夠在公路上運輸，這種特性在可移動結(jié)構(gòu)中是很重要的。 圖1在風力渦輪機上工作的鋼平臺 然而，這些結(jié)構(gòu)的高度還在不斷增加，使運輸?shù)目赡苄赃_到了極限。 因此這項工作的目的是設(shè)計一個由高強度鋼和復合材料共同制成臂的工作平臺，并將其與僅由高強度鋼制成的平臺進行比較。該平臺的設(shè)計工作高度為85米;在意大利市場上，它代表了非常高的尺寸。現(xiàn)在不同部件的原型，比如手臂，汽缸，接頭，主要是由高強度鋼合金制成。而且現(xiàn)在越來越多的工作機械也是由這些合金制作而成，如[處理材料[1,2]和卡車部件[3-5]的設(shè)備 ]，但由于重量大以及平臺結(jié)構(gòu)的運輸不便而表現(xiàn)出了很大的問題;但實際上臂的一小部分（伸縮臂的最后部分）可以由塑料材料制成，特別是在用于維護電線的平臺中，這樣還可以方便在籃中的操作者和其余部分之間引入導電絕緣體來保護操作者。 當然這項工作的最終目標是在遵守道路標準的情況下，大大減輕系統(tǒng)的重量，從而減少搬運車運輸?shù)闹亓坎⒃黾酉到y(tǒng)的負載能力。通過水泥攪拌車，我們第一次造出了由復合材料制成的車臂;另外最近一家公司還開發(fā)了一種混凝土泵，由5個部分組成，其中最后兩部分由碳纖維制成。 但是，該機器的設(shè)計規(guī)格在工作區(qū)域和負載范圍上還是有很大的不同，例如，升降平臺中的位移沒有受到限制。 從初步的幾何設(shè)計規(guī)范開始，本文討論了所有與實現(xiàn)復合結(jié)構(gòu)有關(guān)的主要問題[6,7]：如所需尺寸的定義，臂移動的概念和隨后的設(shè)備，尺寸臂部分的分析，動力學分析和有限元方法的失效驗證。 2 材料和方法 2.1 設(shè)計規(guī)格 由于該平臺必須與卡車連接，并且必須達到約85米的最大高度; 所以在手臂的末端有一個叫做JIB的設(shè)備，用于指揮平臺的精細運動; 平臺的工作范圍如圖2所示。 此外具有這些商業(yè)可用性特征的平臺基本上都由7個伸縮臂組成，其端部都連接了JIB結(jié)構(gòu)。 2.2 負載條件 通過水泥混合器，我們第一次用碳纖維替代鋼材制作了重型車輛的工作臂，其中碳纖維用于替代傳統(tǒng)的鋼架； 但是此應(yīng)用與升降平臺在負載條件和允許的行為方面存在明顯差異；主要區(qū)別是： & 對于水泥攪拌機臂來說，最大允許位移是升降平臺的一個重要參數(shù)，它具有具體的規(guī)定；另外一方面水泥攪拌機的機械臂與應(yīng)力相關(guān)聯(lián)地安全系數(shù)就不那么重要了，因為這在制造時就必須做到； & 水泥攪拌機臂一旦延長，在延伸期間受到來自水泥通過連接管而產(chǎn)生的連續(xù) 負荷是不存在的，因為平臺此時具有相同的工作重量，可以改變因運動而產(chǎn)生的壓力; & 混凝土攪拌機的管道和臂結(jié)構(gòu)是一起工作來增加設(shè)備的機械阻力，但在升降平臺中，所有的負載都由臂來支撐。 平臺所需考慮的負載包括結(jié)構(gòu)的重量和支撐的操作員的重量以及風壓（與平臺高度有關(guān)）。另外為了評估由運動引起的動力學行為，可以使用一個特定的程序（MECAD?）來計算籃子的死值和載荷值，結(jié)果約為1.5。 圖2平臺的總運行范圍 這種類型的機器的載荷頻譜[8,9]基本上都來自臂的運動步驟，而在操作員使用停止的臂進行工作時，盡管由于操作員的移動引起了小的隨機變化，但負載卻可以被認為是恒定的。 2.3 新平臺的主要特點 該新平臺是使用復合材料（碳纖維和環(huán)氧樹脂基體）和鋼（主要用于臂接頭裝置）構(gòu)成的，以此來減輕重量；其中每個臂的長度約為12米;此外起重機的支撐結(jié)構(gòu)分為兩個功能組：第一組前四個伸縮臂由高強度鋼構(gòu)成，第二組由四個可閉合臂組成; 這個選擇是基于以下幾個考慮因素： & 碳纖維的成本與鋼相比要高得多，但是大部分用放大特性材料做成的部件必須使用碳纖維，因為要考慮重量，當然結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力不僅取決于重量，還取決于杠桿臂，當你靠近籃筐時，杠桿臂要高得多。 & 碳纖維和其他復合材料一樣，在使用滑塊時伸縮臂上的滑動阻力低，但與使用輥的鋼合金相比，接觸疲勞抗力也低，而這可能會導致手臂結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一些問題，例如單層的脫落。 & 該機器的纖維是長纖維，這使得復合材料能夠減少主載荷方向上的阻力; 另外因為工作需要使用特定模具來實現(xiàn)手臂的驅(qū)動，而短纖維具有較低的耐疲勞性 并且更難以與鋼部件接合，所以需要使用長纖維代替短纖維。 2.4 材料的性質(zhì) 可閉合臂材選擇的使用材料是具有環(huán)氧基體的低模量碳纖維，這是作為材料性能和相關(guān)成本之間的最佳折衷方案; 他們的特征如表1所示。 此外每層纖維的百分比為60％; 而使用這些數(shù)據(jù)就可以計算出薄層的機械特性[7]，如表2所示。 最后選擇方向1還是方向2取決于纖維的取向，并且在圖3的報告方案之后重新定義。 表1 組成使用薄片的材料的機械特性 材料 密度ρ[kg / m3] 楊氏模量E [MPa] 剪切模量G [MPa] 泊松比 環(huán)氧樹脂 1200 4500 1600 0.4 碳纖維 1750 230000 50000 0.3 表2整個薄層的機械特性 密度 ρ[kg / m3] 彈性模量E1 （║到纖維方向) [兆帕] 彈性模量E2（┴到纖維方向)[兆帕] 剪斷系數(shù) G12 [MPa] 重大的泊松比率ν12 次要泊松比率v21 1530 139800 10929 3817 0.34 0.026 2.5 臂的尺寸 手臂的大小取決于幾個因素，其中一些是： & 壓力的數(shù)值; & 屈曲現(xiàn)象; & 疊層中單層的堆疊順序; 每個復合臂都需要一個專屬的模具來建造，同時這個模具還可以制作具有可變截面的工作臂，其大小從頂部到底部增加，同時彎曲應(yīng)力也增大到最大值。 通過制定一個具體的方案來計算手臂的應(yīng)力，以便確定負荷圖上不同位置工作臂之間的動作;計算出最大反作用力（軸向力和彎矩）后，再考慮工作臂截面的定義以及使用有限元軟件的應(yīng)力ABAQUS。 構(gòu)成疊層的層的堆疊順序必須符合以下規(guī)則： & 必須根據(jù)主載荷方向選擇單層的方位角; & 每個薄片取向（0°，45°-45°，90°）應(yīng)在層壓板中占據(jù)至少10％的百分比; & 提供對稱分布的層以避免剪切延伸和延伸彎曲耦合，因為這會在疊層中引起危險的彎曲; & 通過考慮它們在疊層內(nèi)部成分中的搭配來保護主層 & 保證厚度逐漸變化 圖3定義纖維的取向 圖4從平臺F的集中力和分布載荷P（尺寸單位mm）開始，計算第一臂結(jié)構(gòu)中的反作用力的模式 通過報告第一手臂所遵循的程序來解釋計算手臂應(yīng)力的方法。 組成起重臂的第一臂在一端與籃筐連接，另一端與第二臂連接; 另外通過控制液壓缸來操作駕駛臂;此外按照圖4的方案進行反作用力的計算。 該結(jié)構(gòu)的所有運動系統(tǒng)（圖5）都使用由布雷西亞大學機械工業(yè)工程系開發(fā)的MECAD?軟件來進行圖解化，該軟件可以計算每個臂和裝置中的反作用力，以及在臂打開過程中每個部分的位移，速度和加速度。MECAD? 圖5使用軟件計算復合結(jié)構(gòu)中反作用力的模式 應(yīng)力的計算遵循經(jīng)典的二維層復合理論[10]; 所考慮的堆疊順序是（902,45，-45,04）。 在葉片上引入第一個兩軸的參考系統(tǒng)但忽略垂直于葉片平面的變形的ε3可以用下列公式來計算變形： 從彈性層的彈性常數(shù)開始計算Sij分量形式的柔度矩陣S： 為了計算開始變形時的應(yīng)力，需要使用剛度矩陣Q，即柔度矩陣的倒數(shù)： 這些公式可用于與主軸方向?qū)R的纖維增強層，如果有相對的角度，則需要使用旋轉(zhuǎn)矩陣t： 圖6用于計算層壓板剛度特性的模式 圖7特定負載條件下臂的位移值（單位：mm） 其中c2=cos2θ，s2=sen2θ，而且： 而且用于計算通用薄層應(yīng)力的表達式也變?yōu)椋? 如果是由一定數(shù)量的板組成的疊層板，就有可能計算出力和力矩： e01和kij分別表示層壓板在主要方向上的變形,彎曲和緊湊形式： 圖8第一臂的靜態(tài)安全系數(shù)值 圖9 層壓板區(qū)域中的每一層的應(yīng)力趨勢 ABBD矩陣的組件可以通過以下方式進行計算： 如圖6所示，其具有該層的Zi位置 因為層疊體是平衡和對稱的，所以組件A16和A26的B矩陣的分量等于0。 