高空作业车工作臂设计及有限元分析设计说明书

1 绪论1.1 概述我国高空作业机械的生产于20世纪70年代末开始起步,起步较晚但发展较快,目前生产经营企业已由原来的几家迅速增加到40余家,其中与国外合资或合作生产的企业有5家,根据2004年和2005年中国工程机械年鉴，2003年高空作业机械工业总产值为32139万元，生产各类高空作业平台1906台，高空作业车740台；2004年高空作业机械工业总产值为36340万元，生产各类高空作业平台2500台，高空作业车800台。据不完全统计，到2008年，全国高空作业车年总产销量均超过1600台，可见发展速度之快，行业几个骨干企业通过近几年强化技术创新和科研开发，其生产规模不断扩大，形成了各自特色的产品系列，基本能满足国内市场高空作业机械的需要，企业的各项主要经济指标逐步上升，经济效益也逐年提高，行业也呈现出快速发展的态势。1.1.1 高空作业机械行业的发展现状(1) 产品性能逐步提高我国高空作业机械行业的一些骨干企业利用自己的技术和设备优势，并通过引进、消化和再创新，开发了许多新产品，其产品的技术水平和产品质量都不断提高，达到和接近了国际同类产品的先进水平，推动了高空作业机械行业的技术进步，在国内市场中竞争力强，市场销路好，产量增加较快。如杭州爱知工程车辆有限公司开发的全液压驱动型最大作业高度可达26.7m的自行式高空作业平台 ,徐州海伦哲开发的全遥控16m自行走高空作业车、20m联动折叠加伸缩智能控制和35m多级伸缩折叠混合臂架智能控制高空作业车等，以上产品填补了国内产品空白，达到了国际先进水平，北京起重机厂开发了自行式剪叉平台、蜘蛛式折臂平台、箱型截面铝合金桅柱平台，其中箱型截面铝合金桅柱平台单桅柱最大作业高度达到了16.5m，杭州赛奇工程机械厂多桅柱铝合金平台达到了22m,。此外,在高空作业车产品方面，徐州海伦哲、抚顺起重机、锦州重型、重庆大江等公司先后开发了30m以上的高空消防车,彻底打破了国内只能依赖进口产品的薄弱局面。(2) 产品种类和数量不断增加我国高空作业机械产品的需求量随着国民经济和城市建设的发展逐年增加，各种规格的新产品近几年增加较快。如徐州海伦哲专用车辆股份有限公司在短短几年内先后开发了折叠臂、伸缩臂、混合臂、自行式等四个系列，作业高度935m，近40个规格的高空作业车产品。拥有行业最多的专利技术，已申报国家专利83项，批准授权的47项，其中发明专利7项。 这些产品广泛用于电力、路灯、交通、园林、交警、高速公路、有线电视、高校、机场、港口、船厂、大型企业等领域，并出口东南亚、中东亚等国家。杭州爱知工程车辆有限公司组装生产了作业高度22.5m和26.5m的SP系列自走式等高作业机和作业线路电压达35KV、作业高度17m的SH151直伸式绝缘高空作业车，作业线路电压10KV、作业高度14m的SC125折叠臂式绝缘高空作业车、作业线路电压35KV，作业高度16.7m的直伸式电脑型的最新SH145绝缘高空作业车以及在此基础上改进的多关节自动控制SN145绝缘高空作业车和作业高度18.3m的SH17A绝缘高空作业车，其它产品有7.8m、8m、9m、12m、14m、15m、16m、17.5m、20m、21m、27.5m等各种普通高空作业车、起重高空作业车可桅柱式皮卡高空作业车。(3) 产品市场占有率进一步扩大一些企业利用自身的优势，在原有产品的基础上根据国内底盘品种的发展和基础零部件的更新，不断加大新产品的开发力度，走企业横向联合多种经营的综合开发道路，不但使企业自身的生产和销售步入了良性循环轨道，还带动了附属企业和国内相关产品的销售发展。如杭州园林机械厂自1995年底正式和日本爱知公司合资以来，一方面加大国产产品的更新改造，另一方面利用日本先进技术和管理经验不断开发适合国内用户需要的产品，企业在短短几年内就有10多个新产品问世，在中小高度的高空作业车上占有较大的国内市场份额，并有部分产品出口。徐州海伦哲、抚顺起重机总厂、锦州重型机械股份有限公司等公司针对国内大高度高空作业车高空作业车依赖进口的局面，抓住机遇，先后开发了30m以上的高空作业车，取得了良好的社会效益和经济效益，基本上满足了国内市场的需求，在国内市场中占有较大的份额。1.1.2 高空作业机械行业存在的问题（1）部分企业技术创新能力较差。部分企业不重视产品的更新和新产品的开发，产品几十年一贯制、品种规格单一、市场经营范围窄，使企业产品产量逐年下降，企业效益差。近几年，国外高空作业机械产品纷纷进入国内，如芬兰的Bronto公司、美国的JKL、Genin、Upright、Snorkel、Skyjacker等公司以及英国、意大利、丹麦的一些著名公司在国内都相继设立了办事机构，而且在大高度产品和特殊产品中仍然占有国内主要市场。如高空绝缘作业车、蜘蛛式大高度作业平台、自行式高空作业平台等，这些进口产品性能好、外观美、价格与国内产品相差不多，具有很强的竞争力。（2）缺乏高空作业车的专用底盘。