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车载式高空作业平台的结构设计说明书.doc

车载式高空作业平台的结构设计【7张图纸】【优秀】

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车载式高空作业平台的结构设计开题报告.doc---(点击预览)

计划周记进度检查表.xls---(点击预览)

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关键词：: 车载高空作业平台结构设计图纸优秀优良

资源描述：

车载式高空作业平台的结构设计

43页 15000字数+说明书+任务书+开题报告+7张CAD图纸【详情如下】

A2×4回转平台.dwg

任务书.doc

传动齿轮A4.dwg

伸缩臂零件图A2.dwg

工作斗A2.dwg

旋转机A1.dwg

液压缸A2.dwg

装配图A0.dwg

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车载式高空作业平台的结构设计开题报告.doc

车载式高空作业平台的结构设计说明书.doc

摘要

　　　本课题首先对国内外高空作业车的发展进行了概括，提出了发展中的不足，简要介绍了高空作业车的组成，然后对目前国内生产技术不完善的混合臂和伸缩臂式高空作业车的关键结构进行了设计，同时对工作斗调平技术和液压系统等关键技术进行了研究分析。重点研究了伸缩臂的结构、运动特点，并对其进行了强度校核。根据高空作业车安全性要求高，工作幅度大，结构复杂等特点，提出了工作臂、副车架以及工作斗调平机构的研究设计方法。该课题以混合臂式高空作业车为研究对象，详细阐述了伸缩臂的结构设计、变形研究；副车架结构设计、工作稳定性分析；高空作业车的工作斗调平系统的研究分析；液压系统的设计计算。课题采用积分法对伸缩臂结构进行应力分析、变形分析。最后，对研究分析结果进行了试验和验证，将试验结果和理论分析结果进行了对比，通过对比分析进一步验证了本文提出的设计方法，对于同类型高空作业车研究计算，具有一定的参考价值。

关键词：高空作业车；结构设计；调平系统研究；液压缸

摘要III

AbstractIV

目录V

1 绪论1

1.1本课题的研究内容和意义1

1.1.1 课题研究背景1

1.1.2 课题研究的意义1

1.2 高空作业机械的国内外发展概况1

1.2.1 高空作业机械的国外发展状况1

1.2.2 高空作业机械的国内发展状况2

1.3 高空作业车的组成2

1.3.1 专用底盘2

1.3.2 工作臂架3

1.3.3 三维全旋机构3

1.3.4 电气与液压系统3

1.3.5 安全装置3

　1. 4 课题研究的内容4

2伸缩臂结构分析5

2.1 伸缩臂的结构5

2.2 工况分析6

2.3 伸缩臂强度计算分析6

2.3.1 危险工况 1 计算7

2.3.2 危险工况 2 计算7

2.4 伸缩臂变形计算8

2.4.1 力学模型的建立8

2.4.2 弹性位移的计算9

2.4.3 计算结果12

2.5 伸缩臂强度校核12

　2.5.1 计算基本臂臂的截面尺寸14

2.5.2对下臂进行正应力校核15

2.6 本章小结16

3 副车架结构及分析17

3.1 副车架结构17

3.2 支腿反力的计算17

3.3 转台回转系统21

3.4 本章小结22

4 工作斗调平机构的研究23

4.1 工作斗调平结构模型23

4.2调平机构液压系统25

4.3 本章小结26

5液压油缸的设计计算27

5.1 伸缩变幅油缸的结构27

5.2 伸缩变幅油缸的设计计算27

　　5.2.1 确定液压缸类型和安装方式27

　　5.2.2 确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸27

5.3 本章小结31

6 结论与展望32

6.1 结论32

6.2 展望32

致谢33

参考文献33

附录33

　　　1 绪论

1.1本课题的研究内容和意义

　　1.1.1 课题研究背景

　　　现如今我国经济的飞速发展以及政府对基础设施建设的力度逐渐增大，高空作业平台的需求量不断增加，市场前景非常广阔。然而由于我国对于高空作业平台的研究开发起步较晚，对其核心技术掌握的不足以及加工工艺的落后等方面的原因，使得我国高空作业产品的使用功能、安全性等方面得不到充分的质量保证。通过对目前高空作业产品市场的发展趋势和广泛的市场研究，发现国内产品具有类型单一、设计粗糙等缺陷，无法满足很多特殊施工环境的要求[l]，因此我国高空作业设备大多依赖进口。虽然国外产品功能完善、性能比较优秀，但是由于价格太高，对很多建设公司或者施工方来说成本占用比例过大，使得利润空间降低。因此，研发生产属于我国自主品牌的高性能的高空作业平台有着极其重要的经济价值和战略意义。1. 4 课题研究的内容

　　　课题研究内容主要包括高空作业平台结构的分析研究及其在实际生活中高空作业平台的外观设计，以车载式高空作业平台为设计载体，将产品各部分以功能进行划分，形成相应的设计理论和原则，并用以指导未来系列产品的结构设计。

论文的主要内容包括以下几个部分：

　　　(1) 课题研究的国内外背景和发展现状，研究的主要内容和意义的概述；

(2) 进行车载式高空作业车的伸缩臂、副车架等金属结构件的结构设计、用以实现车载式高空作业车的功能。

(3) 对各金属结构件进行数学建模、数值计算、强度校核，以获得车载式高空作业车主要结构的工作规律和工作性能。

　　　(4) 对液压油缸进行选型，并设计计算其应力大小是否符合要求。

(5) 根据设计、计算结果进行试制，对试制样品进行应力测试，将测试结果和理论分析计算结果进行比较，验证分析计算是否达到要求。

　　　高空作业平台是用来运送工作人员和工作装备到指定高度进行作业的一种大型工程机械设备，并广泛用于电力、路灯、市政、园林、通信、机场、造(修)船、交通、广告、摄影等高空作业领域。国家标准GB3608．93《高处作业分级》规定：VL在坠落高度基准面2m以上(含2m)有可能坠落的高处进行作业，都称为高处作业。"因此为保障工人在高处作业的安全性，出现了越来越多的高空作业设备，然而随着科技的发展和人们对使用要求的增加，传统的高空作业设备已经无法满足人们的需求，专用高空作业平台技术在最近几十年来得以快速发展。

　　1.1.2 课题研究的意义

　　　随着社会的进步和发展，人们对于产品的人性化要求越来越高，因此在产品结构设计的过程中应坚持人性化思想[2]，以人机工程学原理为指导充分分析研究产品各方面因素，提出相应的设计方案。本课题在充分研究产品性能的基础上，对高空作业平台的功能模块进行了充分的结构分析，并根据其各方面的特殊性提出了相应的设计要求，指导其结构设计，因此课题研究的意义主要体现在以下几个方面：

　　　(1)通过本课题的研究，掌握混合臂高空作业车金属结构件的设计理论和分析方法，了解高空作业车结构件的工作规律，从而达到减轻自重、优化结构、提高可靠性的目的，为研制系列伸缩臂、混合臂高空作业车奠定良好的基础。

　　　(2)对车载式高空作业平台进行模块划分，将其分为工作平台、操作系统、运动系统和支持系统几个部分进行分别研究，对每一部分进行充分的结构分析，结合产品的相关标准和设计原则，对其结构设计进行指导。在课题的研究过程中结合产品的使用功能，通过计算机建模，在保证实现基本功能的基础上，总结相应的外观设计理论，以指导后续系列产品的结构设计，同时对于其它机械产品的外观设计研究具有一定的理论指导意义。

