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編號 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 題目： 車載式高空作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號： 0923104 學(xué)生姓名： 張 璐 指導(dǎo)教師： 黃敏 （職稱：副教授 ） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 車載式高空 作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所 取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注 引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其 他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機(jī)械 93 學(xué) 號： 0923104 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目 車載式高空作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 高空作業(yè)平臺是用來運(yùn)送操作人員和工作設(shè)備到指定高度進(jìn)行 作業(yè)的特種車輛。隨著城市化進(jìn)程的加快，市政建設(shè)、城市電力、 裝飾物等各種養(yǎng)護(hù)作業(yè)需要大量的高空作業(yè)裝備。高空作業(yè)平臺作 為一種系列化的工程機(jī)械設(shè)備，還廣泛應(yīng)用于船舶、建筑、消防、 港口貨運(yùn)等行業(yè)。近幾年來，隨著高空作業(yè)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對高 空作業(yè)平臺的需求量也日益增加， 對高空作業(yè)平臺的舉升高度的要 求也越來越高。因此，對高空作業(yè)平臺的工作可靠性、平穩(wěn)性、安 全性等要求也越來越高。 車載式高空作業(yè)平臺是近年來應(yīng)用比較廣泛的高空作業(yè)平臺， 它由升降臺和汽車配套改裝而成的，采用 H 型液壓支腿，能保證機(jī) 器了升降的穩(wěn)定和作業(yè)的安全。適用于工作面廣和幅度大的高空作 業(yè)，產(chǎn)品具有作業(yè)范圍大，持續(xù)作業(yè)時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于野 外路橋檢修、路燈檢修等工作環(huán)境。 II 三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： ① 了解高空作業(yè)平臺的工作原理，以及近十年來的國內(nèi)外研究發(fā)展 狀況； ② 完成車載式高空作業(yè)平臺的總體方案設(shè)計(jì)及零部件的設(shè)計(jì)； ③ 完成有關(guān)零部件的選型計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核； ④ 完成高空作業(yè)車的液壓油缸的選型設(shè)計(jì); ⑤ 掌握用積分法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核的能力； 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 93 班 姓名 張 璐 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學(xué)科組組長研究所 所長〕 簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 III 摘 要 本課題首先對國內(nèi)外高空作業(yè)車的發(fā)展進(jìn)行了概括，提出了發(fā)展中的不足，簡要介 紹了高空作業(yè)車的組成，然后對目前國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)不完善的混合臂和伸縮臂式高空作業(yè) 車的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)對工作斗調(diào)平技術(shù)和液壓系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究分 析。重點(diǎn)研究了伸縮臂的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動特點(diǎn)，并對其進(jìn)行了強(qiáng)度校核。根據(jù)高空作業(yè)車安 全性要求高，工作幅度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，提出了工作臂、副車架以及工作斗調(diào)平機(jī) 構(gòu)的研究設(shè)計(jì)方法。該課題以混合臂式高空作業(yè)車為研究對象，詳細(xì)闡述了伸縮臂的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)、變形研究；副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作穩(wěn)定性分析；高空作業(yè)車的工作斗調(diào)平系統(tǒng) 的研究分析；液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。課題采用積分法對伸縮臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析、變形 分析。最后，對研究分析結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)和驗(yàn)證，將試驗(yàn)結(jié)果和理論分析結(jié)果進(jìn)行了對 比，通過對比分析進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的設(shè)計(jì)方法，對于同類型高空作業(yè)車研究計(jì)算， 具有一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞 ：高空作業(yè)車；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；調(diào)平系統(tǒng)研究；液壓缸 IV Abstract This paper arranged as follows. The first part is the summary of the development of aerial working platform at home and abroad, and put forward some shortages during the development. There is a brief introduction of the component parts of the aerial working platform. This paper introduces a new design proposal of the domestic production technology of mixing arm and telescopic arm