高空作业车是由汽车底盘改装而成的，属于工程车辆范畴，长期处于重载状态，行驶距离短、车速慢、使用频率不高，为便于在各种街道行驶，要求体积小、轴距短，又因其重心高，要求底盘大梁低，使用的底盘与一般货车底盘有所不同，在汽车大梁两侧应力集中处都进行了加强，发动机功率比一般货车大，轮胎小而载荷大，部分底盘大梁前高后低，其它部分也作了适当的改进。我国到目前为止还没有高空作业车专用底盘，只能选择一般货车底盘，由于选择范围比较窄，给设计、选型带来许多困难，同样高度的高空作业车底盘往往比国外产品的底盘大一个档次，造成车身宽、轴距长，使整车外型又大又高、行驶也不灵活。（3）专业化生产水平低的小作坊式企业较多。国内大部分企业以自主生产为主，专业化生产水平很低，工艺落后，劳动生产率低。一些小公司、小作坊式企业纷纷生产高空作业机械，如在江苏、广东等地，一个地区就有数十家企业，这些小企业的产品产量少、质量差、价格低、严重冲击和影响着正常的市场销售。（4）安全性差尽管国内生产的高空作业车设计都偏保守，但高空作业仍时有事故发生，这是制约我国高空作业车占有国内及国际市场的一大难题，我国高空作业车要进一步发展，就一定要突破安全性差的瓶颈。1.1.3 高空作业机械行业的发展（1）发展的方向1安全性高空作业车的诞生就是为了是原本危险的高空作业更加安全可靠，所以安全性仍然是高空作业车发展的首要方向。随着科学技术，尤其是工业控制技术的发展，高空作业车的设计也发生了革命般的变化，许多先进的技术如液压控制技术、智能控制技术等广泛采用，以使高空作业更加的安全。2舒适性高空作业车在满足安全性的前提下，也要满足操作人员的舒适性要求，因此舒适性也将是高空作业车的发展方向，这就要求设计过程中要越来越多的考虑人性化的要求。3便捷性高空作业车应用范围变得越来越广泛，由室外到室内，由一处到多处连续作业，这就要求高空作业车在作业过程中要便于移动，并能适应高难度的高空作业。（2）发展战略措施1加大企业的技术创新力度高空作业行业作为城市建设的新型产业，必须调整产品结构，要抓好供电用高空作业机械产品。建筑用自行式登高作业机械及带电绝缘高空作业机械产品的开发，室内外轻型作业平台和25m以上消防救援高空作业车的开发和应用。总的发展趋势是致力于扩大高空作业机械的作业范围，满足不同作业的需要；确保使用人员的作业安全；提高操纵和使用性能。高空作业平台产品以往国内大多以手推式为主，体积大、质量重、更换工作场地非常困难，给用户使用带来不便，而发达国家在产品上早已更新。因此，开发轻便的铝合金平台和自行式平台有着广阔的前景。从国内近几年开发的铝合金平台销量来看也证明了这一点。应该优先进行高空作业机械的自动控制和安全保护技术、室内外轻型作业平台及自行式作业平台和大作业幅度平台及新型多功能高空作业车的研究、开发。2.开发专用工程车辆底盘要提高我国高空作业车的技术水平，首先必须解决工程车辆底盘问题。我国目前正在努力提高汽车工业的整体水平，走集团化规模道路，并积极引进国外资金及技术，但还只限于轻型底盘。汽车制造厂家应该在此基础上根据高空作业车的具体要求，专门设计轻型、中型和重型的工程车底盘以供高空作业车的改装之用。3扩展产品的使用功能和用途我国高空机械的使用范围还比较窄，使用较多的主要有路灯、道路交通、园林部门，国内大多厂家把用户集中在车站、地铁、商店、工厂、供电、路灯等部门，其市场远远没有挖掘和培育出来。高空作业机械在有发展前途的电力、电信及有线电视系统使用较少，究其原因是国内产品技术性能及参数还不能完全满足上述三大系统使用的要求，在产品用途和功能上还需更新。如将高空作业机械用在建筑施工中以替代某些脚手架施工、建筑物外墙表面的装饰、清洗和维护等；绝缘架线和维修；消防救援及大型物体（船舶、飞机）维护检查等，但开发以上这些产品需要从产品的适应性、技术性能上进行较大的突破。随着我国经济的发展，停电对工农业生产和人民生活带来的损失不可估量，国家已经开始实行电力法，对供电可靠性要求越来越高，在电力系统创一流企业活动中要求供电可靠率达到99.9%，所以如何解决不停电检修带电作业的问题已经非常突出，这就要求不但能登高作业，还要具有绝缘性能好的高空作业车，这种新型高空作业车要打破常规的格局，工作斗、臂架要采用非金属的高性能绝缘材料；工作斗对整个作业的控制不能采用一般的电控和液控，还要具有起吊能力，并有更可靠的安全性、平稳性、微调性。电信和有线电视系统使用的高空作业车要求小巧灵活，能走街穿巷，操作方便，乘坐舒适，这就要求设计小型先进的汽车底盘，并解决动力输出问题。应该特别注意的是，高空作业车新产品的开发不能限制在汽车上，应该考虑它是一种工程机械，以适应用户的需要为前提。行走方式可以采用电动自行式、液控自行式、轮胎自行式、履带自行式等。我国船舶行业对轮胎液控自行式高空作业车的需求量很大，建筑行业对履带自行式产品也将产生需求，室内装修、清洗行业大量需要电机自行式高空作业车。随着高速公路、高架桥的出现，逐步需要具有负低空作业性能的高空作业车，以解决高架路桥的维修问题，这种特殊的高空作业车在国外早已出现，但在我国还刚刚起步。(3) 发展趋势这几年是我国高空作业机械产品快速发展的几年，主要产品如各种高空作业车、剪叉式高空作业平台和桅柱式高空作业平台都有很大幅度的增长。