折臂式高空作业车设计说明书

1高空作业车是一种用于家庭、装饰装修、市政建设、道路桥梁工程等需要高空作业场合的机械，主要用来运送作业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小车底盘上组成的。高空作业装置包括作业臂、其中工作臂、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，大大提高了高空作业的工作效率。高空作业车是利用小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，转业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，是近年来国内发展最快的产品之一。高空作业车大体有折叠臂式、伸缩臂式、垂直升降式、混合臂式等四个系列。作业高度也从几米到几十米不等。1.2高空作业车的概况1.2.1高空作业车在国内的现状和发展趋势我国高空作业机械生产企业从七十年代初起步，至今已有30多年的历史。到目前为止，国内生产企业已由当时的七八家发展到现在的一百余家，截至2009年10月，列入工信部公告的生产高空作业车的厂家共40家；生产高空作业平台的企业有100余家；与国外合资企业有4家；国外独资企业有4家。根据协会对会员单位不完全统计，我国高空作业机械行业产销量见表1-1。2我国装修与高空作业机械产销情况统计表产品名称产量(台)销量(台)产值(万元)出口数(台)出口额(万元)高空作业车高空作业平台表1-1截至2009年10月第201批，已列入公告的高空车类产品共265个。产品公告数量前5位厂家为：杭州爱知34种，沈阳北方交通28种，徐州海伦哲27种，北京凯特17种，北京三兴14种。其中绝缘车48个，普通车220个。220个普通车产品中，折叠臂产品150个，占68.6%;伸缩臂产品39个，占17.6%;混合臂产品14个，占5.4%;其它17个，占8.3%。可见折叠臂产品仍是目前国内最主要的产品型式。最近几年各厂家陆续开发生产伸缩臂产品，公告产品的数量已占到17.6%,说明其发展迅速，但用户对伸缩臂的认可程度，低于厂家预期。混合臂产品结构复杂，技术难度高，公告数量较少，在国内仍处于起步阶段，徐州海伦哲公司是混合臂产品数量最多的厂家，共有6个混合臂产品公告，已经形成较为完整的系列。作业高度情况：所有产品中，30m以上5个，占2.5%;22～30m共13个，占6.5%;17～21m共66个，占33%;12～16m共102个，占51%;11m以下14个，占7%。所有产品中12～16m的产品仍占优势，17～21m占的份额也较大。国内高空作业车产品有以下1)大高度产品缺乏，这是目前国产产品和国外产品的最大差距。5个30m以上公告产品为徐州海伦哲公司的33m和35m,杭州爱知引进德国上装的35m,北方交通的32m和中联重科的30m。2)折叠臂产品为主，尤其以三节折叠臂结构为主。3)伸缩臂产品快速发展，杭州爱知和徐州海伦哲已经形成了较为齐全的伸缩臂系列，具有很强的竞争力，北方交通也已经初步形成较为完善的前置伸缩臂和后置伸缩臂两个系列。其它有伸缩臂产品的厂家，产品以上装进口为主。4)控制系统水平低，使用控制器进行控制的产品很少，目前国内主要骨干企业在高空作3业车控制上主要依赖国外公司进行配套。5)多个公司都开发了进口上装产品。引进产品以小高度为主，主要是伸缩臂，北方交通引进了混合臂结构产品。1.2.2高空作业车在国外的现状和发展趋势国外高空作业机械生产企业主要集中在欧美和日本等发达国家，三个地区的高空作业机械产品又各有特点。1.2.2.1欧洲高空作业车行业欧洲高空作业车生产厂家多，欧洲仅意大利已知的就有二十家左右高空作业车生产厂，德国、法国、英国、芬兰、丹麦等国也都有很多高空作业车生产厂，可以说欧洲是高空作业车最主要的产地。欧洲产品的结构型式齐全，高空作业机械按臂架结构可分为折叠臂、伸缩臂、混合臂等型式，欧洲产品各种结构都有采用，尤其是各种结构的混合臂产品，美国和日本很少见，而欧洲混合臂产品非常多。欧洲产品作业高度规格全，作业高度最低在10m左右，最大高度超过100m;北美地区的产品最大作业高度基本不超过70m,日本产品最大作业高度不超过60m。欧洲高空作业机械生产历史长，技术水平高，因此目前欧洲产品在世界上销售范围最为广泛，中东、东南亚、南美洲等地都是以欧洲产品为主。从以上几点可以说明欧洲是高空作业车最发达，技术水平最高的地区。但欧洲基本上不生产和使用高空绝缘车，目前仅芬兰博浪涛(Bronto)公司生产大高度高空绝缘车。欧洲主要高空作业车生产商如下：1)Bronto:中文名博浪涛，芬兰公司，产品为高空作业车和消防救援车。消防车在中国具有很高知名度，我国进口的大高度高空作业车见表1。高空作业车以大高度为主，作业高度23～110m。目前是已知欧洲唯一生产高空绝缘车的厂家，高空绝缘车作业高度38～60m。