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編號 無錫太湖學院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 題目： 車載式高空作業(yè)平臺的結構設計 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學 號： 0923104 學生姓名： 張 璐 指導教師： 黃敏 （職稱：副教授 ） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 車載式高空 作業(yè)平臺的結構設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所 取得的成果，其內容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注 引用，表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其 他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 93 學 號： 0923104 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學 院 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設 計 論 文 任 務 書 一、題目及專題： 1、題目 車載式高空作業(yè)平臺的結構設計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 高空作業(yè)平臺是用來運送操作人員和工作設備到指定高度進行 作業(yè)的特種車輛。隨著城市化進程的加快，市政建設、城市電力、 裝飾物等各種養(yǎng)護作業(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械設備，還廣泛應用于船舶、建筑、消防、 港口貨運等行業(yè)。近幾年來，隨著高空作業(yè)領域的不斷擴展，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 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)，產品具有作業(yè)范圍大，持續(xù)作業(yè)時間長等優(yōu)點，特別適合于野 外路橋檢修、路燈檢修等工作環(huán)境。 II 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： 了解高空作業(yè)平臺的工作原理，以及近十年來的國內外研究發(fā)展 狀況； 完成車載式高空作業(yè)平臺的總體方案設計及零部件的設計； 完成有關零部件的選型計算、結構強度校核； 完成高空作業(yè)車的液壓油缸的選型設計; 掌握用積分法對結構進行強度、剛度校核的能力； 四、接受任務學生： 機械 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、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學科組組長研究所 所長簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 III 摘 要 本課題首先對國內外高空作業(yè)車的發(fā)展進行了概括，提出了發(fā)展中的不足，簡要介 紹了高空作業(yè)車的組成，然后對目前國內生產技術不完善的混合臂和伸縮臂式高空作業(yè) 車的關鍵結構進行了設計，同時對工作斗調平技術和液壓系統(tǒng)等關鍵技術進行了研究分 析。重點研究了伸縮臂的結構、運動特點，并對其進行了強度校核。根據(jù)高空作業(yè)車安 全性要求高，工作幅度大，結構復雜等特點，提出了工作臂、副車架以及工作斗調平機 構的研究設計方法。該課題以混合臂式高空作業(yè)車為研究對象，詳細闡述了伸縮臂的結 構設計、變形研究；副車架結構設計、工作穩(wěn)定性分析；高空作業(yè)車的工作斗調平系統(tǒng) 的研究分析；液壓系統(tǒng)的設計計算。課題采用積分法對伸縮臂結構進行應力分析、變形 分析。最后，對研究分析結果進行了試驗和驗證，將試驗結果和理論分析結果進行了對 比，通過對比分析進一步驗證了本文提出的設計方法，對于同類型高空作業(yè)車研究計算， 具有一定的參考價值。 關鍵詞 ：高空作業(yè)車；結構設計；調平系統(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)機械的國內外發(fā)展概況 .1 1.2.1 高空作業(yè)機械的國外發(fā)展狀況 .1 1.2.2 高空作業(yè)機械的國內發(fā)展狀況 .