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徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 高空作業(yè)車的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析
高空作業(yè)車轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析
摘 要
本課題針對GKZ系列車型轉(zhuǎn)臺(tái)部分的要求工作裝置，對GKZ型高空作業(yè)車回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及分析。高空作業(yè)車由液壓馬達(dá)、回轉(zhuǎn)減速器及回轉(zhuǎn)小齒輪、回轉(zhuǎn)支承等組成。進(jìn)行回轉(zhuǎn)時(shí)，液壓馬達(dá)輸出動(dòng)力，通過回轉(zhuǎn)減速器減速后帶動(dòng)輸出軸上的小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的齒圈嚙合，由于回轉(zhuǎn)支承的齒圈與車架剛性連接，因而回轉(zhuǎn)減速器帶動(dòng)與之相連的轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)。
本課題確定了高空作業(yè)車回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案，采用的單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承，此類支承的主要優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)承受軸向、徑向力和復(fù)合力矩。適用子中小型起重機(jī)。轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的是倒π型結(jié)構(gòu)，前后兩個(gè)高強(qiáng)板，左右各一個(gè)支承板，再加兩個(gè)加強(qiáng)筋形成。對轉(zhuǎn)臺(tái)采用PRO/E進(jìn)行建模，將建好的模型通過轉(zhuǎn)化放入ANSYS中進(jìn)行有限元分析，分析出變形最大和受應(yīng)力最大的接觸面，對分析的結(jié)果的提出改進(jìn)方案，對改進(jìn)后的方案進(jìn)行有限元分析比較, 確定最佳方案。本方案的設(shè)計(jì)為同類轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和分析方法。
在課題設(shè)計(jì)的過程中使用的方法有：（1）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中主要對轉(zhuǎn)臺(tái)的的受力情況進(jìn)行分析，計(jì)算出轉(zhuǎn)臺(tái)的受力大小和轉(zhuǎn)臺(tái)的自重，對傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核，運(yùn)用繪圖軟件PRO/E進(jìn)行建模。（2）將模型導(dǎo)入ANSYS中，對轉(zhuǎn)臺(tái)的受力情況進(jìn)行分析查看其分析的結(jié)果，確保轉(zhuǎn)臺(tái)的變形和所受的應(yīng)力均能符合設(shè)計(jì)要求。
[關(guān)鍵詞]：高空作業(yè)車； 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析；ANSYS
Constructional design and analysis for turn-table of aerial work platforms
Abstract
According to the requirement of working devices of turn-tables in the machine series type GKZ, this paper presented the constructional design and analysis for slewing mechanism of aerial work platforms. The aerial work platforms comprised hydraulic motors, rotary speed reducers, revolving pinions, slewing bearings and so on. When the turn-table slewed, the hydraulic motor transmitted power output which enabled pinions on the output shaft to revolve. Pinions were meshed with ring gear on slewing bearings. Due to rigid connection between the ring gear on slewing bearings and the chassis, turn-tables were rotated by rotary speed reducers. Gear plan for slewing mechanism of aerial work platforms and constructional design for turn-table were presented.
Gear plans transmission for slewing mechanism of aerial work platforms was provided in which single-row four-point contact ball slewing bearings were adopted. The advantage of this type of bearing, which suited small and medium crane, was that it can bear axial force, radial force and compound moment at the same time. Configurations of anti type π were adopted in constructional design for turn-table, in which there were two high strength plates in tandem, two eudipleural supporting plates and two stiffened panels. Modeling and simulation of turn tables were obtained using PRO/E. The obtained modeling was transformation and analyzed by ANSYS Finite Element Analysis software. Consequently, contact area in the maximum of deformation and stress were analyzed. According to the results, improved schemes were presented, which were further analyzed and compared by finite element analysis. Finally, the best scheme was founded. This project provided the approaches of constructional design for the similar type of turn-table in theory.
The following methods were used in this project: 1) Force situation of turn tables were analyzed in constructional design, and force variation and mass of turn-tables were calculated. The design and intensity of transmission gear were checked. Modeling and simulation were obtained using drawing software PRO/E; 2) The modeling were imputed into ANSYS and bearing force of turn-tables were analyzed. The results ensured that the deformation of turn-tables and their bearing force would meet the design requirements.
