杜 干

（海軍工程大學(xué) 勤務(wù)學(xué)院 海運補給系，天津 300450）

0 引言

升降平臺作為一種起重機(jī)械，在物流、搬運、裝配、城市停車系統(tǒng)、海上油田等各種工作場合中得到了廣泛的應(yīng)用。其最主要功能是依靠驅(qū)動機(jī)構(gòu)與升降機(jī)構(gòu)將物體升降至不同高度。升降機(jī)構(gòu)具有剛性與柔性的性質(zhì)，根據(jù)升降機(jī)構(gòu)屬性的不同，可將其分為3類：①剛性升降機(jī)構(gòu)，主要利用機(jī)構(gòu)的剛性特性對平臺進(jìn)行直接頂升或推送；②柔性升降機(jī)構(gòu)，主要通過鋼絲繩、鏈條等柔性構(gòu)件以拉曳的方式實現(xiàn)平臺的升降；③剛?cè)犭p屬性升降機(jī)構(gòu)，此類機(jī)構(gòu)進(jìn)行頂升作業(yè)時具有剛性屬性，不工作時則表現(xiàn)出柔性屬性。

1 剛性升降機(jī)構(gòu)

剛性升降機(jī)構(gòu)包括齒輪齒條機(jī)構(gòu)、柱塞機(jī)構(gòu)、剪叉機(jī)構(gòu)和絲杠機(jī)構(gòu)等幾種機(jī)構(gòu)形式。

1.1 齒輪齒條式升降機(jī)構(gòu)

齒輪齒條機(jī)構(gòu)包含齒條機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)，齒條設(shè)置于樁腿上，每根齒條對應(yīng)有若干個小齒輪。動力通過齒輪減速器傳遞給小齒輪，從而驅(qū)動平臺升降。

齒輪齒條式升降機(jī)構(gòu)具有工作連續(xù)、升降速度快、操作簡單、同步性好等優(yōu)點，同時，齒輪齒條機(jī)構(gòu)易于將平臺調(diào)平且定位較精準(zhǔn)。但由于價格貴，制造難度大，主要應(yīng)用于海上自升式升降平臺。

文獻(xiàn)［1］對國內(nèi)外自升式海洋風(fēng)電安裝船的典型升降機(jī)構(gòu)、工作原理進(jìn)行了對比分析，結(jié)果認(rèn)為，利用齒輪齒條升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行升降作業(yè)是未來自升式升降系統(tǒng)的主流方向。文獻(xiàn)［2］介紹了一種齒輪齒條式施工升降機(jī)，通過布置在吊籠上的傳動裝置的齒輪與布置在導(dǎo)軌架上的齒條相吻合，使導(dǎo)軌上下運動，具有靜態(tài)穩(wěn)定性好，定點定位性好，同步精度高等優(yōu)點，但其運行平穩(wěn)性差，且造價高。文獻(xiàn)［3］通過對比分析，設(shè)計了一套齒輪齒條升降機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，可使用于自升自航式海洋船舶升降系統(tǒng)中。

一些學(xué)者對升降平臺中齒輪齒條機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［4］使用有限元分析軟件對某自升式升降平臺齒輪齒條升降機(jī)構(gòu)的彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計算和強(qiáng)度校核，發(fā)現(xiàn)由于海洋外部環(huán)境的影響，齒輪齒條升降機(jī)構(gòu)的彎曲疲勞破壞是其主要失效形式。研究發(fā)現(xiàn)升降平臺的齒輪齒條機(jī)構(gòu)在海洋復(fù)雜情況下易產(chǎn)生疲勞破壞，并且破壞程度和齒輪齒條倒角大小有關(guān)。文獻(xiàn)［5］采用ANSYS軟件建立了升降平臺齒輪齒條的二維和三維數(shù)值模型并進(jìn)行了應(yīng)力分析，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化齒根過渡圓角和齒條齒寬。

1.2 柱塞式升降機(jī)構(gòu)

柱塞式升降機(jī)構(gòu)通常與液壓裝置配合工作，通過泵站將油壓入油缸，使柱塞運動，直接作用在平臺上，使升降平臺向上運動，升降平臺的下降則依靠平臺的自重實現(xiàn)。柱塞式升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，但其同步精度較差，且存在能耗偏大的問題，因此這種升降技術(shù)在升降平臺上并不常用。