“十一五”期间仍将会是中国高空作业机械产品快速发展的黄金时期，这些产品将继续保持良好的发展势头。随着北京年奥运的顺利完成以及上海世博会的临近，我国各项城市建设进入高峰期，国内外许多著名厂商把目光聚焦在北京奥运和上海世博会等城市建设工程中，这些商机对本行业具有特殊的吸引力。高空作业机械行业作为城市建设的新型产业，首先必须调整产品结构，从施工作业中最为繁重的劳动中解脱出来，以实现机械化。具体地说是要抓好城市公用建筑、供电用高空作业机械产品，建筑用自行式登高作业机械及带电绝缘高空作业机械产品的开发，室内外轻型作业平台和25m以上消防救援高空作业车的开发和应用。 目前，国外高空作业机械品种规格繁多，已形成一个非常大的行业，并且成立了国际标准化组织。纵观近10年的国际工程机械博览会，可以清楚地看到，高空作业车是一个非常大的产业，也是一个非常大的行业，其总的趋势是： a) 产品进一步智能化。 b) 产品进一步小型化、轻量化。 c) 零部件制造进一步向专业化、精细化、个性化发展。 d) 安全与环保意识不断提高。 e) 致力于扩大作业范围，满足不同作业的需要。1.2高空作业车分类1.2.1 型式高空作业车按伸展结构的类型可分为下列几种，见表1，示意图见图1。表1-1 伸展结构的类型型式伸缩臂式折叠臂式混合式垂直升降式代号SZHC图1-1 伸缩结构类型示意图1.2.2 规格型号高空作业车规格型号由组、型代号、型式代号、主参数代号和更新变型代号组成，说明如下：标记示例a) 最大作业高度为10m的绝缘型伸缩臂式高空作业车：高空作业车 GKJS 10 GB/T 9465b) 最大作业高度为12m的非绝缘型垂直升降式高空作业车的第一次变型产品：高空作业车 GKC 12A GB/T 94651.2.3 基本参数高空作业车的基本参数系列见表2表1-2 基本参数项目参数最大作业高度/m6、8、10、12、14、16、18、20、25、32、35、40、45、50、55、60、65、70、80、90、100额定载荷/Kg125、136、160、200、250、320、400、500、630、800、1000、2000、3000、4000、50001.3 高空作业车组成高空作业车是用来运送工作人员和工作装备到指定高度进行作业的特种车辆，是将高空作业装置安装在汽车底盘上组成的。高空作业装置包括工作臂、回转平台、副车架、工作斗、液压系统和操纵装置等。现在的高空作业装置具有操作平顺、工作稳定、，自动调速、安全可靠等优点，大大提高了空中作业的工作效率。高空作业车是利用汽车底盘作为行走机构，机动灵活，行驶速度高，可快速转移，转移到作业场地后能迅速投入工作，因此被越来越多的应用于工程建设、工业安装、设备检修、物业管理等许多行业;亦可以在作业车臂架前端装置平台以实施人工混凝土喷射作业;在送变电领域，尤其是在电力维修维护作业方面，由作业车所提供的作业平台，即可以满足人工高空维修作业的需要，也能够通过在有效绝缘的前提下安装智能机械手实现高空带电作业维修:在起重和吊装作业领域，作业车可相应设计成智能起重设备等。高空作业车一般包括举升臂机构，金属机构，动力装置与控制系统四部分。高空作业车按工作臂的型式分垂直升降式、折叠臂式、伸缩臂式和混合臂式四种。 1.3.1 举升臂机构举升臂机构是为实现高空作业车不同的运动要求而设置的。高空作业车一般设有变幅机构、回转机构、平衡机构和行走机构。依靠变幅机构和回转机构实现载人工作斗在水平和垂直方向的移动;依靠平衡机构实现工作斗和水平面之间的夹角保持不变，依靠行走机构实现转移工作场所。高空作业车变幅是指改变工作斗到回转中心轴线之间的距离，这个距离称为幅度。变幅机构扩大了高空车的作业范围，由垂直上下的直线作业范围扩大为一个面的作业范围。高空作业车变幅机构一般采用液压油缸变幅。高空作业车的一部分(一般指上车部分或回转部分)相对于另一部分(一般指下车部分或非回转部分)做相对的旋转运动称为高空作业车的回转运动。为实现高空作业车的回转运动而设置的机构称为回转机构。它是由液压马达经减速器将动力传递到回转小齿轮上，小齿轮既作自转又作沿着固定在底架上的回转支承大齿圈公转，从而带动整个上车部分回转。有了回转运动，从而使高空作业车从面作业范围又扩大为一定空间的作业范围。高空作业车在工作臂起伏时，工作斗与水平面夹角必须保持相对稳定，才能保证工作人员正常工作，平衡机构就是为了实现这一功能。对于伸缩臂或混合臂型式的高空作业车，通常有自重平衡、液压伺服缸平衡、电液平衡几种方式。高空作业车的行走机构就是通用或专用汽车底盘。1.3.2 金属结构工作臂、回转平台、副车架(车架大梁，门架、支腿等)金属结构是高空作业车的重要组成部分。高空作业车的各工作机构的零部件都是安装或支承在这些金属结构上的。金属结构是高空作业车的骨架。它承受高空作业车的自重以及作业时的各种外载荷。组成高空作业车金属结构的构件较多，其重量通常占整机重量的一半以上，耗钢量大。因此高空作业车金属结构的合理设计，对减轻高空作业车自重，提高作业性能，节约钢材，提高高空作业车的可靠性都有重要意义。