[Keywords]: Aerial work platform; Turn-tables; Constructional design; Finite element analysis; ANSYS
目 錄
第一章 緒 論 1
§1．1 引 言 1
§1．2 高空作業(yè)車的國內(nèi)外發(fā)展概況 1
1.2.1高空作業(yè)車的國外發(fā)展趨勢與動(dòng)向 2
1.2.2高空作業(yè)車國內(nèi)現(xiàn)狀、差距與如何提高的方法 3
§ 1.3 高空作業(yè)車的組成 5
1.3.1工作機(jī)構(gòu) 5
1.3.2金屬結(jié)構(gòu) 6
1.3.3動(dòng)力裝置 6
1.3.4控制系統(tǒng) 7
§ 1.4 本課題研究的意義 7
第二章 高空作業(yè)車的轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)分析 8
§2.1 高空作業(yè)車的轉(zhuǎn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
2.1.1轉(zhuǎn)臺(tái)的組成 8
§2-2 轉(zhuǎn)臺(tái)的受力分析 13
2.2.1轉(zhuǎn)臺(tái)的自重G 14
§2-3 上下臂的受力分析及計(jì)算 16
2.3.1上臂的受力分析 17
2.3.2下臂的受力分析 19
§2-4 回轉(zhuǎn)支承裝置的計(jì)算 21
2.4.1回轉(zhuǎn)支承裝置的計(jì)算載荷 21
2.4.2轉(zhuǎn)盤式回轉(zhuǎn)支承裝置的計(jì)算 22
2.4.3按承載能力曲線選取合適的回轉(zhuǎn)支承型號(hào) 22
2.4.4轉(zhuǎn)盤式回轉(zhuǎn)支承裝置的計(jì)算 24
2.4.5按承載能力曲線選取合適的回轉(zhuǎn)支承型號(hào) 24
§2.5 傳動(dòng)齒輪的計(jì)算 25
第三章 轉(zhuǎn)臺(tái)的有限元分析 28
§3.1 有限元方法的基礎(chǔ)知識(shí) 28
§3.2 有限元分析軟件ANSYS 30
§3.3 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的有限元分析 34
3.3.1 實(shí)體建模 34
3.3.2計(jì)算模型 34
3.3.3有限元模型 36
第4章 結(jié) 論 43
致 謝 44
參 考 文 獻(xiàn) 45
第一章 緒 論
§1．1 引 言
工程機(jī)械廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各部門，并且在整個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有十分重要的地位。解放以后，我國的機(jī)械工業(yè)在十分薄弱的基礎(chǔ)上，經(jīng)過近五十年的艱苦努力，從小到大，從修配到制造，從僅僅仿造一般機(jī)械產(chǎn)品到能制造大型、中型、精密設(shè)備，從制造單機(jī)到制造重大成套設(shè)備，逐步形成了一個(gè)門類比較齊全，具有較大規(guī)模，較先進(jìn)技術(shù)水平和成套水平不斷提高的工業(yè)體系。
80年代以來，工程機(jī)械發(fā)展速度快。其主要原因:一是我國在改革開放政策指引下，經(jīng)濟(jì)發(fā)展快，對工程機(jī)械的需要增多;二是從中央到地方給與發(fā)展的優(yōu)惠政策，增加資金注入，加以扶植;三是引進(jìn)國外多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，經(jīng)過消化吸收，產(chǎn)品技術(shù)水平提高;四是，企業(yè)經(jīng)過組織結(jié)構(gòu)調(diào)整，相互合作，并在競爭中促使相互提高。但是我國工程機(jī)械與國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比較以及與國內(nèi)建設(shè)要求相比還有不少差距，還有許多問題A待研究解決。隨著目前高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及其廣泛應(yīng)用，它帶動(dòng)了整個(gè)工業(yè)的發(fā)展，在機(jī)械行業(yè)更為引人注目，設(shè)計(jì)上的優(yōu)化等使機(jī)器向高精密化發(fā)展，帶來了一場新的變革。當(dāng)然一向以笨重著稱的大型工程機(jī)械，更有著廣闊的發(fā)展余地。
高空作業(yè)車作為一種大型的工程機(jī)械設(shè)備，日前廣泛應(yīng)用在船舶、建筑、市政建設(shè)、消防、港口貨運(yùn)等行業(yè)，是新興的技術(shù)產(chǎn)業(yè)，有著廣闊的發(fā)展前景。高空作業(yè)機(jī)械是在工程起重機(jī)械基礎(chǔ)上發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)，只有二十幾年的歷史。盡管我國在高空作業(yè)車設(shè)計(jì)制造上取得了一些成績，但是國內(nèi)生產(chǎn)制造的高空作業(yè)機(jī)械同國外同類型高空作業(yè)機(jī)械產(chǎn)品相比仍有一定差距，土要表現(xiàn)為技術(shù)含量低、大型的較少、結(jié)構(gòu)笨重、作業(yè)時(shí)微動(dòng)性能差等問題。
§1．2 高空作業(yè)車的國內(nèi)外發(fā)展概況
高空作業(yè)車的分類方式有好多種，按臂架的展開方式分類，有折疊式和伸縮式及混合式三種;按臂架的形狀分類有，直臂式和曲臂式;按驅(qū)動(dòng)方式分類，有自動(dòng)式、拖動(dòng)式和手動(dòng)式等等。
1.2.1高空作業(yè)車的國外發(fā)展趨勢與動(dòng)向
國外高空作業(yè)機(jī)械屬新興行業(yè)，是在工程起重機(jī)械基礎(chǔ)卜發(fā)展起來的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)，只有二十幾年的歷史。目前，專業(yè)生產(chǎn)高空作業(yè)機(jī)械的公司比較少。近年來，由于汽車起重機(jī)銷售量下降及市場平淡，一批汽車起重制造公司，相繼發(fā)展高空作業(yè)機(jī)械，但總計(jì)年產(chǎn)量仍不能滿足市場需求，正處于發(fā)展時(shí)期。[1]
1.2.1.1作業(yè)車的發(fā)展趨勢
國外高空作業(yè)機(jī)械，發(fā)展迅速，技術(shù)水平不斷提高。工業(yè)發(fā)達(dá)國家，一般都有專門的跨國公司和集團(tuán)主營和兼營高空作業(yè)機(jī)械，如美國GROVE公司(格魯夫)和GENIE(吉尼公司)、英國COLES公司、S I-MON公司(西蒙)、意大利RICO(利高)、芬蘭BRONTO公司(波浪濤公司)、日本的多田野和愛知株式會(huì)社等。高空作業(yè)機(jī)械的底盤分通用型和專用型，采用通用汽車底盤的高空作業(yè)機(jī)械，機(jī)動(dòng)靈活，能快速轉(zhuǎn)移，作業(yè)高度較高，采用專用底盤的高空作業(yè)機(jī)械，即自行式高空平臺(tái)車，適用于固定場所作業(yè)，具有微動(dòng)行駛，擴(kuò)大作業(yè)半徑等特點(diǎn)。
為了滿足實(shí)際工程的需要，高空作業(yè)車的作業(yè)高度越來越高，隨之作業(yè)半徑也越來越大。 操作越來越簡單可靠，自動(dòng)化程度不斷提高。如GENIE(吉尼公司)的自行式直臂式高空作業(yè)車、自行式曲臂式高空作業(yè)車、自行式剪型高空作業(yè)車。由于采用自動(dòng)化控制，高空作業(yè)車的微動(dòng)性能好，定位也來越來越準(zhǔn)確。但根據(jù)不同的工況條件，考慮到造價(jià)等原因，拖動(dòng)式和手動(dòng)式很有實(shí)用價(jià)值，目前在一些場所仍被廣泛使用。此類高空作業(yè)車有拖動(dòng)式曲臂高空作業(yè)車和手動(dòng)式物料升降機(jī)。
1.2.1.2作業(yè)車的發(fā)展動(dòng)向
高空作業(yè)車的發(fā)展主要?jiǎng)酉蚴菍?shí)現(xiàn)六化、三性，以提高高空作業(yè)機(jī)械的適用性。
六化:即液壓化、最優(yōu)化(采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))、輕量化(采用高強(qiáng)度材料減輕構(gòu)件重量)、機(jī)電液一體化(如安全保護(hù)、報(bào)警裝置等)、通用化、系列化。
三性：可靠性、安全性和舒適性。
