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折叠臂式高空作业车总体设计【汽车类】【3张CAD图纸】

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折叠臂式 高空作业 总体 设计 汽车 cad 图纸
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折叠臂式高空作业车总体设计

33页 11000字数+说明书+任务书+3张CAD图纸【详情如下】

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折叠臂式高空作业车总体设计论文.doc

高空作业车整车主视图.dwg

高空作业车整车右视图.dwg

高空作业车液压回路.dwg

摘  要

    本设计主要以小型折臂式高空作业车上、下臂结构为研究对象,对上、下臂进行结构和该车上`的设计。主要分两部分进行阐述,第一部分:根据高空作业车的最大高度10米,在满足作业高度的前提下,进行高空作业臂的结构设计:首先根据作业载荷使用要求选择作业臂材料类型;其次根据最大作业高度确定上、下长度;在经过受力分析利用强度来确定臂的截面尺寸,进而校核强度、刚度、稳定性,查看作业臂的尺寸是否符合要求。对施加均布载荷和约束,进行结构的强度和刚度的分析,确定危险截面或危险点的应力分布及变形,最后画出作业臂的总装图。第二部分:液压控制部分主要是指控制上下臂变幅运动的液压缸。文中详细记录了高空作业机构上下臂液压缸的设计过程,在确定液压系统元件参数的基础上,完成了液压传动系统的设计计算。

关键词:折叠臂式高空作业车,折叠臂式液压系统设计,专用汽车,设 In this paper , to” high-altitude vehicles”,under the arm to study de structure of the upper and the lower arm to the vehicles structure and the design of the hydraulic system,mainly conducted in two parts on,high-aititude vehicles under one of the largest 10 meters high degree of operating,to meet the high degree of operating under the premise of a high-aititude operations arm of the structural design ,first,the use of operating arm asked to choose the type of material and secondly in accordance with the largest Operating highly determined ,under the arm length ;another use of force analysis to determine the strength of the arm section size and location of the fuel tank of the hinged ;further strength ,stiffness,the stability of checking to see whether the size of the operating arm to meet the requirements .to impose uniform loading and constraints ,structural strength and stiffness analysis, risk and danger point cross-section of the stress and deformation ,finally draw operating arm and hand ,arm parts under the plans .and hydraulic control of the mainly refers to control the movement from the top to bottom arm change hydraulic cyclinders .In a detailed record of the agencies operating at high altitude upper arm hydraulic cylinders and hydraulic cylinders under the arm of the design of process .In the determining the parameters of the hydraulic system components ,based on the completion of the hydraulic system desion and calculation.

目录

摘  要I

ABSTRACTII

第1章  绪  论1

1.1课题的背景1

1.2小型折叠臂式高空作业车的发展概况2

1.3国内外折叠臂式高空作业车的发展概况2

1.4论文研究基本内容3

第2章 折叠臂式高空作业车作业臂设计4

2.1高空作业臂选择4

2.1.1高空作业臂分析4

2.1.2作业臂作业状态主要技术参数4

2.1.3 作业臂材料选择5

2.2上下臂的计算与校核5

2.2.1计算上下臂的长度5

2.2.2 上臂截面尺寸的确定6

2.2.3 对上臂进行强度校核8

第3章 折叠臂式高空作业车总体方案分析10

3.1动力传动装置设计与分析10

3.1.1设计要求10

3.1.2动力传动装置的选择10

3.2工作装置设计与分析11

3.2.1支腿机构11

3.2.2回转机构16

3.2.3操作及安全防护装置17

第4章  回转机构设计计算19

4.1回转机构设计19

4.1.1确定圆柱滚子的最大载荷19

4.1.2确定圆柱滚子的允许载荷21

第5章  液压系统设计计算22

5.1 确定液压缸类型和安装方式22

5.2 确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸22

5.2.1液压缸内径D的计算22

5.2.2活塞杆直径d的计算24

5.2.3缸壁厚的计算24

5.2.4 缸体外径计算25

5.3液压泵的选型计算25

5.3.1、液压泵理论流量Qr25

5.3.2、油泵排量q26

5.3.3 油箱容积计算26

5.3.4油管内径计算26

致  谢28

参考文献29

   定位置进行各种安装的装置。维修等作业的专用高空作业机械,既属于专用汽车,又属于工程机械,是一种重要的施工设备。

   高安全性,高作业效率和高环境适应性,其特殊性在于:一是载人高空作业.其作业安全性要求比一般工程车辆高,即所谓“高安全性”;二是施工场所环境的“非结构性”,即其工作环境不可预知并且多变,因此要求对环境具有”高适应性”;三是其经常用于抢修作业,并且多为室外或野外作业,作业环境条件差,所以要求其具有作业的“高效率”。

   “城市用”工程车辆特征目前我国用户基本集中在城市或城镇,其工作环境条件比一般的运输车辆和工程机械要好,对其使用寿命的期望也高.因此,要求具有与一般工程车辆不同的特征要求:多功能:外形美观.涂装色彩既要有工程车辆的稳重,又要有轿车的活力.并且要长期保持。机动灵活:可适当装载货物,如作业用的工具、机具、材料等。可乘载作业班组人员,如电力行业的4~6人、路灯行业的3~5人,具有工程车辆的功能和轿车的舒适性。

   多功能:国外高空作业车一般只有高空作业功能,车辆看起来非常简捷,而我国用户则要求附加的辅助功能很多.主要有臂架起重、平台小吊,载人、载货等。

   目前国内生产的高空作业车几乎全部是折叠臂式的,有很大的市场需求。

1.1课题的背景

    本题以“GKZ14高空作业车”为研究对象,对该车的作业臂结构,液压系统进行设计。该型作业车的作业臂由上臂、下臂组成,下臂与底座铰接,上臂头部有工作平台。上下臂通过伸缩油缸调节臂的举升高度。传统力学方法设计是:根据高空作业车的需要,在满足举升高度的前提下,进行强度,刚度,稳定性的要求进行校核,确定截面尺寸,保证安全,设计过程中安全系数较大,造成制造成本增加,质量偏大等问题。在车辆行驶过程中,犹豫臂重较大产生车架断裂现象。由于伸缩臂在作业时位于十几米的高度,事关人身安全,因此,需要有一种较准确的设计计算方法。液压系统设计在高空作业车的设计里占重要地位,例如,起重工种装置主要由变幅机构组成,这一机构靠液压系统驱动,实现作业要求。液压系统元件可分为动力元件,控制元件,执行元件,辅助元件等。随着经济技术的发展,国内外起重机市场和高空作业车市场对这两种产品的要求越来越大,将产生巨大的社会经济效益。