1.3.3 动力装置动力装置是高空作业车的动力源。由于高空作业车采用汽车底盘作为行走机构，通常不再另外设置动力源，而是直接采用汽车底盘发动机作为整车的动力源。高空作业装置需要的功率不大，一般约10kw到20kw，而载重汽车底盘发动机的功率根据载重量不同从50kw一直到 150kw以上，且高空作业装置工作时不允许底盘行驶，因此底盘发动机的动力足以保证高空作业装置工作。因为高空作业装置需要功率不大，通常高空作业车采用变速箱取力方式，通过安装在底盘变速箱侧面的取力器取出发动机的动力，并驱动液压油泵向高空作业装置供油。取力系统中还设置控制装置，在底盘行驶时，取力器没有输出，液压油泵不工作，需要进行高空作业时，取力器输出，油泵工作。1.3.4 控制系统高空作业车控制系统解决各机构怎样运动的问题。如动力传递的方向，各机构运动速度的快慢，以及使机构启动停止等。控制系统包括操纵装置、执行元件和安全装置。当今的高空作业车全部采用电气液压操纵，因此控制装置包括各种液压操作阀，电控装置等，以实现机构的起动、调速、换向、制动和停止。执行元件包括变幅用的液压油缸、回转马达、油泵等，用来推动结构件实现动作。安全装置包括各种传感器、行程开关、报警器、液压锁止阀，用来检测危险工况，保证工作安全。高空作业车举升臂机构是高空作业车的工作机构，对举升臂各个关节的控制目前一般采用液压控制系统。其中对关节运动频繁且需要速度可调的举升臂关节，可采用伺服阀控制的液压马达或油缸系统，以及比例阀控制的液压马达或油缸系统实现举升臂速度的调节。但由于电液伺服器件价格过于昂贵，对油质要求十分严格，控制损失(阀压降)较大，使伺服阀很难在举升臂液压控制系统中应用。由于比例阀相对于伺服阀具有结构紧凑、廉价、节能、抗污染、适应大功率控制及具有一定控制精度的优点，另一方面，开关型换向阀如电磁阀等虽然更为简单便宜，但其控制精度太低，不能调速，因而比例阀在举升臂速度控制系统中得到了广泛的应用。1.4 本课题产品概况1.4.1整机结构简介本课题研究的14米高空作业车为折叠臂结构，工作臂包括由三节折叠臂铰接而成的提升臂和一节伸缩臂组成，上臂末端与工作平台铰接，中部与变幅油缸铰接，尾部与中臂铰接，中臂中部分别于两个变幅油缸铰接，尾部与下臂铰接，下臂中部于一变幅油缸铰接，尾部与回转平台铰接。下臂内部有一伸缩臂。回转平台通过回转支承固定在副车架上，在回转机构的驱动下可进行 360o连续回转。副车架与汽车底盘固定，设置四条 H 型液压支腿，工作时，液压支腿伸出支撑在地面上，承载高空作业时的全部载荷。作业车采用电液比例多路阀控制，可方便的实现动作的换向和调速，还可以实现复合动作。系统中设有应急电泵，幅度限制、支腿支撑状态检测、工作斗防撞等安全装置。整车外形图如图1-2图1-2整车外形图1.4.2液压系统液压系统采用定量齿轮泵供油的开式系统，齿轮泵泵出的压力油首先进入下车多路阀。下车多路阀带有溢流阀，作为整车液压系统的安全阀，第一联选择阀处于中位时，压力油通过中心回转体进入上车部分，处于其余两工作位置时，压力油进入控制支腿油缸的多路阀，操纵支腿油缸的伸缩。第二至五联选择阀分别控制不同的支腿油缸。压力油经中心回转体进入上车负载敏感式比例多路换向阀，比例多路换向阀可以实现：上车不动作时，液压系统泄荷；上车有动作时，液压系统压力随负载大小变化，系统压力始终高于负载所需压力 12MPa；各动作可以同时并相互独立的以不同速度工作，运动速度可无级调节。比例多路换向阀有四联换向阀，分别控制伸缩臂变幅、伸缩臂伸缩、折叠臂变幅和上车部分的回转。控制伸缩臂变幅和伸缩的两联换向阀集成有电磁换向阀，用于作业车的限幅。液压系统还设有电动泵，由底盘电瓶或发电机供电。电动泵有两个作用，正常情况下用于向作业车调平系统补油。当作业车主供油系统出现故障时，电动泵作为应急动力源，可以使工作人员回到地面。此外，在下车支腿总回油路上设有二位二通电磁阀，在上车比例多路换向阀阀头集成有二位二通电磁阀。两处电磁换向阀分别由设在支腿处的接近开关和设在臂支架处的行程开关控制，实现支腿没有支撑稳固时，无法操作工作臂；工作臂离开臂支后，即使操纵下车多路阀也不能收支腿。避免由于误操作造成作业车的倾翻。1.4.3电气系统电气系统使用原车蓄电池或发电机 24V 电源，用于实现动作调速、应急电动泵控制、发动机起停、工作斗调平等功能，同时实现幅度限制、支腿状态检测及限位、上下车互锁、极限位置报警限位、急停及应急恢复等安全保护功能。动作速度通过电比例手柄进行调节，手柄内置两电位器，电位器两端各设有一个固定抽头、中间设一个中心固定抽头和一个滑动抽头，两端固定抽头分别连接比例放大器的正、负稳态基准电压输出端，中心固定抽头连接比例放大器的信号端，滑动抽头连接比例放大器的信号输入端，无操作时滑动抽头处于电位器中心位置，当推动比例手柄时，滑动抽头滑动，为比例放大器提供 010V 电压信号，经放大器处理，输出电流到比例电磁铁，控制比例阀流量，从而改变动作速度。应急电泵装置、发动机起停装置、工作斗调平分别由按钮或开关通过继电器控制相应元件，实现功能。