各大公司產(chǎn)品技術(shù)水平、品種、數(shù)量、質(zhì)量均有較大發(fā)展和提高，競爭激烈，不斷向世界各地推銷，占領(lǐng)市場。
1.2.1.3新技術(shù)及其作用
為了滿足高層建筑的復(fù)雜情況，要求人們不斷改進(jìn)舉高車，以適應(yīng)施工、滅火等需要，以及舉高車制造公司間日趨激烈的競爭，促進(jìn)了舉高車技術(shù)的發(fā)展。
新技術(shù)的采用，使發(fā)達(dá)國家80年代的舉高車在性能和安全上有較大的提高，這主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：
(1)在公安消防上，提高救生和滅火能力。在80年代，發(fā)達(dá)國家通過改進(jìn)舉高消防車的臂架結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)，使其救人和滅火能力有了大幅度的提高。登高平臺(tái)消防車，70年代的最大工作高度是40m, 80年代后期，芬蘭波浪濤公司又推出67.5m的登高平臺(tái)消防車，而且這兩種車的登高平臺(tái)載重能力達(dá)450 kg，顯著地提高了救生能力。
(2)提高應(yīng)付不利環(huán)境的能力。在高層建筑火場上或在施工現(xiàn)場上，有時(shí)會(huì)遇到地面不平、場地狹窄等情況。如何在這些不利情況下使舉高車充分發(fā)揮救生和滅火能力或載人施工的能力，也是舉高車新技術(shù)開發(fā)的主要方向之一。在這方面比較突出的日本森田泵公司，在新一代云梯消防車上采用了電子計(jì)算機(jī)調(diào)平技術(shù)。
(3)提高安全性。如在80年代德國的馬基路斯、麥茨、森田和芬蘭的波浪濤公司等紛紛采用了靠電子計(jì)算機(jī)控制舉高消防車的支腿梯架的操作和顯示等技術(shù)，這種技術(shù)提高了云梯操作自動(dòng)化程度，從而避免了因操作人員的失誤而導(dǎo)致的危險(xiǎn)。
1.2.2高空作業(yè)車國內(nèi)現(xiàn)狀、差距與如何提高的方法
國內(nèi)高空作業(yè)機(jī)械發(fā)展剛剛起步，只有十幾年的發(fā)展歷史，雖然起步晚，由于高空作業(yè)機(jī)械制造企業(yè)的努力，已逐步走向穩(wěn)定的發(fā)展軌道。[2][3]
1.2.2.1現(xiàn)狀
從80年代開始撫順起重機(jī)總廠、武漢起重機(jī)廠、四川度巖機(jī)械廠、長江起重機(jī)有限責(zé)任公司、杭州園林機(jī)械廠、北京攀尼高空作業(yè)車有限公司、徐州重型機(jī)械廠等開始著手研制高空作業(yè)車和登高平臺(tái)消防車，投放市場。撫順市起重機(jī)總}一生產(chǎn)的CDZ32型登高平臺(tái)消防車已出口泰國。最近四川長江起重機(jī)有限責(zé)任公司，研制的QZC5120JGKS25型高空作業(yè)車是最近向推向市場的一種新產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段設(shè)計(jì)，填補(bǔ)了國內(nèi)25m伸縮臂式高空作業(yè)車的空白。
1.2.2.2差距
盡管我國在高空作業(yè)車設(shè)計(jì)制造上取得了一些成績，但是國內(nèi)生產(chǎn)制造的高空作業(yè)機(jī)械同國外同類型高空作業(yè)機(jī)械產(chǎn)品相比仍有一定差距，主要表現(xiàn)為技術(shù)含量低、大型的較少、結(jié)構(gòu)笨重、作業(yè)時(shí)微動(dòng)性能差等問題。在開發(fā)研制過程中，應(yīng)采取有效措施、試驗(yàn)研究，逐項(xiàng)加以解決，以縮小差距。
同時(shí)對目前存在的技術(shù)關(guān)鍵，有待于組織力量攻關(guān)解決，其關(guān)鍵是電液比例操縱、微動(dòng)性能問題，支腿調(diào)平技術(shù)問題，數(shù)顯微機(jī)自動(dòng)程序控制以及機(jī)電一體化問題等。
為了提高我國高空作業(yè)的生產(chǎn)水平，從目前的狀況來看應(yīng)首先從如下的幾個(gè)方面來進(jìn)行。
1).解決工程汽車底盤問題，這樣才可使高空作業(yè)車輕便、可靠，使用上既靈活又可承擔(dān)繁重的工作任務(wù)；
2).提高液壓元件的制造質(zhì)量，這樣就可以提高使用壽命和可靠性，相應(yīng)的也就提高了高空作業(yè)車的質(zhì)量；
3).改變高空作業(yè)車的生產(chǎn)方式，向規(guī)?；l(fā)展，這不但可保證質(zhì)量還可降低成 本；
4).要擴(kuò)大新型高空作業(yè)車的使用范圍，可刺激本行業(yè)的發(fā)展，并投入力量加強(qiáng)對新產(chǎn)品的開發(fā)；
5).應(yīng)用現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法和手段對現(xiàn)有的產(chǎn)品進(jìn)行改造。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)各企業(yè)高空作業(yè)機(jī)械的總產(chǎn)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求，供需矛盾突出，其表現(xiàn)：
船舶行業(yè)，當(dāng)前我國造船業(yè)發(fā)展迅猛，己逐步進(jìn)入了國際船舶市場。船舶產(chǎn)量從80年代初的30多萬，提高到現(xiàn)在的200多萬，約占世界船舶市場份額的6%。船舶的設(shè)計(jì)和建造，從建造萬噸級(jí)散貨船開始，發(fā)展到能建造六萬噸級(jí)巴拿馬型船舶和十五萬噸級(jí)大型油船。最近幾年，又開始建造高速集裝箱船、成品油船、液化氣船和自卸式散貨船等技術(shù)難度大、附加值高的船舶。隨著船舶行業(yè)的發(fā)展，大型船舶增多，造船和修船中越來越多的需要高空作業(yè)，因此高空作業(yè)車的應(yīng)用也是與日增加Usl。中國船舶系統(tǒng)，需要直臂式16-25m高空作業(yè)平臺(tái)大約80-100臺(tái)左右。
公安消防系統(tǒng)，隨著大中城市高層建筑增多，消防設(shè)施“滯后”，登高平臺(tái)消防車己屬緊迫需要。
我國百萬人口城市30個(gè)，以平均每個(gè)城市需要作業(yè)高度30-50 m大型登高平臺(tái)消防車4臺(tái)計(jì)算，需要量為120臺(tái)左右。全國幾十萬人口以上的城市近500個(gè)，以平均每個(gè)城市擁有1620 m中型登高平臺(tái)消防車2臺(tái)計(jì)算，需要量為1000臺(tái)左右。
全國大型油田、煉油廠、大型儲(chǔ)油庫系統(tǒng)，對大型登高平臺(tái)消防車的需要量約70臺(tái)左右。
城鄉(xiāng)電業(yè)部門。電站、變電所、各種低壓輸電線路的建設(shè)維修帶電作業(yè)迫切需要有絕緣性能的高空作業(yè)車，預(yù)計(jì)電力部門需要各類絕緣高空作業(yè)車(12 m -3 0 m)大約200臺(tái)左右。
城市路燈園林部門。需要6 --16m中小型高空作業(yè)車大約1000臺(tái)左右。
國防軍工系統(tǒng)。對20 -40m越野高空作業(yè)車需求量也較大，主要用于用于航天、導(dǎo)彈發(fā)射等。
綜上所述，在目前的高空作業(yè)車的生產(chǎn)水平上，改進(jìn)高空作業(yè)車的工作性能，開發(fā)研制機(jī)動(dòng)靈活、技術(shù)含量高安全、可靠的高空作業(yè)機(jī)械具有重大的意義。
§ 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)，需要工作機(jī)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置與控制系統(tǒng)四部分。這四個(gè)部分的組成及其作用分述如下：[4][5]
1.3.1工作機(jī)構(gòu)
工作機(jī)構(gòu)是為實(shí)現(xiàn)高空作業(yè)車不同的運(yùn)動(dòng)要求而設(shè)置的。高空作業(yè)車一般設(shè)有變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平衡機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)。依靠變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)載人工作斗在兩個(gè)水平和垂直方向的移動(dòng)；依靠平衡機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作斗和水平面之間的夾角保持不變，依靠行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移工作場所。