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 三維全旋機構 .3 1.3.4 電氣與液壓系統(tǒng) .3 1.3.5 安全裝置 .3 1. 4 課題研究的內容 .4 2 伸縮臂結構分析 .5 2.1 伸縮臂的結構 .5 2.2 工況分析 .6 2.3 伸縮臂強度計算分析 .6 2.3.1 危險工況 1 計算 .7 2.3.2 危險工況 2 計算 .7 2.4 伸縮臂變形計算 .8 2.4.1 力學模型的建立 .8 2.4.2 彈性位移的計算 .9 2.4.3 計算結果 .12 2.5 伸縮臂強度校核 .12 2.5.1 計算基本臂臂的截面尺寸 .14 2.5.2 對下臂進行正應力校核 .15 2.6 本章小結 .16 3 副車架結構及分析 .17 3.1 副車架結構 .17 3.2 支腿反力的計算 .17 3.3 轉臺回轉系統(tǒng) .21 3.4 本章小結 .22 4 工作斗調平機構的研究 .23 VI 4.1 工作斗調平結構模型 .23 4.2 調平機構液壓系統(tǒng) .25 4.3 本章小結 .26 5 液壓油缸的設計計算 .27 5.1 伸縮變幅油缸的結構 .27 5.2 伸縮變幅油缸的設計計算 .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 .31 6 結論與展望 .32 6.1 結論 .32 6.2 展望 .32 致 謝 .33 參考文獻 .33 附 錄 .33 車載式高空作業(yè)平臺的結構設計 1 1 緒論 1.1 本課題的研究內容和意義 1.1.1 課題研究背景 現(xiàn)如今我國經濟的飛速發(fā)展以及政府對基礎設施建設的力度逐漸增大，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)產品的使用功能、安全性等方面得不到充分的質量保證。通過對目前高空作業(yè)產品 市場的發(fā)展趨勢和廣泛的市場研究，發(fā)現(xiàn)國內產品具有類型單一、設計粗糙等缺陷，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)設備大多依賴進口。雖然國外產品 功能完善、性能比較優(yōu)秀，但是由于價格太高，對很多建設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濟價值和戰(zhàn)略意義。 高空作業(yè)平臺是用來運送工作人員和工作裝備到指定高度進行作業(yè)的一種大型工程機 械設備，并廣泛用于電力、路燈、市政、園林、通信、機場、造(修)船、交通、廣告、攝 影等高空作業(yè)領域。國家標準GB360893高處作業(yè)分級 規(guī)定：VL 在墜落高度基準面 2m以上( 含2m) 有可能墜落的高處進行作業(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)設備已經無法滿足人們的需求，專用高空作業(yè)平臺技術在最近 幾十年來得以快速發(fā)展。 1.1.2 課題研究的意義 隨著社會的進步和發(fā)展，人們對于產品的人性化要求越來越高，因此在產品結構設 計的過程中應堅持人性化思想 2，以人機工程學原理為指導充分分析研究產品各方面因素， 提出相應的設計方案。本課題在充分研究產品性能的基礎上，對高空作業(yè)平臺的功能模 塊進行了充分的結構分析，并根據(jù)其各方面的特殊性提出了相應的設計要求，指導其結 構設計，因此課題研究的意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面： (1)通過本課題的研究，掌握混合臂高空作業(yè)車金屬結構件的設計理論和分析方法， 了解高空作業(yè)車結構件的工作規(guī)律，從而達到減輕自重、優(yōu)化結構、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。 (2)對車載式高空作業(yè)平臺進行模塊劃分，將其分為工作平臺、操作系統(tǒng)、運動系統(tǒng) 和支持系統(tǒng)幾個部分進行分別研究，對每一部分進行充分的結構分析，結合產品的相關 標準和設計原則，對其結構設計進行指導。在課題的研究過程中結合產品的使用功能， 通過計算機建模，在保證實現(xiàn)基本功能的基礎上，總結相應的外觀設計理論，以指導后 續(xù)系列產品的結構設計，同時對于其它機械產品的外觀設計研究具有一定的理論指導意 義。 