對柱塞式升降機(jī)構(gòu)的使用主要有單缸直頂支撐與多缸直頂支撐兩種方式。其中單缸直頂支撐根據(jù)柱塞與平臺連接點位置的不同分為平衡型直頂式和不平衡直頂式。平衡型直頂式升降機(jī)構(gòu)可使升降平臺承受較小的傾覆力矩，故可承受較大載荷；不平衡直頂升降機(jī)構(gòu)使升降平臺承受較大的傾覆力矩，導(dǎo)軌易受較大反作用力，從而易產(chǎn)生磨損。多缸直頂支撐方式是指用一個以上的油缸來驅(qū)動平臺，當(dāng)提升高度不大時，采用單級油缸直頂；當(dāng)提升高度較大時，采用多級同步伸縮缸直頂驅(qū)動，通常油缸采用對稱布置，防止側(cè)向傾覆力。

1.3 剪叉式升降機(jī)構(gòu)

剪叉式升降機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動執(zhí)行裝置和剪叉裝置。在驅(qū)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下，驅(qū)動執(zhí)行裝置產(chǎn)生小位移行程的同時將驅(qū)動力傳遞給剪叉裝置。剪叉裝置作為剪叉式升降機(jī)構(gòu)的主體具有折疊伸展性能，它受到驅(qū)動執(zhí)行裝置的驅(qū)動并將驅(qū)動執(zhí)行裝置的小位移行程放大成豎直方向的較大行程，從而推動升降平臺的上下移動。

剪叉式升降機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載量大、驅(qū)動裝置通過性強(qiáng)和操控性好的特點，因而在各種場合中得到了廣泛應(yīng)用。但剪叉式升降機(jī)構(gòu)也有不足之處，即臺面在升降過程中較難實現(xiàn)勻速，并且升降行程較小。

剪叉式升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動執(zhí)行裝置有多種結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［6］比較分析了多種驅(qū)動執(zhí)行裝置的優(yōu)缺點，其中動滑輪裝置與滾珠絲杠裝置傳動精度高，但由于安裝和制造精度的過高要求影響了其應(yīng)用和推廣；連桿裝置安裝精度要求較低且不易出故障，但其對剪叉式升降機(jī)構(gòu)有尺寸限制從而也限制了其運用場合；相比較而言，液壓柱塞裝置可大幅減小剪叉升降機(jī)構(gòu)的高度，且機(jī)構(gòu)簡單、傳動環(huán)節(jié)少、故障低、易維修和更換零件，因此采用液壓柱塞運動執(zhí)行裝置的剪叉式升降機(jī)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。文獻(xiàn)［7］設(shè)計一種采用滾輪絲杠驅(qū)動執(zhí)行裝置的剪叉式升降機(jī)構(gòu)，通過對滾輪與剪叉臂行走曲面的設(shè)計，可使升降機(jī)構(gòu)勻速升降。

更多的學(xué)者將目光投向了剪叉式升降機(jī)構(gòu)的運動特性以及力學(xué)特性。文獻(xiàn)［8］利用ADAMS軟件對液壓剪叉升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，分析液壓系統(tǒng)中方向閥控制函數(shù)對剪叉升降機(jī)構(gòu)運動學(xué)特性的影響，并選出較優(yōu)控制函數(shù)，減小了剪叉式升降機(jī)構(gòu)升降過程中的加速度。文獻(xiàn)［9］用幾何分析方法，推導(dǎo)出剪叉式機(jī)構(gòu)在伸展過程的運動方程，并給出幾種基本剪叉式結(jié)構(gòu)單元運動方程的具體形式。文獻(xiàn)［10］介紹一種簡便且通用性強(qiáng)的運動學(xué)建模方法，并對平面變比例剪叉式升降平臺進(jìn)行運動學(xué)分析與仿真，結(jié)果與實際相符。文獻(xiàn)［11］通過ADAMS軟件對剪叉裝置進(jìn)行仿真分析，并研究液壓柱塞裝置與剪叉裝置連接位置參數(shù)與柱塞頂升力的關(guān)系，得到較為理想的結(jié)果。文獻(xiàn)［12］對剪叉裝置進(jìn)行電測實驗，實驗結(jié)果驗證了ANSYS計算中確定的最大應(yīng)力值以及最大應(yīng)力點發(fā)生的區(qū)域。

1.4 絲杠式升降機(jī)構(gòu)

絲杠升降機(jī)構(gòu)主要是利用絲杠可將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的特性對平臺進(jìn)行升降。絲杠升降機(jī)構(gòu)常用于與電驅(qū)動機(jī)構(gòu)或液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)配套使用。其中，電驅(qū)動機(jī)構(gòu)是將電動機(jī)的動力通過減速器、軸或鏈條傳遞給絲桿減速器，最終傳遞給絲杠；液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)則是將液壓驅(qū)動單元輸出的動力傳遞給絲杠螺母，將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動來實現(xiàn)升降臺面的升降［13］。

