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长沙学院CHANGSHA UNIVERSITY本科生毕业设计说明书页边距上边距：30mm；下边距：25mm；左边距：30mm；右边距：20mm；设 计 题 目： 臂架式桥梁检测车工作装置及液压控制系统设计 学院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 职称 最终评定成绩 该处成绩为等级，不是分数此处为终稿提交的时间长沙学院教务处 二 年 月重要提示：各类电子文档标准格式中的说明（用蓝色或红色字体表示），在参阅后请自行删除（包括本提示），黑色字体的内容全部保留！长沙学院本科生毕业设计臂架式桥梁检测车工作装置及其液压系统设计学 院：机电工程学院（宋体4号）专 业：机械设计制造及其自动化（宋体4号）学 号： （宋体4号）学生姓名： （宋体4号）指导教师： 职 称（宋体4号） 职 称（宋体4号）2020 年 月 长沙学院毕业设计 摘 要桥梁检测车是一种可以为桥梁检测人员在检测过程中提供作业平台，装备有桥梁检测仪器， 用于流动检测/维修作业的专用汽车。它可以随时移动位置，能安全、快速 高效地让检测人员进入作业位置进行流动检测或维修作业。工作时不影响交通，而且可以在不收回臂架的情况下慢速行驶。其结构小巧。臂架式桥梁检测车受桥梁结构制约构约少，工作灵活。既可检测桥下也可升起检测桥梁上部结构。有时候还可以作为高空作业车使用。价格相对桁架式桥检车低。本文设计了一款折叠臂式桥梁检测车工作装置，其桥下水平作业范围为08m，桥面以下垂直作业范围为010m，完成了总方案的设计、底盘的选型设计、举升机构和回转机构的设计、支腿机构和液压系统的设计、桥梁检测车的稳定性分析等工作。关键词:桥梁检测车，折叠臂，举升机构，支腿机构，回转机构ABSTRACTBridge detection vehicle is a kind of special vehicle which can provide a platform for bridge detection personnel in the detection process, equipped with bridge detection instruments, and used for flow detection / maintenance operations. It can move the position at any time, and it can make the inspectors enter the working position safely, quickly and efficiently for mobile detection or maintenance. It does not affect the traffic when working, and can drive slowly without retracting the boom. Its structure is small. The cantilever bridge inspection vehicle is limited by the bridge structure and has flexible work. It can be used to detect both the under bridge and the up bridge superstructure. Sometimes it can also be used as aerial vehicle. The price is lower than that of truss bridge inspection vehicle.In this paper, a folding arm bridge inspection vehicle working device is designed. The horizontal working range under the bridge is 0-8m, and the vertical working range under the bridge is 0-10m. The design of the general scheme, the selection of the chassis, the design of the lifting mechanism and the turning mechanism, the design of the leg mechanism and the hydraulic system, and the stability analysis of the bridge inspection vehicle are completed.Keywords: Bridge inspection vehicle, folding arm, lifting mechanism, outrigger mechanism, slewing mechanism目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 