幅度限制装置由幅度限制器、继电器及电磁阀组成。幅度限制器根据长度传感器检测的伸缩臂长度信号、由角度传感器检测的伸缩臂角度信号，并根据预先给定的折叠臂臂长以及其它结构参数，由中央处理器计算出实际幅度，同时根据预设的数据计算出当前状态的额定幅度，并进行比较。当实际幅度到达设计要求的危险状态时，幅度限制器发出信号，通过继电器控制电磁换向阀，停止伸臂和落臂的危险动作，从而限制作业幅度。支腿状态检测装置由接近开关、继电器、指示灯、蜂鸣器 HA1 组成。接近开关检测活动支腿和固定支腿的相对位置，将支腿撑实后，活动支腿和固定支腿间隙消除，进入接近开关检测范围，接近开关动作，相应的继电器得电动作，控制电磁阀，上车可动作。当任一支腿未支稳，接近开关复位，继电器复位，控制上车电磁阀泄荷，上车无法动作。下车互锁、极限位置报警限位、急停及应急恢复等安全保护功能分别由行程开关检测危险信号，通过继电器控制相应元件，实现功能。1.4.4高空作业臂高空作业臂包括上臂、中臂和下臂,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，工作臂分别由中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叠式工作臂结构，工作装置为液压驱动，三百六十度全回转。除高空作业外，还设有起重装置，一机多用。如图1-2图1-2 作业臂示意图1.4.5 作业车作业状态主要技术参数表1-3 技术参数项 目单位数据平台额定载荷kg200平台最大作业高度m13.1平台最大作业高度时作业幅度m1.9平台最大作业幅度m6.5平台最大作业幅度时作业高度m6.8最大提升高度m8.4最大提升载荷kg1200回转速度r/min0-2下臂变幅时间s40上臂变幅时间s40伸缩臂全伸时间s301.5 课题的提出本课题以徐州海伦哲工程机械有限公司研制开发 “GKZ型高空作业车” 为研究对象，对该车上的重要结构-作业臂进行结构设计和有限元分析。该型作业车的作业臂有上臂、下臂组成，下臂与回转转台铰接，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。传统的力学方法设计是：根据高空作业的需要，在满足升降高度的前提下，进行强度、刚度、稳定性的校核，确定截面尺寸。为保证安全，设计过程中安全系数较大，造成质量偏大，成本增加等问题。在车辆在行驶过程中，由于臂重较大，产生多起车架断裂现象。由于伸降臂在作业时位于十几米甚至几十米的高空，事关人身安全，因此需要有一种较准确的设计计算方法，既能满足设计要求，又能减轻臂重，降低成本。本研究课题，将以高空作业车伸降臂结构为对象，根据作业高度及作业范围进行结构设计，然后在ANSYS环境下进行有限元分析，以获得最优的设计结果。1.6 本课题所要研究的具体任务本课题主要研究工作如下：1、进行大量的调查研究，收集整报资料，根据作业车的工作特点和受载状况，制定作业臂设计方案。2、根据受载状况，作业范围等原始数据对作业臂进行结构设计，作业臂由上臂、中臂、下臂和升降油缸等组成，设计中要确定工作臂的长度，油缸铰点位置，作业臂截面尺寸等主要参数，确定液压缸尺寸，计算支腿最大支撑力。3、在Solidworks中对中、下臂建立三维模型，然后导入有限元分析软件件中，选择SOLID45单元，确定材料属性，划分网格，施加载荷和约束，进行结构强度和刚度分析，确定危险截面或危险点的应力分布及变形。4、根据有限元分析结果，找出结构设计中的不合理因素，提出改进方案。画出图纸总计3.75张零号图纸。5、在上述分析研究的基础上进行总结，得出上、下臂在结构设计、有限元模型的建立、铰点位置的确定、单元类型选择等方面的可靠数据，为同类型产品的结构设计和改造提供了科学的理论依据。1.7 本课题研究的意义通过本课题的研究，掌握GKZ型高空作业车作业臂的结构设计理论和分析方法，掌握在ANSYS环境下进行有限元分析，从而达到优化结构、减轻自重、提高可靠性的目的，为研制GKZ系列工作臂的高空作业车奠定基础。2. 高空作业车工作臂的结构设计2.1材料的选择金属结构是指由扎制的型钢和钢板作为基本元件，按照一定的结构组成规则用栓接、铆接或焊接的方法连接起来，用于承受一定的载荷。为保证高空作业车能在工作环境恶劣、载荷变化复杂、不允许产生塑性变形和人为的不文明操作等因素下能安全、可靠地工作。本作业车工作臂均由优质合金结构钢Q235制造，根据高空作业车结构安全要求（GB9645-88），其许用应力值为： 式中：-材料屈服强度S-结构安全系数，S=2-应力集中系数，=1.1-动载荷系数，=1.2则2.2计算工作臂的长度2.2.1上臂长度确定根据车体高度，以及折叠臂折叠后的高度，同时考虑到方便工作人员进入工作平台，初步定上臂为1430mm，如图2-1图2-1 上臂尺寸图2.2.2中、下臂长度确定图2-2 折叠臂最大展开图由于作业臂实际作业时通常在3075范围内。设计时仰角取70，在图2-2中，起升高度CE=12000m。