aerial working platform. Meanwhile, the analysis can also be seen in the working bucket leveling, hydraulic systems and other key technology. This paper mainly focuses on the telescopic structure, movement characteristics, and its strength check. According to the special requirements of aerial vehicles because of the high security, large in range and the complicated structure, the special design was used in the working arm, subframe and bucket leveling institutions. The subject is based on the study of mixing arm of aerial working platform. The subject describes the structural design of the telescopic boom in detail, and analysis the design of subframe structure design and the job stability. The aerial working platform bucket leveling system analysis and hydraulic syetem design are also mentioned here.the subject adopts integration method on the telescopic structure stress analysis and deformation analysis. The results of research and analysis are also compared in this part. The new design method is created through comparative analysis. And it is an useful guideline for the same type of aerial working platform. Key words: Aerial working platform; Structure design; The research of leveling system; The hydraulic cylinder V 目 錄 摘 要 ...........................................................................................................................................III ABSTRACT ..................................................................................................................................IV 目 錄 ............................................................................................................................................V 1 緒論 .............................................................................................................................................1 1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義 ....................................................................................................1 1.1.1 課題研究背景 .................................................................................................................1 1.1.2 課題研究的意義 ............................................................................................................1 1.2 高空作業(yè)機(jī)械的國內(nèi)外發(fā)展概況 .......................................................................................1 1.2.1 高空作業(yè)機(jī)械的國外發(fā)展?fàn)顩r .....................................................................................1 1.2.2 高空作業(yè)機(jī)械的國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r .....................................................................................2 1.3 高空作業(yè)車的組成 ...............................................................................................................2 1.3.1 專用底盤 .........................................................................................................................2 1.3.2 工作臂架 .........................................................................................................................3 1.3.3 三維全旋機(jī)構(gòu) .................................................................................................................3 1.3.4 電氣與液壓系統(tǒng) .............................................................................................................3 1.3.5 安全裝置 .........................................................................................................................3 1. 