   本研究课题,将以高空作业车升降臂结构以及液压系统为对象,根据作业高度和液压驱动部分进行结构设计,得出一种较为准确的设计方法。高空作业机械式在工程起重机械基础上发展起来的高空作业设备,广泛应用在建筑、消防等行业。随着我国经济建设的不断发展,对高空作业车的需求越开越多,要求工作范围也越来越广泛。

1.2小型折叠臂式高空作业车的发展概况

   折叠臂式高空作业车采用的工作装置为液压驱动。

   高空作业车的升降机构的稳定可靠是实现安全作业的必要条件之一,这类装置的升降机构大多采用臂式或剪式升降机构,采用液压缸作为液压驱动力,液压缸需要随升降机构运动,因此液压缸与液压主回路需使用液压胶管连接。因此液压缸作为升降时的动力,又作为施工作业时的升降机构的支撑构件,因此液压缸及其连接管路对于整个系统安全起着非常重要的作用。

   高空作业车是以反复循环的方式完成设备安装的作业车。高空作业车主要由高空作业臂、工作平台、起升机构、动力系统、液压系统、电气系统等六部分组成

1.3国内外折叠臂式高空作业车的发展概况

   国外折叠臂式高空作业机械新兴行业,是在工程起重机械基础上发展起来的高新技术产业系统,只有二十几年的历史。目前,专业生产折叠臂式高空作业机械的公司比较少。近年来,由于汽车起重机销售量下降及市场平淡,一批汽车起重机制造公司相继发展高空作业机械,但总计年产量仍不能满足市场需求,正处于发展时期。

   国外折叠臂式高空作业机械发展迅速,技术水平不断提高。工业发达国家一般都有专门的跨国公司和集团主营和兼营高空作业机械,如美国GROVE公司(格鲁夫)和GENIE(吉尼公司)、英国COLES公司、SI-MON公司(西蒙)、意大利RICO(利高)、芬兰BRONTO公司(波浪涛公司)、日本的多田野和爱知株式会社等。

   国内折叠臂式高空作业机械发展刚刚起步,只有十几年的发展历史,虽然起步晚,但由于高空作业机械制造企业的努力,已逐步走向稳定的发展轨道。

我国从80年代开始抚顺起重机总厂、武汉起重机总厂、四川度岩机械厂、四川长江起重机械有限责任公司、杭州园林机械厂、北京攀尼高空作业1.4论文研究基本内容

   1、调研折叠臂式高空作业车技术应用情况,结合国内外情况,明确折叠臂式高空作业车技术的发展趋势,运用专业汽车技术及理论知识,确定折叠臂式高空作业车的研究方向。

   2、选择适合型号整车分析采用折叠臂式高空作业装置的可行性,确定高空作业的工作方式,论证高空作业装置工作原理及工作过程。

   3、设计一种高空作业装置,对折叠臂式高空作业装置进行运动分析和优化设计。

   4、通过对折叠臂式高空作业车的研究,分析折叠臂式高空作业车工况的稳定性。

   5、计算折叠臂式高空作业装置在工作过程中的受力情况,分析各参数对折叠臂式高空作业装置的影响。

   6、计算折叠臂式高空作业装置在工作过程中的受力情况,校核主要零部件的强度。

第2章 折叠臂式高空作业车作业臂设计

2.1高空作业臂选择

2.1.1高空作业臂分析

       高空作业臂包括上臂和下臂,上臂头部有工作平台。行驶状态时,两节工作臂折叠在一起;进行高空作业时,两节工作臂由上下臂油缸举升伸展至一定角度,将工作人员送至工作位置。上臂和下臂间通过水平销轴铰接,铰接处设有专门的滑动轴承,以保证工作臂转动时阻力小,运动平稳。该高空作业车采用折臂式工作臂结构,工作装置为液压驱动。工作臂为两节工作臂。具有操作简便,稳定性好等特点。其组成主要是高空作业臂,如图2-1所示,高空作业臂包括上臂和下臂上臂头部有工作平台。


图2-1


2.1.2作业臂作业状态主要技术参数

作业车技术参数如下表2-1所示:

表2-1作业臂作业状态主要技术参数


2.1.3 作业臂材料选择

  金属结构为保证能安全,可靠地工作对其规定如下计算原则

金属结构工作级别按结构件中的应力状态(名义应力谱系数)和应力循环次数(应力循环等级)分为A1-A8八级。

金属结构计算应采用应力法(许用正应力和许用切应力)

金属结构应进行强度,刚度和稳定性计算,并满足其规定的要求

金属结构应按三类载荷情况进行疲劳强度,刚度和稳定性计算

第一类——按正常工作时的等效载荷进行疲劳强度计算。

第二类——按工作时的最大的载荷进行强度和稳定性计算

第三类——按非工作时的最大的载荷工作时的特殊载荷进行强度和稳定性验算

    由此确定作业臂材料:根据选材原则及规定,主要选用Q235钢板,其主要特点是机械强度,韧性和塑性,以及加工等综合方面的性能好,价格较低,钢板的厚度t=4mm,其屈服强度是235Mpa

    由于工作时应按最大的载荷进行强度和稳定性计算——结构应按第二类载荷情况进行疲劳强度,刚度和稳定性计算3.1.1设计要求

动力传动装置包括折叠臂式高空作业汽车各工作装置的动力传动部分,其设计要求如下:

   (1)对作业功能,在规定的载荷范围内,不论载荷大小,要求动力传动装置具有稳定的工作转速。

   (2)在同一工作循环内,工作装置的回转机构、举升机构等是正向和逆向运动交替进行的。因此要求能适应运动方向的不断改变。

   (3)在工作过程中,各工作装置的工作速度应能随作业进度及时调整,且调速范围大,如举升机构需要有很低的微动速度。

3.1.2动力传动装置的选择

1、内燃机——机械传动

   这种传动方式仅在用途单一的高空作业汽车上使用,如用于电力设施维修的垂直升降式高空作业汽车多采用这种形式。动力源为汽车发动机,动力经变速器传出后,还要经分动器、离合器、减速器、卷扬机、滑轮以及钢丝绳等传递到工作装置,传动路线长,结构较复杂。