芬兰博浪涛(Bronto)公司是全球最著名生产大高度高空作业车的企业，结构型式都是二级伸缩臂加多级伸缩折臂结构。2)Palfinger:奥地利帕尔菲格起重技术有限公司，2008年全球工程机械50强第31位，主要业务为随车起重机，2007年在深圳建立组装厂—博威格起重设备公司。高空作业车业务包括高空作业车规格从14～6123～102m。目前产品分为：全伸缩臂系列、伸缩臂加飞臂系列、伸缩臂加飞臂、转台可回转系列、两级伸缩臂加飞臂系列。3)MultitelPaglieroSpA:产品有汽车底盘式和蜘蛛式高空平台，车载式产品作4业高度从13～72m,是意大利最大的高空作业车生产厂，2008年产量超过1000台。产品为三个系列，分别为：铝合金全伸缩工作臂系列、MX交叉布置混合臂系列、两级伸缩臂混合臂系列。4)Oil&steel:意大利公司，属于PM集团，成立于1995年，产品有汽车底盘式和蜘蛛式高空平台。产品分为四个系列，分别为：全伸缩臂系列、联动折叠混合臂系列、两级伸缩臂混合臂系列、蜘蛛式自行式系列。作业高度10～70m。5)Ruthmann:中文名胡特曼，德国公司，生产高空作业车和蜘蛛式产品，作业高度范围11～102m。产品分为折叠臂系列、伸缩臂加飞臂系列、全伸缩臂系列、二级伸缩臂加飞臂系列、重型系列、蜘蛛式产品系列。6)其它厂家：意大利CTE&Bizzocchi、意大利ISOLI。北美高空作业车产品以绝缘型为主，约占总量的65%,这是由于北美地区的法规、政策对多数高空作业具有绝缘性能要求。世界上最大的三家绝缘型高空作业车生产企业集中在美国，其绝缘式高空作业车产品在世界上处于领先地位。北美也是高空作业车(包括绝缘型和普通型)销量最大的地区，和欧洲相比，北美地区的高空作业车作业高度较低，为保证绝缘性能，北美高空作业车多采用较为简单的结构型式，只有低高度产品和低绝缘等级的产品，使用复杂程度较高的混合臂结构，中等高度产品使用折叠臂结构较多，大高度产品多使用伸缩臂结构。北美的高空作业车生产厂家较为集中，美国Terex、Altec、Time是最大的三家生产厂，其余厂家均规模较小。北美主要高空作业车生产商如下：1)Altec:北美最大的高空作业车和市政车辆生产商，除绝缘和非绝缘高空车外，还生产伸缩臂吊车、布缆车、综合作业车、绝缘件水冲洗车、林业机械等。2)TerexUtilities:北美第二大高空车和市政车辆生产商，产品和Altec类似。3)TimeManufacturing:北美第三大高空车和市政车辆生产商，产品和Altec、TerexUtilities相比较为单一，只有高空作业车类产品，其出口部在丹麦，普通型高空作业车产品的生产厂也在丹麦。4)其它厂家：美国ElliottEquipmentCompany、美国ETI、加拿大Posi-Plus。1.2.2.3日本高空作业车行业日本高空作业车使用普遍，普通型和绝缘型产品都得到广泛使用。日本高空作业车的(爱知)和多田野。爱知和多田野高空车的产品线都非常齐全，既有普通高空作业车，又有绝缘车，同时也生产自行走产品。此外，日立公司生产自行走高空作业平台，东急车辆5公司生产高空作业车。日本主要高空作业车生产商如下：1)Aichicorporation:日本最大的高空作业车、自行式高空作业车和市政车辆生产商，专业生产高空作业车产品，在美国和中国有分公司生产高空作业车，在欧洲和中国有分公司生产自行式高空作业车。爱知公司的高空作业车在日本占领先地位，日本市场占有率达70%,电力行业份额82%,通讯行业81%,建筑、造船和其它行业占68%。2)TadanoLTD:日本著名工程机械公司，主要生产各种汽车起重机，高空作业车是其业务之一，高空作业车产品线和AICHI相似。1.2.2.4其它地区高空作业车行业除以上国家和地区外，其它地区高空作业车生产厂很少。韩国近几年出现多家高空作业平台生产企业，除JUNJIN(全进)公司外，其它规模较小。1.3高空作业车的基本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：1.3.1工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6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优化设计，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。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10-20kw,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是控制和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。71.4课题背景本课题以“小型折臂式高空作业车”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有上臂、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。