現(xiàn)在可以使用逆ABBD矩陣來計算變形和彎曲： 圖10為不帶籃子的JIB臂的前四種振動模式：a第一模式（4.5 Hz），b第二模式（22.3 Hz），c第三模式（5.9 Hz），d第四模式（30.5 Hz） 圖11 在重合位置的整個結(jié)構(gòu)的視圖 由于層的平衡和對稱布置，所以在薄層的彎曲處可以獲得等于0的相同變形;其中最大應(yīng)力位于0°薄層，達到約100MPa的數(shù)值，明顯低于破壞極限;而這樣就可以確保達到令人滿意的抗疲勞強度，同時還可以看到碳纖維的優(yōu)異特性[11,12]。 在此過程之后，確定臂的所有部分，這些部分通過增加彎矩較高處的截面尺寸來優(yōu)化彎曲阻力;而這種用金屬臂很難獲得的特性對于用復合材料制成的模具來說是輕松可以達到的。 此外需要使用有限元程序執(zhí)行多個分析來評估結(jié)構(gòu)的整體力學行為，其中包括全局應(yīng)力、位移、屈曲系數(shù)等方面，。 2.6 有限元分析 有限元分析使用ABAQUS標準代碼進行; 其中復合材料臂被建模為殼單元而金屬零件被建模為3D零件;此外給每個臂賦予限定的層壓板的堆疊順序與每層的對應(yīng)厚度;另外為了改善建模的行為給予每個手臂的局部取向，如圖7所示。 如圖8所示，一旦應(yīng)力計算出來，就可能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的失效準則，如Tsai-Hill一樣。 另外也可以檢查層壓板中沿厚度變化的應(yīng)力，但由于取向的變化，所建立的值對于每個薄層而言顯然不同; 如圖9所示，最大應(yīng)力值可在0°薄層中找到。 圖12整個結(jié)構(gòu)在主要尺寸重合位置的視圖，表明了臂的各個部分的變化趨勢（單位為毫米） 表3鋼平臺和復合平臺臂架的重量 機器 臂重量[kg] 設(shè)備重量[kg] 總重量[kg] 鋼平臺 632 160 792 復合平臺 170 180 350 百分比變化 ?73 % +12 % ?56 % 最后進行的分析計算了臂的固有振動模式，圖10中示出了JIB臂的前四種振動模式。 2.7 結(jié)構(gòu)的最終面貌 最終的結(jié)構(gòu)由四個可閉合的復合臂和四個可伸縮的鋼臂組成，其結(jié)構(gòu)見圖11。同時為了最小化高度，鋼和復合臂以交錯的方式連接。 圖12中顯示了結(jié)構(gòu)的主要尺寸，包括復合材料臂的截面尺寸。 此外所有進行的分析表明，由于材料變化（碳纖維的密度比鋼的密度低5倍），重量會減少很多;雖然結(jié)構(gòu)設(shè)備的重量反而會增加，但在整體范圍內(nèi)，總重量會明顯減輕，正如表3中的JIB所報告的那樣。此外重復處理復合材料中其他三個臂的數(shù)值，其重量減少量與JIB中的百分比會完全相同，達到50％。 關(guān)于成本，可以比較復合材料臂和其等同重量鋼材之間的材料成本。 用低模量碳纖維（STS纖維）和環(huán)氧基體制成的薄板的成本約為35歐元/平方米，而高強度鋼（屈服應(yīng)力約為1300兆帕）的成本為4歐元/千克;但是考慮到厚度（0.63 mm）和密度（1,530 kg / m3）是可以算入每公斤材料成本的，所以最后其成本為34歐元，因此復合材料的總材料成本如表4所示。 機器的總成本其實還包括很多其他因素，例如模具成本和制造產(chǎn)品的數(shù)量，但這些因素目前不可計算。 3 結(jié)論 本文設(shè)計的是一個全新的平臺概念，研究了使用復合材料替代鋼臂的可能性，在進行了一系列的新型設(shè)計，分析了各種材料給出的可能性后，最后選擇了長纖維復合材料。 表4復合平臺和鋼平臺JIB的材料成本 手臂成本[€] 設(shè)備成本[€] 總費用[€] 鋼平臺 2530 640 3170 復合平臺 5780 720 6500 這使得它能夠應(yīng)用于非常高大的平臺（例如尺寸變得越來越大的風力發(fā)電系統(tǒng)），而如果用鋼鐵材料的話這些平臺將不能在道路上使用和駕駛。雖然現(xiàn)在仍然存在一些與使用復合材料有關(guān)的問題，例如疲勞和局部屈曲以及與環(huán)境的相互作用，還有成本，與鋼鐵相比，成本明顯增加了，但是如果與不能在道路上行駛相比，優(yōu)勢還是大于劣勢的。