由于絲杠式升降機(jī)構(gòu)是螺旋形式頂升，因此具有結(jié)構(gòu)緊湊、運行平穩(wěn)、傳動準(zhǔn)確等優(yōu)點，同時絲杠易于實現(xiàn)自鎖，故其安全可靠。

文獻(xiàn)［14］介紹蝸輪絲杠升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點以及傳動方式，該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、無噪聲、可靠性高等優(yōu)點，尤其適用于大面積微動平臺。文獻(xiàn)［15］根據(jù)絲桿機(jī)構(gòu)的運動特點建立了機(jī)構(gòu)失效模式及可靠性分析，創(chuàng)建了動力學(xué)方程，并對傳動的可靠性進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)［16］設(shè)計出滾柱螺線絲杠副，改進(jìn)了傳統(tǒng)普通滑動螺線絲杠能夠自鎖但機(jī)械效率低、滾珠螺母絲杠副傳動效率高但不能自鎖的缺點。

2 柔性傳動升降機(jī)構(gòu)

升降平臺柔性升降機(jī)構(gòu)主要有鋼絲繩升降機(jī)構(gòu)和鏈條式升降機(jī)構(gòu)。

2.1 鋼絲繩升降機(jī)構(gòu)

鋼絲繩升降機(jī)構(gòu)在各種場合的升降平臺上被廣泛運用，且技術(shù)較為成熟。根據(jù)鋼絲繩收放方式的不同，鋼絲繩升降機(jī)構(gòu)可分為卷入式鋼絲繩升降機(jī)構(gòu)和頂升式鋼絲繩升降機(jī)構(gòu)。卷入式鋼絲繩升降機(jī)構(gòu)包括卷筒與鋼絲繩，驅(qū)動裝置帶動卷筒轉(zhuǎn)動，通過收放鋼絲繩使平臺升降，常見于施工升降機(jī)。頂升式鋼絲繩升降機(jī)構(gòu)包括液壓柱塞與鋼絲繩機(jī)構(gòu)，通過液壓柱塞的頂伸與收縮從而帶動鋼絲繩實現(xiàn)平臺升降。

鋼絲繩升降機(jī)構(gòu)布置靈活且具有定點定位性好、運行噪聲小、運行平穩(wěn)性好等優(yōu)點，但是對升降高度有一定限制。當(dāng)鋼絲繩使用伸長量變大后，升降機(jī)構(gòu)定位不精確，運動平穩(wěn)性變差，易受外界負(fù)載影響、慣性大、啟動及換向慢。對于卷入式鋼絲繩升降機(jī)構(gòu)來說，升降所需耗鋼絲繩的長度受卷筒繩容量的限制。

文獻(xiàn)［17］對船載貨運升降平臺進(jìn)行研究，它采用頂升式鋼絲繩升降機(jī)構(gòu)。柱塞與動滑輪相連接，鋼絲繩繞過動滑輪一端與升降平臺相連，一端連于基座上，如圖1所示。柱塞推動動滑輪向前移動從而實現(xiàn)升降平臺的起升作業(yè)。

圖1 船載貨運升降平臺示意圖

2.2 鏈條式升降機(jī)構(gòu)

鏈條式升降機(jī)構(gòu)采用鏈傳動方式，一般將電機(jī)鏈輪作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)，通過聯(lián)軸器、傳動軸、鏈輪等一系列傳動實現(xiàn)升降平臺的升降。鏈條式升降機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，常使用于低速與升降高度不大的場合。其采用的鏈條機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)，定點定位好，同步精度高，但運行平穩(wěn)性較鋼絲繩式升降技術(shù)要差。

文獻(xiàn)［18］對3種不同布置方式的鏈條式升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行了對比分析。其中側(cè)置鏈條式升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)平穩(wěn)性好，但成本較高；配重式鏈條升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單但平穩(wěn)性較差；封閉鏈條式升降機(jī)構(gòu)能不足，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

3 剛?cè)犭p屬性升降機(jī)構(gòu)

剛?cè)犭p屬性升降機(jī)構(gòu)是較晚才出現(xiàn)的新型升降機(jī)構(gòu)，在對平臺進(jìn)行升降時可直接進(jìn)行頂升或推送，從而獲得較高速度和較大行程；在不進(jìn)行升降作業(yè)時可盤折起來，從而可降低設(shè)備的自身高度并增加了升降機(jī)構(gòu)布置的靈活性。