1.2 高空作业机械的国内外发展概况

　　1.2.1 高空作业机械的国外发展状况

高空作业车发展起步较早的欧美等发达国家和地区，从20世纪20年代就开始研制，发展历史久远，生产技术也很成熟，具有生产技术水平高、作业车的作业高度大、规格齐

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车载式高空作业平台的结构设计.gif

内容简介：: 无锡太湖学院信机系机械工程及自动化专业毕业设计论文任务书一、题目及专题：1、题目车载式高空作业平台的结构设计 2、专题二、课题来源及选题依据高空作业平台是用来运送操作人员和工作设备到指定高度进行作业的特种车辆。随着城市化进程的加快，市政建设、城市电力、装饰物等各种养护作业需要大量的高空作业装备。高空作业平台作为一种系列化的工程机械设备，还广泛应用于船舶、建筑、消防、港口货运等行业。近几年来，随着高空作业领域的不断扩展，对高空作业平台的需求量也日益增加，对高空作业平台的举升高度的要求也越来越高。因此，对高空作业平台的工作可靠性、平稳性、安全性等要求也越来越高。车载式高空作业平台是近年来应用比较广泛的高空作业平台，它由升降台和汽车配套改装而成的，采用H型液压支腿，能保证机器了升降的稳定和作业的安全。适用于工作面广和幅度大的高空作业，产品具有作业范围大，持续作业时间长等优点，特别适合于野外路桥检修、路灯检修等工作环境。三、本设计（论文或其他）应达到的要求：了解高空作业平台的工作原理，以及近十年来的国内外研究发展状况；完成车载式高空作业平台的总体方案设计及零部件的设计；完成有关零部件的选型计算、结构强度校核；完成高空作业车的液压油缸的选型设计; 掌握用积分法对结构进行强度、刚度校核的能力；四、接受任务学生：机械93 班姓名张璐五、开始及完成日期：自2012年11月12日至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名签名签名教研室主任学科组组长研究所所长签名系主任签名2012年11月12日存档编码：无无锡锡太太湖湖学学院院 2013 届届毕毕业业作作业业周周次次进进度度计计划划、检检查查落落实实表表系别：信机系班级：机械93 学生姓名：张璐课题（设计）名称：车载式高空作业平台的结构设计开始日期：2012年11月12日周次起止日期工作计划、进度每周主要完成内容存在问题、改进方法指导教师意见并签字备注1-32012年11月12日-2012年12月2日查阅相关资料，完成开题报告按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填写毕业设计开题报告书参考资料不太详细，论文中相关的设计结构比较分散，要将各论文中设计的部件整合起来一起研究分析4-102012年12月3日-2013年1月20日指导专业实训，要求了解企业结构进入工厂实习，了解企业生产流程初次进入工厂实习，对生产结构不太熟悉，要多动手做，加强熟悉工作流程112013年2月11日-2月16日查找一篇与论文相关的学术性英文资料，要求是期刊论文查找一篇关于高空作业车的学术性英文资料英文资料不足，要增加英文资料的查询122013年2月18日-2月23日严格按照要求翻译英文资料，其中公式必须用公式编辑器输入翻译英文资料翻译中遇到很多专业术语，翻译语句不通顺，加强英语练习，通顺语句132013年3月4日-3月8日指导完成总的结构方案设计确定车载式高空作业车的设计方案，整理设计思路设计思路不够明确，对于所要完成的任务还不是十分清楚，要明确目标，设定计划142013年3月4日-3月9日指导绘制装配图开始绘制车载式高空作业车的装配图CAD绘图技能有待提高，要加强练习152013年3月11号-3月16日完成装配图的绘制完成装配图的绘制，并检查修改对于各部件的装配关系不太清楚，要理清各部件间的装配162013年3月18日-3月23日指导完成部件图的绘制完成绘制旋转机结构图纸部分图纸尺寸不全，多查找相关资料，查找尺寸172013年3月25日-3月30日指导完成部件图的绘制完成伸缩臂的设计，并画出部件图纸伸缩结构的运动机理不清楚，要查阅相关资料，熟悉伸缩运动机理周次起止日期工作计划、进度每周主要完成内容存在问题、改进方法指导教师意见并签字备注182013年4月1日-4月6日完成零件图的绘制完成回转平台的设计，并画出零件图纸不知道使用哪种结构最佳，要建立模型，受力分析，确定最佳结构192013年4月8日-4月13日完成零件图的绘制完成绘制工作斗的设计，并画出图纸部分图纸尺寸不全，多查找相关资料，估算尺寸202013年4月15日-4月20日完成零件图的绘制完成传动齿轮的设计计算，画出零件图对齿轮的设计计算比较生疏，查阅书籍，按照书上步骤一步一步设计计算212013年4月22日-4月27日指导说明书初稿写作根据所下载的资料，构思并开始写说明书对各章应写哪些内容比较模糊，可根据设计的图纸，着重介绍个部件222013年4月29日-5月3日指导说明书二稿写作、修改将整篇文章的脉络、细节加以完善，用词准确，不出现病句等。有很多细节错误，将文章再复查一边，避免出现语句上的和细节方面的错误232013年5月6日-5月10指导修改说明书并定稿说明书按照模板进行修改格式经常出错，耐心修改，要熟练使用word各项功能242013年5月13日-5月18日说明书及相关资料、图纸打印装订打印说明书和图纸及相关资料论文格式严格按照学校的规范进行修改,完善252013年5月20日-5月25日指导学生整理资料，准备答辩整理资料，并熟读资料，做好充分准备存在很多细节方面的错误，应认真检查并及时改正说明： 1、“工作计划、进度”、“指导教师意见并签字”由指导教师填写，“每周主要完成内容”，“存在问题、改进方法”由学生填写。 2、本表由各系妥善归档，保存备查。编号无锡太湖学院毕业设计（论文）相关资料题目：车载式高空作业平台的结构设计信机系机械工程及自动化专业学号： 0923104学生姓名：张璐指导教师：黄敏（职称：副教授）（职称：）2013年5月25日目录一、毕业设计（论文）开题报告二、毕业设计（论文）外文资料翻译及原文三、学生“毕业论文（论文）计划、进度、检查及落实表”四、实习鉴定表无锡太湖学院毕业设计（论文）开题报告题目：车载式高空作业平台结构设计信机系机械工程及自动化专业学号： 0923104 学生姓名：张璐指导教师：黄敏（职称：副教授）（职称：）2012年11月25日课题来源自拟科学依据（包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等）（1）课题科学意义高空作业平台是用来运送操作人员和工作设备到指定高度进行作业的特种车辆。随着城市化进程的加快，市政建设、城市电力、装饰物等各种养护作业需要大量的高空作业装备。高空作业平台作为一种系列化的工程机械设备，还广泛应用于船舶、建筑、消防、港口货运等行业。随着高空作业领域的不断扩展，对高空作业平台的需求将会越来越大，对高空作业平台的举升高度的要求也越来越高。因此，对高空作业平台的工作可靠性、平稳性、安全性等要求将越来越高。高空作业平台在各种复杂的工况下工作，其伸缩臂要完成各种动作，除了机器本身的自重和作用反力之外，还有吊篮中传来的冲击载荷以及运动载荷，要保证这种大型机器的正常工作，各构件的动态特性以及工作平稳性成为关心的主要问题。与一般的起重运输机械相比，高空作业平台虽然载重量要小得多，但作为高空载人作业设备，应具有更高的安全性和可靠性。因此，有必要不断深入地探讨计算机建模、计算与仿真方法，将CAD、CAE技术应用于设计中，提高设计计算与实际情况的符合度，提高预测对象工作能力的准确性，提高国内高空作业平台自主设计开发技术水平。（2）高空作业平台的研究状况及其发展前景我国高空作业机械的生产于上世纪70年代末开始起步，发展较快，根据中国工程机械工业协会对会员单位初步统计，2007年我国高空作业平台行业会员单位产量为2808 ，2008年达到了4045台，高空作业平台产品2008年比2007年增加了1237台，增长率为30.58%；2008年销量达到了3475台，比2007年增加了727台，增长率为20.92%；高空作业平台产品仅2008年19月就出口了2180台，比2007年增加了1605台。