高空作業(yè)車變幅是指改變工作斗到回轉(zhuǎn)中心軸線之間的距離，這個(gè)距離稱為幅度。變幅機(jī)構(gòu)擴(kuò)大了高空車的作業(yè)范圍，由垂直上下的直線作業(yè)范圍擴(kuò)大為一個(gè)面的作業(yè)范圍。高空作業(yè)車變幅機(jī)構(gòu)一般采用液壓油缸變幅。
高空作業(yè)車的一部分（一般指上車部分或回轉(zhuǎn)部分）相對于另一部分（一般指下車部分或非回轉(zhuǎn)部分）做相對的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱為回轉(zhuǎn)。為實(shí)現(xiàn)高空作業(yè)車的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而設(shè)置的機(jī)構(gòu)稱為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。它是由液壓馬達(dá)經(jīng)減速器將動(dòng)力傳遞到回轉(zhuǎn)小齒輪上，小齒輪既作自轉(zhuǎn)又作沿著固定在底架上的回轉(zhuǎn)支承大齒圈公轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)整個(gè)上車部分回轉(zhuǎn)。有了回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使高空作業(yè)車從面作業(yè)范圍又?jǐn)U大為一定空間的作業(yè)范圍。
高空作業(yè)車在工作臂起伏時(shí)，工作斗與水平面夾角必須保持相對穩(wěn)定，才能保證工作人員正常工作。平衡機(jī)構(gòu)就是為了實(shí)現(xiàn)這一功能。對于伸縮臂或混合臂型式的高空作業(yè)車，通常有自重平衡、液壓伺服缸平衡、電液平衡幾種方式。
高空作業(yè)車的行走機(jī)構(gòu)就是通用或?qū)Ｓ闷嚨妆P。
1.3.2金屬結(jié)構(gòu)
工作臂、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、副車架（車架大梁，門架、支腿等）金屬結(jié)構(gòu)是高空作業(yè)車的重要組成部分。高空作業(yè)車的各工作機(jī)構(gòu)的零部件都是安裝或支承在這些金屬結(jié)構(gòu)上的。金屬結(jié)構(gòu)是高空作業(yè)車的骨架。它承受高空作業(yè)車的自重以及作業(yè)時(shí)的各種外載荷。
組成高空作業(yè)車金屬結(jié)構(gòu)的構(gòu)件較多，其重量通常占整機(jī)重量的一半以上，耗鋼量大。因此，高空作業(yè)車金屬結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，對減輕高空作業(yè)車自重，提高作業(yè)性能，節(jié)約鋼材，提高高空車的可靠性都有重要意義。
1.3.3動(dòng)力裝置
動(dòng)力裝置是高空作業(yè)車的動(dòng)力源。由于高空作業(yè)車采用汽車底盤作為行走機(jī)構(gòu)，通常不再另外設(shè)置動(dòng)力源，而是直接采用汽車底盤發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車的動(dòng)力源。高空作業(yè)裝置需要的功率不大，一般約 10~20kw，而載重汽車底盤發(fā)動(dòng)機(jī)的功率根據(jù)載重量不同從 50kw 一直到 150kw 以上，且高空作業(yè)裝置工作時(shí)不允許底盤行駛，因此底盤發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力足以保證高空作業(yè)裝置工作。因?yàn)楦呖兆鳂I(yè)裝置需要功率不大，通常高空作業(yè)車采用變速箱取力方式，通過安裝在底盤變速箱側(cè)面的取力器取出發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)液壓油泵向高空作業(yè)裝置供油。取力系統(tǒng)中還設(shè)置控制裝置，在底盤行駛時(shí)，取力器沒有輸出，液壓油泵不工作，需要進(jìn)行高空作業(yè)時(shí)，取力器輸出，油泵工作。
1.3.4控制系統(tǒng)
高空作業(yè)車控制系統(tǒng)是解決各機(jī)構(gòu)怎樣運(yùn)動(dòng)的問題。如動(dòng)力傳遞的方向，各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的快慢，以及使機(jī)構(gòu)啟動(dòng)停止等。控制系統(tǒng)包括操縱裝置、執(zhí)行元件和安全裝置。當(dāng)今的高空作業(yè)車全部采用電氣液壓操縱，因此控制裝置包括各種液壓操作閥，電控裝置等，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的起動(dòng)、調(diào)速、換向、制動(dòng)和停止。執(zhí)行元件包括變幅用的液壓油缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、油泵等，用來推動(dòng)結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。安全裝置包括各種傳感器、行程開關(guān)、報(bào)警器、液壓鎖止閥，用來檢測危險(xiǎn)工況保證工作安全。
§ 1.4 本課題研究的意義
高空作業(yè)車作為一種工程機(jī)械設(shè)備，目前廣泛應(yīng)用在船舶、建筑、市政建設(shè)、消防、港口等行業(yè)，有著廣闊的發(fā)展前景。
本課題以徐州海倫哲工程機(jī)械有限公司研制開發(fā) “GKZ14型高空作業(yè)車” 為研究對象，對該車上的重要結(jié)構(gòu)----回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析。
高空作業(yè)車轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)、回轉(zhuǎn)減速器及回轉(zhuǎn)發(fā)小齒輪、回轉(zhuǎn)支承等組成。進(jìn)行回轉(zhuǎn)時(shí)，液壓馬達(dá)輸出動(dòng)力，通過回轉(zhuǎn)減速器減速后帶動(dòng)輸出軸上的小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的齒圈嚙合，由于回轉(zhuǎn)支承的齒圈與車架剛性連接，因而回轉(zhuǎn)減速器帶動(dòng)與之相連的轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺(tái)是高空作業(yè)車的主要承載構(gòu)件之一，構(gòu)造及受力復(fù)雜。轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)對高空作業(yè)小車在工作時(shí)有著極為重要的作用。
轉(zhuǎn)臺(tái)傳統(tǒng)的手工計(jì)算方法，通常是將轉(zhuǎn)臺(tái)底板作為固定，臂鉸點(diǎn)軸孔受力的一個(gè)簡支懸臂梁來計(jì)算。一般取幾個(gè)截面來計(jì)算其強(qiáng)度、剛度，計(jì)算復(fù)雜，且未考慮變幅集中力等載荷的影響，誤差大，難以反映轉(zhuǎn)臺(tái)真正的受力狀況。隨著有限元理論的不斷完善和有限元軟件功能的不斷提高，有限元法在工程實(shí)踐得到越來越廣泛的應(yīng)用。以有限元方法為工具對轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度有限元分析，其分析結(jié)果對產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
第二章 高空作業(yè)車的轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)分析
§2.1 高空作業(yè)車的轉(zhuǎn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
回轉(zhuǎn)平臺(tái)，俗稱為轉(zhuǎn)臺(tái)，它是構(gòu)成輪式全回轉(zhuǎn)起重機(jī)的三大承載結(jié)構(gòu)件之一。常見的轉(zhuǎn)臺(tái)形式有:框架式、單板加肋式、單墻大箱式、箱形立板式和箱形積木式等。轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)為高空作業(yè)車組成的重要組成部分,屬于金屬結(jié)構(gòu)部分在設(shè)計(jì)的過程中要綜合考慮轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)大小、轉(zhuǎn)臺(tái)的選材、以及轉(zhuǎn)臺(tái)受到的力的大小。
