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【JX281】高空作业车工作臂结构设计及有限元分析设计[KT+RW+FY],jx281,高空作业,车工,结构设计,有限元分析,设计,kt,rw,fy

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徐州师范大学 机电工程学院 毕业设计（论文）立题卡（理工类） 机电工程学 院 （ 系 ） 机械制造及其自动化 专业 班级 03机制 43班 课题名称 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 主要内容 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，两节工作臂分别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。 指导教师及职 称 负责指导教师 蒋红旗 参加指导教师 学生人数 2 学生姓名 闫雪琴、 毕业设计 周数 9 课题类型 设计型 计算型 实验型 教学型 课题来源 科研 纵向 生产实践 自拟 实验室建设 横向 同课题学生分工形式 主要内容不同 内容参数不同 各做课题不同部分 课题内容差异程度 约 80 约 60 40 20 课题对学生综合能力培养 计算机应用 完成全部程序 完成部分程 序 应用已有程序 上机时数 机型 设计绘图 0号图纸 1号图纸 2号图纸 3号图纸 4号图纸 总张数 1张 2张 张 张 张 实验及调研 毕 业 实 习 环 节 实 验 研 究 调 查 研 究 有 无 独立完成 参加完成 有 无 周 80 20 周 文献阅读及外文应用训练 中文 30篇 外文 10篇 文献翻译 1 英文摘要 1 课题总工作量 适 当 偏 多 偏 少 课 题 难 度 适 当 偏 难 偏 易 教研室审查意见 系（部）审核意见 备 注 说明：（ 1）空格内打 或 填上数字等 负责指导教师 日期 （ 2）本卡一式 3份，指导教师、 院 （ 系 ）和教务科各一份 教研室 主任 日期 教 学 院 长 日期 徐州师范大学 机电工程学院 毕业设计（论文）任务书 机电工程学 院 （ 系 ） 机械设计制造及其自动化 专业 03 机制 43 班 学生 闫雪琴 一、设计题目： 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 二、设计任务要求及主要原始资料： 设计 任务 要求： 工作臂总体设计（总装图一张），上、下臂结构设计（ 零件 图两张），上、下臂铰点位置确定（优化），上臂或下臂有限元分析及改进、有限元分析结果的比较。 原始数据如下表 高空作业车 主要技术参数 项 目 单位 数据 平台额定载荷 00 平台最大 作业高度 m 12 平台最大作业高度时作业幅度 m 台最大作业幅度 m 台最大作业幅度时作业高度 m 转速度 r/臂变幅时间 s 40 上臂变幅时间 s 40 伸缩臂全伸时间 s 30 三、设计时间： 2007 年 4 月 9 日至 2007 年 6 月 4 日 指 导 教 师： （签名） 教 学 院 长 ： （签名） 徐 州 师 范 大 学 毕业设计（论文）开题报告及工作实施计划 院 系 机电工程学院 专 业 机械制造及其自动化专业 年级 、 班级 03 机 制 43 姓 名 闫 雪 琴 指 导 教 师 蒋 红 旗 开题报告日期 2007 年 4 月 9 日 徐州师范大学教务处印制 填 表 须 知 1、开题报告由学生本人领取后 ，在指导教师的指导下填写此表； 2、工作实施计划应由指导教师填写； 3、本表一式三份，一份交院（系）教务部门，一份由教研室保存，一份装订到毕业设计（论文）资料袋中。 一、毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 研 究 方 向 结构设计及有限元分析 课 题 来 源 国家 部委 省 市 厂矿 自选 备注 课 题 类 型 理论 研究 应用 研究 工程 技术 跨学科 研 究 其他 一、课题综述及研究意义 高空作业车作为一种工 程机械设备，目前广泛应用在船舶、建筑、市政建设、消防、港口等行业，有着广阔的发展前景。 高空作业车在世界上已有近四十年的发展历史，现已形成一个完整的专用产品研发、生产体系。如美国的 洛夫 )、 尼 )、英国的 西蒙 )， 意大利的 利高 )，芬兰的 朗托 )公司等，并且它们各有侧重，如 空作业车发展到现在，其作业高度最高已到达 72m(，作业车的可靠性、安全性、舒适性、 操作方便和简单的直接性等方面都有较大提高。 本课题以徐州海伦哲工程机械有限公司研制开发 “ 为研究对象，对该车上的重要结构 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、下臂通过升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。由于升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，将以高空作业车升降臂结构为对象，根据作业高度及作业范围 进行结构设计，然后 在 获得最优的设计结果。 