液压系统设计在高空作业车的设计里占重要地位，例如起重工件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。液压系统元件的类型可分为动力元件，控制元件，执行元件，辅助元件等。随着经济技术的快速发展，国内外起重机市场和高空作业车市场对这两种产品的需求越来越大，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、液压系统为主要研究对象，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.1.5本课题的设计内容及意义1.5.1本课题主要研究工作(1)进行大量的调查研究，收集整理资料，根据作业车的工作特点和受载状况，制定作业臂设计方案和液压缸的基本参数设计。(2)根据受载状况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，确定液压缸类型和安装方式，确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸。(3)在实际计算中对上下臂施加载荷和约束，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)根据分析结果，找出支架结构设计和液压系统中的不合理因素，提出改进方案，并对改进后的结构和性能进行分析，对两种分析结果进行比较。画出作业臂总装图及上下8臂零件图，液压系统图以及液压缸零件图。(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、铰点位置的确定、液压缸类型和安装方式、液压缸的主要性能参数和主要尺寸等方面的可靠数据，为同类型产品的结构设计和改造提供了科学的理论依据。1.5.2研究本课题的意义通过本课题的研究，掌握折臂式高空作业车作业臂的结构设计理论和分析方法，得出较为准确的设计方法从而达到优化结构、减轻自重、提高可靠性的目的，为研制高空作业车奠定基础。与此同时液压系统设计在整个高空作业车的设计里具有重要的意义，它使整个机器实现自动化。其中安全性等方面的考虑，设计更是减少了故障的发生，相当程度上确保运行该高空作业车的工人的安全。9第2章总体方案设计高空作业车是一种用于家庭、装饰装修、市政建设、道路桥梁工程等需要高空作业场合的机械，这类产品的品种规格很多；本设计拟设计一种满足家庭和装饰装修工程使用的高空作业车，希望设计的产品外形美观、体积小、价格低。并且达到以下技术指标：起升高度为4-10米，最大载重量1000kg,要求起升安全快速，定位准确可靠，操作控制灵活2.1选取高空作业车形式通过大量分析市场现有产品得知，高空作业车大体有折叠臂式、伸缩臂式、垂直升降式、混合臂式等四个系列。其各自有优缺点如下：折臂式能悬伸作业、跨越一定的障碍或在一处升降可进行多点作业；平台载重量大，可供两人或做人同时作业并可搭载一定的设备；升降平台移动性好，移动场地方便；外形美观，适于室内作业和存放。适用于车站、码头、商场、体育场馆、小区物业、厂矿车间等大范围作业。故其市场保有量大、用户熟悉、价格低廉、维护简单等优势仍然成为我国高空作业平台市场主流产品.伸缩臂式高空作业车实现了轻量化和外形尺寸小型化(相同作业高度比较).并以其作业效率、操作简单、安全性好等优势得到快速发展，作业高度在18~28m之间的将成为高空作业平台的主力产品。垂直升降式高空作业车的升降机只能在垂直方向上下运动。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，这种结构形式应用比较少。混合臂式高空作业车既有折臂式跨越障碍能力，又有伸缩臂式操作简单，作业效率高的优点，在特殊领域和大高度上具有务必优势，但由于该型式车技术复杂、制造工艺要求高、成本高等缺点，普及程度要低于伸缩臂式高空作业车。由于本次设计的要求载重量大，作业范围和用途较广，经分析比较之后，选用折臂式。2.2移动方式及动力源和传动方式的确定然而按其移动方式，高空作业车还有拖车式、手推式、自行式等。手推式高空作业车，虽然体积较小，结构简单，成本较低，但是由于用的是人力，故存在一定的不方便之处，比如，如果作业人员在高空作业过程中想换地方，就需要另外一个人在下面推，才能使作业车行驶，所以不推荐手推式。而自行式行动速度缓慢，不便于广范围的行走和操作。又根据本次设计的需求，决定采用拖车式移动方式。市场上有许多品牌的汽车式底盘，根据设计需求以及市场供应情况和综合参数考虑，最终决定选用东风小霸王品牌的底盘。