1.2 高空作業(yè)機械的國內外發(fā)展概況 1.2.1 高空作業(yè)機械的國外發(fā)展狀況 高空作業(yè)車發(fā)展起步較早的歐美等發(fā)達國家和地區(qū)，從 20 世紀 20 年代就開始研制， 無錫太湖學院學士學位論文 2 發(fā)展歷史久遠，生產技術也很成熟，具有生產技術水平高、作業(yè)車的作業(yè)高度大、規(guī)格 齊全、結構型式豐富、功能多樣等優(yōu)點?？傮w來看，技術和市場均已很成熟，產品能夠 進行高空作業(yè)、搶險、救援、消防等復雜工作，作業(yè)平臺的最大載荷可達 500kg，最大作 業(yè)高度已經超過 100m，這是我國目前無法設計達到的高度，同時具有各種安全保護措施， 很好的保障了工人的安全。大型產品特點是科技含量高、研制與生產周期較長、投資大、 市場容量有限，但市場競爭相對較少，產品的利潤相對較高。如美國 Genie 公司、JLG 公 司和法國 HAULOTTE 公司在高空作業(yè)平臺產品都形成了系列化，與此同時，產品更新?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)的抗風險能力。 1.2.2 高空作業(yè)機械的國內發(fā)展狀況 我國產品在質量和性能上與國外優(yōu)秀產品雖然存在一定的差距，但是隨著科技的不 斷發(fā)展，產品的功能和性能已經逐漸趨于同質化 3，因此必須通過對我國高空作業(yè)機械產 品與國外先進企業(yè)產品進行分析和比較，找出發(fā)展問題的之所在，并提出相應的解決方 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，市場遠遠沒有挖 掘和培育出來 3。目前市場上的主要產品仍然是體積教大，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)車多為價格昂貴的國外進口產品 或中外合資企業(yè)的產品，我國本土研發(fā)的設備極少，因此我們開發(fā)研制出擁有自主產權 的高性能車載式高空作業(yè)平臺具有很強的發(fā)展戰(zhàn)略意義。 我們應提高工程設計效率和品質，節(jié)約設計成本，縮短設計周期 4-5。而傳統(tǒng)設計在 設計一個工程結構的時候，首先要采用類比方法確定設計方案的初稿，然后對其結構進 行分析，畫出圖紙，然后對重要部件進行強度的校核，并根據(jù)校核的結果重新修改設計 方案，一般往往要進行多次分析校核和調整才能得到優(yōu)秀的設計方案。這種設計方法的 設計周期長、代價高、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 術創(chuàng)新力度，開發(fā)先進的高空作業(yè)機械，滿足用戶的差別化和個性化需求，為用戶精細 化服務，才能提高中國產品的市場競爭能力。 在我國實際工作過程中，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，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濟價值。雖然國內產品近些年來發(fā) 展較快，但從整體上看，無論是技術上還是應用上都落后于國外同類產品，與國外先進 產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)車正常進行作業(yè)，需要由專用底盤、工作臂架、三維全旋機構、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、車架、行走機構、轉向機構等組成?？紤]到工作可靠性、噪 車載式高空作業(yè)平臺的結構設計 3 聲、排放等方面綜合要求，優(yōu)選康明斯 B3.3C60 型工程機械專用柴油發(fā)動機，該發(fā)動 機為直列 4 缸水冷、自然吸氣發(fā)動機，帶全程調速器，運行平穩(wěn)，具有熱效率高、比油 耗低、排放污染少等特點。由于臺車行駛速度低，綜合考慮作業(yè)安全性和經濟性，車架 采用剛性連接式，不設懸架機構，輪胎選用高負荷實心橡膠輪胎。 1.3.2 工作臂架 工作裝置由回轉臺、工作臂架、伸縮軟鏈等組成?；剞D臺通過回轉支承安裝在車架 上，由回轉機構驅動，可實現(xiàn) 360全回轉?；剞D機構包括行星減速機、常閉式制動器、 液壓馬達等構成，與回轉支承采用外嚙合傳動方式。 1.3.3 三維全旋機構 三維全旋機構設備或系統(tǒng)的安裝位置一般由標高和方向 2 個參數(shù)確定。由于要求被 舉升物體在空間相互垂直的 3 個方向可以進行獨立旋轉，使物體可以獲得任意安裝角度， 因此設計了三維全旋機構，即在水平和豎直方向設置90。旋轉機構俯仰方向轉角可 以通過臂架變幅進行，微調由調平油缸實現(xiàn)，不再設單獨機構，從而減少機構設置。 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)動機驅動。