4 課題研究的內(nèi)容 ..................................................................................................................4 2 伸縮臂結(jié)構(gòu)分析 ..........................................................................................................................5 2.1 伸縮臂的結(jié)構(gòu) .......................................................................................................................5 2.2 工況分析 ...............................................................................................................................6 2.3 伸縮臂強(qiáng)度計(jì)算分析 ...........................................................................................................6 2.3.1 危險(xiǎn)工況 1 計(jì)算 ...........................................................................................................7 2.3.2 危險(xiǎn)工況 2 計(jì)算 ...........................................................................................................7 2.4 伸縮臂變形計(jì)算 ...................................................................................................................8 2.4.1 力學(xué)模型的建立 ............................................................................................................8 2.4.2 彈性位移的計(jì)算 ............................................................................................................9 2.4.3 計(jì)算結(jié)果 ......................................................................................................................12 2.5 伸縮臂強(qiáng)度校核 .................................................................................................................12 2.5.1 計(jì)算基本臂臂的截面尺寸 ..........................................................................................14 2.5.2 對下臂進(jìn)行正應(yīng)力校核 ...............................................................................................15 2.6 本章小結(jié) .............................................................................................................................16 3 副車架結(jié)構(gòu)及分析 ....................................................................................................................17 3.1 副車架結(jié)構(gòu) .........................................................................................................................17 3.2 支腿反力的計(jì)算 .................................................................................................................17 3.3 轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)系統(tǒng) .....................................................................................................................21 3.4 本章小結(jié) .............................................................................................................................22 4 工作斗調(diào)平機(jī)構(gòu)的研究 ............................................................................................................23 VI 4.1 工作斗調(diào)平結(jié)構(gòu)模型 .........................................................................................................23 4.2 調(diào)平機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng) ..............................................................................................................25 4.3 本章小結(jié) .............................................................................................................................26 