其主要技术参数如下表2-1所示：底盘型号东风EQ1042N14DJ3A总质量(kg)4498额定载质量(kg)1700整备质量(kg)2408车辆参数接近角/离去角(mm)燃油种类百公里油耗(L)最高车速型号发动机参数生产厂家型式驱动型式轴距(mm)前桥描述底盘说明后桥描述转向器说明变速箱描述离合器描述柴油94100QBZL/CY4100ZLQ3298/70,3707/70(95马力)昆明云内动力股份有限公司/东风朝阳柴油机有限责任公司直列四缸柴油机25000双辐条式方向盘，循环球式转向器五个前进档，一个倒档，机械传动，软轴拉丝式操纵。单片、干式膜片弹簧离合器制动系统说明驾驶室制动系统说明驾驶室轮胎规格空调工作高度平头双排座选装高空作业车高空作业车专用性能参数工作斗额定载荷1000kg专用性能参数工作斗容纳人数5人表2-1由于是高空作业，并综合考虑其承载能力，本设计决定采用液压传动形式。主要运用电机带动液压泵，然后用液压泵带动液压缸，用以实现作业任务所需。因为液压传动与机械传动、电气传动相比有以下主要优点：①在同等功率情况下，液压执行元件体积小、重量轻、结构紧凑。②液压传动的各种元件，可根据需要方便、灵活的来布置。③液压装置工作比较平稳，由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向。④操纵控制方便，可实现大范围的无级调速，还可在运行的过程中进行调速。⑤一般采用矿物油为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。⑥容易实现直线运动。通过对高空作业车形式的确定、移动方式的选取、动力源的选择以及传动形式的确定，本设计的高空作业车的大体框架结构已经确立，本产品的设计名称也可以设定为：折臂式拖车式高空作业车。整车外形示意图如图2-1所示：图2-12.3结构组成高空作业车主要由高空作业臂、作业平台、起升机构、动力系统、液压系统、电气系1)高空作业工作臂高空作业工作臂包括上臂和下臂。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、下臂和转台铰接处设有专门的滑动轴承，保证工作臂转动时阻力小，运动平稳。2)工作平台工作平台的作用是将高空作业人员和必要的工具送至空中，并作为工作人员空中作业的场所。本机的工作平台采用钢管焊接框架结构，周围设有护栏，护栏开有侧门，方便人员进入，平台底版采用防滑的花纹铝板，平台周围下都有护栏，防止工具或其他物品掉落。3)动力系统本机的动力源为底盘交流电机。其驱动效率高、有良好的调速性能、可远距离控制，启动、制动、反向调速都易控制，且功率范围广。本机由电机带动泵，把机械能变为液压油的压力能，然后通过泵向油缸供油，从而将液压油的压力能转变为所需的机械能。4)液压系统液压系统采用定量齿轮泵供油，系统工作压力为8MPa,油路中设有安全溢流阀，保证系统安全。液压系统通过三位四通电磁换向阀对举升油缸供油，输出流量与负荷变化无关，可使系统达到稳定的工作速度，并且能够实现无级调速。5)电气系统电气系统包括示廓灯、警示灯、照明灯(可选件)等灯具、上限位系统、下限位系统、上下车互锁系统、蜂鸣器、吊篮控制箱等部分。第3章高空作业车变幅机构设计图3-1载荷变化复杂、不允许产生塑性变形和人为的不文明(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许用应力法。(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I类----按正常工作时的等效载荷进行疲劳强度计算。对A6—A8工作级别的起重结构第Ⅱ类----按工作时的最大的载荷进行强度和稳定性计算。第山类---按非工作时的最大载荷或工作时的特殊载荷进行强度和稳定性的验算。(5)对三类载荷情况分别规定了不同的许用应力。表3-1许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InI=1.5nII=1.33组合IIInIII=1.15注：表中屈注：表中屈服点σs应按选取的钢材厚度取不同的值由此确定作业臂的材料：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、强度和稳定性计算。3.2.计算上、下臂的长度如图3-3所示作业臂的仰角是指上臂与水平线之间的夹角用字母θ来表示，它可从0°到80°,为便于对吊臂端部进行操作，仰角θ可为-3°,作业臂实际作业时通常在30°~75°范围内。设计时仰角取75°,在图3-3中∠ABH=75°,∠HBC=75°,起升高度AC=8.5m。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：L1>L2由式3.1和式3.2可以取上臂L1=4.20m,下臂L2=4.01m.