變量泵為行 走、轉臺回轉、臂架變幅和臂架伸縮供油，齒輪泵為行走轉向機構、工作裝置擺動、工 作裝置翻轉、工作裝置夾緊和調平機構微調供油。由變量泵供油的動作采用比例閥進行 控制，以便精確進行速度調節(jié)，其它動作由于速度低、流量小，直接采用電磁換向閥進 行控制。液壓系統(tǒng)內設有安全溢流閥、液壓鎖等安全裝置。 1.3.5 安全裝置 設有電動應急系統(tǒng)，當?shù)妆P發(fā)動機和主泵液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，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行 操作，實現(xiàn)動臂下降復位。地面操作盤、遙控操作盤均設有緊急停止按鈕，用于在緊急 狀況下強制停止行駛系統(tǒng)和工作裝置的各種運動。整車外形圖如圖 1.1： 1 汽車底盤 2 回轉平臺 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 回轉機構 14 回轉支承 15 副車架 16 取力系統(tǒng) 無錫太湖學院學士學位論文 4 圖1.1 車載式高空作業(yè)平臺車外形圖 1. 4 課題研究的內容 課題研究內容主要包括高空作業(yè)平臺結構的分析研究及其在實際生活中高空作業(yè)平 臺的外觀設計，以車載式高空作業(yè)平臺為設計載體，將產品各部分以功能進行劃分，形 成相應的設計理論和原則，并用以指導未來系列產品的結構設計。 論文的主要內容包括以下幾個部分： (1) 課題研究的國內外背景和發(fā)展現(xiàn)狀，研究的主要內容和意義的概述； (2) 進行車載式高空作業(yè)車的伸縮臂、副車架等金屬結構件的結構設計、用以實現(xiàn)車 載式高空作業(yè)車的功能。 (3) 對各金屬結構件進行數(shù)學建模、數(shù)值計算、強度校核，以獲得車載式高空作業(yè)車 主要結構的工作規(guī)律和工作性能。 (4) 對液壓油缸進行選型，并設計計算其應力大小是否符合要求。 (5) 根據(jù)設計、計算結果進行試制，對試制樣品進行應力測試，將測試結果和理論分 析計算結果進行比較，驗證分析計算是否達到要求。 車載式高空作業(yè)平臺的結構設計 5 2 伸縮臂結構分析 2.1 伸縮臂的結構 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 伸縮臂結構圖 如圖所示，各節(jié)臂可以依靠相互連接的滑塊進行相對滑動。轉臺與伸縮臂的跟部通 過水平銷軸進行鉸接，同時轉臺的中下部還與伸縮變幅油缸鉸接，同樣通過水平銷軸， 伸縮變幅油缸能夠實現(xiàn)工作臂在變幅平面內的轉動。所有鉸接點均采用自潤滑軸承，降 低保養(yǎng)要求，所有需要潤滑的點都設有加油口，可以方便地進行保養(yǎng)。工作臂依靠一級 伸縮液壓缸進行伸縮運動，伸縮油缸直接推動第二節(jié)臂，第三節(jié)臂在鏈條伸縮機構的作 用下和第二節(jié)臂同步伸縮。 臂架系統(tǒng)由臂架變幅機構、臂架伸縮機構、臂架鋼結構及其它零部件組成。臂架變 幅機構主要由變幅油缸組成，其作用是實現(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 和獨立伸縮。該高空作業(yè)車臂架伸縮機構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動二節(jié)臂動作，同時通過固定在一節(jié)臂上的鋼 絲繩使三節(jié)臂與二節(jié)臂實現(xiàn)同步動作。伸縮機構原理如圖 2.2 所示。臂架截面形式采用四 邊形箱型結構，臂架外部裝有油管電纜托鏈與工作平臺進行連接 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 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 8.縮臂鋼絲繩 圖2.2 伸縮機構原理圖 無錫太湖學院學士學位論文 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 危險工況1示意圖 圖 2.4 危險工況2示意圖 2.3 伸縮臂強度計算分析 分別對兩種工況下的伸縮臂強度進行計算分析。 本作業(yè)車工作臂均由優(yōu)質合金結構鋼Q700 制造，根據(jù)高空作業(yè)車結構安全要求 車載式高空作業(yè)平臺的結構設計 7 （GB9645-88） 11，其許用應力值為： (2.1)12sSf 式中： 材料屈服強度， s 70sMpa 結構安全系數(shù)， 2S -應力集中系數(shù)，1f1.f -動載荷系數(shù)， ，則225212704.6/.s pakgmSf 2.3.1 危險工況 1 計算 分別進行三節(jié)臂的應力計算。