5 液壓油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 ................................................................................................................27 5.1 伸縮變幅油缸的結(jié)構(gòu) .........................................................................................................27 5.2 伸縮變幅油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 .................................................................................................27 5.2.1 確定液壓缸類型和安裝方式 ....................................................................................27 5.2.2 確定液壓缸的主要性能參數(shù)和主要尺寸 ................................................................27 5.3 本章小結(jié) .............................................................................................................................31 6 結(jié)論與展望 ................................................................................................................................32 6.1 結(jié)論 .....................................................................................................................................32 6.2 展望 .....................................................................................................................................32 致 謝 ............................................................................................................................................33 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................................33 附 錄 ............................................................................................................................................33 車載式高空作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義 1.1.1 課題研究背景 現(xiàn)如今我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及政府對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的力度逐漸增大，高空作業(yè)平 臺的需求量不斷增加，市場前景非常廣闊。然而由于我國對于高空作業(yè)平臺的研究開發(fā) 起步較晚，對其核心技術(shù)掌握的不足以及加工工藝的落后等方面的原因，使得我國高空 作業(yè)產(chǎn)品的使用功能、安全性等方面得不到充分的質(zhì)量保證。通過對目前高空作業(yè)產(chǎn)品 市場的發(fā)展趨勢和廣泛的市場研究，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)產(chǎn)品具有類型單一、設(shè)計(jì)粗糙等缺陷，無 法滿足很多特殊施工環(huán)境的要求 [l]，因此我國高空作業(yè)設(shè)備大多依賴進(jìn)口。雖然國外產(chǎn)品 功能完善、性能比較優(yōu)秀，但是由于價(jià)格太高，對很多建設(shè)公司或者施工方來說成本占 用比例過大，使得利潤空間降低。因此，研發(fā)生產(chǎn)屬于我國自主品牌的高性能的高空作 業(yè)平臺有著極其重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。 高空作業(yè)平臺是用來運(yùn)送工作人員和工作裝備到指定高度進(jìn)行作業(yè)的一種大型工程機(jī) 械設(shè)備，并廣泛用于電力、路燈、市政、園林、通信、機(jī)場、造(修)船、交通、廣告、攝 影等高空作業(yè)領(lǐng)域。國家標(biāo)準(zhǔn)GB3608．93《高處作業(yè)分級 》規(guī)定：VL 在墜落高度基準(zhǔn)面 2m以上( 含2m) 有可能墜落的高處進(jìn)行作業(yè)，都稱為高處作業(yè)。"因此為保障工人在高處作 業(yè)的安全性，出現(xiàn)了越來越多的高空作業(yè)設(shè)備，然而隨著科技的發(fā)展和人們對使用要求 的增加，傳統(tǒng)的高空作業(yè)設(shè)備已經(jīng)無法滿足人們的需求，專用高空作業(yè)平臺技術(shù)在最近 幾十年來得以快速發(fā)展。 1.1.2 課題研究的意義 隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展，人們對于產(chǎn)品的人性化要求越來越高，因此在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)的過程中應(yīng)堅(jiān)持人性化思想 [2]，以人機(jī)工程學(xué)原理為指導(dǎo)充分分析研究產(chǎn)品各方面因素， 提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。本課題在充分研究產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，對高空作業(yè)平臺的功能模 塊進(jìn)行了充分的結(jié)構(gòu)分析，并根據(jù)其各方面的特殊性提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，指導(dǎo)其結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)，因此課題研究的意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1)通過本課題的研究，掌握混合臂高空作業(yè)車金屬結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)理論和分析方法， 了解高空作業(yè)車結(jié)構(gòu)件的工作規(guī)律，從而達(dá)到減輕自重、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高可靠性的目的， 為研制系列伸縮臂、混合臂高空作業(yè)車奠定良好的基礎(chǔ)。 (2)對車載式高空作業(yè)平臺進(jìn)行模塊劃分，將其分為工作平臺、操作系統(tǒng)、運(yùn)動系統(tǒng) 和支持系統(tǒng)幾個(gè)部分進(jìn)行分別研究，對每一部分進(jìn)行充分的結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合產(chǎn)品的相關(guān) 標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)原則，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。在課題的研究過程中結(jié)合產(chǎn)品的使用功能， 通過計(jì)算機(jī)建模，在保證實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，總結(jié)相應(yīng)的外觀設(shè)計(jì)理論，以指導(dǎo)后 續(xù)系列產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)對于其它機(jī)械產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)研究具有一定的理論指導(dǎo)意 義。 1.2 高空作業(yè)機(jī)械的國內(nèi)外發(fā)展概況 1.2.1 高空作業(yè)機(jī)械的國外發(fā)展?fàn)顩r 高空作業(yè)車發(fā)展起步較早的歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，從 20 世紀(jì) 20 年代就開始研制， 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 發(fā)展歷史久遠(yuǎn)，生產(chǎn)技術(shù)也很成熟，具有生產(chǎn)技術(shù)水平高、作業(yè)車的作業(yè)高度大、規(guī)格 齊全、結(jié)構(gòu)型式豐富、功能多樣等優(yōu)點(diǎn)?？傮w來看，技術(shù)和市場均已很成熟，產(chǎn)品能夠 進(jìn)行高空作業(yè)、搶險(xiǎn)、救援、消防等復(fù)雜工作，作業(yè)平臺的最大載荷可達(dá) 500kg，最大作 業(yè)高度已經(jīng)超過 100m，這是我國目前無法設(shè)計(jì)達(dá)到的高度，同時(shí)具有各種安全保護(hù)措施， 很好的保障了工人的安全。大型產(chǎn)品特點(diǎn)是科技含量高、研制與生產(chǎn)周期較長、投資大、 市場容量有限，但市場競爭相對較少，產(chǎn)品的利潤相對較高。如美國 Genie 公司、JLG 公 司和法國 HAULOTTE 公司在高空作業(yè)平臺產(chǎn)品都形成了系列化，與此同時(shí)，產(chǎn)品更新?lián)Q 代的周期明顯縮短。這大大提高了企業(yè)在國際市場中的競爭能力和企業(yè)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。 1.2.2 高空作業(yè)機(jī)械的國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 我國產(chǎn)品在質(zhì)量和性能上與國外優(yōu)秀產(chǎn)品雖然存在一定的差距，但是隨著科技的不 斷發(fā)展，產(chǎn)品的功能和性能已經(jīng)逐漸趨于同質(zhì)化 [3]，因此必須通過對我國高空作業(yè)機(jī)械產(chǎn) 品與國外先進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行分析和比較，找出發(fā)展問題的之所在，并提出相應(yīng)的解決方 案。我國高空作業(yè)平臺的使用范圍與國外相比來說還比較窄，使用較多的有路燈、交通、 園林等部門，而在有發(fā)展前途的電力、電信及有線電視系統(tǒng)使用較少，市場遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有挖 掘和培育出來 [3]。目前市場上的主要產(chǎn)品仍然是體積教大，對作業(yè)場地要求較高的拖車式 或車載式高空作業(yè)車，而我國市場上的車載式高空作業(yè)車多為價(jià)格昂貴的國外進(jìn)口產(chǎn)品 或中外合資企業(yè)的產(chǎn)品，我國本土研發(fā)的設(shè)備極少，因此我們開發(fā)研制出擁有自主產(chǎn)權(quán) 的高性能車載式高空作業(yè)平臺具有很強(qiáng)的發(fā)展戰(zhàn)略意義。 我們應(yīng)提高工程設(shè)計(jì)效率和品質(zhì)，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期 [4-5]。而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在 設(shè)計(jì)一個(gè)工程結(jié)構(gòu)的時(shí)候，首先要采用類比方法確定設(shè)計(jì)方案的初稿，然后對其結(jié)構(gòu)進(jìn) 行分析，畫出圖紙，然后對重要部件進(jìn)行強(qiáng)度的校核，并根據(jù)校核的結(jié)果重新修改設(shè)計(jì) 方案，一般往往要進(jìn)行多次分析校核和調(diào)整才能得到優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案。這種設(shè)計(jì)方法的 設(shè)計(jì)周期長、代價(jià)高、效率低，且所得到的方案多數(shù)不是最優(yōu)方案 [6-7]。只有加大行業(yè)技 術(shù)創(chuàng)新力度，開發(fā)先進(jìn)的高空作業(yè)機(jī)械，滿足用戶的差別化和個(gè)性化需求，為用戶精細(xì) 化服務(wù)，才能提高中國產(chǎn)品的市場競爭能力。 在我國實(shí)際工作過程中，人們對于安全性和勞動條件提出了更高的要求，尤其是在 高空作業(yè)中，原始的腳手架、吊籃等安全系數(shù)較低的工作方式將會越來越少，而對于高 空作業(yè)機(jī)械的需求必將越來越多 [8]。另一方面，中國造船業(yè)逐漸成為世界第一，對于大型 車載式高空作業(yè)平臺的需求急劇增加。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅中國造船行業(yè)在2009年約需六 七百臺高空作業(yè)平臺 [9],這一市場之前基本都被國外品牌占據(jù)。因此，研發(fā)生產(chǎn)屬于我國 自主品牌的高性能的高空作業(yè)平臺有著極其重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。雖然國內(nèi)產(chǎn)品近些年來發(fā) 展較快，但從整體上看，無論是技術(shù)上還是應(yīng)用上都落后于國外同類產(chǎn)品，與國外先進(jìn) 產(chǎn)品相比還有較大的差距。 