行业一些骨干企业通过近几年的技术改造，生产规模不断扩大，形成了有各自特色的系列产品，各项经济指标逐步上升，经济效益也逐年提高。国内高空作业平台行业近年来取得了较好的发展，主要表现在以下几个方面：（1）产品市场占有率进一步扩大；（2）产品种类和数量不断增加；（3）产品性能进一步提高；（4）新产品的开发推动了行业技术，利用自己的技术优势和设备优势，开发了许多本行业产品，推动了行业技术的进步。研究内容了解高空作业平台的工作原理，国内外的研究发展现状；完成车载式高空作业平台的总体方案设计；完成有关零部件的选型计算、结构强度校核及液压系统设计；熟练掌握有关计算机绘图软件，并绘制装配图和零件图纸，折合A0不少于2.5张；完成设计说明书的撰写，并翻译外文资料1篇。拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析（1）技术路线首先根据高空作业车的特殊性对其色彩、造型等方面的设计需求进行分析，从整体上把握其设计原则；然后对不同的功能区域进行单独的研究分析，总结出每一部分符合工程学要求的设计理论；最后将整体的设计分析和每一部分的设计相结合，寻找有效的结合点并进行统一协调，最终设计出高质量、高档次的产品。（2）研究方法测试出典型工况下变幅缸和上、下平衡缸的位移，获得大量的实验数据。对实验数据进行分析处理，为建立高空作业平台工作机构动力学模型、进行仿真与分析作了必要的准备。（3）实验方案对工作臂进行有限元分析的方案有3个：将整个工作臂作为一个整体模型进行计算；将工作臂分成一、二、三节臂单独建模，分别计算。利用积分法对结构进行强度、刚度分析。研究计划及预期成果研究计划：2012年10月28日-2012年11月16日：学习并翻译一篇与毕业设计相关的英文材料2012年11月20日-2013年1月20日：按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填写毕业设计开题报告书。2013年1月25日-2013年2月10日：填写毕业实习报告。2013年2月20日-2013年3月10日：按照要求修改毕业设计开题报告。2013年3月19日-2013年3月30日：根据开题报告完成任务书。2013年4月1日-2013年4月30日：完成总装图及零件图的绘制。2013年4月30日-2013年5月25日：毕业论文撰写和修改工作。预期成果：我国市场前景广阔，产品质量性能逐渐满足要求，因此产品的发展必须由单纯的追求技术上的完善，转向产品外观质量的提高，放到与技术改进放到同等重要的位置，通过本课题的研究，产品必定以合理的色彩以及人性化的结构方式提高自己的附加值，吸引到更多地客户，加大自己产品的市场占有率，提高在行业中的竞争力。特色或创新之处本课题采用实体建模的方式对设计结构进行强度分析。利用积分法对结构进行强度、刚度分析，其结构比常规的解析法更准确、可靠。已具备的条件和尚需解决的问题实验方案思路已经非常明确，已经具备使用积分法进行强度校核的能力。液压系统的研究还不够完善。指导教师意见指导教师签名：年月日教研室（学科组、研究所）意见教研室主任签名：年月日系意见主管领导签名：年月日编号编号无锡太湖学院毕毕业业设设计计（论论文文）题目：题目：车载式高空作业平台的结构设计车载式高空作业平台的结构设计信机系系机械工程及自动化专专业业学号： 0学生姓名：指导教师：（职称：副教授）（职称：）2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚诚信信承承诺诺书书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）车载式高空作业平台的结构设计是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。班级：机械 93 学号： 0923104 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日I摘摘要要本课题首先对国内外高空作业车的发展进行了概括，提出了发展中的不足，简要介绍了高空作业车的组成，然后对目前国内生产技术不完善的混合臂和伸缩臂式高空作业车的关键结构进行了设计，同时对工作斗调平技术和液压系统等关键技术进行了研究分析。重点研究了伸缩臂的结构、运动特点，并对其进行了强度校核。根据高空作业车安全性要求高，工作幅度大，结构复杂等特点，提出了工作臂、副车架以及工作斗调平机构的研究设计方法。该课题以混合臂式高空作业车为研究对象，详细阐述了伸缩臂的结构设计、变形研究；副车架结构设计、工作稳定性分析；高空作业车的工作斗调平系统的研究分析；液压系统的设计计算。课题采用积分法对伸缩臂结构进行应力分析、变形分析。最后，对研究分析结果进行了试验和验证，将试验结果和理论分析结果进行了对比，通过对比分析进一步验证了本文提出的设计方法，对于同类型高空作业车研究计算，具有一定的参考价值。关键词关键词：高空作业车；结构设计；调平系统研究；液压缸IIAbstract 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目目录录摘要.IIIABSTRACT.IV目录 .V1 绪论.11.1 本课题的研究内容和意义.11.1.1 课题研究背景.11.1.2 课题研究的意义.11.2 高空作业机械的国内外发展概况.11.2.1 高空作业机械的国外发展状况.11.2.2 高空作业机械的国内发展状况.21.3 高空作业车的组成.21.3.1 专用底盘.21.3.2 工作臂架.31.3.3 三维全旋机构.31.3.4 电气与液压系统.31.3.5 安全装置.31. 4 课题研究的内容.42 伸缩臂结构分析.52.1 伸缩臂的结构.52.2 工况分析.62.3 伸缩臂强度计算分析.62.3.1 危险工况 1 计算.72.3.2 危险工况 2 计算.72.4 伸缩臂变形计算.82.4.1 力学模型的建立.82.4.2 弹性位移的计算.92.4.3 计算结果.122.5 伸缩臂强度校核.122.5.1 计算基本臂臂的截面尺寸.142.5.2 对下臂进行正应力校核.152.6 本章小结.163 副车架结构及分析.173.1 副车架结构.173.2 支腿反力的计算.173.3 转台回转系统.213.4 本章小结.224 工作斗调平机构的研究.23I4.1 工作斗调平结构模型.234.2 调平机构液压系统.254.3 本章小结.265 液压油缸的设计计算.275.1 伸缩变幅油缸的结构.275.2 伸缩变幅油缸的设计计算.275.2.1 确定液压缸类型和安装方式.275.2.2 确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸.275.3 本章小结.316 结论与展望.326.1 结论.326.2 展望.32致谢.33参考文献.33附录.33无锡太湖学院学士学位论文01 绪论绪论1.1 本课题的研究内容和意义本课题的研究内容和意义1.1.1 课题研究背景课题研究背景现如今我国经济的飞速发展以及政府对基础设施建设的力度逐渐增大，高空作业平台的需求量不断增加，市场前景非常广阔。然而由于我国对于高空作业平台的研究开发起步较晚，对其核心技术掌握的不足以及加工工艺的落后等方面的原因，使得我国高空作业产品的使用功能、安全性等方面得不到充分的质量保证。通过对目前高空作业产品市场的发展趋势和广泛的市场研究，发现国内产品具有类型单一、设计粗糙等缺陷，无法满足很多特殊施工环境的要求l，因此我国高空作业设备大多依赖进口。虽然国外产品功能完善、性能比较优秀，但是由于价格太高，对很多建设公司或者施工方来说成本占用比例过大，使得利润空间降低。因此，研发生产属于我国自主品牌的高性能的高空作业平台有着极其重要的经济价值和战略意义。高空作业平台是用来运送工作人员和工作装备到指定高度进行作业的一种大型工程机械设备，并广泛用于电力、路灯、市政、园林、通信、机场、造(修)船、交通、广告、摄影等高空作业领域。