2、电力——机械传动

   这种传动方式是利用外接电源或车载电源(蓄电池),通过电动机将电能转换成机械能,再经机械传动装置将动力传递到各工作装置。由于电动机具有逆转性和在较大转速范围内实现无级调速等特点,并且各机构可由独立的电机驱动,简化了传动和操纵机构,而且噪声小、污染少,适用在外接电源方便或流动性不大的场地作业。

3、内燃机——电力传动

这种传动方式的路线是汽车发动机 → 发电机 → 电动机,然后带动各工作装置运转。其优点是利用直流电动机的优良工作特性,使高空作业汽车


内容简介:
哈工大华德学院毕业设计(论文)评语姓名: 李广志 学号: 1089311206 专业: 车辆工程 毕业设计(论文)题目: 折叠臂式高空作业车 工作起止日期: 2010 年 10 月 11 日起 2010 年 12 月 31 日止 指导教师对毕业设计(论文)进行情况,完成质量及评分意见: 指导教师签字: 指导教师职称: 评阅人评阅意见: 评阅教师签字: 评阅教师职称: 答辩委员会评语: 根据毕业设计(论文)的材料和学生的答辩情况,答辩委员会作出如下评定:学生 毕业设计(论文)答辩成绩评定为: 对毕业设计(论文)的特殊评语: 答辩委员会主任(签字) 职称: 答辩委员会副主任(签字): 职称: 答辩委员会委员(签字): 年 月 日 毕业设计(论文)任务书学生姓名李广志系部汽车工程系专业、班级车辆工程0893112指导教师姓名郭新华职称教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称折叠臂式高空作业车设计与研究一、设计(论文)目的、意义高空作业车是运送人员到达指定位置高度的专业车辆,广泛应用建筑、市政等行业,从事施工、安装、维护等工作。折叠臂式高空作业车的研究,可改善工作环境,减轻其疲劳强度,提高其工作的效率和安全性,满足高空作业需求,有重要的实用价值。通过对折臂式高空作业车的设计,巩固和加深所学的专业知识,扩大专业知识范围,培养我们在工作中能综合运用所学的知识解决实际问题的能力,通过自己的实际创作培养创新能力,提高论文的书写能力,树立认真的学习态度。二、论文基本内容主要研究内容1、调研折叠臂式高空作业车技术应用情况,结合国内外情况,明确折叠臂式高空作业车技术的发展趋势,运用专业汽车技术及理论知识,确定折叠臂式高空作业车的研究方向。2、选择适合型号整车分析采用折叠臂式高空作业装置的可行性,确定高空作业的工作方式,论证高空作业装置工作原理及工作过程。3、设计一种高空作业装置,对折叠臂式高空作业装置进行运动分析和优化设计。4、通过对折叠臂式高空作业车的研究,分析折叠臂式高空作业车工况的稳定性。5、计算折叠臂式高空作业装置在工作过程中的受力情况,分析各参数对折叠臂式高空作业装置的影响。6、计算折叠臂式高空作业装置在工作过程中的受力情况,校核主要零部件的强度。技术要求1、 实现折叠臂式高空作业功能,确定折叠臂式高空作业装置工作方式;2、 选择适合型号整车进行总体设计3、 对折叠臂式高空作业装置结构设计,并进行必要的动力分析;4、 折叠臂式高空作业车总体设计。提交结果(1)计算说明部分 :提交设计说明书1份(一万字以上) (2)图纸部分:折合A0图纸两张(其中1张A0装配图)三、研究方法主要是通过图书馆以及互联网资源寻找有关设计方面的资料,如相关的图书,电子书籍,电子报刊、期刊等等。然后阅读大量相关文献资料,包括机械设计,汽车设计、汽车构造、制造工艺学方面的书籍和报刊,以进一步了解折叠臂式高空作业车的性能,与用途,然后进行系统设计。 (1)进行方案及结构设计; (2)参阅参考资料及书籍进行理论计算; (3)用AUTOCAD 软件绘制图纸; 四、设计(论文)进度安排1. 2011年10月9 日与指导教师见面并下达毕业设计(论文)任务书。2. 2011年10月21日开题,指导教师进行开题检查。3. 2011年11月18日草图、论文草稿,指导教师中期自检。4. 2011年11月25日完成草图,系中期检查。5. 2011年12月9日完成正式图、论文草稿,并经指导老师结题检查。6. 2011年12月19 日上交论文、图纸、毕业设计材料。7 2011年12月29日答辩。五、主要参考资料1白玉生.举高消防车构造与使用维护.中国人民公安大学出版社,2010.2机械工程手册.机械工业出版社1982:3戴冠军汽车维修理论人民交通出版社,1991:4胡宗武,起重机动力学M:北京出版社,19885范祖娆现代机械设备设计手册 M:机械工业出版社19966涂桥安,移动式高空作业平台的设计研究 机械设计与制造工程 7明平顺汽车运输专用车辆M北京:北京人民交通出版社,20078 杜娟,唐传平汽车行业标准高空作业车内容浅析J2004(6): 9左培文中国专用汽车产业现状及发展探讨J专用汽车.2006(7): 10徐达,陆锦容专用汽车工作装置原理与设计计算M北京理工大学出版社,200211郑殿旺,华学超专用汽车结构与维修M:上海:上海科技技术出版社,199712冯晋祥专用汽车设计M北京:人民交通出版社,200713吴克坚,机械设计,高等教育出版社,2003 14钟安庆消防车多节直臂举升同步伸缩系统的设计 工程机械,200215高低空起重工程车吊臂伸缩机构 工程机械出版社 200016杨培元、朱福元液压系统设计简明手册G.北京机械工业出版社,200317 王连明、宋宝玉.机械设计课程设计.哈尔滨工业大学出版社,2005.18 陈铁鸣.机械设计.哈尔滨工业大学出版社.2006.19 黎启柏,液压元件手册,冶金工业出版社,2000.20 GRITFIN M J .Evaluation of vibration with respect to human response .SAE8004721 Mike GunderloyMary Chipman.SQI Server7:In Record Time六、备注指导教师签字:年 月 日教研室主任签字: 年 月 日哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 题 目 折叠臂式高空作业车 设计与研究 专 业 车辆工程 学 号 1089311206 学 生 李广志 指导教师 郭新华 答辩日期 2011.12.29 哈工大华德学院哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计摘 要本设计主要以小型折臂式高空作业车上、下臂结构为研究对象,对上、下臂进行结构和该车上的设计。