研究意义11.3 桥梁检测车介绍31.3.1 桥梁检测车主要结构形式31.3.2 桥梁检测车国内外发展现状41.4 本文主要研究内容5第2章 桥梁检测车总体方案设计62.1 设计要求62.2 桥梁检测车结构方案62.3 臂架式桥梁检测车布置方案72.4 臂架式桥梁检测车运动方案7第3章 臂式桥梁检测车设备装置93.1 动力装置93.2 工作装置类型103.2.1支腿装置103.2.2举升机构113.2.3回转机构123.3 工作平台及自动调平装置133.3 安全装置153.4 主体尺寸163.4.1尺寸参数163.4.2质量参数163.5 底盘选型16第4章 臂架及举升机构的设计174.1 举升机构的设计184.1.1 举升机构的运动范围184.1.2 动臂的结构设计和主要尺寸184.2 臂架的设计20第5章 回转机构的设计205.1确定圆柱滚子的允许载荷205.2回转机构载荷分析21第6章 支腿装置和液压系统计算226.1支腿装置设计计算226.1.1 支腿跨距226.1.2 支撑脚接地面积256.2 液压系统设计266.2.1 液压系统原理分析266.2.2 油缸选型276.2.3 液压泵的选型与计算286.2.4 油箱容积与管路内径计算296.2.5 液压系统参数设计306.2.6 液压泵的选型31第7章 折叠臂式桥梁检测车稳定性分析317.1 支腿压力计算31结 论35参考文献37致 谢38IV 长沙学院毕业设计 第1章 绪论1.1 研究意义随着我国基础建设的发展，公路网的拓展使得各类桥梁建设如雨后春笋般出现，桥梁的数量逐年增加，在给人们的出行提供便利和缩短各地的通行路程的同时，随着桥梁使用时间的增长，维修和安全隐患等一系列问题成为了迫在眉睫的难题。中所周折，桥梁一旦发生事故，那么其带来的灾害和破坏是难以估量的，因此在桥梁发生事故前将其隐患扼杀于摇篮之中显得极为重要，而桥梁检测则是实现这一目的的重要途径。所谓桥梁检测就是，利用一系列工具对原有桥梁的结构安全进行检测评估，鉴定它的实际承载能力，以确定加固改造方案。对桥梁的结构损伤采取有效手段进行监测、预测和控制，不但可以发现桥梁当时的结构是否损坏或服务功能是否降低外，确保交通枢纽的安全和正常运行，并且有准确提供桥梁信息、提供桥梁损坏程度信息、对桥梁有完整的记录、及时维修等作用。桥梁检测车是实现桥梁检测一系列功能的重要载体，它是一种可以为桥梁检测人员在检测过程中提供作业平台，装备有桥梁检测仪器， 用于流动检测/维修作业的专用汽车。它可以随时移动位置，能安全、快速 高效地让检测人员进入作业位置进行流动检测或维修作业。工作时不影响交通，而且可以在不收回臂架的情况下慢速行驶。其结构小巧。臂架式桥梁检测车受桥梁结构制约构约少，工作灵活。既可检测桥下也可升起检测桥梁上部结构。有时候还可以作为高空作业车使用。价格相对桁架式桥检车低。随着桥梁结构形式日趋发展向大型化和新颖化，对新型桥梁检测车的研究已称为迫在眉睫的任务。图1.1某斜拉桥目前我国桥梁检测存在的主要问题表现在： 设备不先进：对于跨线桥等旱地上桥梁，多采用在桥梁的下方搭架，然后人员在架上工作的方式进行，对于跨河桥则采用船上搭架的方式进行，部分过高的桥梁或船只没法靠近的桥梁基本上找不到好办法来解决检测检查问题。 耗资高：搭设脚手架需要耗费更多的人力、物力、财力，而且从搭设到开始使用，最后再拆除也耗时较长，并且影响进度。交通影响大： 安全小： 工作人员站在支架上或者船上进行工作，容易造成事故。 范围小： 由于受到桥梁的具体环境和搭设支架的限制，现有的办法很难对桥梁的每一部分进行检测，只能选择有代表性的部分进行检查，这样也就使降低了我们对桥梁使用状况的掌握，如果设备陈旧、手段落后自然无法反映桥梁的全部现状，影响了对桥梁的质量评估。 为了克服以上桥梁检测方式存在的问题，需要设计生产出一种可以为桥梁检测人员在检测过程中提供作业平台的专用设备。这就是通常大家所说的桥梁检测车，它实际上是一种用于桥梁检测维修作业的专用汽车，可以让作业人员随时移动位置，安全、快速、高效地进入作业位置。 有专家认为，由于“十五”期间及至少未来10年内我国公路及桥梁建设仍将保持较快的发展速度，所以预计我国今后大型桥梁检测车等在内的道路养护检测机械车将具有十分广阔的市场。专用的桥梁检测车通过液压伸臂机构，将检测装置(摄像机、超声波探测器等)或工作人员承载到桥梁底面任意位置的有效探测距离内，检测桥梁底部缺陷或进行维修。这种桥梁底部缺陷的检测方式，具有高效率，安全性好，较强适应性、低功率消耗等优点3。1.3 桥梁检测车介绍1.3.1 桥梁检测车主要结构形式桥梁检测车是指装备有桥梁检测仪器和工作台，用于流动检测/维修作业的专用汽车。它由汽车底盘和上部工作装置两部分组成。桥梁检测车最早出现在欧美，现在的装备技术已很先进，均采用电子液压控制，并配置有应急装置、稳定装置、遥控装置及发电设备。其上装结构型式主要有折叠臂式和桁架式2种。（1） 桁架式桥梁检测车采用通道式工作平台，稳定性好，承载能力大，使用时检测人员能方便地从桥面进入平台或返回桥面，如配置升降机则可大大增加下桥深度。