上臂BE=1430mm上臂：AB下臂：BC则由三角关系有：（AB+BE）sin75+BCsin75=12000 即：(AB+AC) sin75=10570mm根据GBT 9465-2008 高空作业车对工作平台的要求，上臂的头部有工作台，所以在上臂头部应留有一定的余量装工作平台。故上臂长必须大于下臂长即：ABAC由于两臂之间要有一定的间隙放置变幅液压缸，两臂实际情况不可能完全重叠，与理论计算值有一定的差距，此处定中、下臂长度为可以取中臂AB=5300mm，下臂AC=5000mm2.2.3伸缩臂长度确定图2-3 伸缩臂最大伸出图如图2-3所示，提升高度AD垂直距离为8400mm，由下臂最大张角为70得：CD+ACsin70=8400mm，得AC=6810mm下臂长5300mm，可得伸缩臂伸出总长为1510mm，初步确定伸缩臂长为2600mm2.3确定油缸铰点的位置2.3.1确定上臂液压缸铰点的位置图2-4 上臂铰点位置图如图2-4所示，上臂由于要有不工作时的竖直状态到工作时的水平状态，角度变化90，所以液压缸铰点位置距上下臂连接处得距离是一样的，这里定铰点水平、竖直位置均为155mm。2.3.2确定中臂液压缸铰点的位置图2-5 中下臂铰点位置图如图2-5所示，中下臂液压缸位置由三角关系可得: 计算得：AC=500mm，AB=1900mm，BC=2394mm2.3.3确定下臂液压缸铰点的位置图2-6下臂铰点位置图如图2-6所示，平台与下臂之间的边幅油缸铰点位置AB=2394mm，AC=1783，BC=9032.4 折叠臂截面尺寸的确定工作臂截面形状为两块折弯槽型钢板对焊而成。图2-7为工作臂截面形状示意图。图2-7 截面参数图2.4.1上臂截面尺寸图2-8 上臂截面图如图2-8所示，上臂高150mm，宽110mm，壁厚5mm。2.4.2 计算中臂的截面尺寸图2-9 中臂截面图如图2-9所示，中臂高200mm，宽150mm，壁厚6mm。2.4.3 计算下臂的截面尺寸图2-10 下臂截面图如图2-10所示，下臂高260mm，宽210mm，壁厚10mm。2.4.3 计算伸缩臂的截面尺寸图2-11 伸缩臂截面图如图2-11所示，伸缩臂高155mm，宽140mm，壁厚10mm。2.5 工作臂的校核2.5.1几种危险工况状态工况，如图2-11所示图2-11 工况图工况，如图2-12所示图2-12 工况图工况，如图2-13所示图2-13 工况图2.5.2工作臂校核在三种工况中工况的弯曲正应力最大，对工况进行校核。（1）上臂上臂最大弯矩出现在水平状态时，此时由，载荷F=3000N，得到上臂臂受力情况，如下图所示 图2-12 上臂受力图如图2-12所示，1点所在截面为危险截面对其进行校核，上臂所受的是弯压组合变形，首先进行弯曲正应力计算：抗弯截面系数： 上臂受最大弯矩：由于截面形状是对称的，臂上下表面所受最大弯曲拉压应力值均为：计算危险截面的压应力：弯压组合校核：上臂校核合格。（2）中臂此时由可得到中臂受力情况，如下图所示：图2-13 中臂受力图如图2-13所示，耳板2所在截面为危险截面对其进行校核，上臂所受的是弯压组合变形，首先进行弯曲正应力计算：抗弯截面系数： 图2-14 中臂弯矩图如图2-14所示，中臂受最大弯矩：由于截面形状是对称的，臂上下表面所受最大弯曲拉压应力值均为：计算危险截面的压应力：弯压组合校核：中臂校核合格。（3）下臂此时由可得到中臂受力情况，如下图所示：图2-15 下臂受力图如图2-15所示，耳板1所在截面为危险截面对其进行校核，上臂所受的是弯压组合变形，首先进行弯曲正应力计算：抗弯截面系数： 图2-16 下臂弯矩图如图2-14所示，下臂受最大弯矩：由于截面形状是对称的，臂上下表面所受最大弯曲拉压应力值均为：计算危险截面的压应力：弯压组合校核：下臂校核合格。（4）伸缩臂伸缩臂最大弯矩出现在水平状态时，此时由，载荷F=12000N，得到伸缩臂受力情况，如下图所示 图2-17 伸缩受力图如图2-12所示，1点所在截面为危险截面对其进行校核，上臂所受的是弯压组合变形，首先进行弯曲正应力计算：抗弯截面系数： 图2-18 伸缩臂弯矩图如图2-18所示，伸缩臂受最大弯矩：由于截面形状是对称的，臂上下表面所受最大弯曲拉压应力值均为：伸缩臂校核合格。3. 液压缸的设计液压缸是液压系统中的执行元件，是液压系统中的核心部件，不同类型的液压缸组成零部件也不同，但其大致由缸体、活塞、活塞杆、缸底、缓冲装置、排气装置、支承座以及导向、密封、防尘装置等组成。根据设计的液压缸的使用要求不同可选择设计各零部件。3.1 液压缸的类型的确定（1）液压缸的类型根据设计要求选择“单作用单伸缩液压缸”。（2）液压缸的安装形式，可设计液压缸的安装为两端销轴形式。（3）为了节省设计资源，中下臂变幅油缸采用相同的油缸。3.2 液压缸各组件的设计3.2.1幅油缸内的最大油压由对三种工况下的变幅油缸进行工作压力计算，得变幅油缸内的最大油压：变幅油缸的缸径90mm，杆径56mm。由于P20Mpa，故以20Mpa计算出的油缸是安全的。