2.1.1轉(zhuǎn)臺(tái)的組成
轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)主要有：底板、轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)支承、傳動(dòng)齒輪、以及轉(zhuǎn)臺(tái)組成。
一 底板：不論轉(zhuǎn)臺(tái)采用何種結(jié)構(gòu)，都必須具有很大的整體剛度，以保證它所承受的載荷能有效的傳遞，起重機(jī)可以平穩(wěn)地工作。而轉(zhuǎn)臺(tái)底板的平面剛度則對保證回轉(zhuǎn)支承的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活及轉(zhuǎn)臺(tái)整體剛度起著至關(guān)重要的作用。在高空作業(yè)小車中底板放在固定轉(zhuǎn)塔上。在此不做詳細(xì)的介紹一般均采用圓盤型結(jié)構(gòu)。如下圖：
圖2-1 轉(zhuǎn)臺(tái)的底板
轉(zhuǎn)盤的大小通常根據(jù)設(shè)計(jì)者對轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)的尺寸來確定，根據(jù)不同型號(hào)的作業(yè)小車所需要的不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)臺(tái)來設(shè)計(jì)底板的大小[6][7]。
二 轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)支承：轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)支承屬于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)支承裝置和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置兩部分組成。前者將起重機(jī)的回轉(zhuǎn)部分支持在固定部分上，后者驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)部分相對于固定部分回轉(zhuǎn)。[8]
回轉(zhuǎn)支承裝置簡稱回轉(zhuǎn)支承，主要分為柱式和轉(zhuǎn)盤式兩大類，根據(jù)不同的使用要求各
種回轉(zhuǎn)支承的特點(diǎn)以及制造廠的加工條件等合理地選定?；剞D(zhuǎn)支承保證作業(yè)車回轉(zhuǎn)部分有確定的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并承受作業(yè)車回轉(zhuǎn)部分作用于它的垂直力、水平力和傾覆力矩。
1 柱式回轉(zhuǎn)支承裝置
(1)定柱式回轉(zhuǎn)支承裝置
定柱式回轉(zhuǎn)支承裝置結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，起重機(jī)回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，自重和驅(qū)動(dòng)功率較小，能使起重機(jī)的重心降低。
(2)轉(zhuǎn)柱式回轉(zhuǎn)支承裝置
轉(zhuǎn)柱式回轉(zhuǎn)支承裝置結(jié)構(gòu)簡單，制遣方便。適用于起升高度和工作幅度較大而起重機(jī)的高度尺寸沒有嚴(yán)格限制的起重機(jī)(如塔式、門座起重機(jī))。
2 轉(zhuǎn)盤式回轉(zhuǎn)支承裝置
現(xiàn)代轉(zhuǎn)盤式回轉(zhuǎn)支承裝置主要有滾子夾套式和滾動(dòng)軸承式(過去中小噸位起重機(jī)上使用的滾輪式回轉(zhuǎn)支承已由滾動(dòng)軸承式取代)。
(1)滾子夾套式回轉(zhuǎn)支承裝置(圖2一2)
圖 2-2 滾子夾套式回轉(zhuǎn)支承裝置
1—轉(zhuǎn)盤 ；2—轉(zhuǎn)動(dòng)軌道；3一中心軸樞；
4一固定軌道;5一拉桿;6—滾子7一反抓滾子
它由許多圓錐或圓柱形滾子裝在上下兩個(gè)環(huán)形軌道之間.固結(jié)在轉(zhuǎn)臺(tái)底面的軌道通常在受力大的前后方制成兩段圓弧形。
圓錐滾子用于軌道直徑較小的情況，可以避免附加的摩擦阻力與磨損。由于圓錐形滾子產(chǎn)生軸向力，因此滾子裝在由許多拉桿構(gòu)成的保持架上。
在軌道直徑較大的情況下，可以采用圓柱形滾子。圓柱形滾子可制成單輪緣或雙輪緣裝在由槽鋼制成的保持架上。這種保持架應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度和剛度。滾子夾套式回轉(zhuǎn)支承裝置已逐漸被滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承裝置所取代。
(2) 滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承裝置(圖2—3——2—6)
圖2-3 單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承
圖2-4 雙排式回轉(zhuǎn)球軸承
圖2-5 單排交叉鑲柱式回轉(zhuǎn)支承
圖2-6 三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承
圖2-3它由兩個(gè)座圈組成，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、高度尺寸小。內(nèi)外座圈上的滾道是兩個(gè)對稱的圓弧面，鋼球與圓弧面滾道四點(diǎn)接觸，能同時(shí)承受軸向、徑向力和覆復(fù)力矩。適用子中小型起重機(jī)。
圖2-4它有二個(gè)座圈，采用開式裝配，鋼球和隔離塊可直接排入上下滾道，上下兩排鋼球采用不同直徑以適應(yīng)受力狀況的差異。滾道接觸壓力角較大(60度—90度)，因此能承受很大的軸向載荷和傾覆力矩。適用于中型塔式起重機(jī).汽車起重機(jī)。
圖2-5它由兩個(gè)座圈組成，滾柱軸線1：1交叉排列，接觸壓力角為45度,由于滾柱與滾道間是線接觸，所以承載能力高于單排鋼球式。這種回轉(zhuǎn)支承制造精度高。裝配間隙小，安裝精度要求較高，適用于中小型起重機(jī)。
圖2-6它由三個(gè)座圈組成，上下及徑向滾道各自分開。上下兩排滾柱水平平行排列，承受軸向載荷和傾覆力矩，徑向滾道垂直排列的滾珠承受徑向載荷，是常用四種形式的回轉(zhuǎn)支承中承載能力最大的一種，適用于回轉(zhuǎn)支承直徑較大的大噸位起重機(jī)。
在本設(shè)計(jì)中采用的轉(zhuǎn)臺(tái)輔助支承是單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承，其與上部轉(zhuǎn)臺(tái)的底板的連接方式如下圖：
圖2-7 轉(zhuǎn)臺(tái)與支撐的聯(lián)結(jié)
采用此種支承的主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、高度尺寸小且能同時(shí)承受軸向、徑向力和復(fù)合力矩適用于中小型起重機(jī)。
由上圖可以看出轉(zhuǎn)臺(tái)的 底板與下部的回轉(zhuǎn)支承之間采用的是螺栓連接。當(dāng)液壓馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)傳動(dòng)軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這時(shí)傳動(dòng)齒輪與傳動(dòng)軸之間也用了幾個(gè)小螺釘連接，將動(dòng)力傳給了傳動(dòng)齒輪，傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承上的齒輪，支承上的齒輪的外圈與上部轉(zhuǎn)臺(tái)底板用了6個(gè)螺栓聯(lián)結(jié)將動(dòng)力傳給了轉(zhuǎn)臺(tái)，而齒輪的內(nèi)圈上則用螺釘與底盤連接固定。
三 傳動(dòng)齒輪：在起重機(jī)機(jī)構(gòu)中應(yīng)用最多的是齒輪傳動(dòng)，蝸桿傳動(dòng)使用較少，鏈傳動(dòng)只在個(gè)別情況下使用。 齒輪傳動(dòng)分開式傳動(dòng)和閉式傳動(dòng)，電動(dòng)起重機(jī)的所有機(jī)構(gòu)都采用閉式齒輪傳動(dòng)(減速器)，開式齒輪傳動(dòng)只在特殊情況下使用(如回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的布置，要求末級(jí)傳動(dòng)為開式齒輪傳動(dòng)，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)無合適的減速器可供選用)。使用開式齒輪傳動(dòng)時(shí)，齒輪圓周速度一般不超過1 .5 m/s。[8]