（2） 折叠臂式桥梁检测车折叠臂式桥检车也叫吊篮式桥梁检测车，其结构小巧,受桥梁结构制约少,工作灵活,既可检测桥下也可升起检测桥梁上部结构,可有线、无线操作,灵活方便,有时候还可以做为高空作业车使用,价格相对析架式桥检车低4。 图1.2折叠臂式桥梁检测车1.3.2 桥梁检测车国内外发展现状国外状况：桥梁检测车最早出现在欧美，美国HYDRA公司、Aspen Aerials公司，德国MOOG公司、意大利 BARIN等已有用于桥梁检测的检测车。现在的装备技术已很先进，均采用电子液压控制，并配置有应急装置、稳定装置、遥控装置及发电设备。意大利 BARIN（百灵）：公司生产的 ABC 系列桁架式桥梁检测车最大水平工作范围623 m，最大下桥深度49.5m，最大承载质量300800 kg，最大跨越宽度1.74.65m，最大跨越护栏高度2.0 5.4mAB系列折叠臂式桥梁检测车桥下最大水平距离6.522m，桥下最大垂直距离1025.5m，桥上最大垂直距离820.5 m，吊篮最大载质量200300kg5。NIBL系列吊篮式桥梁检测车桥下最大水平距离1216m，桥下最大垂直距离1519. 5m，桥上最大垂直距离1421m，吊篮最大载质量280 kg。美国Aspen Aerials(赛奔驰)：公司只生产折叠臂式桥梁检测车6，主要产品型号有A30，Ad0，UB50，A62，A75，其桥下最大水平距离9.422. 8m，桥下最大垂直距离12.122m，桥上最大垂直距离9. 216.1m，吊篮最大载质量272318 kg。所有Aspen Aerials桥梁检测车系列均可在无须装设液压支腿和配重的情况下进行平稳、安全、可靠地操作。奥地利 PALFINGER（帕尔菲格）公司研发生产的 PA19000 型折叠臂式桥梁检测车，桥下吊篮最大水平伸长可达 16.2m，最大下桥深度 14m,最大承载质量 280 kg，吊篮向上最大举升高度 24.5m；美国REACHALL 公司生产的UB系列折叠臂式桥梁检测车，桥下吊篮水平伸长可达到 13.2-18.6m，下桥深度可达15.8-21.3m，最大承载质量 272 kg，吊篮向上最大举升高度 10.7-14.4m。国内状况：目前，我国的桥梁检测车尚处于研发的初级阶段。我国早在20世纪80年代末90年代初，由交通部公路规划设计院在北京起重机厂生产的QY8型汽车起重机的基础上进行改造设计，最后以失败告终，后来国内又有几家单位研制也均以失败告终。最近几年，国内一批大型工程机械厂家开始从事桥梁检测车的研制，主要有徐工集团、湖南宝龙等，其产品和性能均能达到国外设备的标准。 徐工集团：徐工集团成立于1989年，主要从事工程机械的研发和生产，1997年由徐工集团液压气动机械公司、西安公路交通大学和河南省公路局联合成功研制出XZJ5140JQJ10型折叠臂式桥梁检测车，结束了我国无桥梁检测车的历史7。吊篮式(折叠臂式)桥梁检测车主要有QJ07， QJ12，QJ16、QJ16L，其桥下最水平距离816. 37 m，最大下桥深度1020m，最大承载质量100200 kg。2006年1月，徐工集团成功研制出18m桁架式桥梁检测车，标志着徐工跻身于全球4大桥梁检测车生产领域，与意大利BARIN，德国MOOG、美国凯捷公司并驾齐驱，进入桥梁检测车系列化的快车道。目前该集团己经形成922m桁架式系列产品，最大水平工作范围921. 9m，最大下桥深度68.5m，最大承载质量600800kg，最大跨越宽度2.12.5m，最大跨越护栏高度2.03.2m。1.4 本文主要研究内容（1）臂架式桥梁检测车总体方案设计，总体参数计算确定（底盘选型、工作装置布置形式等）；（2）工作装置及零件设计（第一回转装置、臂架及升降伸缩机构、第二回转装置、工作平台及自动调平机构、支腿装置等）；（3）液压控制系统设计（计算液压系统主要参数、设计液压系统图、计算和选择液压元件、验算液压系统性能等）；（4）臂架式桥梁检测车稳定性分析。第2章 桥梁检测车总体方案设计2.1 设计要求根据课题的设计要求，给定的参数如下表所示：表2.1 设计主要参数桥下水平作业范围（m）0-8桥面以下垂直作业范围（m）0-10主臂跨越宽度（m）2.5作业平台额定载荷（kg）200第一回转角度（）0-90第二回转角度（）0-135其余的参数根据国内外臂架式桥梁式检测车的设计标准拟定，并适当参考市面上的相关产品。2.2 桥梁检测车结构方案按照举升机构的不同，桥梁检测车大致可分为四种类型。（1）交叉剪刀式举升机构交叉剪刀式举升机构是按交叉布置，铰接成剪刀型的连杆框架结构。当改变连杆交叉的角度时即实现升降运动，如图2.1（c）所示。连杆交叉角度的改变，可通过液压油缸活塞杆的伸缩或钢丝绳的收放来实现。这种举升机构能完成较低高度的作业，工作平稳，作业平台较大，被广泛的应用于飞机、船舶制造、室内维修、清洁电车线路维修等作业场地。但是，这种作业车越障能力差、工作范围小。（2）套筒式举升机构套筒式举升机构通过多节套筒的伸缩完成升降运动，如图2.1(d)所示。驱动方式也可采用液压传动或钢丝绳滑轮传动，这种垂直升降式举升机构作业高度有限，工作范围小，但作业车平台较大，且支撑稳定。（3）伸缩臂式举升机构伸缩臂式举升机构由多节套装、可伸缩的箱型臂构成，如图2.1（a）所示。它包括基本臂和伸缩臂两部分。伸缩臂可为一节或多节，各节间装有液压缸。