式(3.1)式(3.2)B图3-2作业臂最大仰角3.3确定油缸铰点的位置图3-3油缸工作铰点3.3.1确定上臂油缸铰点的位置则由三角关系可得：EF²=BE²+BF²-2BEBFcos150°=300²+500²-2×300×500×cos150°=599807.6mm3.3.2确定下臂油缸铰点的位置取HC=350mm,CG=450mm,∠HCG=75°由三角关系可得：HG²=350²+450²-2×350×450×cos75=243472mm3.4上臂截面尺寸的确定3.4.1对上臂进行受力分析图3-4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可列公式：图3-4上臂弯距图ZMB=0F2×300=9.8×3900F2=127.4KNF1=127.4-9.8=117.6KN如上图所示的弯矩图：则可得最大弯矩是Mmax=9.8x3.9=38.22KN.m再将求出来的梁所需的截面系数W值代入式(3.4)。3.4.2计算上臂截面尺寸(1)上臂梁高h的确定图3-5梁的截面图式(3.3)式(3.3)式中W---------梁所需的截面系数，W=M/[o];M---------梁的最大弯矩；[σ]-------所用钢材的许用应力；ō、δ0----钢板的厚度，设计时钢板的厚度一样δ=δ0=4mm式(3.4)因δ=δ0则上式可简化为：式(3.4)因此把计算所得的截面系数w=21.6×10⁵m³和δ=4×10³m可得上臂高(2)上臂梁宽b的确定图3-6上臂的截面结构图如图所示：δ=4mmb=150mm由图可得：bl=b+2σ=150+8+158mm3.4.3对上臂进行强度校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(1)正应力校核静强度效核公式：正应力式(3.5)F----------梁所受的力(N)A----------截面积(m²)切应力式(3.6)ǒ----------钢板厚度(m)Iz----------梁对Z轴的惯性矩(m⁴)BF2F1=117.6KN图3-7上臂剪力图=0.18×0.158-0.172×0.15=2.64×10~³m²在截面BE所受的切应力应是：计算Z轴惯性矩Iz:式(3.7)式(3.8)式(3.9)如图所示建立坐标系：矩形对Z轴的惯性矩是：所以此题的惯性矩为：图3-8上臂的惯性矩图Iz=1z1-1z2=5.9×10~⁵-4.8×10~⁵=1.1×10~⁵m⁴(2)把Fs1=117.6KN和Iz=1.1×10~⁵m⁴切应力效核公式式(3.10)则：切应力是式(3.10)把Fs2=9.8KN和Iz=1.1×10~⁵m⁴代入式(2.10)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h/b≤3,则梁的整体稳定性不需验算。所以h/b=1801150=1.2<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。3.5下臂截面尺寸的确定3.5.1对下臂进行受力分析图3-9所示是下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。B图3-9下臂的受力图把上图分解后计算各个力的大小力图3-10上臂受力图计算上臂的自重FG钢板每平方米面积的理论质量，不同厚度的钢板(密度为7.85)的每平方米理论质量按G=σ×pkg/m²式(3.11)式中G-----给定钢板厚度下的每平方米重量，kg/mo-----钢板厚度σ=4mmp-----钢板密度7.85所以MG=4.2×0.004×7.85=0.13kg对下臂进行受力分析如下图弯矩M图3-11下臂的弯距图FB¹=-FB=11.07KN即力FB’与力FB大小相等方向相反。Fg×450=FB'×3560所以Fc=92.56-11.07=81.49KN如上图所示的弯矩图：则可得最大弯矩是Mmax=11.07×3560=39.41KNm而梁所需的截面系数，w=Mmax/[o]3.5.2计算下臂的截面尺寸再将求出来的梁所需的截面系数W值代入式(3.2)可得图3-12下臂的截面图按局部稳定条件：Q235钢b≤60δ60mm≤b≤240mm3.5.3对下臂进行正应力校核下臂梁的截面尺寸确定后应对其进行强度、钢度和整体稳定性，不满足时应进行修改。其计算方法和计算公式和上臂一样，计算公式是式(3.5)和式(3.6)(1)效核正应力Fc=81.49KN=0.18×0.158-0.172×0.15=2.64×10m²在截面AD上所受的正应力是：(2)效核切应力计算Z轴惯性矩Iz:式(3.12)式(3.13)式(3.14)如图所示建立坐标系，见图3-14惯性矩图Iz=Iz1-Iz2=7.6×10~⁵-4.8×10~⁵=2.8×10~⁵m⁴把FsC=81.49KN和Iz=2.8×10~⁵m⁴切应力效核公式：在截面AD上所受的切应力是：式(3.15)把FsB=11.07KN和Iz=2.8×10~⁵m⁴代入式(3.15)所以下臂的正应力和切应力符合要求。(3)对下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h/b≤3(图3-12),则梁的整体稳定性不需验算。