国家标准GB360893高处作业分级规定：VL在坠落高度基准面2m以上(含2m)有可能坠落的高处进行作业，都称为高处作业。因此为保障工人在高处作业的安全性，出现了越来越多的高空作业设备，然而随着科技的发展和人们对使用要求的增加，传统的高空作业设备已经无法满足人们的需求，专用高空作业平台技术在最近几十年来得以快速发展。1.1.2 课题研究的意义课题研究的意义随着社会的进步和发展，人们对于产品的人性化要求越来越高，因此在产品结构设计的过程中应坚持人性化思想2，以人机工程学原理为指导充分分析研究产品各方面因素，提出相应的设计方案。本课题在充分研究产品性能的基础上，对高空作业平台的功能模块进行了充分的结构分析，并根据其各方面的特殊性提出了相应的设计要求，指导其结构设计，因此课题研究的意义主要体现在以下几个方面：(1)通过本课题的研究，掌握混合臂高空作业车金属结构件的设计理论和分析方法，了解高空作业车结构件的工作规律，从而达到减轻自重、优化结构、提高可靠性的目的，为研制系列伸缩臂、混合臂高空作业车奠定良好的基础。(2)对车载式高空作业平台进行模块划分，将其分为工作平台、操作系统、运动系统和支持系统几个部分进行分别研究，对每一部分进行充分的结构分析，结合产品的相关标准和设计原则，对其结构设计进行指导。在课题的研究过程中结合产品的使用功能，通过计算机建模，在保证实现基本功能的基础上，总结相应的外观设计理论，以指导后续系列产品的结构设计，同时对于其它机械产品的外观设计研究具有一定的理论指导意义。1.2 高空作业机械的国内外发展概况高空作业机械的国内外发展概况1.2.1 高空作业机械的国外发展状况高空作业机械的国外发展状况高空作业车发展起步较早的欧美等发达国家和地区，从 20 世纪 20 年代就开始研制，车载式高空作业平台的结构设计1发展历史久远，生产技术也很成熟，具有生产技术水平高、作业车的作业高度大、规格齐全、结构型式丰富、功能多样等优点。总体来看，技术和市场均已很成熟，产品能够进行高空作业、抢险、救援、消防等复杂工作，作业平台的最大载荷可达 500kg，最大作业高度已经超过 100m，这是我国目前无法设计达到的高度，同时具有各种安全保护措施，很好的保障了工人的安全。大型产品特点是科技含量高、研制与生产周期较长、投资大、市场容量有限，但市场竞争相对较少，产品的利润相对较高。如美国 Genie 公司、JLG 公司和法国 HAULOTTE 公司在高空作业平台产品都形成了系列化，与此同时，产品更新换代的周期明显缩短。这大大提高了企业在国际市场中的竞争能力和企业的抗风险能力。1.2.2 高空作业机械的国内发展状况高空作业机械的国内发展状况我国产品在质量和性能上与国外优秀产品虽然存在一定的差距，但是随着科技的不断发展，产品的功能和性能已经逐渐趋于同质化3，因此必须通过对我国高空作业机械产品与国外先进企业产品进行分析和比较，找出发展问题的之所在，并提出相应的解决方案。我国高空作业平台的使用范围与国外相比来说还比较窄，使用较多的有路灯、交通、园林等部门，而在有发展前途的电力、电信及有线电视系统使用较少，市场远远没有挖掘和培育出来3。目前市场上的主要产品仍然是体积教大，对作业场地要求较高的拖车式或车载式高空作业车，而我国市场上的车载式高空作业车多为价格昂贵的国外进口产品或中外合资企业的产品，我国本土研发的设备极少，因此我们开发研制出拥有自主产权的高性能车载式高空作业平台具有很强的发展战略意义。我们应提高工程设计效率和品质，节约设计成本，缩短设计周期4-5。而传统设计在设计一个工程结构的时候，首先要采用类比方法确定设计方案的初稿，然后对其结构进行分析，画出图纸，然后对重要部件进行强度的校核，并根据校核的结果重新修改设计方案，一般往往要进行多次分析校核和调整才能得到优秀的设计方案。这种设计方法的设计周期长、代价高、效率低，且所得到的方案多数不是最优方案6-7。只有加大行业技术创新力度，开发先进的高空作业机械，满足用户的差别化和个性化需求，为用户精细化服务，才能提高中国产品的市场竞争能力。在我国实际工作过程中，人们对于安全性和劳动条件提出了更高的要求，尤其是在高空作业中，原始的脚手架、吊篮等安全系数较低的工作方式将会越来越少，而对于高空作业机械的需求必将越来越多8。另一方面，中国造船业逐渐成为世界第一，对于大型车载式高空作业平台的需求急剧增加。据不完全统计，仅中国造船行业在2009年约需六七百台高空作业平台9,这一市场之前基本都被国外品牌占据。因此，研发生产属于我国自主品牌的高性能的高空作业平台有着极其重要的经济价值。虽然国内产品近些年来发展较快，但从整体上看，无论是技术上还是应用上都落后于国外同类产品，与国外先进产品相比还有较大的差距。1.3 高空作业车的组成高空作业车的组成高空作业车正常进行作业，需要由专用底盘、工作臂架、三维全旋机构、液压系统、电气系统和安全装置等部分组成，性能如下。1.3.1 专用底盘专用底盘专用底盘。由发动机、车架、行走机构、转向机构等组成。考虑到工作可靠性、噪无锡太湖学院学士学位论文2声、排放等方面综合要求，优选康明斯 B3.3C60 型工程机械专用柴油发动机，该发动机为直列 4 缸水冷、自然吸气发动机，带全程调速器，运行平稳，具有热效率高、比油耗低、排放污染少等特点。由于台车行驶速度低，综合考虑作业安全性和经济性，车架采用刚性连接式，不设悬架机构，轮胎选用高负荷实心橡胶轮胎。 1.3.2 工作臂架工作臂架工作装置由回转台、工作臂架、伸缩软链等组成。回转台通过回转支承安装在车架上，由回转机构驱动，可实现 360全回转。回转机构包括行星减速机、常闭式制动器、液压马达等构成，与回转支承采用外啮合传动方式。 1.3.3 三维全旋机构三维全旋机构三维全旋机构设备或系统的安装位置一般由标高和方向 2 个参数确定。由于要求被举升物体在空间相互垂直的 3 个方向可以进行独立旋转，使物体可以获得任意安装角度，因此设计了三维全旋机构，即在水平和竖直方向设置90。旋转机构俯仰方向转角可以通过臂架变幅进行，微调由调平油缸实现，不再设单独机构，从而减少机构设置。 1.3.4 电气与液压系统电气与液压系统液压系统采用 1 台变量柱塞泵和 1 台定量齿轮泵供油，由发动机驱动。变量泵为行走、转台回转、臂架变幅和臂架伸缩供油，齿轮泵为行走转向机构、工作装置摆动、工作装置翻转、工作装置夹紧和调平机构微调供油。由变量泵供油的动作采用比例阀进行控制，以便精确进行速度调节，其它动作由于速度低、流量小，直接采用电磁换向阀进行控制。液压系统内设有安全溢流阀、液压锁等安全装置。 1.3.5 安全装置安全装置设有电动应急系统，当底盘发动机和主泵液压系统出现故障时，借助以 12V 底盘电源为动力的微型组合式液压泵站，将工作装置降至行驶状态。也可采用紧急下降阀进行操作，实现动臂下降复位。地面操作盘、遥控操作盘均设有紧急停止按钮，用于在紧急状况下强制停止行驶系统和工作装置的各种运动。整车外形图如图 1.1：1 汽车底盘 2 回转平台 3 平衡油缸 4 伸缩臂变幅油缸5 伸缩油缸 6 伸缩臂支架 7 折叠臂变幅油缸 8 折叠臂9 平衡拉杆 10 工作斗 11 平衡油缸 12 液压油箱13 回转机构 14 回转支承 15 副车架 16 取力系统车载式高空作业平台的结构设计3图1.1 车载式高空作业平台车外形图1. 4 课题研究的内容课题研究的内容课题研究内容主要包括高空作业平台结构的分析研究及其在实际生活中高空作业平台的外观设计，以车载式高空作业平台为设计载体，将产品各部分以功能进行划分，形成相应的设计理论和原则，并用以指导未来系列产品的结构设计。论文的主要内容包括以下几个部分：(1) 课题研究的国内外背景和发展现状，研究的主要内容和意义的概述；(2) 进行车载式高空作业车的伸缩臂、副车架等金属结构件的结构设计、用以实现车载式高空作业车的功能。(3) 对各金属结构件进行数学建模、数值计算、强度校核，以获得车载式高空作业车主要结构的工作规律和工作性能。(4) 对液压油缸进行选型，并设计计算其应力大小是否符合要求。(5) 根据设计、计算结果进行试制，对试制样品进行应力测试，将测试结果和理论分析计算结果进行比较，验证分析计算是否达到要求。无锡太湖学院学士学位论文42 伸缩臂结构分析伸缩臂结构分析2.1 伸缩臂的结构伸缩臂的结构后置式高空作业车伸缩臂采用三节伸缩式箱形臂，如图 2.1 所示。