液压缸工作时，各节臂在液压缸活塞杆的推动下可沿导向元件（滑块）上、下滑动，从而改变臂架的长度。整个臂架系统支承在液压缸底部的铰支座和变幅液压缸的两端。通过变幅液压缸活塞杆的伸缩实现臂架摆动，从而达到变幅与升降的目的。这种型式的臂架其最大作业高度可达6080米。由于伸缩臂式举升机构可获得较大的作业高度和变幅，因此，被广泛的应用于各种桥梁检测车上。但是，这种作业车的越障能力差。（4）折叠臂式举升机构折叠臂式举升机构由多节箱形臂折叠而成，如图2.1（c）所示。这种型式一般采用23节折叠臂组成。其折叠的方式可分为上折式和下折式两种。各节臂的折叠和展开运动由各节间液压缸完成。这种型式的举升机构可完成一定高度和幅度的作业，另外，下折式还可完成地平面以下的空间作业，扩大了折叠臂式桥梁检测车的作业范围8。由于折叠臂式举升机构具有灵活多样、适应性好、越障能力强等优点，所以，应用非常广泛。综上所述，由于折叠臂式举升机构相较于交叉剪刀式和套筒式的工作范围大、越障能力好，且折叠式举升机构比伸缩臂式举升机构来说具有灵活多样、适应性好、越障能力强等优点。如图2.1(b)所示。综合设计要求，需要在桥面以下进行作业，且作业的垂直及水平范围较大，因此需要灵活的结构。为此，本次设计的臂架式桥梁检测车采用折叠臂式结构。(a)伸缩式 (b)折叠式 (c)交叉剪式 (d)套筒式图2.1 桥梁检测车的结构分类示意图2.3 臂架式桥梁检测车布置方案 折叠臂式桥梁检测车的工作装置主要包含以下结构: 一回转、二回转、主臂、垂直臂、举升臂和作业平台。其结构如图2.2所示。2.4 臂架式桥梁检测车运动方案折叠臂式桥梁检测车通过下臂液压缸的伸缩，可以实现下臂的收放，再通过中间的上臂液压缸的伸缩，实现上臂的收放。一回转工作平台的旋转是通过安装于下边后车体上的电机，通过连接轴带动小齿轮，小齿轮啮合大齿轮旋转从而实现的。工作人员站在工作平台上，由举升臂的收放实现在垂直高度0m到10m的工作范围，回转机构保证了水平作业范围为0-8m。图2.2 桥梁检测车的结构布置图 图2.3 桥梁检测车运动方案第3章 臂式桥梁检测车设备装置上一章已经确定了采用折叠臂式的臂式桥梁检测车，下面对其工作装置中的各设备进行选型设计。3.1 动力装置动力传动装置包括折叠臂式桥梁检测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。按照传动方式的不同可分为以下几类：(1)内燃机机械传动这种传动方式仅在用途单一的桥梁检测车上使用。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，使桥梁检测车获得良好的作业性能，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桥梁检测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9。综上所述，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-液压传动这种动力装置。具体工作流程位：燃料点火燃烧，内燃机将热能转换为动能驱动曲轴旋转，曲轴通过一系列传动系统带动液压泵供油，从而使液压系统工作，驱动液压马达以及液压缸完成相应的动作。3.2 工作装置类型3.2.1支腿装置支腿机构是大多数折叠臂式桥梁检测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产生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。液压式支腿按数量来分有双支腿和四支腿两种。双支腿的两个支脚布置在起重装置下的车体两侧，起支撑点只有两个，因而支撑能力低，稳定性差。单缸双支腿 这是用一个双作用液压缸来驱动两侧支腿伸缩的。这种支腿结构简单，操作方便，但液压缸行程长，且是浮置于箱形长槽内，动作慢，强度差，一般较少采用。(1) 双缸双支腿 其各支腿均由单独的液压缸驱动，其具有结构紧凑，动作迅速，制成效能高等特点。(2) 四支腿 其中两个支腿安装在汽车的后部，另两个支腿安装在前后轮之间。在作业车的两侧，一般具有操纵杆，可使前、后、左、右4个液压支腿单独地伸出或缩回，所以即使在不平整或倾斜的地面上，也能把车调整到水平状态，提高了整车作业时的稳定性10。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。(4) 蛙式支腿 蛙式支腿的伸缩动作由一个液压缸完成。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。(5) H式支腿 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，是桥梁检测车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。(6) X式支腿 这种支腿的垂直液压缸作用在伸缩腿的中间，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。