二、课题拟采取的研究方法和技术路线 课题拟采用有限元法对作业 臂 的结构进行分析，通过建立有限元模型， 进行 作业 臂 结构的强度和刚度分析， 确定危险截面或危险点的应力分布及变形，找出结构设计中的不合理因素，并 对之进行改进，为同类型产品的 结构设计和改造提供了科学的理论依据。 本课题所采用 的 技术路线： 首先，进行大量的调查研究，收集整理情报资料，根据作业车的工作特点和受载状况，制定作业 臂 设计 方案。 然后，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、下臂和升降油缸等组成，设计中要确定上、下臂的长度，油缸铰点位置，作业臂截面尺寸等主要参数。 第三，在 中对 上、下臂 建立三维模型，然后导入有限元分析软件件中，选择 元，确定材料属性，划分网格，施回载荷和约束，进 行结构 结构的强度和刚度分析， 确定危险截面或危险点的应力分布及变形。 第四，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，并对改进后的结构进行有限元分析，对两种分析结果进行比较。画出作业臂总装图及上下臂零件图。 第五，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。 三、主要参考文献 1 哈尔滨建筑工程学院主编 , 工程起重机 ,中国建筑工业出版社 ,1981年。 2 北京工业学院， 线性静动力结构分析程序 ， 1982。 3 机械强度 杂志 ， 1980年 3期 4 料力学，结构力学与弹性力学中的若干问题，中国科学院出版。 5 徐次达、华伯浩：固体力学有限元理论方法及程序，水利电力出版社， 1993. 6 孙正兴：汽车起重机转台结构有限元分析研究，南京航空学院硕士论文， 1992. 7 现代机械设备设计手册，机械工业出版社。 8 机械工程手册，机械工业出版社 ， 1982。 9 戴冠军：汽车维修理 论，人民交通出版社， 1991。 10 P， 1964 11 谭建国 使用 0 进行有限元分析 M，北京大学小版社，2002。 12 王勖成、邵敏：有限单元法基本原理和数值方法 M，清华大学出版社， 1997。 13 靳慧： 铁路求援起重机吊臂的有限元设计 2001。 14 范祖尧：现代机械设备设计手册 M，机械工业出版社， 1996。 15 吴福光：振动理论 M，高等教育出版社版， 1987。 16 葛志棋：机械零件设计手册 (下 )M，北京 J 二、 ， 1994， 17 胡宗武 ： 起重机动力学 M ，北京 出版社， 18 陈玮璋 ： 起重机械金属结构 ，人民交通出版社， 1986。 19 尹军琪 ： 变截面梁的等效质量计算 l 重运输机械， 1995。 20 陈道南、李合文： 车起重机转台有限元分 析。南京航空学院科技报告， 22 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。 23 朱世强，高空作业车多臂协调控制技术的研究，浙江大学 91 级 硕士论文。 24 吴克坚，于晓红，机械设计钱瑞明主编，高等教育出版社， 2003. 3。 25 刘涛，杨凤鹏 2002。 26 谭建国，使用 行有限元分析，北京大学出版社， 27 张亚欧，谷志飞，宋勇， 限元分析实用教 程，清华大学出版社， 28 王勖成，邵 敏，有限单元法基本原理和数值方法，清华大学出版社， 29 刘鸿文，材料力学，高等教育出版社， 1991。 30 李景刚，高空作业车电液比例系统控制技术的研究浙江大学 88 级硕士论文。 31 起重机箱形伸缩臂稳定性分析的精确理论解 .哈尔滨建筑大学学报， 2000(2)。 32 杨晓波，高空作业车支腿反力限制器的研制，建筑机械， 1998 年第 6期。 33 王恒华等， 况下的动力分析，建筑机械， 1998(12) 34 陈国安等，臂架式拖泵支腿受力分析，工程机械， 2001(11)。 35 钟安庆等，消防车多节直臂举升同步伸缩系统的设计，工程机械， 2002(2)。 36 吴先明，起重机伸缩机构抖动机理分析，工程机械出版社，1997(11)。 37 高低空起重工程车吊臂伸缩机构，工程机械出版社， 2000(6)。 38 黄锡恺等主编，机械原理，高等教育出版社， 1997年 7月第 7版。 二、毕业设计（论文）工作实施计划 （一）毕业设计 （论文）的理论分析与软硬件要求及其应达到的水平与结果 本课题主要是针对高空作业车作业臂的结构设计及优化。要求设计的结构合理简单设计方便的同时，要能保证作业车作业时的安全性，可靠性，以及结构的经济性。 要求能综合运用所学理论知识，分析实际问题，并提出解决方案。掌握现代设计的基本理论和方法，在设计过程中要充分使用计算机，对作业臂的结构应采用有限元进行分析，要掌握有限元法的基本理论和方法，并能运用到实际的工程实践中去。在图形的处理上主要采用的 图软件进行绘图， 行图形的建模。因此要熟 练掌握有限元分析软件 的操作使用。要能根据工程实际对分析结果作出正确的分析和评判。 提高资料情报的收集整理能力，充分发恽图书资料的作用。 加强英文资料的收集翻译能力，至少能阅读并翻译一篇以上的与本课题有关的英文文献。 （二）毕业设计（论文）工作进度与安排 起讫日期 工 作 内 容 和 要 求 备 注 查研究，查阅资料 构设计 限元分析，提出改进方案， 改进后方案进行有限元分析 出结论 理修改，最终定稿，迎接答辩 三、对开题报告的审阅意见 指导教师综合意见 课题采用有限元法对作业 臂 的结构进行分析，通过建立有限元模型， 进行 作业 臂 结构的强度和刚度分析， 确定危险截面或危险点的应力分布及变形，找出结构设计中的不合理因素，并对之进行改进，为同类型产品的 结构设计和改造提供了科学的理论依据。 课题在选题上贴近生产实际，有一定的生产应用价值。课题难度适中， 研究内容清楚明确；所采用的研究方法和技术路线切实可行；工作进度安排详细合理。 同意开题！ 指导教师（签名） 年 月 日 开题报告审议意见 教研室主任（签名） 年 月 日 院 系 意 见 教 学 院 长（签名） 年 月 日 存档日期： 存档编号： 徐 州 师 范 大 学 本科生毕业论文（设计） 论 文 题 目： 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 姓 名： 闫 雪 琴 院 系： 机 电 工 程 学 院 专业、年级、班组： 机械设计制造及其自动化 03 机 制 43 指 导 教 师： 蒋 红 旗 徐州师范大学教务处印制 2007 年 6 月 4 日 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 1 目 录 第一章 绪 论 . 4 . 4 . 5 作机构 . 5 属结构 . 5 力装置 . 6 制系统 . 6 . 6 . 6 . 7 业车作业状态主要技术参数 . 8 题的提出 . 8 课题所要研究的具体任务 . 9 课题研究的意义 . 9 第二章 高空作业车的结构设计 . 10 料的选择 . 10 算上、下臂的长度 . 11 定油缸铰点的位置 . 12 定上臂油缸铰点的位置 . 12 定下臂油缸铰点的位置 . 13 臂截面尺寸的确定 . 13 上臂进行受力分析 . 13 算上臂截面尺寸 . 14 上臂进行强度效核 . 16 臂截面尺寸的确定 . 18 下臂进行受力分析 . 18 算下臂的截面尺寸 . 21 下臂进行正应力效核 . 22 第三章 高空作业臂有限元分析 . 25 述 . 25 荷条件及分析工况说明 . 26 荷条件 . 26 析工况 . 26 臂的有限元分析 . 27 . 27 限元分析 . 28 臂的有限元分析 . 32 . 32 限元分析 . 32 第四章 总 结 . 37 致 谢 . 38 参考文献 . 39 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 2 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 摘 要 ： 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。本文主要以“ 上、下 臂结构为研究对象，对 上、下 臂进行结构设计和文主要阐述了根据高空作业 车 的 最大作业高度 12米 ，在满足 作业高度的前提下，进行高空作业臂的结构设计：首先根据使用要求选择作业臂材料的类型；其次根据最大作业高度确定上、下臂的长度 ；再经过受力分析利用强度来 确定 臂的截面尺寸及油缸的铰接位置； 再进行强度、刚度、稳定性的校核， 查看作业臂的尺寸是否符合要求；利用 软件进行上、下臂实体建模，通过 软件的输出端口和 实体模型导入 定义工作臂的单元类型为实体单元“ 5”；其材料属性定义为：弹性模量为 的密度为 37850kg/m 。进行网格划分时，采用了 最常用的网格划分控制工具“ 中的“ ，网格划分的值越小得到的结果越好，但网格太细会占用大量的分析时间，造成资源浪费，由于上、下臂的尺寸较大， 而厚度较小 ，为提高计算效率 ，在网格划分密度时，选取值为 4。然后， 施加均布载荷和约束，进行 结构的强度和刚度分析，确定危险截面或危险点的应力分布及变形。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，并 对改进后的结构进行有限元分析，对两种分析结果进行比较。最后 画出作业臂总装图及上 、 下臂零件图。 关键词 ： 高空作业车；结构设计；有限元分析； 州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 3 is a to In “in of on of 6 to on of of of of of on of to to of of it of of 5; of .1 s of of a of in a of of a to of of or to to of of 州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 4 第一章 绪 论 空作业车的概况及其发展方向 高空作业车又称登高平台消防车，广泛 用于建筑、市政、电讯、机场、工厂、园林、住宅等场所，从事消防、抢险救灾、施工、安装、维护等工作。其中，供消防部门用于灭火、辅助灭火或消防救援，是最主要的一个功能。 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。高空作业装置包括高空作业臂、起重工作臂、起升机构、动力系统、液压系统、电气系统还有操纵装置等部分组成。 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。 