所以h/b=180/150=1.2<3则不需要整体稳定性不需验算。从以上对下臂的验算可得上臂尺寸的选择符合要求。3.6连接处销轴尺寸的确定确定销轴的基本参数：公称直径d,总长度根据高空作业车上下臂的结构可以确定其尺寸，按《机械设计手册2》表6.3-61销轴(摘自GB/T882--2000),选定a=50mm,总长度1=200mm、材料为35钢、热处理硬度28~38HRC、表面氧化处理的A型销轴。确定其相关尺寸：dmax=70mm,k(公称)=7mm,d₁=10mm,r=1.5mm,c≈5mm第4章液压系统设计4.1简介液压系统的设计理论和方法目前还不够完善。比如液压系统的组成，当前主要采用经验设计的方法，也即靠设计人员熟练掌握液压元件、回路知识和运用实践经验，在分析现有回路和系统的基础上，进行比较、综合，组成所需的液压系统。此外，随着电子技术的迅猛发展，运用逻辑代数进行液压系统设计也逐渐变为可能，其具体方法还有待技术的发1、明确设计要求设计要求是进行每项工程设计的依据，设计前要明确以下几个主要问题：1、主机的概况：用途、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等；2、液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何；3、液压驱动机构的运动形式、运动速度；4、各动作机构的载荷大小及其性质；5、对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求；6、自动化程度、操作控制方式的要求；7、对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求；8、对效率、成本等方面的要求。2、工作原理简述如前所述，开发高空作业车已成为迫切的需要。高空作业机械不同于一般的工程机械，其特点是作业频率不高、负荷较小，但要求可靠性高、操作灵活、展开迅速，尤其是安全适用性更严格，必须防水、防尘、防震。目前，高空作业车基本上有四种形式，即伸缩臂式、曲臂式、垂直升降式及混合式。其基本工作原理相似，控制方式均是液压控制，由发动机带动油泵作为系统的动力源，液压系统由上车液压系统及下车液压系统组成，两者之间由中心回转接头连接(垂直升降式高空车除外),液压系统的控制方式如下：液压油通过方向阀控制，可进入各个执行机构(包括动作缸、马达等),完成上、下油缸的伸缩等动作。折臂式高空作业车动作分析如下：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升展至一定高度，将工作人员送至工作位置。上臂和下臂、下臂和转台铰接处均设有专门的滑动轴承，保证工作臂转动时阻力小，运动平稳。4.2系统设计要求及有关设计参数4.2.1液压系统的要求1、上臂和下臂的举升机构均应能独立动作、伸缩平稳、无抖动、晃动现象；在作业过程中不得有回缩现象，在收回状态时不得由于自重而下落。2、当两臂的举升机构同时工作时，应保证工作平台起升、下降作业时动作平稳、准确，无爬行、振颤、冲击及不出现驱动功率异常增大等现象；工作平台在额定载荷下工作时，应能在任意位置可靠制动，另外，工作平台还应具备自动调平系统及安全保护系统(防止倾翻)。3、为方便操作，作业车应装有上、下两套控制装置，使在底座与工作平台里均可进行操作；上控制装置应设在工作平台上或其侧面，下控制装置应具有上控制装置的功能，并应具有超越上控制装置的作用。4.2.2液压系统设计参数本文折臂式拖车式高空作业车所选设计参数如下：最大工作平台高度额定工作平台载荷工作平台起升和下降速度整车重量4.3制定液压系统基本方案4.3.1确定液压执行元件的形式液压系统的执行元件有液压缸、液压马达和摆动马达等几种型式，要根据运动要求合理选用，从结构简单、工作可靠、运动速度一般不受性，所以在液压系统中执行元件多选用液压缸。往复运动机构一般选不大的旋转运动也常用液压缸来实现，也可采用摆动马达。此外程机械的行走机构、卷扬机构中，则必须采用液压马达。表2.1是几种常用的液压执行元表4.1常用液压执行元件的类型、特点、适用场合名称特点适用场合双活塞杆液压缸双向对称双向工作的往复运动单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进，A₁=2A₂往返速度相等柱塞缸结构简单单向工作，靠重力或其它外力返回摆动缸单叶片式转角小于3600双叶片式转角小于1800小于3600的摆动运动小于1800的摆动运动齿轮马达结构简单、价格便宜高转速、低扭矩的同转运动叶片马达体积小、转动惯量小高速低扭矩、动作灵敏的回转运动摆线齿轮马达体积小、输出扭矩大低速、小功率、大扭矩的回转运动轴向柱塞马达运动平稳、扭矩大、转速范围宽大扭矩回转运动径向柱塞马达转速低、结构复杂、输出大扭矩低速大扭矩回转运动注：A。——无杆腔活塞面积A。——有杆腔活塞面积。