齒輪傳動(dòng)還有定軸傳動(dòng)(或普通齒輪傳動(dòng)，齒輪的幾何軸線固定不動(dòng))和行星傳動(dòng)〔齒輪的幾何軸線可動(dòng)〕之分。
平行軸傳動(dòng)多采用圓柱直齒或斜齒輪:相交軸傳動(dòng)多采用錐齒輪或蝸桿傳動(dòng);兩軸不平行不相交時(shí)，可采用雙曲面齒輪、蝸桿傳動(dòng)、交錯(cuò)軸斜齒輪和曲線錐齒輪傳動(dòng)等。
在齒輪傳動(dòng)中，如果從動(dòng)齒輪直徑很大(一般大于3 m),或者從動(dòng)部分為大模數(shù)齒條(模數(shù)大于16mm)，齒輪圓周速度又在0. 6 m/s以下，為了簡化制造，可使用針輪柱銷傳動(dòng)。門座起重機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)有時(shí)采用針輪柱銷傳動(dòng)。
鏈條傳動(dòng)只用子傳動(dòng)距離較大、不便于采用齒輪傳動(dòng)的場合(如某些門式起重機(jī)的大車運(yùn)行機(jī)構(gòu))。
在本次設(shè)計(jì)的過程中傳動(dòng)齒輪與固節(jié)在轉(zhuǎn)臺(tái)支承的齒輪是開式傳動(dòng)，采用的是外嚙合由小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)外嚙合齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于外嚙合齒輪和轉(zhuǎn)臺(tái)之間是用螺栓聯(lián)結(jié)從而來帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，最后帶動(dòng)桿臂工作。所以這里的傳動(dòng)齒輪起著重要的作用，通過傳動(dòng)齒輪才能把動(dòng)力傳給轉(zhuǎn)臺(tái)，來控制臂工作的時(shí)候所需要的條件。
四 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)[9][10]
（方案1）
轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的主要作用是連接下部傳動(dòng)齒輪與桿件，也也是此次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)采用前后兩個(gè)高強(qiáng)板，在前后高強(qiáng)板上再加上加強(qiáng)筋形成倒π型結(jié)構(gòu)，底部采用圓盤形結(jié)構(gòu)。如下圖2-8
圖2-8 轉(zhuǎn)臺(tái)的外部結(jié)構(gòu)圖1
由圖可以看出轉(zhuǎn)臺(tái)上圓孔主要用于裝下臂的銷軸，下圓孔用來裝升縮缸的銷軸。上下蓋板及兩側(cè)與高強(qiáng)板構(gòu)成了箱形結(jié)構(gòu)，在外側(cè)加了兩個(gè)加強(qiáng)筋以提高強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。在本圖中沒有涉及到底板與回轉(zhuǎn)支承的連接。兩個(gè)加強(qiáng)筋均采用的是三棱形，又省材，體積和重量均比較小。前后加強(qiáng)筋的在中間位置開有小孔，主要是省材和減輕重量，來減小轉(zhuǎn)臺(tái)支承承受的重量。
（方案2）
轉(zhuǎn)臺(tái)同樣采用前后兩個(gè)高強(qiáng)板，在前后高強(qiáng)板之間采用再加上加強(qiáng)筋形成倒π型結(jié)構(gòu)，底部采用方板形結(jié)構(gòu)。如下圖2-9
圖2-9 轉(zhuǎn)臺(tái)的外部結(jié)構(gòu)2
§2-2 轉(zhuǎn)臺(tái)的受力分析
轉(zhuǎn)臺(tái)受到的力是我次此設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)部分，所以我們應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注受力分析。高空作業(yè)小車轉(zhuǎn)臺(tái)作為一個(gè)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)體系受到的力包括拉力、壓力及扭矩的組合作用。 圖2-10 轉(zhuǎn)臺(tái)的受力圖
在轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)上受到裝下臂銷孔的的鉸支座的正交力F2x和F2y,和裝伸縮缸受到的力F6，以及轉(zhuǎn)臺(tái)的自重G。由于可以通過計(jì)算材料能夠得到，而其他的力均是未知必須通過上下臂的受力來進(jìn)行計(jì)算。
2.2.1轉(zhuǎn)臺(tái)的自重G
（方案1）
根據(jù)所給的尺寸及重要參數(shù)來計(jì)算轉(zhuǎn)臺(tái)的自重，由于轉(zhuǎn)臺(tái)前后高強(qiáng)板的厚度為20mm
1 前后板的自重計(jì)算
已知：長=500mm；寬=600mm；厚=20mm；ρ=7850kg/m3查手冊可得采用45#鋼
(采用四棱柱的體積)
（截去右邊的空缺部分）
（連接下臂的孔）
現(xiàn)在知道了前板的體積了根據(jù)密度來求出質(zhì)量 m
m=ρV= kg
(一塊前板的重) 注：g=9.8m/s2
前后兩塊的重量為583N，則到此前后兩高強(qiáng)板的重量已經(jīng)算出了。那么接下來要計(jì)算的是三塊加強(qiáng)筋的重量。
2 前后加強(qiáng)筋的自重的計(jì)算
采用的為三角形的肋板則可以算出三棱形的體積，從而來近一步計(jì)算出加強(qiáng)筋的自重
已知：底=140mm； 高=400mm；厚=150mm;
（三棱柱的體積）
三棱柱也才用的材料為45#剛，在此說明本轉(zhuǎn)臺(tái)的材料均采用的是45#鋼則密度均為7850kg/m3 則
由于前后加強(qiáng)肋板在中間位置開有小孔來減輕重量，所以在此也應(yīng)該把小孔的重量算出來，這樣算出來的重量才相對精確。
根據(jù)上述說明：
已知：小孔的直徑為100mm，柱高為100mm時(shí);
前后加強(qiáng)肋板的重量為
3 左側(cè)板的自重
已知：長=360mm；寬=400mm；厚=20mm
挖去的小圓柱體：
則左側(cè)的板的自重為：
4 右側(cè)板材的自重
已知：長=360mm；寬=100mm；厚=20mm；
5 底板的自重
已知：底板采用圓盤形時(shí)D=760mm;H=20 mm
綜合上述計(jì)算可得整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)部分的自重
（方案2）
根據(jù)所給的尺寸及重要參數(shù)來計(jì)算轉(zhuǎn)臺(tái)的自重，由于轉(zhuǎn)臺(tái)前后高強(qiáng)板的厚度為20mm
1 前后板的自重計(jì)算
由于方案2和方案1中的前后板采用的是相同的結(jié)構(gòu)所以自重和方案1相等
前后兩塊的重量為583N。
2 中間加強(qiáng)筋的自重的計(jì)算
采用的為三角形的肋板則可以算出三棱形的體積，從而來近一步計(jì)算出加強(qiáng)筋的自重
已知：底=140mm； 高=400mm；厚=100mm;
（三棱柱的體積）
三棱柱也才用的材料為45#剛，在此說明本轉(zhuǎn)臺(tái)的材料均采用的是45#鋼則密度均為7850kg/m3 則
由于前后加強(qiáng)肋板在中間位置開有小孔來減輕重量，所以在此也應(yīng)該把小孔的重量算出來，這樣算出來的重量才相對精確。
前后加強(qiáng)肋板的重量為
3 左側(cè)板的自重
左側(cè)板和方案1的結(jié)構(gòu)是一樣的則自重相等。
則左側(cè)的板的自重為：
4 右側(cè)板材的自重
同方案1則自重為：
5 底板的自重
已知：底板采用方形時(shí)長500 mm；寬400 mm;H=20 mm
綜合上述計(jì)算可得整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)部分的自重
§2-3 上下臂的受力分析及計(jì)算
由于轉(zhuǎn)臺(tái)上的三個(gè)力是未知的必須通過上下桿臂的受力分析才能夠計(jì)算出下部的力的大喜哦所以在此有必要對上下臂進(jìn)行受力分析。在分析的過程中可以采用整體式力的分析也可以采用分離式，在此選擇了后者。整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)與桿件之間有聯(lián)系的受力情況如下圖所式：
圖2-11 上下臂的受力圖
由圖上可以看出上下臂的受力情況,由于圖上桿件的尺寸以給出那下面將分別介紹上下力臂的受力情況.