高空作业车按工作臂的型式，有四种基本型式，分别为：垂直升降式、折叠臂式、伸缩臂式和混合臂式。垂直升降式高空作业车的升降机构只能在垂直方向上进行运动。它的主要特点是结构简单，承载能力强，但作业范围小，作业高度低，这种结构型式应用比较少。折叠臂式高空作业车工作臂之间的连接全部采用铰接型式，所以 国外又把它叫做铰接式高空作业车。折叠臂高空作业车结构适合于较低作业高度的车型，如要加大作业高度，必然要增加臂长或增加工作臂数量，增加臂长会使作业车体积庞大，降低灵活性；增加工作臂数量会造成操作繁琐，安全性降低。伸缩臂式的高空作业车在行驶状态时，工作臂缩回套叠，工作时伸出，可以有效增大作业高度，同时具有工作效率高、操作简单、动作平稳等特点。混合臂式高空作业车工作臂之间既有铰接，也有伸缩，是折叠臂式和伸缩臂式高空作业车的结合，它综合了两种结构型式的优点，工作性能最好，但结构也最为复杂。 高空作业车是利用汽车底盘 作为行走机构，具有汽车的行驶通过性能，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在工程建设、工业安装、设备检修、物业管理、航空、船舶、石化、电力、影视、市政、园林等许多行业，是近几年来国内发展最快的专用汽车产品之一。高空作业车是 高空作业机械是在工程起重机械基础上发展起来的 ， 高作业设备广泛应用在建筑、消防等行业。随着高空作业车作业高度越来越高，振动所导致的大幅度摆动，严重的影响了定位的准确性，降低了工作效率，加之高空摆动给人的安全感极差，也降低了设备的宜人性，间接的 影响了工作效率。因此对高空作业车进行动力研究，有重要意义。 目前国内生产的高空作业车几乎全部是折叠臂型式的，有更大的市场需求 。 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 5 空作业车组成 高空作业车正常进行作业，需要工作机构、金属结构、动力装置与控制系统四部分。这四个部分的组成及其作用分述如下： 作机构 工作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两个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回转。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。 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，提高高空车的可靠性都有重要意义。 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 6 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 10载重汽车底盘发动机的功率根据载重量不同从 50直到 150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。 制系统 高空作业车控制系统是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。 高空作业车的概况 系列高空作业车采用折叠式工作臂结构 ,工作装置为液压驱动 ,360 全回转 。除高空作业机构外 ,一机 多用。 高空作业车是以反复短暂循环的方式完成货物装卸或设备安装作业车的 。一个工作循环包括 :取货 、 货物上升 、 水平运下降 、 卸载 ,然后空吊具返回原地。 高空作业车主要由高空作业臂、起重工作臂、工作平台、 回转机构 、起升机构、动力系统、液压系统、电气系统等八部分组成。（ 整车外形图如图 1 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 7 图 1外形图 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，两节工作臂分别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。工作臂为 2节折叠臂。具有操作简便，稳定性好等特 点。其组成由高空作业臂和起重工作臂两部分，如图 1 所示。高空作业 臂包括上臂 2和下臂 1，上臂头部有工作平台 6。行驶状态时， 2节工作臂折叠在一起；进行高空作业时，2 节工作臂分别由上下臂油缸 4 举升伸展至一定角度。上臂和下臂间通过水平销轴铰接。起重工作臂由基本臂 1 和伸缩臂 3组成 。高空作业时下臂兼做起重基本臂。伸缩臂由伸缩臂油缸 5控制，不工作时伸缩臂回缩至基本臂内部；起重作业时，伸缩臂根据需要的起重幅度和起升高度进行伸缩。 伸 缩臂根部通过销轴与升缩臂油缸铰接， 伸 缩臂和基本臂间有滑块，以保证伸缩臂能平稳运动。伸缩臂与油缸、基本臂根部和回转平台 也通过 水平销轴铰接。