主要分两部分进行阐述,第一部分:根据高空作业车的最大高度10米,在满足作业高度的前提下,进行高空作业臂的结构设计:首先根据作业载荷使用要求选择作业臂材料类型;其次根据最大作业高度确定上、下长度;在经过受力分析利用强度来确定臂的截面尺寸,进而校核强度、刚度、稳定性,查看作业臂的尺寸是否符合要求。对施加均布载荷和约束,进行结构的强度和刚度的分析,确定危险截面或危险点的应力分布及变形,最后画出作业臂的总装图。第二部分:液压控制部分主要是指控制上下臂变幅运动的液压缸。文中详细记录了高空作业机构上下臂液压缸的设计过程,在确定液压系统元件参数的基础上,完成了液压传动系统的设计计算。关键词:折叠臂式高空作业车,折叠臂式液压系统设计,专用汽车,设计ABSTRACT In this paper , to” high-altitude vehicles”,under the arm to study de structure of the upper and the lower arm to the vehicles structure and the design of the hydraulic system,mainly conducted in two parts on,high-aititude vehicles under one of the largest 10 meters high degree of operating,to meet the high degree of operating under the premise of a high-aititude operations arm of the structural design ,first,the use of operating arm asked to choose the type of material and secondly in accordance with the largest Operating highly determined ,under the arm length ;another use of force analysis to determine the strength of the arm section size and location of the fuel tank of the hinged ;further strength ,stiffness,the stability of checking to see whether the size of the operating arm to meet the requirements .to impose uniform loading and constraints ,structural strength and stiffness analysis, risk and danger point cross-section of the stress and deformation ,finally draw operating arm and hand ,arm parts under the plans .and hydraulic control of the mainly refers to control the movement from the top to bottom arm change hydraulic cyclinders .In a detailed record of the agencies operating at high altitude upper arm hydraulic cylinders and hydraulic cylinders under the arm of the design of process .In the determining the parameters of the hydraulic system components ,based on the completion of the hydraulic system desion and calculation.Key words: Folded-arm high-altitude vehicles Folding arm type hydraulic system design Special Vehicle Design目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1课题的背景11.2小型折叠臂式高空作业车的发展概况21.3国内外折叠臂式高空作业车的发展概况21.4论文研究基本内容3第2章 折叠臂式高空作业车作业臂设计42.1高空作业臂选择42.1.1高空作业臂分析42.1.2作业臂作业状态主要技术参数42.1.3 作业臂材料选择52.2上下臂的计算与校核52.2.1计算上下臂的长度52.2.2 上臂截面尺寸的确定62.2.3 对上臂进行强度校核8第3章 折叠臂式高空作业车总体方案分析103.1动力传动装置设计与分析103.1.1设计要求103.1.2动力传动装置的选择103.2工作装置设计与分析113.2.1支腿机构113.2.2回转机构163.2.3操作及安全防护装置17第4章 回转机构设计计算194.1回转机构设计194.1.1确定圆柱滚子的最大载荷194.1.2确定圆柱滚子的允许载荷21第5章 液压系统设计计算225.1 确定液压缸类型和安装方式225.2 确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸225.2.1液压缸内径D的计算225.2.2活塞杆直径d的计算245.2.3缸壁厚的计算245.2.4 缸体外径计算2553液压泵的选型计算255.3.1、液压泵理论流量Qr255.3.2、油泵排量q265.3.3 油箱容积计算265.3.4油管内径计算26致 谢28参考文献29第1章 绪 论高空作业车是一种将作业人员、工具、材料等通过作业平台举升到空中指定位置进行各种安装的装置。