1 一节臂 2 二节臂 3 三节臂 4 伸出油缸5回缩链排 6 伸缩链排 7 滑块图2.1 伸缩臂结构图如图所示，各节臂可以依靠相互连接的滑块进行相对滑动。转台与伸缩臂的跟部通过水平销轴进行铰接，同时转台的中下部还与伸缩变幅油缸铰接，同样通过水平销轴，伸缩变幅油缸能够实现工作臂在变幅平面内的转动。所有铰接点均采用自润滑轴承，降低保养要求，所有需要润滑的点都设有加油口，可以方便地进行保养。工作臂依靠一级伸缩液压缸进行伸缩运动，伸缩油缸直接推动第二节臂，第三节臂在链条伸缩机构的作用下和第二节臂同步伸缩。臂架系统由臂架变幅机构、臂架伸缩机构、臂架钢结构及其它零部件组成。臂架变幅机构主要由变幅油缸组成，其作用是实现臂架的变幅功能。具有三节或三节以上的吊臂，各节臂的伸缩方式基本有三种：顺序伸缩、同步伸缩和独立伸缩。该高空作业车臂架伸缩机构由臂架伸缩油缸和钢丝绳传动系统组成，伸缩原理为单级同步伸缩即由伸缩油缸直接驱动二节臂动作，同时通过固定在一节臂上的钢丝绳使三节臂与二节臂实现同步动作。伸缩机构原理如图 2.2 所示。臂架截面形式采用四边形箱型结构，臂架外部装有油管电缆托链与工作平台进行连接10。123456978101.基本臂 2.伸臂钢丝绳 3.三节臂钢丝绳固定点 4.二节臂 5.三节臂6,9.二节臂上滑轮 7,10.基本臂钢丝绳固定点 8.缩臂钢丝绳图2.2 伸缩机构原理图车载式高空作业平台的结构设计52.2 工况分析工况分析由于高空作业车要求在所有幅度下，均可以在额定载荷下工作，因此其危险工况只有可能出现以下两种工作情况：一是在工作斗承载额定载荷，工作臂水平伸出至最大工作半径状态，如图2.3所示；二是在工作斗承载额定载荷，工作臂完全伸出，且处于最大幅度状态，如图2.4所示。图 2.3 危险工况1示意图图 2.4 危险工况2示意图2.3 伸缩臂强度计算分析伸缩臂强度计算分析分别对两种工况下的伸缩臂强度进行计算分析。本作业车工作臂均由优质合金结构钢Q700 制造，根据高空作业车结构安全要求无锡太湖学院学士学位论文6（GB9645-88）11，其许用应力值为： (2.1)12 sS ff式中：材料屈服强度， s700sMpa结构安全系数，S2S -应力集中系数，1f11.1f -动载荷系数，则2f21.25f 212700 254.54526/2 1.1 1.25sMpakg mmS ff2.3.1 危险工况危险工况 1 计算计算分别进行三节臂的应力计算。先对外臂进行分析，外臂受力如图2.5，其危险截面为A-A 截面。图 2.5 危险工况1 工作臂受力示意图 G1-载荷， G1=250*1.25kg G2-工作斗，G2=100 kgG3-前平衡油缸，G3=20 kg G4-平衡拉杆，G4=30 kgG5-折叠臂，G5=80 kg G6-折叠臂变幅缸，G6=60 kgG7-三节臂，G7=215 kg G8-二节臂及伸缩链排，G8=355 kg G9-1/2一节臂，G9=240 kg G10-伸缩油缸，G10=200 kg (2.2)A AiiMG L外臂危险截面A-A惯性矩为： (2.3)3312A ABHbhI则可求A-A 截面的最大应力。A A2174.23/ A AN m同样可对此工况1 下的中臂、内臂危险截面进行计算。求得其最大应力。2.3.2 危险工况危险工况 2 计算计算同样对三节臂分别计算。先对外臂进行分析，外臂受力如图 2.6，其危险截面为 A-车载式高空作业平台的结构设计7A 截面。图 2.6 危险工况2 外臂受力示意图根据图示受力分析，可计算出一节臂危险截面应力。同样方法，可分别计算工况 2 下，中臂、内臂的应力。根据计算，工况1 状态下各工作臂应力大于工况2，因此工况 1 为伸缩臂危险工作状态。2.4 伸缩臂变形计算伸缩臂变形计算高空作业车伸缩臂全伸时，臂端将产生较大的弹性变形，箱形伸缩臂臂端弹性位移将对高空作业车的作业参数产生影响，同时对对高空作业车安全性影响也很大，因此需要对其变形进行计算。2.4.1 力学模型的建立力学模型的建立考虑到很多现实干扰因素，因此计算时要虚拟化，建立以下假设：1) 假定工作臂截面不受力的影响产生弯曲变形，按平面计算；2) 由于截面变形不明显，对计算结果影响不大，因此假设挠度曲线是光滑连续的曲线；3) 每次建立模型时只考虑单方面受力作用结果，不用共同考虑；如图2.7 所示，建立空间直角坐标系，其中轴沿工作臂铰接轴轴线向外，OXYZOX设工作斗载荷为，考虑存在偏载，为空间载荷，为了便于计算，图2.7 中先将在QQQ无锡太湖学院学士学位论文8 平面进行分解，分解成沿Z轴的和平行于平面的，在后面的计算中再将OYZFOXY1F分解为沿 X轴和Y 轴的。1F1XF1YF图 2.7 工作臂受力坐标系参考起重机设计规范（GB3811-83）12，臂端弹性位移计算时应同时考虑轴向压力影响，先将工作臂简化为受压等截面悬臂梁，计算中再通过引入各种长度系数来考虑工作臂截面的影响。据此，我们作如下假设：伸缩臂实际长度为，伸缩臂计算长度为，bLCL (2.4)12CbLL伸缩臂的当量惯性矩为,dxI (2.5)122dxII其中、为长度系数。12下面用积分法来计算梁的弹性位移。为了计算方便，先分别计算在垂直平面OYZ 内，与M 所产生的挠度，和与FaF 所产生的挠度，如图2.8 所示。1Fb图 2.8 作用力和挠度示意图车载式高空作业平台的结构设计92.4.2 弹性位移的计算弹性位移的计算2.4.2.1 的计算的计算a将和还原成偏心载荷作用下的压杆，梁上任一横截面Z 处的弯矩为：1FMXF (2.6)()aMFSY 带入挠曲轴的近似微分方程： (2.7)dxEIYm 由于工作臂为阶梯形，是绕X 轴的当量面积惯性矩，dxI , 为变截面长度系数122dxII2将弯矩带入上式：()dxaEIYFSY()dxaEIYF YFS或 ()adxdxFFYYSEIEI令 2dxFKEI则上式变为： (2.8)22()aYK YKS这是一个二阶常系数非齐次方程，通解为：12sincosaYCKZCKZS由边界条件：, , 得0Z 0Y 2()aCS ，, 得0Z 0Y 10C 所以挠度方程为： (2.9)() (1 cos)aYSKZ令带入挠度方程。,baZL Y()(1 cos)aabSKL解得 1 coscosbabKLSKL作三角变换: 22sin2cosbabKLSKL带入：a2212cosbabK LSKL无锡太湖学院学士学位论文10将带入2dxFKEI21()2cosbadxbLFSEIKL212cosXbdxbMLEIKL当趋近于时，最大，此时轴向压力达到临界载荷，由极限的概念可bKL2aFEXF以认为。2bKL考虑构件支承方式的影响，应以计算长度代替。12CbLLbL (2.10)212cosXabdxbMLEIKL作近似：221cos1()122 28EXEXEXFFFFFF 1EXFF (2.11)2121XabdxEXMLFEIF2.4.2.2 的计算的计算b切向力F 在一截面的弯矩是： (2.12)1 ()()bYbmFYFLZ 建立挠曲轴的近似微分方程: dxEIYm 1()()dxbYbEIYFYFLZ1()YbbdxdxFFFYYLZEIEIF令 2dxFKEI上式变为： (2.13)221()YbbFYK YKLZF通解为: (2.14)112sincos()YbbFYCKZCKZLZF由边界条件: 得0,0ZY11YFCKF车载式高空作业平台的结构设计11则挠度方程为： (2.15)111sin()cos()YYYbbbbFFFYKZLKZLZKFFF令 ,bZLbY11sin()cosYYbbbbbbFFKLLKLKFF (2.16)11cossincosYYbbbFFKLKLKLKFF作近似： 3()sin6bbbKLKLKL2()cos12bbKLKL 3211()()cos(1)62bbYYbbbKLKLFFKLKLKFF3313YbFK LF33111133cos2YbYbbdxdxEXEXFLFLFEIEIFFF 2132161XYCLabCdxEXMFLYLFEIF上式中：12CbLL2.4.3 计算结果计算结果对于我们开发研制的直臂后置式高空作业车，其上式各参数应为：610 5085 115 10170200 101703203550()XiMkg m1315cos70107.74()YFkg0.89 0.95 1370011583()CLmm , 315()EXFkg315sin70296()Fkg , 200()EGpa437956815.75()dxImm将参数值代入公式得：2132146.0961XYCLabCdxEXMFLYLmmFEIF从以上计算结果看，由于公式推导基于理想状态，模型的建立将工作臂简化为节节之间刚性连接，其计算值为纯弹性变形挠度。