本机动作机构均为直线往复运动，故可以选用液压缸作为液压执行作业机械具有负荷小、工作频率不高、惯性小运动方向的控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。对一般中小流量的液压系统，大多通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作；对高压大流量的液压系统，多采用插装阀与先导控制阀逻辑组合来实现。运动速度的控制通过改变液压执行元件输入或输出流量或通过改变密封空间的容积来实现。如：节流调速、容积调速以及二者的结合——容积节流调速。节流调速一般用定量泵供油，用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度。这种调速方式结构简单，但系统中必须用溢流阀，因此效率低、发热量大，多用于功率不大的场合。容积调速靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的。它无溢流损失和节流损失，效率较高，但为了散热和补充泄漏，需要有辅助泵。这种调速方式适合功率大、运动速度高的液压系统。容积节流调速一般用变量泵供油，用流量控制阀调节输入或输出液压执行元回油节流常用于有负载的场合，旁路节流常用于高速。调速回路一经确定，回路的循环形系统。表4.2是开式系统与闭式系统的比较。表4.2开式系统与闭式系统的比较循环形式适应工况一般均能适应，液压泵可向多支路供油限于要求换向平稳、换向速度高的一部向多支路供油结构特点简单复杂散热较方便，但油箱较大较复杂，须用辅助液压泵换油冷却抗污染能力较差，可采用压力油箱来改善较好，但油液过滤要求较高管路损失及效率管路损失大，用节流调管速时效率低路损失较小，用容积调速时效率较高4.3.3液压源系统液压系统的工作介质由液压源提供，液压源的核心是液压泵。如前所述，节流大多用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。为节省能源提高效率，泵的供油量要整机的液压系统图由各基本回路加上其它辅助回路及液压4.4.1选定液压回路首先确定基本回路，它是决定主机的动作和性能的基础，是组成系统的骨架，然4.4.2综合考虑其它问题6、从系统的生产成本及周期考虑，系统组成要简单，元辅件尽量少，还应8、系统图中要注明各液压执行元件的名称和动作，注明各液压元件的序号和电4.4.3最终液压回路图如图4-1所示：图4-1液压回路1上臂液压缸2下臂液压缸3平衡阀4三位四通电磁换向阀5单向节流阀6压力表7单向阀8液压泵9过滤器10油箱电磁换向阀：电磁换向阀借助于电磁铁吸力推动阀心动作来改变流液流向。平衡阀：可使运动速度不受载荷变化的影响，保持因为上下臂的液压设计很相似，所以分开分析。先看左边液压缸的控制过程。如上图所示，当电磁换向阀置于左位时，油液经过左边单向节流阀的单向阀部分到达平衡阀，再经过平衡阀到液压缸的左腔，推动活塞杆向外运动。而右腔的油液则从右边的平衡阀到右高空作业部分主要由变幅机构构成，其中，变幅机构主要是指上下臂液压缸。上臂液指下臂与支架之间的液压缸，它主要用于控制下臂的上升和下降动作。以下查[5]如表23.4-3,选定系统工作压力为P=16Mpa。4.6.1.1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杆活塞式双作用液压缸。下图为单杆活塞式双作用液压缸示意图：此类液压缸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。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需求。查表37.7—6液压缸的安装(P37-179)选择耳环型安装方式，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。4.6.1.2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。(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液压缸内径D式中D--液压缸内径(m);F,--液压缸推力(KN);p--选定的工作压力(MPa)。式(4.1)当高空作业车上下臂处于如下状态时，如图4-3。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4-3上下臂受力状态式(4.2)式(4.2)F--高空作业车吊篮最大承受力，由计算知为=9.8×10³nh--B点到力F,的垂直距离，由计算得0.283m.代入公式(4.2)得：=1.55×10⁵N将F,=1.55×10⁵N,p=16MPa代入式(4.1),=0.11m查《机械设计手册5》表37.7-1,如表4-1给出的缸筒内径尺寸系列圆整D成标准值。