2.3.1上臂的受力分析
單獨(dú)把上臂拿出來進(jìn)行受力分析由圖可知上臂一共受到5個(gè)力的作用分別是外作用里Q、桿件1的自重G1、鉸支點(diǎn)6受到的力F4，以及鉸支點(diǎn)5受到的正交二分力、 圖2-12 上臂的受力分析
根據(jù)設(shè)計(jì)要求高空作業(yè)小車的平臺(tái)的承載能力為
則高空作業(yè)小車平臺(tái)受到的力為
由于上臂采用的是方鋼機(jī)構(gòu)且截面積尺寸也是已知如下圖：
圖2-13 方鋼截面
由上圖可以得到上臂的自重 其計(jì)算過程如下：
方鋼的截面積
上臂的體積
上臂的自重
下面對上臂的受力進(jìn)行分析尺寸圖形如下：
圖2-14 上臂受力尺寸
下面進(jìn)行受力分析的計(jì)算：
（方向與圖示方向相反）
2.3.2下臂的受力分析
下臂的受力情況及相應(yīng)的尺寸見下圖：
圖2-15 下臂的受力及相關(guān)尺寸
根據(jù)本圖要求解F2Y、F2X、F6還是具有一定的難度，必須把下臂與轉(zhuǎn)臺(tái)之間的連接部分相應(yīng)的畫出來，才能把以上三個(gè)未只量求解出來，所以就必須附加相應(yīng)的圖形具體如下所示：
在本圖三角形中500的長度是根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)兩銷孔之間的距離進(jìn)行運(yùn)算得到的，在此做一下說明，而圖中的各個(gè)角度不代表其真實(shí)性只是用來示意:
圖2-16 桿的受力圖
已知：
根據(jù)已知條件可算出未知力的大小，由于下臂和上臂一樣都是同樣采用的方鋼結(jié)構(gòu)以及45#鋼由此可得到下臂的自重：
；
；
將往X軸和Y軸上投影可得知其夾角為20
；
§2-4 回轉(zhuǎn)支承裝置的計(jì)算
在本章的第一節(jié)中講到轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)時(shí)候提到過回轉(zhuǎn)支撐的概念以及相應(yīng)的類型在本章節(jié)中將會(huì)著重介紹回轉(zhuǎn)支承的的選用以及相應(yīng)的計(jì)算。
2.4.1回轉(zhuǎn)支承裝置的計(jì)算載荷
在高空作業(yè)小車中轉(zhuǎn)臺(tái)的工作情況一般可餓分為一下四種分別是[8]：
載荷工況A為起重機(jī)靜載試驗(yàn)工況，通常按此工況計(jì)算回轉(zhuǎn)支承裝置的靜容量。
載荷工況B為起重機(jī)在最小幅度起吊最大起重量G的作業(yè)工況，承受工作狀態(tài)下的最大風(fēng)載荷,鋼絲繩偏斜角為。
載荷工況C為起重機(jī)在最大幅度起吊格應(yīng)的額定起重量Q的作業(yè)工況(可能等于Q，也可能小于Q，視起重機(jī)類型及起重性能而定)。
載荷工況D為起重機(jī)在非工作狀態(tài)時(shí)承受非工作狀態(tài)最大風(fēng)壓R產(chǎn)生的風(fēng)載荷,風(fēng)向按不利于回轉(zhuǎn)支承裝置受載的方向洗取。如下表2-4-1所示：
（方案1）
1 總軸向力
工況A：
工況B； =
工況C： =
工況D：
2 總徑向力
3 總力矩
2.4.2轉(zhuǎn)盤式回轉(zhuǎn)支承裝置的計(jì)算
1 作用在回轉(zhuǎn)支承上的載荷：
主要工作條件：進(jìn)行高空作業(yè)。
2 確定回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)形式：采用單排四點(diǎn)式。
3 計(jì)算回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量載荷：
2.4.3按承載能力曲線選取合適的回轉(zhuǎn)支承型號(hào)
根據(jù)設(shè)計(jì)可知：
不同工況下的回轉(zhuǎn)支承受到的力也是不一樣的。
1 考慮八級(jí)風(fēng)力時(shí)的最大工作載荷
=-9453
2 不計(jì)風(fēng)力、考慮實(shí)驗(yàn)載荷的最大工作載荷
=
=-11263
3 不計(jì)風(fēng)力最大工作載荷
（工況1為動(dòng)態(tài)容量計(jì)算載荷，工況2為靜態(tài)容量計(jì)算載荷）回轉(zhuǎn)支承考慮采用單排四點(diǎn)式（01）系列。
工況參數(shù)和餓載荷換算系數(shù)如下：
回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量載荷為
靜態(tài)：
動(dòng)態(tài)：
螺栓計(jì)算載荷：
（方案2）
1 總軸向力
工況A：
工況B； =
工況C： =
工況D：
2 總徑向力
3 總力矩
2.4.4轉(zhuǎn)盤式回轉(zhuǎn)支承裝置的計(jì)算
1 作用在回轉(zhuǎn)支承上的載荷：
主要工作條件：進(jìn)行高空作業(yè)
2 確定回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)形式：采用單排四點(diǎn)式。
3 計(jì)算回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量載荷
2.4.5按承載能力曲線選取合適的回轉(zhuǎn)支承型號(hào)
根據(jù)設(shè)計(jì)可知：
不同工況下的回轉(zhuǎn)支承受到的力也是不一樣的
1 考慮八級(jí)風(fēng)力時(shí)的最大工作載荷
=-9453
2 不計(jì)風(fēng)力、考慮實(shí)驗(yàn)載荷的最大工作載荷
=
=-11263
3 不計(jì)風(fēng)力最大工作載荷
（工況1為動(dòng)態(tài)容量計(jì)算載荷，工況2為靜態(tài)容量計(jì)算載荷）回轉(zhuǎn)支承考慮采用單排四點(diǎn)式（01）系列,基本號(hào)為（010.20.224）如下圖2-17：
圖2-17 回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)圖
工況參數(shù)和餓載荷換算系數(shù)如下：
4 回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量載荷為
靜態(tài)：
動(dòng)態(tài)：
螺栓計(jì)算載荷：
§2.5 傳動(dòng)齒輪的計(jì)算
齒輪傳動(dòng)是現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用最廣的一種傳動(dòng)形式。其主要的優(yōu)點(diǎn)是：傳動(dòng)準(zhǔn)確可靠，可傳遞空間兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力；適用的功率和速度范圍廣；傳動(dòng)效率高；工作可靠壽命長；外廓尺寸小結(jié)構(gòu)緊湊。齒輪傳動(dòng)的主要形式有外嚙合和內(nèi)嚙合傳動(dòng)。
在高空作業(yè)小車轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)臺(tái)若想能進(jìn)行工作，必須要通過傳動(dòng)齒輪將下部連接的液壓馬達(dá)的輸出功率傳給轉(zhuǎn)臺(tái)。轉(zhuǎn)臺(tái)才可以帶動(dòng)作業(yè)臂正常起升及轉(zhuǎn)向。
故齒輪的計(jì)算是轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)中的重要部分不可缺少，在此設(shè)計(jì)者將對下部傳動(dòng)齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)所采用的傳動(dòng)形式為外嚙合傳動(dòng)。
由外嚙合之后將所得的動(dòng)力通過螺栓的聯(lián)結(jié)傳給上部轉(zhuǎn)臺(tái)的底板，來帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。[11]
根據(jù)液壓馬達(dá)的輸出可知：馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩：T=7350 ；馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速為：；選轉(zhuǎn)速為10r/min，由轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)條件可知轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速為2 r/min，故將齒數(shù)比選擇為。
由已知條件可得：
1 選擇齒輪材料
因載荷平穩(wěn)，傳遞的轉(zhuǎn)矩較小，小齒輪選鋼，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度為，大齒輪采用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度為220HBS。表2-5-1
表2-5-1
2 選擇齒輪齒數(shù)和齒寬系數(shù)
初定齒數(shù)為：齒寬系數(shù)