在实际工作状态中，工作臂由于加工精度、滑块调整间隙等因素影响，其工作平台较理想状态下垂要大一些。这一点，我们经过对伸缩臂式高空作业车产品样车的测试，其结果基本符合预先的理论计算值。无锡太湖学院学士学位论文122.5 伸缩臂强度校核伸缩臂强度校核正应力校核、静强度效核公式：正应力 (2.17) FA 式中: F-梁所受的力（N） A-截面积（）2m 切应力： 28FsIz (2.18)式中: Fs-梁所受的剪力（N）-钢板厚度(m)Iz-梁对Z轴的惯性矩()4m钢板每平方米面积的理论质量,不同厚度的钢板(密度为7.85)的每平方米理论质量按下列公式计算： (2.19)2/Gkg m式中 : G-给定钢板厚度下的每平方米重量,kg/m-钢板厚度=4mm-钢板密度7.85所以 (M=L1=4.2m)4.2 0.004 7.850.13MGkg所以自重是: 0.13 9.81.27FGKN由上图可得: 0F 即: 1.279.811.07BFFGFKN对伸缩臂进行受力分析如下图FBBFcFg3560mm450mmx弯矩MGFMmax=39.41KNm车载式高空作业平台的结构设计13图2.9 伸缩臂的弯距图即力与力大小相等方向相反。11.07FBFBKN FBFB由0Mc 所以 450 3560FgFB所以 3560 11.0792.56450FgKN由 0F 所以 92.56 11.0781.49FcKN如图2.9所示的弯矩图:则可得最大弯矩是max11.07 356039.41MKNm而梁所需的截面系数， =/ maxWM4339.41.2.2 10176.69KN mmMPa2.5.1 计算基本臂臂的截面尺寸计算基本臂臂的截面尺寸再将求出来的梁所需的截面系数 W 值代入可得 0.6Wmaxh=340.6 2.2 101804 10mmbb1&h1h图 2.10 伸缩臂的截面图如图 2.10 所示：=4mm 则: 121808172hhmm按整体稳定性条件: 13bh无锡太湖学院学士学位论文14局部稳定条件: Q700 钢 60b 即: 1603hb118060 43mmbmm60240mmbmm可取: 150bmm由图可得: 121508158bbmm2.5.2 对下臂进行正应力校核对下臂进行正应力校核伸缩臂的截面尺寸确定后应对其进行强度、钢度和整体稳定性,不满足时应进行修改。 (1) 效核正应力FBBFcFg3560mm450mmx剪力FsFc=81.49KNFg=92.56KNFB=11.07KNGF图 2.11 伸缩臂臂的剪力图在截面 CG 上所受的正应力是: (2.20)11 FA 梁的截面积是: 11Ahbh b0.18 0.1580.172 0.15322.64 10 m 则: 3381.49 10130.872.64 10FcMPaA 在截面 AD 上所受的正应力是: (2.21)2 FA 则: 3311.07 1024.2 2.64 10FBMPaA (2) 效核切应力车载式高空作业平台的结构设计15在截面 BD 上所受的切应力应是: (2.22) 2118FsIz 计算 Z 轴惯性矩 Iz: Z&hh1&b1b图 2.12 惯性矩图如图所示建立坐标系，见图 2.12 惯性矩图矩形对 Z 轴的惯性矩是： 312b hIz 则惯性矩： 12IzIzIz所以此题的惯性矩为：33541158 18017.6 101212b hIzm 3354115017224.8 101212b hIzm5554127.6 104.8 102.8 10IzIzIzm把和切应力效核公式:81.49FsCKN542.8 10Izm则：切应力是 232581.49 100.00410.005888 2.8 10FcMPaIz 在截面 AD 上所受的切应力是: (2.23) 2228FsIz 把和代入式（2.15）11.07FsBKN542.8 10Izm则: 切应力是 232511.07 100.00420.07988 2.8 10FBMPaIz 所以综上所述，伸缩臂的正应力和切应力均符合要求。无锡太湖学院学士学位论文162.6 本章小结本章小结本章主要研究了伸缩臂的结构，以及对其进行受力分析并校核其强度。其次对伸缩臂的运动机理进行了简要的介绍，在危险工况下校核其强度，并计算出它的弹性变形。最后对伸缩臂进行正应力和静强度校核，跟限定值进行比较，发现符合要求，设计是可行的。本次主要运用了积分法计算伸缩臂的弹性挠度，是本次设计计算的重点。车载式高空作业平台的结构设计173 副车架结构及分析副车架结构及分析3.1 副车架结构副车架结构高空作业车的副车架主体部分为倒凹字型薄壁封闭大箱形结构, 中间还加了8块横向隔板为加强其抗扭转刚度。转台部位加设了多块纵、横向撑板和斜筋板，为保证回转支承的刚性，其上还焊接有回转支承座圈。车架采用H型支腿, 这种形式的支腿主要由水平腿箱和垂直腿箱组成, 腿箱一般为金属板材构成的箱形断面结构，固定支腿与车架焊为一体。工作时, 活动支腿伸出并支承于地面承受载荷。结构如图3.1。图3.1 副车架结构图3.2 支腿反力的计算支腿反力的计算支腿反力是指在高空作业车工作时，所承受的最大法向力的反作用力。车架结构和支腿结构的设计计算都要根据支腿反12，因此，在设计副车架前必须计算支腿反力。依据GB9465.2-1988高空作业车、JG5099-1998高空作业机械安全规和Q/320301JAL02-2003高空作业车13的规定：平台承载1.5倍的额定载，作业车在安全工作范围内应达到静载稳定性；平台承载1.1倍的规定载荷，安全作业范围内，稳定性最差的工况下，任一支腿的支反力不得小于0。高空作业车在工作臂水平，最大作业半径工作时，支腿受力最大，此时受力情况如图3.2。无锡太湖学院学士学位论文18图3.2 支腿最大受力状况示意图车载式高空作业平台的结构设计19各作用力大小及位置数据见表3-1。根据表3-1，上车转动部分对回转中心的作用力矩为： 123532iiMG LN m计算中风载荷及动载影响等没计入，综合考虑，在高空作业工况下，上车转动部分对回转中心的作用力矩取为130000N/m。支反力的计算模型见图3.3，图中:：回转中心，距支腿中心距离O01605emm：臂架所处方位，变化范围0360M：上车转动部分对回转中心的弯矩，M=13000kg/mE：下车不回转部分重心位置，距支腿中心距离 =540mm1eF：支腿中心线，b=2775mm；a=2000mm：上车回转部分重量（含Gz）, 0G02726Gkg：下车不回转部分重量，1G18620Gkg假定高空作业车在作业时支承在 A、B、C、D 四个支腿上，臂架位于离高空作业车纵轴线（x 轴）角处，如图 3.3 所示。若高空作业车不回转部分的重力为，其重心2G无锡太湖学院学士学位论文20在离支腿对称中心（坐标原点 O）处，回转中心离支腿对称中心 O 的距离为。2O2e0O0e又设高空作业车回转部分的合力为，且合力至点的距离为，则作用在臂架平面内0G0O0r的翻倾力矩 M 为，于是可求得四个支腿上的压力各为：00rG02201cossin114AeeFGGMbbbaabMbeGbeGFBsincos11410022abMbeGbeGFCsincos11410022 (3.1)abMbeGbeGFDsincos11410022当举升臂在车辆正侧方作业时即，则上式可简化为：90aMbeGbeGFA00221141aMbeGbeGFB00221141aMbeGbeGFC00221141 (3.2)aMbeGbeGFD00221141图3.3 支反力计算模型将相关数据代入，通过运算，可求出四条支腿的支反力；0180范围内支反力值见表3-2。