车载式高空作业平台的结构设计

编号无锡太湖学院毕 业 设 计 （ 论 文 ）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：学生姓名：指导教师：2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 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。 II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III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IVAbstractThis 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 cylinderV目 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 .23VI4.1 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车载式高空作业平台的结构设计11 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。 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，无锡太湖学院学士学位论文2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。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、噪车载式高空作业平台的结构设计3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 取力系统无锡太湖学院学士学位论文4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。车载式高空作业平台的结构设计52 伸缩臂结构分析2.1 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。1 2 345 69781 01.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 伸缩机构原理图无锡太湖学院学士学位论文62.2 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车载式高空作业平台的结构设计7（GB9645-88） 11，其许用应力值为：(2.1)12sSf式中： 材料屈服强度， s 70sMpa结构安全系数， 2S-应力集中系数，1f1.f-动载荷系数， ，则225212704.6/.s pakgmSf2.3.1 危险工况 1 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)AiMGL外臂危险截面A-A惯性矩为：(2.3)312ABHbhI则可求A-A 截面的最大应力 。A274./ANm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 2 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-无锡太湖学院学士学位论文8A 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车载式高空作业平台的结构设计9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 。1F1F1Y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)12C伸缩臂的当量惯性矩为 ,dxI(2.5)12dxI其中 、 为长度系数 。1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无锡太湖学院学士学位论文102.4.2 弹性位移的计算2.4.2.1 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)()aSY带入挠曲轴的近似微分方程：(2.7)dxEIm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12dxI2将弯矩带入上式： ()dxaEIYFSY或 ()adxdxII令 2dxFKE则上式变为：(2.8)2()aYS这是一个二阶常系数非齐次方程，通解为： 12sincosaCKZ由边界条件：, , 得0Y2()aS， , 得 10所以挠度方程为：(2.9)()(cos)aSKZ令 带入挠度方程。,bZLY()1)abL解得 csobS作三角变换: 2incsabKL带入 ：a21cosbbSK车载式高空作业平台的结构设计11将 带入2dxFKEI1()cosbadxbLSIL2XbxM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 。考虑构件支承方式的影响，应以计算长度 代替 。12CbLbL(2.10)21cosXabdxbMLEIK作近似： 22cos1()128EXEXEXFF1EXF(2.11)2abdxEXLI2.4.2.2 的计算b切向力F 在一截面的弯矩是：(2.12)1()()bYbmFLZ 建立挠曲轴的近似微分方程: dxEIY 1()()bYb dxdxFFLZII令 2xKE上式变为：(2.13)21()YbbFYLZ通解为: (2.14) 112sincos()YbCKLZF由边界条件: 得0,Z1无锡太湖学院学士学位论文12则挠度方程为：(2.15)111sin()cos()YYYbbbbFFFKZLKZLZ令 ,bL11si()csYYbbb(2.16)1coinobFKLK作近似： 3()si6bb2co1L321()()s6bbYYbbKLLFFK31YbFK3 311cos2bdx dxEXEXEII 2116YCLabdxEXMFLYFI上式中： 12Cb2.4.3 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： 6105810721073250()XiMkgm13cos7.4()YFkg.93CLm, 5()EXkg15sin70296()Fk, 20Gpa48.dxI将参数值代入公式得： 21316.096XYCLabdxEXMLY mFEI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