表4-3液压缸内径尺寸系列8D=100mm(2)活塞杆直径a的计算根据速度比的要求来计算活塞杆直径式(4.3)式中d--活塞杆直径(m);D--液压缸直径(m);v₂-活塞杆的缩入速度(m/min);此处，《机械设计手册5》表37.7-63(P37-245)取液压缸的往复运动速度比为1.46,表d=0.56D式(4.4)将D=100mm代入式(4.4)得：d=56mm查《机械设计手册5》37.7-2,如表4-4液压缸活塞杆外径尺寸系列(摘自GB2348-80)表4-4液压缸活塞杆外径尺寸系列(摘自GB2348—80)(mm)4568取液压缸活塞杆外径尺寸如下(3)液压缸行程s的确定由于上下臂工作状态最大夹角为2×75°,如图4-4所示图4-4上下臂最大夹角图上下臂铰点位置如上所示，代入数据可求出线段EF的长度，由此长度计算上臂油缸的 EF=√0.S²+0.3²-2×0.5×0.3×COS=0.774m查《机械设计手册5》表37.7-3(P37-173),如4-5液压缸活塞行程第一系列(mm)。表4-5液压缸活塞行程第一系列(mm)摘自(GB2349—80)由以上条件取S值如下：S=250mm。(4)液压缸结构参数的计算1)缸筒壁厚的计算按薄臂筒计算：对于低压系统，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算。式(4.5)式中δ--液压缸缸筒厚度(m);D--液压缸内径(m);代入式(4.5)中，得：2)缸体外径的计算式(4式(4.6)D₁=100+2×12=124查《机械设计手册5》表37.7-66(P37-246)圆整液压缸外径D,为120mm。4.6.2下臂油缸的设计计算设液压缸单活塞杆双向运动时的负载力相同，不记执行件质量。液压系统工作压力为P=16MPa。4.6.2.1确定液压缸类型和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需求。查表37.7—6液压缸的安装(P37-179)选择耳环型安装方式，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。4.6.2.2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：(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液压缸内径D40式(4.7)式中D--液压缸内径(m);F--液压缸推力(kM);p--选定的工作压力(MPa)。其中F(Fg)的计算过程如下：当高空作业车上下臂处于如下状态时，如图4-5。上臂液压缸所受的力最大。此时，上下臂夹角为75°,下臂水平放置，上臂抬起与下臂成夹角75°。把上下臂当成一个整体，将所受力对cF×h₁+G₁×S₁+G₂×S₂+F₁×h₂=F×h图4-5上下臂状态点取矩，得：式(4.8)F--高空作业车吊篮最大承受力，由计算知为9.8×10³n。F₁--最大起重量，由计算得117.6×10³N。h₃--点c到力F₁的垂直距离，为4.01m。已知上下臂夹角为75°,上臂长为4.2m,下臂长为4.01m,且已知上下臂上各铰点位41h₁=2.92m;S₁=3.46m;S,=2.5m;h=0.308m。图4-6下臂尺寸h=0.308m。将所得数据代入公式(4.8)得：m9.8×10³N×2.92m+1.27×10³N×3.46m+1.24×10³N×2.5m+117.6×10³×4.01m=F₄×0.308m将F=1.65×10⁶N,p=16MPa代入式4-7,D=115mm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。D=125mmo(2)活塞杆直径a的计算根据速度比的要求来计算活塞杆直径a式(4.9)式中d--活塞杆直径(m);D--液压缸直径(m);φ--速度比此处，《机械设计手册5》表37.7-63(P37-245)取液压缸的往复运动速度比为1.46,表37.7-2(P37-173)查得：d=0.56D式(4.10)将D=125mm代入式(4.4)得：d=70mm查[5]表23.6-34液压缸活塞杆外径尺寸系列(摘自GB/T2348-1993)取液压缸活塞杆外径尺寸如下：d=70mm(3)液压缸行程S的确定首先计算下臂升至最大角时，下臂铰点与底盘铰点之间的距离。如下图所示：如上图4-7所示，由计算得下臂升至最大角时，下臂铰点与底盘铰点之间的距离为：493mmo查《机械设计手册5》表37.7-3(P37-173)液压缸活塞行程第一系列(mm),由以上条件取S值如下：S=160mm。(4)液压缸结构参数的计算1)缸筒壁厚的计算式(4.11)式中δ--液压缸缸筒厚度(m);D--液压缸内径(m);代入式(4.5)中，得：2)缸体外径的计算代入数据得：D₁=D+2δ式(4.12)D₁=D+2δD₁=125+2×15=155mm查《机械设计手册5》表37.7