3.2.2油缸缸筒壁厚计算油缸缸筒壁厚计算：对于45#热轧无缝钢管：s350Mpa，取安全系数n2.5，则140Mpa，取9mm。3.2.3焊缝计算油缸缸底采用V形坡口对焊时，焊缝的拉应力为 式中：液压缸输出的最大压力（N）液压缸直径，系统最大压力，液压缸外径，焊缝底径，焊接效率，一般取通过计算可得显然，符合要求。3.2.4缸体与缸盖采用螺栓连接时，螺纹处的拉应力：缸体与缸盖采用螺栓连接时，螺纹处的拉应力：螺纹处的切应力：合成应力：螺纹拧紧系数，静载时，取，动载时，取。螺纹内径，当采用普通螺纹时，。螺纹外径，。螺纹螺距，。螺栓数，8。螺栓内摩擦系数，一般取。通过计算得，螺纹材料的许用应力：屈服强度，45钢，。安全系数，通常取显然，符合要求3.2.5活塞杆强度计算根据设计要求以及实际工作情况，此活塞杆只受轴向压力和拉力，可近似用直杆承受拉压负载的简单强度计算公式进行计算，即即： 式中：活塞杆的作用力，105754N； 活塞杆最小直径，45mm活塞杆材料的许用应力，为45钢时。显然，活塞杆符合要求。3.2.6活塞杆稳定性计算按欧拉公式计算活塞杆弯曲失稳临界负荷，活塞杆最大工作负荷验证公式，式中：E活塞杆材料的弹性模数，钢材E2.1105MpaJ活塞杆截面惯性矩，圆截面K安装及导向系数，对于两端铰接K1n安全系数，取n3LB安装距，此处为两铰点的距离由于中臂液压缸与下臂液压缸相同，但中臂液压缸受力要大于下臂液压缸，若中臂液压缸稳定则下臂液压缸也稳定，稳定性校核：对于工况：LB11.406m，F1105754 N把数据代入计算得Fk1505238NFk2F24.8 n，稳定。对于工况：LB21.947m，F235611 N 把数据代入计算得Fk2263472 NFk2F27.39 n，稳定。对于工况：LB32.394m，F323917 N 把数据代入计算得Fk3174268 NFk3F37.28n，稳定。4. 工作臂有限元分析液压支架的性能和可靠性影响着综采工作面的安全和生产效率，对其采取先进的分析手段和研究方法进行多方位深入的研究，确保它的安全可靠。有限元分析就是一种可靠适用的分析手段。应用ANSYS Workbench12.1软件对主体结构件进行加载有限元分析。4.1有限元分析简介工程中的箱体结构一般是由薄板、厚板、穿孔板、加筋板等组成的较为复杂的板块结构。传统的结构分析往往局限于简化条件下用解析法求解问题，即将产品结构简化为许多便于计算的“平面结构”或进行截断、分解成各个单一的零部件，如“杆系、柱、板、壳、块体”等，运用材料力学、弹塑性力学等相应力学理论进行分析，从中得出一些计算公式，再按公式计算各处参量。由于作了过多的简化，计算模型构造得非常简单，计算结果往往粗略与实际情况相差较大。建立有限元模型是有限元分析的关键步骤，模型的质量直接关系到计算结果的正确与否，必须正确的模拟结构的物理特性，这是建模的核心问题。因此，对前处理而言，就所要分析的问题，必须考虑节点空间位置(坐标值)；单元与节点的连接；不同单元之间的耦合；结构的材质参数；约束和边界条件；各类载荷。每个具体问题都要准备上述数据，同时要考虑网格形状和密度分布的合理性、收敛性。对较大型的问题要准备成千上万的数据，这项工作非常繁琐，而且必须避免任何错误，前处理中的一个微小错误就会导致整个计算分析失败。对后处理而言，由于有限元分析进行的是大规模的计算，在计算过程中会产生大量的数字信息，只有对计算机输出的数字信息进行仔细地综合分析理解之后，才能发现设计中可能存在的问题或错误，获得对研究对象的认识和见解，以致进行结构设计。这是一个既重要又繁琐的过程。4.1.1有限元求解有限元法的中心思想是对求解域(结构)进行单元划分和分片近似，其计算步骤为：（1）结构离散化结构的离散化是有限元分析的第一步，它是有限元法的基础。所谓结构的离散化，其过程简单地说，就是将分析的结构物划分成有限个离散体(单元体)，并在单元体指定点设置节点，把相邻的单元体在节点处连接起来组成单元的集合体，以代替原来的结构，显然单元体越多，越接近原来的结构。不同的分析对象采用不同的单元类型，常用的有杆单元、梁单元、板单元、壳单元、体单元等。（2）选择位移函数在结构的离散化完成以后，就可以对单元进行特性分析。分析方法可按节点未知量选用变形、位移和应力的不同，有力法、位移法、混合法和杂交法，最常用的方法是位移法。为了能用结点位移表示单元体的位移、应变和应力，必须对单元中位移的分布作一定的假设，也就是假定位移是坐标的某种简单函数位移函数。位移函数的适当选择是有限元分析的关键。在有限元法应用中，普遍地选择多项式作为位移函数，因为多项式的数学运算(微分和积分)比较方便，并且由所有光滑函数的局部来看都可以用多项式逼近。根据所选定的位移函数，就可以导出用结点位移表示单元内任一点位移的关系式，其矩阵形式是： （5-1）式中，为单元内任意一点的位移列阵；称形函数矩阵，它的元素是单元位置坐标的函数，反映了单元的位移形态；为单元的结点位移列阵。（3）分析单元力学特性位移函数选定以后，就可以进行单元力学特性的分析。