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，桥梁检测车的支腿机构选择H型支腿。3.2.2举升机构举升机构的作用是实现作业平台的升降和变幅，其结构型式有交叉剪刀式、套筒式、伸缩臂式和折叠臂式。根据上文分析这里选用折叠臂式的举升机构。动臂包含大臂、伸缩臂、小臂，分别为图3.1的1、2、3所示。油缸包括伸缩油缸、翻转油缸、工作平台油缸。拉杆安装与第一回转装置和第二回转装置之间，与大臂保持平行关系，从而构成四边形机构。1231-大臂、拉杆 2-伸缩臂 3-小臂图3.1 举升机构示意图3.2.3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，其中转盘式是桥梁检测车一种较常用的形式。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 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 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 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。根据设计要求，选用液压马达的回转驱动方式，采用液压马达驱动齿轮旋转，从而带动单排滚球式转盘转动。图3.2 回转机构示意图3.3 工作平台及自动调平装置举升机构的端部连接作业平台，它是用于载人或器材的基本构件。为了保证作业人员安全工作和防止器材掉落，各国对作业平台的结构和性能提出了明确的要求11。如平台的护栏高度、平台宽度、平台的防滑表面、平台上的安全带及短索的结点等。为了使作业平台的底平面在作业过程中始终保持水平，高空作业车上装有式作业平台保持水平的自动调平机构，主要有以下四种：1、重力（自重）式调平机构如图3.1（a）所示。其原理是将作业臂的顶端与作业平台质心铅垂线上的一点铰接，这样使工作臂无论作什么运动、作业平台始终处于铅锤状态，其底平面能保持水平位置。但是这种机构在举升过程中由于惯性力的作用及作业人员的质心不能与作业平台的质心完全重合。使作业平台出现偏移和偏摆，减少了安全感，这种机构已很少采用。2、平行四杆调平机构如图3.1（b）所示，是常采用的机械式结构。其原理是当上、下折臂同时或分别作起伏运动时，两套四杆机构中的连杆、始终保持平行，使与连杆相铰接的作业平台的底面在举升过程中总处于水平。这种调平机构用于折叠式动臂。其平衡精确，制造简单，工作可靠，使用非常广泛。3、机液组合式等容积液压缸调平机构如图3.1（c）所示。其原理是主调液压缸5与副调液压缸2的结构、大小、容积完全相同，在作业前两液压缸充满压力油，且两液压缸的有杆腔和无杆腔分别相连，使两缸形成一个封闭回路。当作业臂受变幅液压缸作用时，会带动主调液压缸5的活塞杆伸缩，与此同时，和液压缸5形成封闭回路的液压缸2的活塞杆则产生相应的伸缩运动。当满足ad和bf、ad和ae、bf和bg始终相等时，无论作业臂处于何种状态，都能保持作业平台底面处在水平位置。这种机构一般用于伸缩式动臂。4、电液伺服调平机构它的工作原理是在作业臂的顶端与作业平台之间，通过重力元件获得信号，再由电磁阀根据电信号控制液压油缸工作，使作业平台自动保持平衡。下图3.4为一种电液伺服调平系统原理图。总得来说，重力式调平机构由于安全性能太差，并且稳定性不高，不宜应用；等容积液压缸调平机构一般只应用于伸缩式举升机构；电液伺服调平机构实现起来较为发杂。因此采用结构简单可靠性高的平行四杆调平机构。具体实施中，将拉杆安装于第一回转装置和第二回转装置之间，与大臂保持平行，从而构成平行四杆机构使工作平台保持竖直方向。 (a) (b)(c)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3.3作业斗的平衡机构反馈，跟踪角度位移信号转子摆锤信号倾斜传感器放大器伺服阀伺服液压缸四连机杆能源器图3.4 电液调平原理图3.3 安全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。桥梁检测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，保护桥梁检测车和各机构的安全。在公路上进行作业的折叠臂式桥梁检测车，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，桥梁检测车必须设置辅助下降装置，中小型桥梁检测车采用手动泵人工辅助下降。折叠式桥梁检测车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，在桥梁检测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。3.4 主体尺寸3.4.1尺寸参数折叠臂式桥梁检测车都是在二类底盘的基础上进行改装而成，主要尺寸参数原则上应于原车底盘尺寸相同，保证性能参数与原车基本保持不变。由于举升机构高于车头的顶部，所以仅仅只是整车的高度会有所增加。3.4.2质量参数1. 额定装载质量对于作业型专用汽车，如起重举升汽车、桥梁检测车等，总质量主要由改装后的汽车底盘质量和专用工作装置质量确定，无需考虑装载质量。