1.3 高空作業(yè)車的組成 高空作業(yè)車正常進(jìn)行作業(yè)，需要由專用底盤、工作臂架、三維全旋機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、 電氣系統(tǒng)和安全裝置等部分組成，性能如下。 1.3.1 專用底盤 專用底盤。由發(fā)動機(jī)、車架、行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成?？紤]到工作可靠性、噪 車載式高空作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 聲、排放等方面綜合要求，優(yōu)選康明斯 B3.3～C60 型工程機(jī)械專用柴油發(fā)動機(jī)，該發(fā)動 機(jī)為直列 4 缸水冷、自然吸氣發(fā)動機(jī)，帶全程調(diào)速器，運(yùn)行平穩(wěn)，具有熱效率高、比油 耗低、排放污染少等特點(diǎn)。由于臺車行駛速度低，綜合考慮作業(yè)安全性和經(jīng)濟(jì)性，車架 采用剛性連接式，不設(shè)懸架機(jī)構(gòu)，輪胎選用高負(fù)荷實(shí)心橡膠輪胎。 1.3.2 工作臂架 工作裝置由回轉(zhuǎn)臺、工作臂架、伸縮軟鏈等組成。回轉(zhuǎn)臺通過回轉(zhuǎn)支承安裝在車架 上，由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn) 360°全回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括行星減速機(jī)、常閉式制動器、 液壓馬達(dá)等構(gòu)成，與回轉(zhuǎn)支承采用外嚙合傳動方式。 1.3.3 三維全旋機(jī)構(gòu) 三維全旋機(jī)構(gòu)設(shè)備或系統(tǒng)的安裝位置一般由標(biāo)高和方向 2 個(gè)參數(shù)確定。由于要求被 舉升物體在空間相互垂直的 3 個(gè)方向可以進(jìn)行獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，使物體可以獲得任意安裝角度， 因此設(shè)計(jì)了三維全旋機(jī)構(gòu)，即在水平和豎直方向設(shè)置±90°。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)俯仰方向轉(zhuǎn)角可 以通過臂架變幅進(jìn)行，微調(diào)由調(diào)平油缸實(shí)現(xiàn)，不再設(shè)單獨(dú)機(jī)構(gòu)，從而減少機(jī)構(gòu)設(shè)置。 1.3.4 電氣與液壓系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)采用 1 臺變量柱塞泵和 1 臺定量齒輪泵供油，由發(fā)動機(jī)驅(qū)動。變量泵為行 走、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、臂架變幅和臂架伸縮供油，齒輪泵為行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、工作裝置擺動、工 作裝置翻轉(zhuǎn)、工作裝置夾緊和調(diào)平機(jī)構(gòu)微調(diào)供油。由變量泵供油的動作采用比例閥進(jìn)行 控制，以便精確進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，其它動作由于速度低、流量小，直接采用電磁換向閥進(jìn) 行控制。液壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有安全溢流閥、液壓鎖等安全裝置。 1.3.5 安全裝置 設(shè)有電動應(yīng)急系統(tǒng)，當(dāng)?shù)妆P發(fā)動機(jī)和主泵液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，借助以 12V 底盤電 源為動力的微型組合式液壓泵站，將工作裝置降至行駛狀態(tài)。也可采用緊急下降閥進(jìn)行 操作，實(shí)現(xiàn)動臂下降復(fù)位。地面操作盤、遙控操作盤均設(shè)有緊急停止按鈕，用于在緊急 狀況下強(qiáng)制停止行駛系統(tǒng)和工作裝置的各種運(yùn)動。整車外形圖如圖 1.1： 1 汽車底盤 2 回轉(zhuǎn)平臺 3 平衡油缸 4 伸縮臂變幅油缸 5 伸縮油缸 6 伸縮臂支架 7 折疊臂變幅油缸 8 折疊臂 9 平衡拉桿 10 工作斗 11 平衡油缸 12 液壓油箱 13 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 14 回轉(zhuǎn)支承 15 副車架 16 取力系統(tǒng) 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 圖1.1 車載式高空作業(yè)平臺車外形圖 1. 4 課題研究的內(nèi)容 課題研究內(nèi)容主要包括高空作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)的分析研究及其在實(shí)際生活中高空作業(yè)平 臺的外觀設(shè)計(jì)，以車載式高空作業(yè)平臺為設(shè)計(jì)載體，將產(chǎn)品各部分以功能進(jìn)行劃分，形 成相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論和原則，并用以指導(dǎo)未來系列產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 論文的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分： (1) 課題研究的國內(nèi)外背景和發(fā)展現(xiàn)狀，研究的主要內(nèi)容和意義的概述； (2) 進(jìn)行車載式高空作業(yè)車的伸縮臂、副車架等金屬結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、用以實(shí)現(xiàn)車 載式高空作業(yè)車的功能。 (3) 對各金屬結(jié)構(gòu)件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、數(shù)值計(jì)算、強(qiáng)度校核，以獲得車載式高空作業(yè)車 主要結(jié)構(gòu)的工作規(guī)律和工作性能。 (4) 對液壓油缸進(jìn)行選型，并設(shè)計(jì)計(jì)算其應(yīng)力大小是否符合要求。 (5) 根據(jù)設(shè)計(jì)、計(jì)算結(jié)果進(jìn)行試制，對試制樣品進(jìn)行應(yīng)力測試，將測試結(jié)果和理論分 析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證分析計(jì)算是否達(dá)到要求。 車載式高空作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 2 伸縮臂結(jié)構(gòu)分析 2.1 伸縮臂的結(jié)構(gòu) 后置式高空作業(yè)車伸縮臂采用三節(jié)伸縮式箱形臂，如圖 2.1 所示。 1 一節(jié)臂 2 二節(jié)臂 3 三節(jié)臂 4 伸出油缸 5回縮鏈排 6 伸縮鏈排 7 滑塊 圖2.1 伸縮臂結(jié)構(gòu)圖 如圖所示，各節(jié)臂可以依靠相互連接的滑塊進(jìn)行相對滑動。