（如图 1 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 8 图 1业臂示意图 1基本臂 (下臂 ) 2上臂 3伸缩臂 4上臂油缸 6工作平台 业车作业状态主要技术参数 作业车的技术参数如下表所示： 表 1项 目 单位 数据 平台额定载荷 00 平台最大作业高度 m 12 平台最大作业高度时作业幅度 m 台最大作业幅度 m 台最大作业幅度时作业高度 m 转速度 r/臂变幅时间 s 40 上臂变幅时间 s 40 伸缩臂全伸时间 s 30 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 “ 为研究对象，对该车上的重要结构 该型作业车的作业臂有上徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 9 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 获得最优的设计结果。 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、下臂和升降油缸等组成，设计中要确定上、下臂的长度，油缸铰点位置，作业臂截面尺寸等主要参数。 3、 在 中对 上、下臂 建立三维模型，然后导入有限元分析软件件中，选 择 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，并对改进后的结构进行有限元分析，对两种分析结果进行比较。画出作业臂总装图及上下臂零件图。 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。 课题研究的意义 通过本课题的研究，掌握 计理论和分析方法， 掌握在 从而达到优化结构、减轻自重、提高可靠性的目的，为研制 作臂的高空作业车奠 定基础。 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 10 第二章 高空作业车的结构设计 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、可靠地工作对其金属结构规定 如下计算原则： 1）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 2）结构计算应采用许用应力法。 3）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）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 般可不进行此项计算。 第 第 类 度和稳定性的验算。 5）对三类载荷情况分别规定了不同的许用应力 8 。 表 2用应力计算公式 载荷组合种类 安全系数 拉伸、压缩、弯曲、许用应力 剪切许用应力 组合 I =3 = 组合 II =3 =组合 =3 =注：表中屈服点 s 应按选取的钢材厚度取不同的值 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 11 由此 确定 作业臂的 材料 17 ： 根据选材原则及规定：主要选用 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=4屈服强度是 : =235根据 工作时的最大的载荷进行强度和稳定性计算 进行疲劳强度、强度和稳定性计算。 所以由表 1 =235M a 许用正应力是：= 1 7 6 . 6 9235 3 3许 用切应力是：3 = = 1 0 2 . 11 7 6 算上、下臂的长度 如图 2示作业 臂 的 仰角是指上臂与水平线之间的夹角用字母 来表示，它可从 0到 80，为便于对吊臂端部进行操作，仰角 可为 业臂实际作业时 通常在 30 75范围内。设计时仰角取 75，在图 275， 075，起升高度 2。 上臂： B 下臂： C 则由三角关系有： 2 即 : (2) 2 2=12/1+1)式 由于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： 22)式 由 (1)式和 (2)式可以取上臂 下臂 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 12 图 2定油缸铰点的位置 臂油缸。 图 2 确定上臂油缸铰点的位置 取 0000州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 13 则由三角关系可得 : 2 2 2 02 c o s 1 5 0E F B E B F B E B F 2 2 2 04 0 0 8 0 0 2 4 0 0 8 0 0 c o s 1 5 0 1160EF 定下臂油缸铰点的位置 取 0000075 由三角关系可得 : 2 2 2 05 0 0 7 0 0 2 5 0 0 7 0 0 c o s 7 5 750 臂截面尺寸的确定 上臂进行受力分析 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臂弯距图 可列公式 : 则 : 2F 400=5900 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 14 由 F=0可得 : 1F +F=1=上图所示的弯矩图 :则可得最大弯矩是 梁所需的截面系数， / = 531 1 . 5 6 . 6 . 5 1 01 7 6 . 6 9K N m a 再将求出来的 梁所需的截面系数 2）式 算上臂截面尺寸 （ 1） 8上 臂 梁 高 h 的 确 定 图 2的截面图 按强度条件： 03)式 式中 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 15 、 0 计 时 钢板的厚度一样 =0 =4 =0 则上式可简化为 : 4)式 因此把计算所得的截面系数 536 0 和 4 10 m 可得 上臂高 350 . 