维修等作业的专用高空作业机械,既属于专用汽车,又属于工程机械,是一种重要的施工设备。高安全性,高作业效率和高环境适应性,其特殊性在于:一是载人高空作业其作业安全性要求比一般工程车辆高,即所谓“高安全性”;二是施工场所环境的“非结构性”,即其工作环境不可预知并且多变,因此要求对环境具有”高适应性”;三是其经常用于抢修作业,并且多为室外或野外作业,作业环境条件差,所以要求其具有作业的“高效率”。 “城市用”工程车辆特征目前我国用户基本集中在城市或城镇,其工作环境条件比一般的运输车辆和工程机械要好,对其使用寿命的期望也高因此,要求具有与一般工程车辆不同的特征要求:多功能:外形美观涂装色彩既要有工程车辆的稳重,又要有轿车的活力并且要长期保持。机动灵活:可适当装载货物,如作业用的工具、机具、材料等。可乘载作业班组人员,如电力行业的46人、路灯行业的35人,具有工程车辆的功能和轿车的舒适性。多功能:国外高空作业车一般只有高空作业功能,车辆看起来非常简捷,而我国用户则要求附加的辅助功能很多主要有臂架起重、平台小吊,载人、载货等。目前国内生产的高空作业车几乎全部是折叠臂式的,有很大的市场需求。1.1课题的背景本题以“GKZ14高空作业车”为研究对象,对该车的作业臂结构,液压系统进行设计。该型作业车的作业臂由上臂、下臂组成,下臂与底座铰接,上臂头部有工作平台。上下臂通过伸缩油缸调节臂的举升高度。传统力学方法设计是:根据高空作业车的需要,在满足举升高度的前提下,进行强度,刚度,稳定性的要求进行校核,确定截面尺寸,保证安全,设计过程中安全系数较大,造成制造成本增加,质量偏大等问题。在车辆行驶过程中,犹豫臂重较大产生车架断裂现象。由于伸缩臂在作业时位于十几米的高度,事关人身安全,因此,需要有一种较准确的设计计算方法。液压系统设计在高空作业车的设计里占重要地位,例如,起重工种装置主要由变幅机构组成,这一机构靠液压系统驱动,实现作业要求。液压系统元件可分为动力元件,控制元件,执行元件,辅助元件等。随着经济技术的发展,国内外起重机市场和高空作业车市场对这两种产品的要求越来越大,将产生巨大的社会经济效益。本研究课题,将以高空作业车升降臂结构以及液压系统为对象,根据作业高度和液压驱动部分进行结构设计,得出一种较为准确的设计方法。高空作业机械式在工程起重机械基础上发展起来的高空作业设备,广泛应用在建筑、消防等行业。随着我国经济建设的不断发展,对高空作业车的需求越开越多,要求工作范围也越来越广泛。1.2小型折叠臂式高空作业车的发展概况折叠臂式高空作业车采用的工作装置为液压驱动。高空作业车的升降机构的稳定可靠是实现安全作业的必要条件之一,这类装置的升降机构大多采用臂式或剪式升降机构,采用液压缸作为液压驱动力,液压缸需要随升降机构运动,因此液压缸与液压主回路需使用液压胶管连接。因此液压缸作为升降时的动力,又作为施工作业时的升降机构的支撑构件,因此液压缸及其连接管路对于整个系统安全起着非常重要的作用。高空作业车是以反复循环的方式完成设备安装的作业车。高空作业车主要由高空作业臂、工作平台、起升机构、动力系统、液压系统、电气系统等六部分组成1.3国内外折叠臂式高空作业车的发展概况国外折叠臂式高空作业机械新兴行业,是在工程起重机械基础上发展起来的高新技术产业系统,只有二十几年的历史。目前,专业生产折叠臂式高空作业机械的公司比较少。近年来,由于汽车起重机销售量下降及市场平淡,一批汽车起重机制造公司相继发展高空作业机械,但总计年产量仍不能满足市场需求,正处于发展时期。国外折叠臂式高空作业机械发展迅速,技术水平不断提高。工业发达国家一般都有专门的跨国公司和集团主营和兼营高空作业机械,如美国GROVE公司(格鲁夫)和GENIE(吉尼公司)、英国COLES公司、SI-MON公司(西蒙)、意大利RICO(利高)、芬兰BRONTO公司(波浪涛公司)、日本的多田野和爱知株式会社等。国内折叠臂式高空作业机械发展刚刚起步,只有十几年的发展历史,虽然起步晚,但由于高空作业机械制造企业的努力,已逐步走向稳定的发展轨道。我国从80年代开始抚顺起重机总厂、武汉起重机总厂、四川度岩机械厂、四川长江起重机械有限责任公司、杭州园林机械厂、北京攀尼高空作业车有限公司、徐州重型机械厂等开始着手研制高空作业车和登高平台消防车,投放市场。抚顺起重机械总厂生产的CDZ32型登高平台消防车已出口泰国。四川长江起重机有限责任公司研制的QZC5120JGKS25型高空作业车是最近推向市场的一种新产品。该产品采用现代设计手段设计,填补了国内25m伸缩臂式高空作业车的空白。尽管我国在折叠臂式高空作业车设计制造上取得了一些成绩,但是国内生产制造的高空作业机械同国外同类型高空作业机械产品相比仍有一定差距,主要表现为技术含量低、大型的较结构笨重、作业时未动性能差等问题。在开发研制过程中,应采取有效措施、实验研究,逐项加以解决,以缩小差距。同时对目前存在的技术关键,有待于组织力量攻关解决,其关键是电液比例操纵、微动性能问题,支腿调平技术问题,数显微机自动程序控制以及机电一体化问题等8,9。目前,折叠臂式高空作业车的发展动向是实现“六化”、“三性”,以提高折叠臂式高空作业机械的适用性。“六化”:即液压化、最优化(采用计算机辅助设计)、轻量化(采用高强度材料、减轻构建重量)、机电液一体化(如安全保护、报警装置等)、通用化、系列化。 “三性”:可靠性、安全性和舒适性。综上所述,在目前的折叠臂式高空作业车的生产水平上,改进折叠臂式高空作业车的工作性能,开发研制机动灵活、技术含量高、安全可靠的高空作业机械具有重大意义。