2. 整车整备质量m0整车整备质量是指专用汽车带有全部工作装置及底盘所有的附属设备，加满油和水，但未载人和载货时整车质量。参考同类桥梁检测车的整车整备质量，在此基础上在增加工作装置的质量，便可估算桥梁检测车的整车整备质量m0。以东风汽车有限公司生产的折叠臂式桥梁检测车做为参考，经调查和查阅相关资料得知折叠臂式桥梁检测车的整车整备质量约为5000kg。3.总质量ma所谓总质量是指专用汽车整备齐全，满载（规定值）货物及乘员时的质量。总质量计算公式为：式中：mp作业平台额定载荷，这里取200kg。3.5 底盘选型专用汽车性能的好坏直接取决于专用汽车底盘的好坏，通常专用车辆所采用的基本底盘按结构分可分为二、三、四类底盘。二类底盘是在整车基础上去掉货厢，三类底盘是从整车上去掉驾驶室与货厢，四类底盘是在三类底盘的上去掉车架总成剩下的散件。汽车底盘的选择主要是根据专用汽车的类型、用途、装载质量、使用条件、专用汽车的性能指标、专用设备或装置的外形、尺寸、动力匹配等决定，目前，几乎80%以上的专用车辆采用二类底盘进行改装设计。采用二类汽车底盘进行改装设计工作重点是整车总体布置和工作装置设计，对底盘仅作性能适应性分析和必要的强度校核，以确保改装后的整车性能基本与原车接近12。在汽车底盘选型方面，一般应满足下述要求（1）适用性对于专用改装车底盘应适用于专用汽车特殊功能的要求，并以此为主要目标进行改装造型设计。（2）可靠性所选用汽车底盘要求工作可靠，出现故障的几率少，零部件要有足够的强度和寿命。且同一车型各总成零部件的寿命应趋于平衡。（3）先进性应使用整车在动力性、经济性、操纵稳定性、行驶平顺性及通过性等基本性能指标和功能方面达到同类车型的先进水平的汽车底盘。而且在专用性能上要满足国家或行业标准的要求。（4）方便性所选用的底盘要求便于安装、检查保养和维修，处理好结构紧凑与装配调试空间合理的矛盾。在选用底盘时，除了上述因素外，还有以下两个和重要的方面，一是汽车底盘价格，它是专用汽车购置成本中很大的部分，一定要考虑到用户可以接受。这也涉及到专用汽车产品能否很快的占有市场，企业能否增加效益问题；二是汽车底盘供货要有来源，所选的底盘在市场上必须有一定的保有量。考虑到成本以及改造便利性问题，选用二类底盘DFL1050BX11作为臂架式桥梁检测车的底盘，在其基础上加以改装。第4章 臂架及举升机构的设计4.1 举升机构的设计4.1.1 举升机构的运动范围本设计中所设计的举升机构包括大臂和下臂两个动臂。下臂下端铰接在回转台上，由下臂油缸驱动；上臂下端与上臂下端铰接，由撑臂液压缸和平行四杆机构驱动；作业斗与上臂尾部铰接，由外露式平行四杆机构是作业斗保持水平。上臂和下臂在垂直平面内的运动范围为：大臂相对于回转台：070；上臂相对于下臂：0140；举升机构垂直作业范围：010m；4.1.2 动臂的结构设计和主要尺寸动臂受弯扭复合作用，为获得较大强度和刚度，一般采用薄壁箱形结构。为减少焊接变形，臂架采用两根冲压成型的槽形板对接而成，槽形板折边采用大圆角形式，增强板件的局部刚度。为使主受弯截面获得较高的抗弯截面模量，可加布上下加强筋板，获得渐进的等强度受力状态，动臂截面如图4.1所示。图4.1 下臂横截面积动臂截面高度h可按经济条件（结构质量最小）计算确定，有： （4.1）式中：M动臂承受的最大合成弯矩（以作业斗的额定载荷处在最大臂幅时计算），；腹板的厚高比。一般推荐。计算得。由底盘总长及后轴中心至车前端的距离以及相关高空作业车的大小臂为参考最终确定大臂长L1=2000mm；伸缩臂长15002250mm，小臂长L2=2000mm。其大臂、伸缩臂和小臂的结构图如下图4.2、4.3和4.4所示。图4.2 大臂主体结构图图4.3 小臂主体结构图图4.4 伸缩臂主体结构图4.2 臂架的设计起重臂俗称臂架、吊臂。支承起升绳、取物装置或变幅小车的双向压弯的金属结构件。由连接销轴、钢丝绳或液压缸支承在起重机的转台或塔身上。对于可俯仰摆动的起重臂，由变幅机构改变其倾角，以改变起重机的幅度和起升高度；水平的起重臂是用变幅小车在其上来回运动而改变幅度。按结构不同分为桁架起重臂和箱形起重臂；按功用不同分为起重机动臂、主起重臂、副起重臂、伸缩臂、折叠臂、鹅首架等。这里采用折叠臂架。其主体结构如下图所示，包含大臂、伸缩臂、小臂、支撑座、第一回转平台、第二回转装置。图4.4 臂架式桥梁检测车主体结构第5章 回转机构的设计5.1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： (5.1)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14，圆柱滚子材料采用轴承钢。故可取E=2.1105MPa；L 圆柱滚子与滚道的有效长度，一般情况可取L=0.85m； 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15，可取许用接触应力值为1800MPa。算得最大允许法向载荷为2.085108N。5.2回转机构载荷分析圆柱滚子在工作时要受到三种作用载荷。