先對外臂進行分析，外臂受力如圖2.5，其危險截面為 A-A 截面。 圖 2.5 危險工況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 外臂危險截面A-A慣性矩為： (2.3) 312ABHbhI 則可求A-A 截面的最大應力 。A274./ANm 同樣可對此工況1 下的中臂、內臂危險截面進行計算。求得其最大應力。 2.3.2 危險工況 2 計算 同樣對三節(jié)臂分別計算。先對外臂進行分析，外臂受力如圖 2.6，其危險截面為 A- 無錫太湖學院學士學位論文 8 A 截面。 圖 2.6 危險工況2 外臂受力示意圖 根據(jù)圖示受力分析，可計算出一節(jié)臂危險截面應力。同樣方法，可分別計算工況 2 下，中臂、內臂的應力。 根據(jù)計算，工況1 狀態(tài)下各工作臂應力大于工況2 ，因此工況 1 為伸縮臂危險工作 狀態(tài)。 2.4 伸縮臂變形計算 高空作業(yè)車伸縮臂全伸時，臂端將產生較大的彈性變形，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)產生影響，同時對對高空作業(yè)車安全性影響也很大，因此需 要對其變形進行計算。 2.4.1 力學模型的建立 考慮到很多現(xiàn)實干擾因素，因此計算時要虛擬化，建立以下假設： 1) 假定工作臂截面不受力的影響產生彎曲變形，按平面計算； 2) 由于截面變形不明顯，對計算結果影響不大，因此假設撓度曲線是光滑連續(xù)的曲 線； 3) 每次建立模型時只考慮單方面受力作用結果，不用共同考慮； 如圖2.7 所示，建立 空間直角坐標系，其中 軸沿工作臂鉸接軸軸線向外，OXYZOX 設工作斗載荷為 ，考慮存在偏載， 為空間載荷，為了便于計算，圖2.7 中先將 在QQQ 車載式高空作業(yè)平臺的結構設計 9 平面進行分解，分解成沿 Z軸的 和平行于 平面的 ，在后面的計算中再將OYZFOXY1F 分解為沿 X軸 和Y 軸的 。1F1F1Y 圖 2.7 工作臂受力坐標系 參考起重機設計規(guī)范（GB3811-83） 12，臂端彈性位移計算時應同時考慮軸向壓 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： 伸縮臂實際長度為 ，伸縮臂計算長度為 ，bLCL (2.4)12C 伸縮臂的當量慣性矩為 ,dxI (2.5)12dxI 其中 、 為長度系數(shù) 。1 下面用積分法來計算梁的彈性位移。 為了計算方便，先分別計算在垂直平面OYZ 內， 與M 所產生的撓度 ，和 與FaF 所產生的撓度 ，如圖2.8 所示。1Fb 圖 2.8 作用力和撓度示意圖 無錫太湖學院學士學位論文 10 2.4.2 彈性位移的計算 2.4.2.1 的計算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 軸的當量面積慣性矩，dxI , 為變截面長度系數(shù)12dxI2 將彎矩帶入上式： ()dxaEIYFSY 或 ()adxdxII 令 2dxFKE 則上式變?yōu)椋?(2.8)2()aYS 這是一個二階常系數(shù)非齊次方程，通解為： 12sincosaCKZ 由邊界條件： , , 得0Y2()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 ：a21cosbbSK 車載式高空作業(yè)平臺的結構設計 11 將 帶入2dxFKEI1()cosbadxbLSIL2XbxM 當 趨近于 時， 最大，此時軸向壓力 達到臨界載荷 ，由極限的概念可bKL2aFEXF 以認為 。 考慮構件支承方式的影響，應以計算長度 代替 。12CbLbL (2.10)21cosXabdxbMLEIK 作近似： 22cos1()128EXEXEXFF1EXF (2.11)2abdxEXLI 2.4.2.2 的計算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 無錫太湖學院學士學位論文 12 則撓度方程為： (2.15)111sin()cos()YYYbbbbFFFKZLKZLZ 令 ,bL11si()csYYbbb (2.16)1coinobFKLK 作近似： 3()si6bb2co1L321()()s6bbYYbbKLLFFK31YbFK3 311cos2bdx dxEXEXEII 2116YCLabdx EXMFLYFI 上式中： 12Cb 2.4.3 計算結果 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)應為： 6105810721073250()XiMkgm13cos7.4()YFkg.93CLm , 5()EXkg15sin70296()Fk , 20Gpa48.dxI 將參數(shù)值代入公式得： 21316.096XYCLabdxEXMLY mFEI 從以上計算結果看，由于公式推導基于理想狀態(tài)，模型的建立將工作臂簡化為節(jié)節(jié) 之間剛性連接，其計算值為純彈性變形撓度。