1.4论文研究基本内容1、调研折叠臂式高空作业车技术应用情况,结合国内外情况,明确折叠臂式高空作业车技术的发展趋势,运用专业汽车技术及理论知识,确定折叠臂式高空作业车的研究方向。2、选择适合型号整车分析采用折叠臂式高空作业装置的可行性,确定高空作业的工作方式,论证高空作业装置工作原理及工作过程。3、设计一种高空作业装置,对折叠臂式高空作业装置进行运动分析和优化设计。4、通过对折叠臂式高空作业车的研究,分析折叠臂式高空作业车工况的稳定性。5、计算折叠臂式高空作业装置在工作过程中的受力情况,分析各参数对折叠臂式高空作业装置的影响。6、计算折叠臂式高空作业装置在工作过程中的受力情况,校核主要零部件的强度。第2章 折叠臂式高空作业车作业臂设计2.1高空作业臂选择2.1.1高空作业臂分析 高空作业臂包括上臂和下臂,上臂头部有工作平台。行驶状态时,两节工作臂折叠在一起;进行高空作业时,两节工作臂由上下臂油缸举升伸展至一定角度,将工作人员送至工作位置。上臂和下臂间通过水平销轴铰接,铰接处设有专门的滑动轴承,以保证工作臂转动时阻力小,运动平稳。该高空作业车采用折臂式工作臂结构,工作装置为液压驱动。工作臂为两节工作臂。具有操作简便,稳定性好等特点。其组成主要是高空作业臂,如图2-1所示,高空作业臂包括上臂和下臂上臂头部有工作平台。图2-12.1.2作业臂作业状态主要技术参数作业车技术参数如下表2-1所示:表2-1作业臂作业状态主要技术参数2.1.3 作业臂材料选择 金属结构为保证能安全,可靠地工作对其规定如下计算原则(1) 金属结构工作级别按结构件中的应力状态(名义应力谱系数)和应力循环次数(应力循环等级)分为A1-A8八级。(2) 金属结构计算应采用应力法(许用正应力和许用切应力)(3) 金属结构应进行强度,刚度和稳定性计算,并满足其规定的要求(4) 金属结构应按三类载荷情况进行疲劳强度,刚度和稳定性计算第一类按正常工作时的等效载荷进行疲劳强度计算。第二类按工作时的最大的载荷进行强度和稳定性计算第三类按非工作时的最大的载荷工作时的特殊载荷进行强度和稳定性验算 由此确定作业臂材料:根据选材原则及规定,主要选用Q235钢板,其主要特点是机械强度,韧性和塑性,以及加工等综合方面的性能好,价格较低,钢板的厚度t=4mm,其屈服强度是235Mpa 由于工作时应按最大的载荷进行强度和稳定性计算结构应按第二类载荷情况进行疲劳强度,刚度和稳定性计算2.2上下臂的计算与校核2.2.1计算上下臂的长度 如图2-1所示作业臂的仰角是指上臂与水平线之间的夹角,它可以从0到80度,为便于对吊臂端部进行操作,仰角可为-3度,作业臂实际作业时通常在30-75度范围内,设计时仰角取75度,在图2-2中图2-2作业臂最大仰角,上臂:L1=AB 下臂:L2=BC, 则AB+BC=8.5即 (L1+L2)=8.5L1+L2=8.21由于上臂头部有工作台,所以在上臂头部应留有一定的余量装工作平台,因此上臂应大于下臂长,即 L1L2因此可以取上臂L1=4.20mm 下臂L2=4.01mm2.2.2 上臂截面尺寸的确定(1)上臂截面尺寸受力分析下图所示是上臂工作到水平位置时的受力图,此时上臂受到的力最大图2-3 上臂弯矩图可列公式: =0则 X400=9.8X3900 =93.1又由 =0 += =93.1-9.8=83.31N如上图所示弯矩图:可得最大弯矩是=9.8X3.8=37.24KN.M而梁所需要的截面系数,W=M/ =37.24/154.52 =24.1X10m(2)计算上臂截面尺寸 1梁高的确定(h)按强度条件:h= 式中 w梁所需的截面系数W=M/ M梁的最大弯矩 所用钢材的许用应力 、钢板的厚度,设计时钢板的厚度=4mm 因= 则上式可简化为:h= 因此可得上臂高h= = =190mm2上臂梁宽的确定如下图=4mm图2-4 臂的截面图 则=-2=190-8=182mm按整体稳定条件:b1/3h按局部稳定条件:Q235钢 b60 即 则 取: 由图可得 mm2.2.3 对上臂进行强度校核(1)正应力校核 静应力校核公式:正应力 式中F梁所受的力(N) A截面积()切应力 式中梁所受的弯力(N) 钢板的厚度(m) IZ梁对轴的惯性矩在截面BE所受的正应力是梁的截面积是: 则(2)计算Z轴的惯性矩是:图2-5则惯性矩: =把和代入切应力校核公式则:切应力是 在截面AD上所受的切应力是:把和代入则:切应力 所以上臂的正应力和切应力符合要求。(3)对上下臂进行整体稳定性验算 箱型组合型梁通常刚度很大,若梁的高度之比,则梁的整体稳定性不需验算,所以3.则不需要整体稳定性验算。从以上对上臂的验算可得上臂尺寸的选择符合要求下臂截面尺寸计算与受力分析与上臂基本相同。第3章 折叠臂式高空作业车总体方案分析折叠臂式高空作业车主要由动力传动装置、工作装置(支腿机构、回转机构、作业平台)等组成。本章主要对折叠臂式高空作业车的各个机构的方案进行分析。3.1动力传动装置设计与分析3.1.1设计要求动力传动装置包括折叠臂式高空作业汽车各工作装置的动力传动部分,其设计要求如下:(1)对作业功能,在规定的载荷范围内,不论载荷大小,要求动力传动装置具有稳定的工作转速。(2)在同一工作循环内,工作装置的回转机构、举升机构等是正向和逆向运动交替进行的。因此要求能适应运动方向的不断改变。(3)在工作过程中,各工作装置的工作速度应能随作业进度及时调整,且调速范围大,如举升机构需要有很低的微动速度。3.1.2动力传动装置的选择1、内燃机机械传动这种传动方式仅在用途单一的高空作业汽车上使用,如用于电力设施维修的垂直升降式高空作业汽车多采用这种形式。动力源为汽车发动机,动力经变速器传出后,还要经分动器、离合器、减速器、卷扬机、滑轮以及钢丝绳等传递到工作装置,传动路线长,结构较复杂。2、电力机械传动这种传动方式是利用外接电源或车载电源(蓄电池),通过电动机将电能转换成机械能,再经机械传动装置将动力传递到各工作装置。由于电动机具有逆转性和在较大转速范围内实现无级调速等特点,并且各机构可由独立的电机驱动,简化了传动和操纵机构,而且噪声小、污染少,适用在外接电源方便或流动性不大的场地作业。