第一种为轴向力Q，即垂直力，它由转台及举升机构的重量、举升货物的重量以及升降时的惯性力等组成；第二种为径向力H，即水平力，该力由举升装置及转台的回转离心力、风载荷及回转齿轮的啮合力而产生；第三种为翻倾力矩Mov，它由轴向力和径向力的偏心作用而引起。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.。其中任一圆柱滚子的最大法向载荷FImax为: (5.1)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；FIQ ; 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。对内圈作受力分析，如图5.1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。因此任一圆柱滚子的最大法向载荷远小于轴承最大允许载荷，因此满足要求。图5.1翻倾力的计算第6章 支腿装置和液压系统计算6.1支腿装置设计计算折叠臂式桥梁检测车的支腿机构起着调平和保证整车工作稳定的作用，要求坚固可靠，操作方便。6.1.1 支腿跨距折叠臂式桥梁检测车的支腿一般为前后设置，并向两侧伸出，如图6.1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16。图6.1 桥梁检测车的支腿跨距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5-2(a)所示，1/2支腿横跨距a应满足： (6.1)由于车总宽B=2500mm，且2aB，故取 式中：G1转台重力，N；选取同等规格的桥梁检测车的转台的质量作参考，质量为60kg；G2底盘重力， N；所选取DFL1050BX11的底盘资料查找为2910Kg，即29100N。Gb臂架重力，N；Gb=G上臂+G下臂，上臂和下臂的材质为Q345；Q345的密度为7.84g/cm3。；式中1.20为体积误差系数； ；。q 作业平台重力，N；所设计的平台具体尺寸为12008001040mm，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300Kg；L1 转台重力中心至回转中心的距离，mm；经下图分析和相关桥梁检测车的侧量为100mm；r 臂架重力中心至回转中心距离，mm；经下图分析和相关桥梁检测车的侧量为1400mm；下臂液压缸一半的长度为1044,求得r为;R作业半径（臂幅），mm；当下臂升起70时，下臂升起140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5.2所示，可得后支腿支撑点至回转中心的距离b1应满足： (6.2)mm式中：L2 底盘质心至回转中心的距离。经上图分析和相关桥梁检测车的侧量为864mm；同理，可得前支腿支撑点至回转中心的距离b2为：。图6.2 支腿跨距的确定支腿的纵向跨距： (6.3)因此取；6.1.2 支撑脚接地面积为了使折叠臂式桥梁检测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： (6.4) Fmax=9377,详见（6.10）；综合考虑选取6000mm2式中：地基强度，一般为1.6Mpa。6.2 液压系统设计 6.2.1 液压系统原理分析图6.3为液压系统原理图。工作装置如支腿的收放、举升机构的升降、转台的回转等都是通过液压传动系统实现的。汽车发动机将动力通过取力器传递液压泵，液压油经过油箱内的粗滤器吸入齿轮泵，齿轮泵输出的压力油经过细滤器进入工作回路。各工作装置均由电磁换向阀和调速阀控制，不工作时，液压油通过卸荷回路直接回到油箱。支腿不工作时，1YA通电。支腿工作时，2YA通电。双向液压锁保证垂直缸能在任意位置上停止，且停止后不在外力的作用下发生位移。上臂上升时，3YA通电，上臂下降时，4YA通电。5YA通电时，下臂上升。6YA通电时，下臂下降。平衡阀防止作业臂在停止后在重力的作用下自由下降。7YA通电时，回转机构工作。8YA通电时，回转机构不工作。表5-1为电磁阀的工作状态表17。图6.3 液压系统原理图表6.1 电磁阀工作状态表动作名称电磁铁状态1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA支腿工作+支腿不工作+上臂上升+上臂下降+下臂上升+下臂下降+回转机构工作+回转机构不工作+6.2.2 油缸选型液压缸是液压系统中的执行元件，其形式多样，按照其结构特点可分为活塞式、柱塞式和摆动式按照作用方式分又可分为单作用和双作用两种。其中以双作用活塞式液压缸应用最多。活塞式液压缸重量轻、结构简单、工作可靠、拆装方便，易于维修的特点，广泛适用于车辆、工程机械、起重运输机械、矿山机械及其它机械工业的液压传动系统中。柱塞式液压缸适用于行程较长的场合。摆动式液压缸加工工艺较复杂一般用于回转机构。折叠臂式桥梁检测车各液压缸均采用双作用单杆活塞缸18。1、液压缸直径的确定液压缸的选型主要依据路灯安装车完成升降所需的最大作用力Fmax以及液压缸实际工作行程。前者用以确定液压缸的直径，后者则用来确定液压缸的工作行程。 （6.5）式中：P1 液压缸工作压力，初算时可选取系统工作压力pp，取为16 MPa； P2 液压缸回油腔背压力，初算时，对于16MPa的系统可选为0； d/D活塞杆直径与液压缸内径之比，按液压缸的工作压力选定为0.7； F 工作时的最大外载荷；臂架和作业平台标定载荷的重力之和(400kg+240kg)10N/kg=6400N； Ffc 液压缸密封处摩擦力，它的精确值不易求得，常用液压缸的机械效率cm进行估算。 （6.6）式中：cm液压缸的机械效率，一般cm0.90.97，取为0.9。将cm值代入式（5-6），可求得 （6.7） 故，最终可求得液压缸直径D为 （6.8）液压缸直径详细计算见6.2.5。2、液压缸工作行程的确定 （6.9）式中：工作时液压缸两铰接点最长距离 工作时液压缸两铰接点的最短距离6.2.3 液压泵的选型与计算常见的液压泵有齿轮泵、柱塞泵、叶片泵类型。齿轮泵具有结构简单、工艺性好、体积小、重量轻、维护方便，使用寿命长的优点，叶片泵和柱塞泵结构较复杂、价格较高19。桥梁检测车的液压系统中采用齿轮泵即可满足工作的需要，常用系列有CB、CBX、CG、CN等。1、液压泵理论流量Qr折叠臂式桥梁检测车液压泵理论流量应按下臂缸上升时间确定。 （6.10）式中：V 油缸最大工作容积（m3），按下式计算： （6.11）、均为下臂液压缸的参数，且其单位均为m；升降时间，由设计要求，一般要求，取s；液压泵容积效率，。2、油泵排量q （6.12）式中：Qr油泵流量，L/min；n 油泵额定转速， r/min。3、油泵功率N W （6.13）式中：p油泵最大工作压力，MPa； Qn油泵额定流量，m3/s； t油泵总效率。 按以上各式算出p、Qr、q、N后，即可从标准油泵系列中选取所需油泵型号20。6.2.4 油箱容积与管路内径计算1、油箱容积计算在低压系统中（MPa）可取： （6.14）在中压系统中（MPa）可取： （6.15）在中高压或高压大功率系统中（ MPa）可取： （6.16）式中：V液压油箱有效容量；qp液压泵额定流量。2、油管内径计算由可得高压管路内径 （6.17）式中：QT油泵理论流量， L/min；V1高压管路中油的流速m/s。低压管路内径 （6.18）式中：V2低压管路中油的流速m/s。6.2.5 液压系统参数设计1、液压缸选型确定由公式（6.8）、（6.9）可计算得：（1）下臂液压缸mm式中：F=上臂重力+平台载荷重力mm查手册，取关门液压缸缸径标准值为50 mm，活塞行程S标准值为320 mm（2）上臂液压缸mm式中F=上臂重力+下臂重力+平台载荷重力mm两式中放入工作时液压缸两铰接点最长距离；工作时液压两铰接点的最短距离是经过建立模型，按照上下臂所升起的最大和最小度数测量所得。查液压系统设计手册，取举升液压缸缸径D标准值为50mm，活塞行程S标准值为320 mm21。由上述结果，上臂液压缸选取型号为DG-J50-E1E的双作用单杆活塞液压缸，下臂液压缸选取型号为DG-J50-E1E的双作用单杆活塞液压缸。6.2.6 液压泵的选型1、液压缸工作容积V计算由公式（5.11），可知L3、液压泵的排量由公式（5.12），可知 mL/r根据以上计算结果，选取CBK0-1.25型齿轮泵，其性能参数如下：额定排量 mL/r mL/r（实需排量）额定压力MPa MPa（实际使用油压）额定转速 r/min r/min（实际转速）第7章 折叠臂式桥梁检测车稳定性分析专用汽车性能参数计算是总体设计的主要内容之一，其目的是检验整车参数选择是否合理，使用性能参数能否满足要求22。最基本的性能参数计算包括动力性计算、经济性和稳定性计算。而对于本设计中所设计的折叠臂式桥梁检测车来说则只需要计算它的稳定性就可以23。7.1 支腿压力计算计算支腿压力时要求确定折叠臂式桥梁检测车在作业时所承受的最大支反力，该力是支腿强度计算的依据24。假定折叠臂式桥梁检测车工作时支撑在A、B、C、D四个支腿上，臂架位于路灯安装车纵轴线（x轴）角处，如图6.1所示。若折叠臂式桥梁检测车不回转部分的重力为G2，其重心为O2在离支腿对称中心（坐标原点O）e2处，回转中心O0离支腿对称中心O的距离为e0。又设折叠臂式桥梁检测车回转部分的合力为G0，且合力至O2点的距离为r0，则作用在臂架平面内的翻倾力矩M为G0r0。即：图6.1 支腿压力确定mm (7.1)mm (7.2)N (7.3) (7.4)mm于是可求得四个支腿上的压力各为： (7.5)图6.2 支腿三点支撑当举升臂在车辆正侧方作业时即： =90，则上式可化简为： (7.6)按四点支撑计算支腿压力时，若有一支腿的压力出现负值，应该用三点支撑重新计算支腿压力。如图6.2所示，设举升臂在工况位置作业时，支腿A不受力，支腿B、C、D受力，可求得支腿的反力为： (7.7)这时，支腿C受力最大，并且当时，FC获得最大值为： （7.8）若举升臂转到工况位置时，角为钝角，设支腿B不受力，支腿C、D、A受力，可求得受力最大的支腿D的压力为： (7.9)当时，FD获得最大值为： (7.10)由于，所以确定最大支反力N。计算后发现支腿的最大支反力在支腿所能承受的压力范围内，因此改装后能保证整车的稳定性。结 论本次毕业设计完成了对臂架式桥梁检测车工作装置以及液压系统的设计，首先，根据作业特点