它包括三部分内容：A、利用几何方程和位移表达式 (51)导出用结点位移来表示单元应变得关系式，寻求结点位移与应变的关系： （5-2）式中，是单元内任一点的应变列阵；称为单元应变矩阵。B、利用物理方程，由应变的表达式(52)导出用结点位移表示单元应力的关系： （5-3）式中，是单元内任一点的应力列阵；是与单元材料有关的弹性矩阵。C、利用虚功原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式(节点平衡方程)，即: （5-3）式中，积分遍及整个单元的体积，为单元的刚度矩阵；为单元上节点力矩阵。（4）计算单元的等效节点力弹性体经过离散化以后，假定力是从单元的公共边界传递到另一个单元的。因而，这种作用在单元边界上的表面力以及作用于单元的体积力、集中力等都需要等效移置到节点上去，也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。移置的方法是按照作用在单元上的力与等效节点力在任何虚位移上所做的虚功都相等的原则来进行的。（5）集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程这个集合过程包括两个方面的内容：一个是由各个单元的刚度矩阵集合成整个物体的整体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵集合成总的荷载列阵。一般说来，集合所依据的理由是要求所有相邻的单元在公共节点处的位移相等。于是得到以整体刚度矩阵,荷载列阵 以及整个物体的节点位移列阵表示的整个结构的平衡方程： （5-5）（6）求解未知节点位移和节点等效荷载以及整体刚度矩阵组成的平衡方程(55)，解出节点位移，然后利用公式(53)。和已求出的节点位移来计算各单元的应力，最后利用公式(51)求出单元内任一点的位移。总结即：问题及求解域定义，求解离散化，确定状态变量及控制方法，单元推导，总装求解，联立方程组求解和结果解释。简言之，有限元分析可分为3个阶段：前处理，处理，后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则采用处理分析结果，使用户能简便提取信息，了结计算结果。4.1.2有限元网格划分的基本原则有限元法和其它任何近似数值方法一样，都存在算法的可靠性和有效性问题。有限元分析结果的误差可能来自分析过程的各环节。其中一个主要的误差来源是模型的离散化。它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，有限元网格划分的质量对分析结果的精度有着决定性的影响。（1）单元的选取在有限元结构分析中，有上百种单元可供选用，在许多情况下，对一个特定问题，最好的单元不是显而易见的。单元的种类，取决于对模型效果的评价，取决于计算费用和精度。许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的单元称为高阶单元。当分析的结构形状不规划，应力分布或变形复杂时，可选用高阶单元。因为高阶单元的曲线或曲面边界能更好的逼近结构的曲线和曲面边界，且高次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数。但高阶单元的节点数较多，在网格数量相同的情况下，由高阶单元组成的模型规模要大得多，在不影响计算精度的前提下，尽可能采用简单的分析模型，以低阶单元代高阶单元。尽量做到能选择点而不选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不选择壳，能选择壳而不选择三维实体。有限元分析的单元形式非常多，有按模型几何空间分类，有按单元形式分类。而每种单元类型又依据其节点数，边界描述特性等分作若干种。单元形式的选择主要依赖力学模型、求解精度、软件系统能力及计算机硬件配置等。（2）单元数量网格密度单元的数量、网格的疏密将影响计算结果的精度和计算规模的大小，一般来讲，单元数量的增加，计算精度会有所提高，但计算规模也会增加，所以在确定单元数量时，应权衡这两个因素综合考虑。单元数较少时增加其数量可以使精度明显提高，而计算时间不会增加，当单元数量增加到一定程度后，再继续增加时，精度提高不大，而计算时间却大幅度增加。在实际应用时，采用试算的方法，比较两种网格划分的计算结果，如果两次计算结果相差较大，可以继续增加网格，相反则停止计算。当应力或应变、变形等计算结果随网格的细化而趋于收敛时，才确认其计算结果。网格划分应该正确反映结构的受力和变形情况，网格的细划可以提高计算精度，但不能盲目追求网格的细密，关键在于抓住主要区域进行模拟，要粗划和细划适宜。因此，在保证计算目的和精度的条件下，控制网点规模，在不同阶段选择不同的简化程度对结构进行静力分析时，仅计算结构的变形，单元数量可以少一些，若计算应力，则在精度要求相同的情况下，应取相对较多的单元。在计算结构固有动力特性时，若仅仅是计算低阶模态，则可用较少的单元。如计算的模态阶次高