6 6 . 5 1 0 1004 1 0 （ 2） 8上 臂 梁 宽 b 的 确 定 图 2臂的截面结构图 如图所示： =4 : 1 2 1 0 0 8 9 2h h m m 按整体稳定性条件 : 13局部稳定条件 : 60b 即 : 1 603 1 1 0 0 6 0 43 m m b m m 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 16 3 3 2 4 0m m b m m 则 取 : 130b 由图可得 : 1 2 1 3 0 8 1 3 8b b m m 上臂进行强度效核 上臂梁的尺寸确定后应对其进行强度、钢度和整体稳定性 效核 ,不满足时应进行修改。 40正 应 力 效 核 静强度效核公式：正应力 )式 N） 2m ） 切应力 28 )式 N） m) 轴的惯性矩 ( 4m ) 图 2臂剪力图 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 17 在截面 11 7）式 梁的截面积是 : 11A hb h b 3 210 m 则 : 331 2 1 . 4 9 1 01 1 1 . 9 3 1 . 8 1 0F M P 在截面 2 8）式 则 : 331 . 9 6 1 02 1 . 0 5 1 . 8 1 0F M P 在截面 2118 )式 计算 z: 图 2臂的惯性矩图 如图所示建立坐标系： 矩形对 312惯性矩： 12z 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 18 所以此题的惯性矩为： 33 541 1 3 8 1 0 01 1 . 1 5 1 01 2 1 2z m 33 541 1 3 0 9 22 0 . 8 4 1 01 2 1 2z m 5 5 5 41 2 1 . 1 5 1 0 0 . 8 4 1 0 0 . 3 1 1 0I z I z I z m 把 1 3 2 N 和 540 0Iz m 切应力效核公式 : 则：切应力是 2 3 251 2 1 . 4 9 1 0 0 . 0 0 41 9 . 08 8 0 . 3 1 1 0F M P 在截面 22 28z 10)式 把 2 N 和 540 0Iz m 代入上式 则 : 切应力是 2 3 252 1 . 9 6 1 0 0 . 0 0 42 5 . 88 8 0 . 3 1 1 0F M P 所以上臂的 正应力和切应力 符合要求。 (3) 对上臂进行整体稳定性验算 箱型组合梁通常刚度很大 ,若梁的高宽之比 /3,则梁的整体稳定性不需验算。 所以 / 1 1 7 / 1 5 0 0 . 7 8 3 则不需要整体稳定性不需验算。 从以上对上臂的验算可得上臂尺寸的选择 符合要求。 臂截面尺寸的确定 下臂进行受力分析 图 2臂工作到水平位置时 ,此时 下臂受力最大，由此来计算梁的受力情况。 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 19 图 2臂的受力图 把上图分解后计算各个力的大小力 图 2臂受力图 计算上臂的自重 板每平方米面积的理论质量 ,不同厚度的钢板 (密度为 每平方米理论质量按下列公式计算 : 2 /G S k g m 11)式 式中 G kg/m 州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 20 以 0 . 0 0 4 7 . 8 5 6 . 3 0 . 2M G k g 所以自重是 : 0 . 2 9 . 8 1 . 9 6F G K N 由上图可得 : 0F 即 : 1 . 9 6 1 . 9 6 3 . 9 2F B F G F K N 对下臂进行受力分析如下图 图 2臂的弯距图 3 . 9 2F B F B K N 即力 力 0 7 0 0 5 3 7 0F g F B 所以 5 3 7 0 3 . 9 2 3 0 . 0 7700F g K N0F 所以 3 0 . 0 7 3 . 9 2 2 6 . 1 5F c K N 如上图所示的弯矩图 :则可得最大弯矩是 m a x 3 . 9 2 5 3 7 0 2 1 . 0 5M K N m 而 梁所需的截面系数， / W M m 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 21 = 432 1 . 0 5 . 1 . 2 1 01 7 6 . 6 9K N m a 算下臂的截面尺寸 再将求出来的 梁所需的截面系数 2）式 可得 0 m a 340 . 6 1 . 2 1 0 1354 1 0 图 2臂的截面图 如图所示： =4上臂的厚度一样 ) 则 : 1 2 1 3 5 8 1 2 7h h m m 按整体稳定性条件 : 13局部稳定条件 : 60b 即 : 1 603 1 1 3 5 6 0 43 m m b m m 徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 22 4 5 2 4 0m