3 確定輪齒的許用應(yīng)力
根據(jù)兩齒輪的齒面強(qiáng)度，由下圖可得兩輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度極限和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度極限分別為：
圖2-18 接觸疲勞強(qiáng)度極限
圖2-19 彎曲疲勞強(qiáng)度極限
查相關(guān)手冊可得安全系數(shù)：有
4． 齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
（1） 小齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩為液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩是馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩：T=7350
（2） 根據(jù)齒輪傳動(dòng)條件得載荷系數(shù)K=1.1 查相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[8]
（3） 確定小齒輪的直徑 （取為60）
5． 確定模數(shù)和齒寬
模數(shù)： 查下表有模數(shù)為3的固選擇的正確
表2-5-2 齒輪的模數(shù)
則
齒寬：
6．驗(yàn)算齒根的彎曲強(qiáng)度
由設(shè)計(jì)手冊可得： 齒形系數(shù)
應(yīng)力校正系數(shù)
由計(jì)算可得兩齒輪的輪齒的彎曲強(qiáng)度足夠。
7． 輪傳動(dòng)的幾何尺寸
兩輪分度圓直徑：
兩輪的中心距：
兩輪的齒寬： (按所選型號(hào)取為60)
其他尺寸略。
第三章 轉(zhuǎn)臺(tái)的有限元分析
§3.1 有限元方法的基礎(chǔ)知識(shí)
有限元法(或稱有限單元法)是在當(dāng)今工程分析中獲得最廣泛應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技術(shù)界的高度重視。伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)已成為計(jì)算機(jī)輔助工程和數(shù)值仿真的重要組成部分。在工程或物理問題的數(shù)學(xué)模型(基本變量、基本方程、求解域和邊界條件等)確定以后，有限元法作為對其進(jìn)行分析的數(shù)值計(jì)算方法的要點(diǎn)可歸納如下[12]:
1.將一個(gè)表示結(jié)構(gòu)或連續(xù)體的求解域離散為若千個(gè)子域(單元)，并通過它們邊界上的結(jié)點(diǎn)相互聯(lián)結(jié)成為組合體。
2.用每個(gè)單元內(nèi)所假設(shè)的近似函數(shù)來分片地表示全求解域內(nèi)待求的未知變量。而每個(gè)單元內(nèi)的近似函數(shù)由未知場函數(shù)(或及其導(dǎo)數(shù))在單元各個(gè)結(jié)點(diǎn)上的數(shù)值和與其對應(yīng)的插值函數(shù)來表達(dá)(此表達(dá)式通常表示為矩陣形式)。由于在聯(lián)結(jié)相鄰單元的結(jié)點(diǎn)上，場函數(shù)應(yīng)具有相同的數(shù)值，因而將它們用作數(shù)值求解的基本未知量。這樣一來，求解原來待求函數(shù)的無窮多自由度問題轉(zhuǎn)換為求解場函數(shù)結(jié)點(diǎn)值的有限自由度問題。
3.通過和原問題數(shù)學(xué)模型(基本方程、邊界條件)等效的變分原理或加權(quán)余量法，建立求解基本未知量(場函數(shù)的結(jié)點(diǎn)值)的代數(shù)方程組或常微分方程組。此方程組稱為有限元求解方程，并表示成規(guī)范化的矩陣形式。接著用數(shù)值方法求解此方程，從而得到問題的解答。
從有限元法的上述要點(diǎn)可以得到有限元法的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
（1）對于復(fù)雜幾何構(gòu)形具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，由于單元在空間可以是一維、二維或三維的，而且每一種單元可以有不同的形狀，同時(shí)各種單元之間可以采用不同的聯(lián)結(jié)方式，因此工程中遇到的非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或構(gòu)造都可能離散為由單元組合體表示的有限元模型；
（2）對于各種物理問題的可應(yīng)用性，由于用單元內(nèi)近似函數(shù)分片地表示全求解域的未知場函數(shù)，并未限制場函數(shù)所滿足的方程形式，也未限制各個(gè)單元所對應(yīng)的方程必須是相同的形式，所以適用于各種物理問題的分析；
（3）建立于嚴(yán)格理論基礎(chǔ)上的可靠性，因?yàn)橛糜诮⒂邢拊匠痰淖兎衷砘蚣訖?quán)余量法在數(shù)學(xué)上已證明是微分方程和邊界條件的等效積分形式。只要原問題的數(shù)學(xué)模型是正確的，同時(shí)用來求解有限元方程的算法是穩(wěn)定、可靠的，則隨著單元數(shù)目的增加，即單元尺寸的縮小，或者隨著單元自由度數(shù)目的增加及插值函數(shù)階次的提高，有限元解的近似程度將不斷地被改進(jìn)。如果單元是滿足收斂準(zhǔn)則的，則近似解最后收斂于原數(shù)學(xué)模型的精確解；
（4）適合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的高效性，由于有限元分析的各個(gè)步驟可以表達(dá)成規(guī)范化的矩陣形式，最后導(dǎo)致求解方程可以統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)的矩陣代數(shù)問題，特別適合計(jì)算機(jī)的編程和執(zhí)行。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的高速發(fā)展，以及新的數(shù)值計(jì)算方法的不斷出現(xiàn)，大型復(fù)雜問題的有限元分析已成為工程技術(shù)領(lǐng)域的常規(guī)工作。
有限元計(jì)算的步驟主要有以下三個(gè)步驟：前處理(PREPROCESSION)，求解(SOLUTION)，后處理(POSTPROCESSION)。[13]
前處理包括產(chǎn)生一個(gè)有限元模型的幾何體的全過程，輸入物理特性，描述邊界條件和載荷，以及檢查模型。求解過程在I--DEAS SIMULATION的模型求解模塊中進(jìn)行，或在一個(gè)外部有限元分析程序中進(jìn)行。I-DEAS求解能夠解答線性和非線性的，靜態(tài)的，動(dòng)態(tài)的，屈曲，熱傳導(dǎo)和勢位能分析問題。至于其它類型的分析，有限元模型信息對于一個(gè)外部有限元求解問題可寫成所要求的格式，如MSC 、NSATRAN,ANSYS, ABAQUS等。
后處理包括描繪出偏移和應(yīng)力，利用失效準(zhǔn)則，諸如允許的最大偏移，材質(zhì)的靜態(tài)和疲勞強(qiáng)度等等來比較這些結(jié)果。對于連續(xù)體的力學(xué)分析，有限元分析的一般過程如下：
1.原連續(xù)體(幾何上)的逼近離散
2.單元特性的研究
3.離散單元的裝配和集成
求各單元內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變和支反力，這樣就完成了整個(gè)有限元分析過程。
§3.2 有限元分析軟件ANSYS
本論文采用先進(jìn)的有限元分析軟件ANSYS，根據(jù)高空作業(yè)車的轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)，綜合考慮ANSYS的功能、工作量、微機(jī)內(nèi)存和硬盤空間等等因素。力圖選取一個(gè)較合理的建模方案，對轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。[14][15]
ANSYS是一個(gè)通用的有限元計(jì)算機(jī)程序，其代碼長度超過100 000行。我們能夠應(yīng)用ANSYS進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、熱傳導(dǎo)、流體流動(dòng)和電磁學(xué)分析。在過去20多年里，ANSYS是最主要的FEA程序。當(dāng)前的ANSYS版本帶有圖形用戶界面(GUI )的窗口下、下拉菜單、對話框和工具條等，與過去相比已經(jīng)煥然一新?，F(xiàn)在，ANSYS已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在許多工程領(lǐng)域中，如航空、汽車、電子、核科學(xué)等。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。[7]
一、軟件功能簡介
軟件主要包括三個(gè)部分:前處理模塊，分析計(jì)算模塊