3、内燃机电力传动这种传动方式的路线是汽车发动机 发电机 电动机,然后带动各工作装置运转。其优点是利用直流电动机的优良工作特性,使高空作业汽车获得好的作业性能。但这些传动装置质量较大,价格昂贵。4、内燃机液压传动大部分折叠臂式高空作业汽车都采用这种工作方式,它可充分利用液压传动的优点,简化传动结构,并且易于实现无级调速和运动方向的变换,传动平稳、操作简单、方便、省力、能防止过载。通过以上各种动力传动装置的结构、经济性、适用范围以及操作性能等多方面性能的分析,将动力传动装置选定为内燃机液压传动这种形式。3.2工作装置设计与分析折叠臂式高空作业汽车的工作装置包括支腿机构、回转机构、操作及安全保护装置等。3.2.1支腿机构1、支腿机构的选择支腿机构是大多数折叠臂式高空作业汽车所必备的工作装置,目前均采用液压支腿。这类装置是利用从汽车发动机取出的动力来驱动液压泵,通过控制阀把液压泵产生的液压油供给液压支腿的工作缸,实现支腿伸缩。其优点是操作简单,动作迅速。液压支腿按其结构形式又可分为:蛙式支腿、H式支腿和X式支腿。1、 蛙式支腿 图3-1为一种蛙式支腿的结构示意图,支腿的伸缩动作由一个液压缸完成。在运动过程中,支腿除有垂直位移y外,在接地过程中还有水平位移x(如图3-2)。这种支腿结构简单,液压缸数少,一支腿一液压缸,结构质量小。但支腿在伸出过程中受摇臂尺寸的限制,支腿的跨距(图3-2种的2a)不能很大,调平性能较差,且在支反力变化过程中有爬移现象。2、 H式支腿 如图3.3所示,这种形式的支腿对地面适应性好,易于调平,且在支反力变化过程中无爬移现象,是高空作业车较理想的支腿形式。H式支腿由两个液压缸驱动即水平推力液压缸和垂直的支撑液压缸。这种支腿形式的稳定性良好。 图3-1 蛙式支腿 图3-2 蛙式支腿的运动示意图 图3-3 H式支腿 图3-4 X式支腿 3、X式支腿 如图3-4所示,这种支腿的垂直液压缸作用在伸缩腿的中间,当推力液压缸将腿伸出后,垂直支撑液压缸将支腿压向地面,使轮胎离地如图3-4(a)所示,四个伸缩腿是同步工作的,而垂直液压缸可同时顶升,也可单独工作,以便对车架进行调平。由于X式支腿的垂直支撑液压缸作用在横梁的中间,而横梁又直接支撑在地面上,这就比H式支腿更加稳定。但X式支腿离地间隙较小,在伸支腿的接地过程中有水平位移运动,从而加大了液压缸的推力,液压缸易损坏。综上所述,H型支腿稳定性较蛙式支腿好,虽然X型支腿的稳定性比H型支腿更好,但X型支腿的离地间隙比H型支腿小。因此,高空作业车的支腿机构选择H型支腿,如图3-3所示。2、支腿机构的计算折叠臂式高空作业车的支腿机构起调平和保证整车工作稳定的作用,要求坚固可靠,操作方便。支腿跨距的确定折叠臂式高空作业车的支腿一般为前后设置,并向两侧伸出,如图3-5所示。支腿支撑点纵横方向的位置选择要适当,其原则是作业平台在标定载荷和最大作业幅度时,整车稳定性要达到规定的要求。图3-5 高空作业车的支腿跨距(1)、支腿横向跨距支腿横向外伸跨距的最小应保证路灯装车在侧向作业时的稳定性,即全部载荷的重力合力落在侧倾覆边以内,并使绕左右倾覆边AB或DC的稳定力矩大于倾覆力矩。如图3-2(a)所示,1/2支腿横跨距a应满足: mm由于车总宽B=1900mm,且2aB,故取 mm式中:G1转台重力,N;选取同等规格的高空作业车的转台的质量作参考,质量为50kg;G2底盘重力, N;所选取SY1041DBF的底盘资料查找为2000kg,即20000N。Gb臂架重力,N;Gb=G上臂+G下臂;上臂和下臂的材质为Q235;q 作业平台重力,N;所设计的平台具体尺寸为12007401040mm;平台上部为铝合金围栏,下部为铝合金板,经估算质量为45kg;Q 作业平台标定载荷,N;平台可容纳3个人,每个人平均65kg,再加上一些操作工具,规定为240kg;L1 转台重力中心至回转中心的距离r 臂架重力中心至回转中心距离。R作业半径(臂幅),mm。当下臂升起75时,下臂升起150时,以上臂上端点的垂线为旋转中心,上臂和下臂交接处到旋转中心的距离为作业半径。即(2)、支腿纵向跨距支腿纵向跨距的确定和横向跨距确定的原则一样,应绕前、后倾覆边BC或AD的稳定力矩大于倾覆力矩。当作业平台在车辆后方作业时,如图3-2(b)所示,可得后支腿支撑点至回转中心的距离b1应满足: mm式中:L2 底盘质心至回转中心的距离。经上图分析和相关高空作业车的侧量为864mm; 同理,可得前支腿支撑点至回转中心的距离b2为:mm(a) (b) 图3-2 支腿跨距的确定支腿的纵向跨距: 因此取mm;mm。 3.支撑脚接地面积确定为了使折叠臂式高空作业车工作时能在规定的地面承受压力不下陷,且保证在不同地面能可靠支撑,支承脚要有足够的接地面积Sj,保证在最大支反力Fmax下对地面的压强不大于地基强度,即: Fmax=9377 mm2 ; mm2综合考虑选取6000mm2。经查阅,式中:地基强度,一般为1.6Mpa。3.2.2回转机构回转机构是由回转驱动机构和回转支撑机构两部分构成的。根据驱动装置的不同回转机构可分为:机械驱动式、电力驱动式和液压驱动式。根据回转支撑的结构不同,回转机构可分为转柱式、立柱式和转盘式,其中转盘式是一种较常用的形式。转盘式回转支撑装置又可分为两种:支撑滚轮式和滚动轴承式。支撑滚轮式回转支撑装置增大了转盘回转装置的高度,且质量增加,成本增大;滚动轴承式回转支撑装置是目前应用最多的一种,它是在普通滚动轴承的基础上发展起来的,结构上相当于放大了的滚动轴承。其优点是回转摩擦阻力矩小,承载能力大,高度低。由于回转支撑装置的高度降低,可以降低整车的质心,从而增大了汽车的稳定性。滚动轴承式回转支撑机构按结构可分为以下几种:1、单排滚球式转盘 如图3-6所示,单排球转盘多数是由内外座圈组合成一个整体的滚道,其滚道是圆弧形曲面,是最简单的一种回转支撑装置,球和导向体从内圈或外圈的圆孔中装进滚道里,然后将装配孔堵塞。这种回转支撑装置的优点是:质量轻、结构紧凑、成本较低,但其承载能力小,故应用不多。2、双排滚球式转盘 如图3-7所示,主要由上、下双排球体、内、外座圈、间隔体和润滑密封装置等组成。