文獻(xiàn)［19］介紹了一種自組式螺旋升降機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有垂直與水平兩組鋼帶。工作前，平卷螺旋板上下緊湊疊放，立卷螺旋板松散盤旋。在外來動力驅(qū)動下，垂直和水平鋼帶被牽引出，以螺旋方式上升，組合成柱狀舉升體，從而頂升升降平臺。法國一家公司設(shè)計了一種新型剛性鏈升降機(jī)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)與普通鏈條類同，但通過對鏈條的改進(jìn)，使鏈條只能朝一個方向回轉(zhuǎn)。當(dāng)受到壓力載荷時，相鄰鏈節(jié)間產(chǎn)生相互鎖緊，此時鏈條具有剛性機(jī)構(gòu)的特性。而當(dāng)鏈條不受外部力時，鏈條可彎曲的特性使其便于彎曲儲存。文獻(xiàn)［20］也設(shè)計了一種鏈?zhǔn)酵评X條升降機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單且成本較低。將齒條預(yù)先制造成無齒的齒條節(jié)，根據(jù)行程將數(shù)個齒條節(jié)以銷軸首尾相連，并使其能繞單側(cè)相互轉(zhuǎn)動。當(dāng)齒條節(jié)都相互轉(zhuǎn)動時，齒條節(jié)組便形成了一側(cè)具有承受頂升力的剛性特性，而另一側(cè)具有承受拉力的柔性特性。推拉齒條的齒形是在齒條節(jié)鉚接成齒條組后才加工成形。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)機(jī)構(gòu)的剛?cè)釋傩詫ι禉C(jī)構(gòu)進(jìn)行了分類，并對不同種類升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、特點以及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對推動新型升降機(jī)構(gòu)的開發(fā)研制，提高升降平臺產(chǎn)品的性能具有重要意義。

［1］ 趙亞楠，郝軍，汪莉，等.自升式風(fēng)電安裝船樁腿及升降系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.船舶工程，2010，32（1）：1－4.

［2］ Anon，Teijin Seiki.Introduce ED 1006 Elevator Hoist［J］.Elevator World，2004，46（6）：105－108.

［3］ 王鋼，孟祥偉，彭曼，等.自升式平臺支撐升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析［J］.機(jī)械設(shè)計，2011，28（7）：42－45.

［4］ 王泉.自升式修井平臺升降裝置強(qiáng)度安全可靠性分析［J］.石油礦場機(jī)械，2002，31（4）：1－5.

［5］ 張卿.自升式平臺齒輪齒條升降機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析［D］.東營：中國石油大學(xué)，2010：5－12.

［6］ 魏輝.關(guān)于剪式升降臺比較分析［J］.應(yīng)用科技，2009（11）：191－192.

［7］ 楊志勇.機(jī)械式恒轉(zhuǎn)矩勻速升降臺［J］.起重與運輸機(jī)械，2000（5）：17－18.

［8］ 孫光旭，袁端才.液壓剪叉式升降臺的動力學(xué)仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2010，22（11）：2650－2653.

［9］ Trauis Langbecker.Kinematic amalysis of deployable scissor structures［J］.International Journal of Space Structures，1999，14（1）：1－15.

［10］ 郭凱，潘存云，張湘，等.平面剪叉式機(jī)構(gòu)通用運動學(xué)模型的建立與分析［J］.機(jī)械設(shè)計與研究，2010，26（6）：27－30.

［11］ 黃建龍，李興慧，毛建軍.固定液壓剪叉升降臺關(guān)鍵參數(shù)的研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（2）：528－530.

［12］ 解本銘.平臺車剪叉機(jī)構(gòu)實驗應(yīng)力分析［J］.中國民航大學(xué)學(xué)報，2007，25（3）：39－41.

［13］ 孫濤.液壓驅(qū)動絲杠升降臺的研制［D］.蘭州：甘肅工業(yè)大學(xué)，2003：13－17.

［14］ 張穎.蝸輪絲杠直頂式升降平臺［J］.有色設(shè)備，1998（4）：32－33.

［15］ 徐進(jìn).絲桿升降機(jī)構(gòu)傳動的可靠性設(shè)計研究［J］.煤礦機(jī)械，2003（10）：15－17.

［16］ 陳德生，曹志錫.滾柱螺母絲杠傳動升降舞臺［J］.起重運輸機(jī)械，2004（2）：29－30.

［17］ 楊鵬.升降平臺動力學(xué)仿真與強(qiáng)度分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007：12－17.

［18］ 沈厚友.停車設(shè)備升降傳動系統(tǒng)［J］.起重與運輸機(jī)械，2004（4）：1－3.

［19］ 李偉.自組式螺旋升降機(jī)［J］.有色設(shè)備，2005（4）：10－12.

［20］ 魏發(fā)孔.鏈?zhǔn)酵评X條舉升設(shè)備的設(shè)計研究［J］.演藝設(shè)備與科技，2005，9（3）：26－29.