轉(zhuǎn)臺與伸縮臂的跟部通 過水平銷軸進(jìn)行鉸接，同時(shí)轉(zhuǎn)臺的中下部還與伸縮變幅油缸鉸接，同樣通過水平銷軸， 伸縮變幅油缸能夠?qū)崿F(xiàn)工作臂在變幅平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動。所有鉸接點(diǎn)均采用自潤滑軸承，降 低保養(yǎng)要求，所有需要潤滑的點(diǎn)都設(shè)有加油口，可以方便地進(jìn)行保養(yǎng)。工作臂依靠一級 伸縮液壓缸進(jìn)行伸縮運(yùn)動，伸縮油缸直接推動第二節(jié)臂，第三節(jié)臂在鏈條伸縮機(jī)構(gòu)的作 用下和第二節(jié)臂同步伸縮。 臂架系統(tǒng)由臂架變幅機(jī)構(gòu)、臂架伸縮機(jī)構(gòu)、臂架鋼結(jié)構(gòu)及其它零部件組成。臂架變 幅機(jī)構(gòu)主要由變幅油缸組成，其作用是實(shí)現(xiàn)臂架的變幅功能。 具有三節(jié)或三節(jié)以上的吊臂，各節(jié)臂的伸縮方式基本有三種：順序伸縮、同步伸縮 和獨(dú)立伸縮。該高空作業(yè)車臂架伸縮機(jī)構(gòu)由臂架伸縮油缸和鋼絲繩傳動系統(tǒng)組成，伸縮 原理為單級同步伸縮即由伸縮油缸直接驅(qū)動二節(jié)臂動作，同時(shí)通過固定在一節(jié)臂上的鋼 絲繩使三節(jié)臂與二節(jié)臂實(shí)現(xiàn)同步動作。伸縮機(jī)構(gòu)原理如圖 2.2 所示。臂架截面形式采用四 邊形箱型結(jié)構(gòu)，臂架外部裝有油管電纜托鏈與工作平臺進(jìn)行連接 [10]。 1 2 3 4 5 6 9 7 8 1 0 1.基本臂 2.伸臂鋼絲繩 3.三節(jié)臂鋼絲繩固定點(diǎn) 4.二節(jié)臂 5.三節(jié)臂 6,9.二節(jié)臂上滑輪 7,10.基本臂鋼絲繩固定點(diǎn) 8.縮臂鋼絲繩 圖2.2 伸縮機(jī)構(gòu)原理圖 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 2.2 工況分析 由于高空作業(yè)車要求在所有幅度下，均可以在額定載荷下工作，因此其危險(xiǎn)工況只 有可能出現(xiàn)以下兩種工作情況： 一是在工作斗承載額定載荷，工作臂水平伸出至最大工作半徑狀態(tài)，如圖2.3所示； 二是在工作斗承載額定載荷，工作臂完全伸出，且處于最大幅度狀態(tài)，如圖2.4所示。 圖 2.3 危險(xiǎn)工況1示意圖 圖 2.4 危險(xiǎn)工況2示意圖 2.3 伸縮臂強(qiáng)度計(jì)算分析 分別對兩種工況下的伸縮臂強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。 本作業(yè)車工作臂均由優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼Q700 制造，根據(jù)高空作業(yè)車結(jié)構(gòu)安全要求 車載式高空作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 （GB9645-88） [11]，其許用應(yīng)力值為： (2.1)12[]sSf??? 式中： —材料屈服強(qiáng)度， s 70sMpa?? —結(jié)構(gòu)安全系數(shù)， 2S -應(yīng)力集中系數(shù)，1f1.f -動載荷系數(shù)， ，則225212[]704.6/.s pakgmSf?????? 2.3.1 危險(xiǎn)工況 1 計(jì)算 分別進(jìn)行三節(jié)臂的應(yīng)力計(jì)算。先對外臂進(jìn)行分析，外臂受力如圖2.5，其危險(xiǎn)截面為 A-A 截面。 圖 2.5 危險(xiǎn)工況1 工作臂受力示意圖 G1--載荷， G1=250*1.25kg G2--工作斗，G2=100 kg G3--前平衡油缸， G3=20 kg G4--平衡拉桿，G4=30 kg G5-折疊臂，G5=80 kg G6--折疊臂變幅缸，G6=60 kg G7--三節(jié)臂， G7=215 kg G8--二節(jié)臂及伸縮鏈排，G8=355 kg G9--1/2一節(jié)臂， G9=240 kg G10--伸縮油缸， G10=200 kg (2.2)AiMGL???? 外臂危險(xiǎn)截面A-A慣性矩為： (2.3) 312ABHbhI? 則可求A-A 截面的最大應(yīng)力 。A??2[]74./[]ANm???? 同樣可對此工況1 下的中臂、內(nèi)臂危險(xiǎn)截面進(jìn)行計(jì)算。求得其最大應(yīng)力。 2.3.2 危險(xiǎn)工況 2 計(jì)算 同樣對三節(jié)臂分別計(jì)算。先對外臂進(jìn)行分析，外臂受力如圖 2.6，其危險(xiǎn)截面為 A- 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 A 截面。 圖 2.6 危險(xiǎn)工況2 外臂受力示意圖 根據(jù)圖示受力分析，可計(jì)算出一節(jié)臂危險(xiǎn)截面應(yīng)力。同樣方法，可分別計(jì)算工況 2 下，中臂、內(nèi)臂的應(yīng)力。 根據(jù)計(jì)算，工況1 狀態(tài)下各工作臂應(yīng)力大于工況2 ，因此工況 1 為伸縮臂危險(xiǎn)工作 狀態(tài)。 2.4 伸縮臂變形計(jì)算 高空作業(yè)車伸縮臂全伸時(shí)，臂端將產(chǎn)生較大的彈性變形，箱形伸縮臂臂端彈性位移 將對高空作業(yè)車的作業(yè)參數(shù)產(chǎn)生影響，同時(shí)對對高空作業(yè)車安全性影響也很大，因此需 要對其變形進(jìn)行計(jì)算。 2.4.1 力學(xué)模型的建立 考慮到很多現(xiàn)實(shí)干擾因素，因此計(jì)算時(shí)要虛擬化，建立以下假設(shè)： 1) 假定工作臂截面不受力的影響產(chǎn)生彎曲變形，按平面計(jì)算； 2) 由于截面變形不明顯，對計(jì)算結(jié)果影響不大，因此假設(shè)撓度曲線是光滑連續(xù)的曲 線； 3) 每次建立模型時(shí)只考慮單方面受力作用結(jié)果，不用共同考慮； 如圖2.7 所示，建立 空間直角坐標(biāo)系，其中 軸沿工作臂鉸接軸軸線向外，OXYZOX 設(shè)工作斗載荷為 ，考慮存在偏載， 為空間載荷，為了便于計(jì)算，圖2.7 中先將 在QQQ 車載式高空作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 平面進(jìn)行分解，分解成沿 Z軸的 和平行于 平面的 ，在后面的計(jì)算中再將OYZFOXY1F 分解為沿 X軸 和Y 軸的 。1F1F1Y 圖 2.7 工作臂受力坐標(biāo)系 參考《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB3811-83） [12]，臂端彈性位移計(jì)算時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮軸向壓 力影響，先將工作臂簡化為受壓等截面懸臂梁，計(jì)算中再通過引入各種長度系數(shù)來考慮 工作臂截面的影響。 據(jù)此，我們作如下假設(shè)： 伸縮臂實(shí)際長度為 ，伸縮臂計(jì)算長度為 ，bLCL (2.4)12C??? 