在實際工作狀態(tài)中，工作臂由于加工精度、 滑塊調整間隙等因素影響，其工作平臺較理想狀態(tài)下垂要大一些。這一點，我們經過對 伸縮臂式高空作業(yè)車產品樣車的測試，其結果基本符合預先的理論計算值。 車載式高空作業(yè)平臺的結構設計 13 2.5 伸縮臂強度校核 正應力校核、 靜強度效核公式： 正應力 (2.17) FA 式中: F-梁所受的力（N） A-截面積（ ）2m 切應力： 28FsIz (2.18) 式中: Fs-梁所受的剪力（N ） -鋼板厚度(m) Iz-梁對 Z軸的慣性矩( )4m 鋼板每平方米面積的理論質量,不同厚度的鋼板(密度為7.85)的每平方米理論質量按下 列公式計算： (2.19)2/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 對伸縮臂進行受力分析如下圖 FBc6mx彎 矩 MGax=39.41KN 無錫太湖學院學士學位論文 14 圖2.9 伸縮臂的彎距圖 即力 與力 大小相等方向相反。1.07FBKNFB 由 Mc 所以 4536g 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)， =/axW43.42.01769KNMPa 2.5.1 計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.mh34.62180b1m9.1463S;5.2 無錫太湖學院學士學位論文 30 。mh308. 其中 為點 c 到力 的垂直距離，計算過程如下所示：gF 已知伸縮臂受力如下圖 5.3 所標示。 FG上F2B 圖 5.3 伸縮臂尺寸 由此計算得： 。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： kD160.7322m15 查機械設計手冊 5表 37.7-1，如表 5-1 給出的缸筒內徑尺寸系列圓整 成標準值。D 表 5-1 液壓缸內徑尺寸系列(摘自 GB234880) ( )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 的計算d 根據(jù)速度比的要求來計算活塞桿直徑 d 車載式高空作業(yè)平臺的結構設計 31 1Dd （5.3） 式中: -活塞桿直徑 ( );m -液壓缸直徑( ); -速度比 ;212dDv -活塞桿的縮入速度 ；2 in)/(m -活塞桿的伸出速度 。1 此處， 機械設計手冊 5表 37.7-63(P37-245)取液壓缸的往復運動速度比為 1.46， 表 37.7-2(P37-173)查得： （5.4） Dd56.0 將 代入式（5.4 ） 得: m12md70 查機械設計手冊 537.7-2，如表 5-2 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列（摘自 GB2348-80） 表 5-2 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列 (摘自 GB 234880) ( )m 4 20 56 160 5 22 63 180 6 25 70 200 8 28 80 220 10 32 90 250 12 36 100 280 14 40 110 320 16 45 125 360 18 50 140 400 取液壓缸活塞桿外徑尺寸如下： md70 (3) 液壓缸行程 S 的確定 首先計算伸縮臂升至最大角時，伸縮臂鉸點與底盤鉸點之間的距離。 由計算得伸縮臂升至最大角時，下臂鉸點與底盤鉸點之間的距離為： 。m493 查機械設計手冊 5表 37.7-3(P37-173)液壓缸活塞行程第一系列 ( )，由以上條 件取 S 值如下： 。m160 (4) 液壓缸結構參數(shù)的計算 1) 缸筒壁厚的計算 按薄臂筒計算： 2Dpy （5.5） 無錫太湖學院學士學位論文 32 式中 -液壓缸缸筒厚度( )；m -試驗壓力( )。取 ，ypMPapy5.1 即： 。24165. -液壓缸內徑（m） ；D -剛體材料的許用應力（ ）a 取 。Pa0 代入式（5.5）中，得： mM15124 2) 缸體外徑的計算 1D （5.6） 代入數(shù)據(jù)得: m1521 查機械設計手冊 5表 37.7-66(P37-246)取液壓缸外徑為 150 。