在180360范围内，支反力值与0180范围对称，在此就不列出。车载式高空作业平台的结构设计21表3-2 考虑修正系数、支腿反力由表中计算结果可以看出，考虑修正系数的情况下，支腿受力状况发生变化，支腿最大支反力为6463kg，最小支反力也增大667kg。3.3 转台回转系统转台回转系统高空作业车的回转系统由液压马达、回转减速器及回转小齿轮、回转支承等组成。进行回转时，液压马达输出动力，通过回转减速器减速后带动输出轴上的小齿轮旋转，小齿轮与回转支承的齿圈啮合，由于回转支承的齿圈与车架刚性连接，因而回转减速器带动与之相连的转台回转。回转台通过回转支承安装在车架上，由回转机构驱动，可实现360 度全回转。回转机构由回转马达、回转减速机、常闭式制动器等组成，与回转支承采用外啮合传动方式。回转机构原理如图 3.4 所示。转台的结构主要有：底板、转台的回转支承、传动齿轮、以及转台组成。无锡太湖学院学士学位论文22由图可以看出转台的底板与下部的回转支承之间采用的是螺栓连接。当液压马达输出的转矩带动传动轴做回转运动时，这时传动齿轮与传动轴之间也用了几个小螺钉连接，将动力传给了传动齿轮，传动齿轮带动回转支承上的齿轮，支承上的齿轮外圈与上部转台底板用了 6 个螺栓联结将动力传给了转台，而齿轮的内圈上则用螺钉与底盘连接固定。回转马达回转减速机回转支承转台图 3.4 回转机构原理图不论转台采用何种结构的底盘，都必须具有很大的刚度，以保证它所承受的载荷能有效的传递，以保证高空作业车机可以安全平稳地工作。转台底板的平面刚度则对回转支承的转动灵活及转台整体刚度起着至关重要的作用。在高空作业小车中底板放在固定转上。在此不做详细的介绍一般均采用圆盘型结构转盘的大小通常根据设计者对转台设计的尺寸来确定，根据不同型号的作业小车所需要的不同结构的转台来设计底板的大小。转台结构的主要作用是连接下部传动齿轮与杆件，也也是此次设计的重点。转台结构采用前后两个高强板，在前后高强板上再加上加强筋形成倒型结构，底部采用圆盘形结构由图 3.5 可以看出转台上圆孔主要用于装下臂的销轴，下圆孔用来装升缩缸的销轴。上下盖板及两侧与高强板构成了箱形结构，在外侧加了两个加强筋以提高强度、刚度和稳定性。图3.5 转台结构图3.4 本章小结本章小结本章主要介绍了高空作业车的副车架，其中包括支腿、回转机构，同时计算了支腿反力，求出了支腿的受力范围。副车架中最主要的是回转机构，本章也详细介绍了回转机构的组成结构及运动机理。车载式高空作业平台的结构设计234 工作斗调平机构的研究工作斗调平机构的研究工作斗调平系统的作用是保证工作臂在任何位置时，工作斗都与地面平行。调平系统是高空作业车的特有技术，也是高空作业车的关键技术之一，目前国产高空作业车大都采用平行四边形调平机构，这是一种比较简单的调平机构，它由一组或多组平行四边形连杆机构组成。平行四边形机构一端连接在和地面角度相对固定的部件上，一端与工作斗直接相连，利用平行四边形对边始终平行的原理实现机构调平14。这种机构结构简单，调平可靠，无法应用于伸缩臂车型。应用于伸缩臂高空作业车的调平系统不成熟，是限制国产伸缩臂和混合臂高空作业车发展的主要因素之一。调平系统技术可靠程度直接影响整车性能和工作安全性15。4.1 工作斗调平结构模型工作斗调平结构模型本次设计的 25 米高空作业车为混合臂形式，既有伸缩臂，又有折叠臂。在折叠臂部分，考虑到平行四边形调平机构的优势，仍采用平行四边形机构，在伸缩臂部分则采用液压伺服油缸调平机构。其结构原理图见图 4.1。图中和工作斗直接相连的为折叠臂，点 A 为折叠臂和三节臂的铰接点，点 B 为折叠臂和工作斗铰座的铰接点，点 C、D 分别为三节臂和工作斗铰座上另外一点。点 C、D 之间用刚性连杆连接，连杆在 C、D 两处均采用铰接。在设计中保证边 AC=BD，AB=CD，则 A、B、C、D 四点就构成了一个平行四边形。由于 AC 边为三节臂上两点，当伸缩臂不变幅，和地面夹角保持不变时，平行四边形的 AC 边与地面角度保持不变，此时，无论折叠臂在变幅油缸推动下绕 A 点旋转至何种角度，在连杆 CD 作用下，工作斗铰座在空间平移，与地面的夹角始终保持不变，同时这种工况下工作斗和工作斗铰座为刚性结构16，因此就实现了折叠臂变幅时，工作斗的调平。液压伺服调平机构的作用是在伸缩臂进行变幅时，对工作斗进行调平。液压伺服调平机构由位于回转平台和伸缩臂之间的下调平油缸、工作斗和工作斗铰座之间的上平衡油缸，以及它们之间的液压系统构成。液压伺服调平机构的结构布置如图 4.1。图中 O 点为伸缩臂和回转平台的铰接点，E点为下调平油缸和伸缩臂的铰接点，F 点为下调平油缸和回转平台的铰接点。三点构成三角形，三角形中 0E 和 0F 边长度固定，作为 EF 边的调平油缸在伸缩臂进行变幅时，被动的进行伸缩。在工作斗处，布置了上调平油缸，上调平油缸和工作斗铰座的铰接点，E上调平油缸和工作斗的铰接点，以及工作斗与工作斗铰座的铰接点 0，同样构成三F角形。其中和两边在机构运动过程中长度固定不变，通过调平油缸的伸缩调整O EO F伸缩臂变幅时工作斗与地面的夹角。从 4.1 图中可以看出，如果上述两三角中作为可变长度边的两根调平油缸在伸缩臂变幅时形成以下运动关系，就可以实现工作斗的调平功能。根据以上分析，在设计中需要涉及 6 个参数，即回转平台和工作斗处两个三角形的共 6 条边。为了使设计分析更加简单，结构设计中，一般对部分参数进行如下简化，机械结构设计时，通常保证，。OEO EOFO F无锡太湖学院学士学位论文24 1 回转平台 2 下调平油缸 3 伸缩臂变幅油缸 4 伸缩臂 5 折叠臂变幅油缸 6 调平连杆 7 折叠臂 8 工作斗铰座 9 上调平油缸 10 工作斗图 4.1 调平机构结构原理图调平油缸设计时通常保证下调平油缸和上调平油缸的缸径和杆径完全相等，下调平油缸的大腔（活塞腔）和上调平油缸的大腔通过管路连接在一起，下调平油缸的小腔（活塞杆腔）和上调平油缸的小腔通过管路连接在一起。由图 4.1 可以看出，当伸缩臂举升时，下调平油缸的缸杆被伸缩臂拉出，小腔（活塞杆腔）内液压油被压出，通过管路完全进入上调平油缸的小腔，工程上不考虑液压油的压缩量17，又因为两根油缸小腔体积相等，因此可以认为上调平油缸缩回长度和下调平油缸被拉出的长度相等。同样，在伸缩臂回落时，上调平油缸伸出长度和下调平油缸被压回的长度相等。通过以上简化之后，伺服油缸调平机构结构设计问题归结为较为简单的三角形问题，在一定范围内降低了设计和工程实践的难度，经分析和实际验证，在以上设定条件下，可以实现工作斗的调平。经过计算分析，在两根油缸长度变化过程中，两三角形与油缸相对应的角度相应产生的变化不能完全相等，而只能近似相等。即伸缩臂变幅过程中，工作斗和地面之间的夹角始终在改变。实际使用过程中，只要角度差值足够小，也就是工作斗摆动角度足够小，就完全可以满足工作要求。对于工作斗摆动角度的限值，国内目前尚无标准要求，根据实际工况，设计中将工作斗与理论位置之间的最大允许偏角定为 1.5。考虑到伺服油缸平衡系统在安装和调整时，油缸的长度和理论值之间可能会有误差，因此设计的平衡三角形对油缸长度误差必须不敏感。设计中设定指标为，由于油缸调定车载式高空作业平台的结构设计25长度的偏差，使工作斗初始位置和理论位置间的角度偏差在5范围内时，运动过程中工作斗摆动角度3。根据经验数据，确定伺服油缸调平三角形参数如图 4.2。根据要求，伸缩臂的变幅角度范围是：-2075。图 4.2 调平机构几何参数4.2 调平机构液压系统调平机构液压系统调平机构液压系统原理如图 4.3 所示：图 4.3 调平机构液压系统原理当高空作业车在行驶状态时，伸缩臂不动作，因此下调平油缸处于静止状态，上调平油缸大小腔被平衡阀 2 锁住，也无法运动，从而保证行驶时工作斗处于固定状态。无锡太湖学院学士学位论文26换向阀 1 通常处于常闭状态，调平回路处于封闭状态，当伸缩臂变幅时，平衡阀 1锁住两油缸的液压油，防止外流，伸缩臂拉或压下调平油缸向外伸出或缩回，下调平油缸小腔或大腔被挤出的液压油打开平衡阀 2 进入从动平衡油缸的小腔或大腔，使上调平油缸动作，上调平油缸大腔或小腔被挤出的液压油通过封闭回路回到下调平油缸的大腔或小腔，从而实现自动调平。