伸縮臂的當(dāng)量慣性矩為 ,dxI (2.5)12dxI 其中 、 為長度系數(shù) 。1? 下面用積分法來計(jì)算梁的彈性位移。 為了計(jì)算方便，先分別計(jì)算在垂直平面OYZ 內(nèi)， 與M 所產(chǎn)生的撓度 ，和 與Fa?F 所產(chǎn)生的撓度 ，如圖2.8 所示。1Fb? 圖 2.8 作用力和撓度示意圖 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 2.4.2 彈性位移的計(jì)算 2.4.2.1 的計(jì)算a? 將 和 還原成偏心載荷 作用下的壓桿，梁上任一橫截面Z 處的彎矩為：1FMXF (2.6)()aSY???? 帶入撓曲軸的近似微分方程： (2.7)'dxEIm? 由于工作臂為階梯形， 是繞X 軸的當(dāng)量面積慣性矩，dxI , 為變截面長度系數(shù)12dxI??2 將彎矩帶入上式： '()dxaEIYFSY??????'? 或 ' ()adxdxII 令 2dxFKE 則上式變?yōu)椋? (2.8)'2()aYS???? 這是一個(gè)二階常系數(shù)非齊次方程，通解為： 12sincosaCKZ 由邊界條件： , , 得0?Y2()aS???? ， , 得' 10 所以撓度方程為： (2.9)()(cos)aSKZ??? 令 帶入撓度方程。,bZLY?()1)abL?? 解得 csobS?? 作三角變換: 2incsabKL?? 帶入 ：a?21cosbbSK?? 車載式高空作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 將 帶入2dxFKEI?1()cosbadxbLSIL???2XbxM?? 當(dāng) 趨近于 時(shí)， 最大，此時(shí)軸向壓力 達(dá)到臨界載荷 ，由極限的概念可bKL2?a?FEXF 以認(rèn)為 。? 考慮構(gòu)件支承方式的影響，應(yīng)以計(jì)算長度 代替 。12CbL???bL (2.10)21cosXabdxbMLEIK??? 作近似： 22cos1()128EXEXEXFF????????1EXF? (2.11)2abdxEXLI??? 2.4.2.2 的計(jì)算b 切向力F 在一截面的彎矩是： (2.12)1[()()]bYbmFLZ????? 建立撓曲軸的近似微分方程: 'dxEIY?' 1()()bYb' []dxdxFFLZII?????? 令 2xKE 上式變?yōu)椋? (2.13)'21[()]YbbFYLZ????? 通解為: (2.14)' 112sincos()YbCKLZF??? 由邊界條件: 得'0,Z1? 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 則撓度方程為： (2.15)111sin()cos()YYYbbbbFFFKZLKZLZ?????? 令 ,bL?11si()csYYbbb? (2.16)1coinobFKLK?? 作近似： 3()si6bb?2co1L?321()()s[]6bbYYbbKLLFFK???31YbFK?3 311cos2bdx dxEXEXEII??? ???2116YCLabdx EXMFLYFI????? 上式中： 12Cb??? 2.4.3 計(jì)算結(jié)果 對于我們開發(fā)研制的直臂后置式高空作業(yè)車，其上式各參數(shù)應(yīng)為： 6105810721073250()XiMkgm???????13cos7.4()YFkg?.93CLm? , 5()EXkg15sin70296()Fk? , 20Gpa?48.dxI 將參數(shù)值代入公式得： 21316.096XYCLabdxEXMLY mFEI?????? 從以上計(jì)算結(jié)果看，由于公式推導(dǎo)基于理想狀態(tài)，模型的建立將工作臂簡化為節(jié)節(jié) 之間剛性連接，其計(jì)算值為純彈性變形撓度。在實(shí)際工作狀態(tài)中，工作臂由于加工精度、 滑塊調(diào)整間隙等因素影響，其工作平臺較理想狀態(tài)下垂要大一些。這一點(diǎn)，我們經(jīng)過對 伸縮臂式高空作業(yè)車產(chǎn)品樣車的測試，其結(jié)果基本符合預(yù)先的理論計(jì)算值。 車載式高空作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 2.5 伸縮臂強(qiáng)度校核 正應(yīng)力校核、 靜強(qiáng)度效核公式： 正應(yīng)力 (2.17) ??FA??? 式中: F----------梁所受的力（N） A----------截面積（ ）2m 切應(yīng)力： ?? 28FsIz????δ (2.18) 式中: Fs----------梁所受的剪力（N ） ----------鋼板厚度(m)δ Iz----------梁對 Z軸的慣性矩( )4m 鋼板每平方米面積的理論質(zhì)量,不同厚度的鋼板(密度為7.85)的每平方米理論質(zhì)量按下 列公式計(jì)算： (2.19)2ρ/Gkgm??? 式中 : G-----給定鋼板厚度下的每平方米重量 ,kg/m -----鋼板厚度 =4mm? -----鋼板密度 7.85 所以 (M=L1=4.2m)4.207.850.13Mkg??? 所以自重是: 92FGKN 由上圖可得: ? 即: 1.78.0B? 對伸縮臂進(jìn)行受力分析如下圖 FB'c6mx彎 矩 MGax=39.41KN 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 圖2.9 伸縮臂的彎距圖 即力 與力 大小相等方向相反。'1.07FBKN??'FB 由 Mc? 所以 45'36g? 所以 .92.50?? 由 F 所以 92.561.78.4cKN? 如圖2.9所示的彎矩圖:則可得最大彎矩是 max.039.1Mm??? 而梁所需的截面系數(shù)， =/[]axWσ43.42.01769KNMPa?? 2.5.1 計(jì)算基本臂臂的截面尺寸 再將求出來的梁所需的截面系數(shù) W 值代入 可得 0.mhδ34.62180????b1m9.1?463S;5.2 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 30 。mh308.? 其中 為點(diǎn) c 到力 的垂直距離，計(jì)算過程如下所示：gF 已知伸縮臂受力如下圖 5.3 所標(biāo)示。 FG上F2B 圖 5.3 伸縮臂尺寸 由此計(jì)算得： 。mh308.? 將所得數(shù)據(jù)代入公式（5.2）得： mFmNNN g308.01.46.175.2104.6.127.9.108.9 333 ????????? Fg65 將 , 代入式 5.1,0.?MPap? 得： kD160.7322??m15 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 5》表 37.7-1，如表 5-1 給出的缸筒內(nèi)徑尺寸系列圓整 成標(biāo)準(zhǔn)值。D 表 5-1 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列(摘自 GB2348—80) ( )m 8 40 125 （280） 10 50 （140） 320 12 63 160 （360） 16 80 （180） 400 20 （90） 200 （450） 25 100 （220） 500 32 （110） 250 即?。?。mD125? (2) 活塞桿直徑 的計(jì)算d 根據(jù)速度比的要求來計(jì)算活塞桿