m 5.3 本章小結 本章內容主要是關于伸縮變幅液壓缸的選型和計算。首先詳細介紹了伸縮變幅油缸 的結構及運動機理，然后根據(jù)伸縮臂運動范圍確定油缸的類型和安裝方法，最后根據(jù)受 力進行設計計算，得到油缸外徑。 車載式高空作業(yè)平臺的結構設計 33 6 結論與展望 6.1 結論 本文對最大作業(yè)高度為 25 米的混合臂高空作業(yè)車進行研究，重點論述了伸縮臂、副 車架、調平系統(tǒng)等混合臂高空作業(yè)車關鍵部分的設計計算方法和設計思路，在對結構件 進行設計計算時，分別采用了傳統(tǒng)解析法和有限元方法，并對兩種設計方法進行了對比 分析。按照這一方法和思路進行了設計，進行了產品試制，并對樣機進行了試驗分析， 通過試驗和分析驗證了設計方法和思路。通過以上研究分析得到如下結論： 1、伸縮臂結構最危險的工作狀態(tài)是工作臂全部伸出并在其最大允許作業(yè)幅度時。對 三節(jié)伸縮臂結構來說，最危險截面在二節(jié)臂上，其位置在二節(jié)臂和一節(jié)臂頭部搭接滑塊 處。工作臂失效的重要原因是結構件的局部失穩(wěn)。工作臂全伸時會產生較大的撓曲變形， 對工作參數(shù)和工作臂受力產生較大影響。 2、在計算副車架，考慮車架的扭轉剛度和支腿橫梁的彎曲剛度得到的計算結果較將 車架、支退簡化為剛體模型得到的結果更為準確，和實際情況更為接近。副車架較大應 力部位是轉臺座圈與上蓋板連接處周圍、活動支腿與固定支腿搭接處，后者為最大應力 發(fā)生處，也是最危險的地方。 3、通過對伺服液壓油缸調平系統(tǒng)的機械機構、液壓系統(tǒng)的分析，得出此系統(tǒng)可以滿 足伸縮臂高空作業(yè)車工作斗調平的工程要求，將伺服液壓油缸調平系統(tǒng)和平行四變形機 械調平系統(tǒng)結合，可以解決混合臂高空作業(yè)車的調平問題，具有結構簡單，調平可靠的 優(yōu)點。 本課題提供了一種混合臂高空作業(yè)車的設計方案，解決了控制系統(tǒng)、工作機構、金屬結 構等關鍵問題的設計方法。而且通過試驗分別驗證了各部分的設計結果，獲得了較為滿 意的工作性能，為國產混合臂高空作業(yè)車的研制生產提供了設計方法。 6.2 展望 本文結合車載式高空作業(yè)車在研發(fā)生產過程的實踐和體會，經過理論計算結果同產 品樣車檢測結果的對比分析，提供了三節(jié)伸縮臂式高空作業(yè)車的設計方案，解決了控制 系統(tǒng)、工作機構、金屬結構等關鍵問題的設計方法。而且通過產品樣車試驗分別驗證了 各部分的設計結果，獲得了較為滿意的工作性能，為我國今后車載式高空作業(yè)車的研制 生產提供了設計方法。 無錫太湖學院學士學位論文 34 致 謝 經過十六周的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設 計，由于缺乏相關設計經驗，難免有許多考慮不周全的地方。本論文是在黃敏老師和朱 啟兵老師的積極鼓勵和精心指導下完成的。在此對導師的悉心指導致以最衷心的感謝！ 在這里首先要感謝我的指導老師。指導老師平日里工作繁多，但每個階段都會組織 我們集合并布置相關的任務，解決我們在各階段設計中遇到的難題，包括查找資料，到 確定設計草案，中期檢查，后期圖紙的設計，論文的修改等各個方面都對我們進行了悉 心的指導。即使我的設計比較復雜，但是指導老師仍然很耐心的跟我講解細節(jié)方面的問 題。指導老師嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度深深的感動了我，這對我以后學習和工作的態(tài)度產生了積 極的影響。 能夠順利的完成畢業(yè)設計，在此對各位老師和同學以及在設計期間，曾經對我的畢 業(yè)設計給予幫助的領導、老師、同學表示最誠摯的謝意！ 最后，我要向在百忙之中抽時間對本文進行審閱、評議和參加本人論文答辯的各位 老師表示感謝！ 衷心祝愿母校無錫太湖學院的明天更加美好！ 感謝黃敏老師和朱啟兵老師。 車載式高空作業(yè)平臺的結構設計 35 參考文獻 1 張華. 縱覽中國高空機械行業(yè)J. 建筑機械, 2007, (10A): 18-22. 2 孫元, 高順德. 自行式高空作業(yè)平臺工業(yè)設計研究 J. 機電產品開發(fā)與創(chuàng)新, 2008, 21(4): 108- 110. 3 張華, 祝志峰, 董威. 我國裝修與高空作業(yè)機械行業(yè)的現(xiàn)狀及展望J. 建筑機械化, 2006, (5): 49-52. 4 Kita E,Tanic H.Topology and shape optimization of continum structures using GA and BEMJ. 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