当作业车调平系统由于系统正常泄漏使在行驶状态工作斗不水平时，操作换向阀 1，当扳到上位时液压油打开平衡阀 1，再打开平衡阀 2 进入上调平油缸的大腔，工作斗前倾或后仰；当扳到下位时液压油打开平衡阀 1，再打开平衡阀 2 进入从动平衡油缸的小腔，工作斗后仰或前倾，从而实现工作前的调平。由于主动平衡油缸被工作臂压住，调平时不准运功，所以设计调平油缸和调节换向阀 1 上的溢流阀压力时，应既能满足工作斗调平，又不能使下调平油缸抬起工作臂。4.3 本章小结本章小结本章主要详细介绍了工作斗调平机构的运动结构及原理，它可直接影响整车的结构性能和工作安全，在设计中占有重要作用。其次介绍了调平结构的液压系统，本次设计采用的是液压伺服调平机构，它可以在伸缩臂进行变幅时，对工作斗进行调平，具有操作方便，安全性能高等优点。车载式高空作业平台的结构设计275 液压油缸的设计计算液压油缸的设计计算高空作业车的升降功能主要由变幅机构完成，其中，变幅机构的主要组成部分是液压缸。伸缩液压缸是联结一节臂和二节臂铰点的液压缸，它主要控制伸缩臂的伸缩动作。伸缩臂变幅液压缸是指基本臂与支架之间的液压缸，它主要用于控制基本臂的上升和下降动作，起主导作用。以下，就主上伸缩油缸和伸缩变幅油缸进行设计计算。5.1 伸缩变幅油缸的结构伸缩变幅油缸的结构伸缩油缸采用特殊的结构，其结构如图 5.1 示。其中活塞杆端部集成块 1 铰接于基本臂的后部，油缸缸体有杆腔侧的端部铰接于二节臂的后部。为了方便对油缸供油，将活塞杆设计成双层套管的形式，其中内层管路通过活塞与伸缩油缸的无杆腔相通，形成无杆腔油路；活塞杆外层与内层管路的间隙形成与油缸的有杆腔相通的油路。这两个油路分别通过活塞杆端部的集成块与系统供油、回油油路连接，另外油路中安装有平衡阀，防止由于配管或输油软管等破裂引起伸缩臂坠落。当伸缩臂缩回，即系统向伸缩油缸无杆腔供油时，平衡阀可以调定其控制油路的开启压力，为伸缩油缸无杆腔提供一定的背压，使伸缩臂平稳缩回，防止产生爬行现象或者在伸缩臂变幅角度 0 度以下时伸缩臂的自然伸出现象。 1234 1. 端部集成块 2.活塞杆 3.活塞 4.缸体图 5.1 伸缩油缸结构示意图 5.2 伸缩变幅油缸的设计计算伸缩变幅油缸的设计计算设液压缸单活塞杆双向运动时的负载力相同, 不记执行件质量。液压系统工作压力为P=16MPa。5.2.1 确定液压缸类型和安装方式确定液压缸类型和安装方式将缸体固定，活塞杆运动，查机械设计手册 5表 37.76 液压缸的安装方式，选择合适的安装方式。考虑机构的结构要求，伸缩臂起升、下降时液压缸的活塞杆进行伸缩实现运动需求。查表 37.76 液压缸的安装 (P37-179)选择耳环型安装方式，这种安装方式使液压缸在垂直面内可摆动，满足伸缩臂动作要求。5.2.2 确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸根据主机的动力分析和运动分析，确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸：(1) 液压缸内径 D 的计算根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算液压缸内径 D计算公式：无锡太湖学院学士学位论文28=3.57 D210pF（5.1）式中:-液压缸内径（m）；D-液压缸推力（kM）；F-选定的工作压力（MPa）。p其中（Fg）的计算过程如下：F当高空作业车伸缩臂与转台处于如下状态时，如图 5.2。伸缩臂液压缸所受的力最大。此时，臂与转台夹角为。075E500300F图 5.2 伸缩臂与转台最大夹角图把上下臂当成一个整体，将所受力对伸缩臂与转台交点点取矩，得： hFhFSGSGhFg2122111（5.2）其中: -上臂自重,由计算为。1G31.27 10N-高空作业车吊篮最大承受力，由计算知为。F39.8 10N-下臂自重,由计算知其值是。2GN31024. 1-点 c 到力的垂直距离。1hF-点 c 到上臂重力的垂直距离。1S1G-点 c 到下臂重力的垂直距离。2S2G-最大起重量，由计算得。1FN3106 .117-点 c 到力的垂直距离，为 4.01。2h1Fm已知上下臂夹角为，上臂长为 4.2,下臂长为 4.01, 且已知上下臂上各铰点位075mm置,通过计算得:;mh92. 21;46. 31mS ;5 . 22mS 车载式高空作业平台的结构设计29。mh308. 0其中为点 c 到力的垂直距离，计算过程如下所示：hgF 已知伸缩臂受力如下图 5.3 所标示。FG上F2B图 5.3 伸缩臂尺寸由此计算得：。mh308. 0将所得数据代入公式（5.2）得：mFmmNmNmNg308. 001. 4106 .1175 . 21024. 146. 31027. 192. 2108 . 93333 NFFg61065. 1将 ,代入式 5.1,NF61065. 1MPap16得： MPakND161065. 11057. 322mmD115查机械设计手册 5表 37.7-1，如表 5-1 给出的缸筒内径尺寸系列圆整成标准值。D表 5-1 液压缸内径尺寸系列(摘自 GB234880) ()mm840125（280）1050（140）3201263160（360）1680（180）40020（90）200（450）25100（220）50032（110）250即取：。mmD125(2) 活塞杆直径的计算d根据速度比的要求来计算活塞杆直径d无锡太湖学院学士学位论文30 1 Dd（5.3）式中: -活塞杆直径();dm-液压缸直径();Dm -速度比;22212dDDvv-活塞杆的缩入速度；2vmin)/(m-活塞杆的伸出速度。1vmin)/(m此处，机械设计手册 5表 37.7-63(P37-245)取液压缸的往复运动速度比为 1.46，表 37.7-2(P37-173)查得：（5.4） Dd56. 0将代入式（5.4）得: mmD125mmd70查机械设计手册 537.7-2，如表 5-2 液压缸活塞杆外径尺寸系列（摘自 GB2348-80）表 5-2 液压缸活塞杆外径尺寸系列 (摘自 GB 234880) ()mm420561605226318062570200828802201032902501236100280144011032016451253601850140 400取液压缸活塞杆外径尺寸如下：mmd70(3) 液压缸行程 S 的确定首先计算伸缩臂升至最大角时，伸缩臂铰点与底盘铰点之间的距离。由计算得伸缩臂升至最大角时，下臂铰点与底盘铰点之间的距离为：。mm493查机械设计手册 5表 37.7-3(P37-173)液压缸活塞行程第一系列()，由以上条mm件取 S 值如下：。mmS160(4) 液压缸结构参数的计算1) 缸筒壁厚的计算按薄臂筒计算： 2Dpy（5.5）车载式高空作业平台的结构设计31式中 -液压缸缸筒厚度()；m-试验压力()。取，ypMPappy5 . 1即：。MPappy24165 . 15 . 1 -液压缸内径（m）；D-刚体材料的许用应力（） MPa取。 MPa100代入式（5.5）中，得：mmMPammMPa151002125242) 缸体外径的计算 21 DD（5.6）代入数据得:mmD1551521251查机械设计手册 5表 37.7-66(P37-246)取液压缸外径为 150。mm5.3 本章小结本章小结本章内容主要是关于伸缩变幅液压缸的选型和计算。首先详细介绍了伸缩变幅油缸的结构及运动机理，然后根据伸缩臂运动范围确定油缸的类型和安装方法，最后根据受力进行设计计算，得到油缸外径。无锡太湖学院学士学位论文32 6 结论与展望结论与展望6.1 结论结论本文对最大作业高度为 25 米的混合臂高空作业车进行研究，重点论述了伸缩臂、副车架、调平系统等混合臂高空作业车关键部分的设计计算方法和设计思路，在对结构件进行设计计算时，分别

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