上、下球体均排列在一整体的内(或外)座圈内。双排球转盘回转支撑装置比同样大小和相同数目的单排球转盘回转支撑装置的承载能力要大得多。3、交叉滚柱式转盘 如图3-8所示,滚子的接触角一般为45,相邻的滚子轴线交叉排列,即相邻的两圆柱滚子轴线成90交叉。这不但使回转机构能承受轴向和径向载荷,而且还能承受翻倾力矩。此外,和滚球转盘相比,这种滚道是平面,加工工艺比较简单,容易达到加工要求。4、高承载能力转盘 在一些大型的起重举升专用汽车中,可用双排、多排的滚球或滚柱式回转支撑装置。 (a) 外齿式 (b) 内齿式 (a) 外齿式 (b) 内齿式 图3-6 单排球转盘结构 图3-7 双排球转盘结构 (a) 外齿式图 3-8 交叉圆柱滚子转盘结构 (b) 内齿式图以上通过对各种回转支撑装置的结构特点、承载能力、加工性能以及应用情况等的分析,最后确定回转支撑机构选择交叉滚柱式。3.2.3操作及安全防护装置为了使举升机构能停在任意位置,并防止工作平台自由或超速下落,必须在液压系统中安装平衡阀。为使支腿垂直液压缸在移动的过程中能在任意位置上停止,并防止停止后在外力的作用下发生位移,导致事故发生,应在支腿液压缸的进回油路上设有双向液压锁。高空作业车应配备紧急停止装置,并安装在操作者的应急位置。发生错误操作时,该装置应能有效的排除由此产生的故障和危险,保护高空作业车和各机构的安全。 (a) 重力(自重)式调平机构 (b) 四杆调平机构(c) 等容积液压缸调平机构图3-9 作业斗的平衡机构 在公路上进行作业的折叠臂式高空作业车,若车上的动力传动装置出现故障,而工作人员又困在高空作业平台上,无法排除故障,可能发生阻碍道路交通的事故。因此,高空作业车必须设置辅助下降装置,中小型高空作业车采用手动泵人工辅助下降。折叠式高空作业为防止作业平台翻转,则规定下臂处于接近水平状态时,上臂与水平面的夹角不允许超过78。为此,在高空作业车上设置了限位行程开关,只要发生超过上述规定的情况,行程立即断电,液压油卸荷,阻止上臂与水平面的夹角超过规定值。同时,蜂鸣器报警,提醒操作人员注意,防止事故发生。第4章 回转机构设计计算4.1回转机构设计经查阅有关书籍,按照有关专业标准,高空作业车的回转机构应能进行正反两个方向的360回转,回转速度不大于2r/min,回转过程中的起动、回转、制动要平稳、准确、无抖动、晃动现象,微动性能良好。圆柱滚子的接触角一般为45,相邻的两圆柱滚子轴线成90交叉。这不但使回转装置能承受轴向和径向载荷,而且还能承受翻倾力矩。4.1.1确定圆柱滚子的最大载荷图4-1 圆柱滚子外载荷及承载最大的滚子位置图4-2 圆柱滚子内圈受力图将方向交叉的两组圆柱滚子,用和组表示。假定每组的圆柱滚子数目各占一半,并作一对一的间隔排列,则这组圆柱滚子在A点受力最大,如图4-2所示。其中任一圆柱滚子的最大法向载荷FImax为: 式中:FIQ由轴向力Q引起的组任一圆柱滚子最大法向载荷,N;; FIH由径向力H引起的组任一圆柱滚子上最大法向载荷,N;FIM由倾翻力矩MOV引起的组任一圆柱滚子上最大法向载荷,N。FIH和FIM由同等特性的折叠臂式高空作业车参考得出为240N。对内圈作受力分析,如图4-3所示,由力系平衡条件可以求得FIQ和FIH。为求得FIM,可以近似地把座圈看成直径为D的圆圈,并假定圆柱滚子对座圈的压力在座圈上连续分布,按圆柱滚子接触压力沿圆圈弧长的比压,列出平衡方程可求得FIM为950N。图4-3 翻倾力的计算4.1.2确定圆柱滚子的允许载荷根据赫茨公式,滚道与圆柱滚子的线接触应力为: 式中:F 圆柱滚子在接触线上的法向载荷,N; E 材料的弹性模量,一般滚道材料采用碳素钢或低碳合金钢,圆柱滚子材料采用轴承钢。故可取E2.1105MPa; L 圆柱滚子与滚道的有效长度,一般情况可取L=0.85d,m; 圆柱滚子与滚道接触表面的主曲率之和, =0.6; D 圆柱滚子直径,m。用优质碳素钢或低碳合金钢轧制或锻造成的座圈,其滚道表面的热处理硬度为HRC5960,在一般工作条件下,可取许用接触应力值为1800Pa。因此 = =因此圆柱滚子的允许载荷为208N第5章 液压系统设计计算5.1 确定液压缸类型和安装方式根据主机的运动要求,按机械设计手册5表37.7-5,选择液压缸类型为单杠活塞式双作用液压缸。下图为单杠活塞式双作用液压缸示意图图5-1此类液压缸的特点为活塞双向运动产生推、拉力,活塞在行程终了时不减速。安装方式:将缸体固定,活塞杆运动,查机械设计手册5表37.7-6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,上臂起升,下降时液压缸的活塞杆进行伸缩实现运动要求。查表37.7-6液压缸的安装,选取耳环型安装方式,这种安装方式使液压缸在垂直面内可摆动,满足上臂动作要求。5.2 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,包括液压缸的内径D,活塞杆直径d和液压缸行程s等。5.2.1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D计算公式 式中 D液压缸内径(m) 液压缸推力(KN) P选定的工作压力(MPa)计算过程:当高空作业车上下臂处于如下状态时,上臂液压缸所受的力最大,即液压缸具备的最大力必须大于此时的力图5-2 上下臂受力状态有: 其中:G上臂自重,由计算为 上臂长度 为4.2m F高空作业车吊篮最大承受力为hB点到力的垂直距离 由计算知为0.283m代入上式 得 =将代入得 =0.52m查机械设计手册5表37.7-1给出的缸筒内径尺寸系列圆整D成标准值即取D=50mm5.2.2活塞杆直径d的计算根据速度比的要求来计算活塞杆直径d 式中d活塞杆直径(m) D液压缸直径 速度比 式中活塞杆的缩进速度 活塞杆的伸出速度 此处,机械设计手册5表37.7-63取液压缸的往复运动速度比为1.46,表37.7-2查得,d=0.56D将D
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