机械毕业设计（论文）-车载式高空作业平台的结构设计【全套图纸】

编号编号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 车载式高空作业平台的结构设计车载式高空作业平台的结构设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： 职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 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 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：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：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：四、接受任务学生： 机械 93 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 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。 关键词关键词 ：高空作业车；结构设计；调平系统研究；液压缸 IV Abstract This 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 cylinder V 目目 录录 摘 要.III ABSTRACTIV 目 录 V 1 绪论.1 1.1 本课题的研究内容和意义1 1.1.1 课题研究背景.1 1.1.2 课题研究的意义1 1.2 高空作业机械的国内外发展概况.1 1.2.1 高空作业机械的国外发展状况.1 1.2.2 高空作业机械的国内发展状况.2 1.3 高空作业车的组成.2 1.3.1 专用底盘.2 1.3.2 工作臂架.3 1.3.3 三维全旋机构.3 1.3.4 电气与液压系统.3 1.3.5 安全装置.3 1. 4 课题研究的内容4 2 伸缩臂结构分析5 2.1 伸缩臂的结构.5 2.2 工况分析.6 2.3 伸缩臂强度计算分析.6 2.3.1 危险工况 1 计算.7 2.3.2 危险工况 2 计算.7 2.4 伸缩臂变形计算.8 2.4.1 力学模型的建立8 2.4.2 弹性位移的计算9 2.4.3 计算结果12 2.5 伸缩臂强度校核.12 2.5.1 计算基本臂臂的截面尺寸14 2.5.2 对下臂进行正应力校核.15 2.6 本章小结.16 3 副车架结构及分析17 3.1 副车架结构.17 3.2 支腿反力的计算.17 3.3 转台回转系统.21 3.4 本章小结.22 4 工作斗调平机构的研究23 VI 4.1 工作斗调平结构模型.23 4.2 调平机构液压系统25 4.3 本章小结.26 5 液压油缸的设计计算27 5.1 伸缩变幅油缸的结构.27 5.2 伸缩变幅油缸的设计计算.27 5.2.1 确定液压缸类型和安装方式27 5.2.2 确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸27 5.3 本章小结.31 6 结论与展望32 6.1 结论.32 6.2 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 1 1 绪论绪论 1.1 本课题的研究内容和意义本课题的研究内容和意义 1.1.1 课题研究背景课题研究背景 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 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 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 5 2 伸缩臂结构分析伸缩臂结构分析 2.1 伸缩臂的结构伸缩臂的结构 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。 123456 9 7 8 10 1.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 6 2.2 工况分析工况分析 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) 12 s S ff 式中：材料屈服强度， s 700 s Mpa 结构安全系数，S2S -应力集中系数， 1 f 1 1.1f -动载荷系数，则 2 f 2 1.25f 2 12 700 254.54526/ 2 1.1 1.25 s Mpakg mm S ff 2.3.1 危险工况危险工况 1 计算计算 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 kg G3-前平衡油缸，G3=20 kg G4-平衡拉杆，G4=30 kg G5-折叠臂，G5=80 kg G6-折叠臂变幅缸，G6=60 kg G7-三节臂，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) A Aii MG L 外臂危险截面A-A惯性矩为： (2.3) 33 12 A A BHbh I 则可求A-A 截面的最大应力。 A A 2 174.23/ A A N m 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 危险工况危险工况 2 计算计算 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 8 A 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 。1F 1X F 1Y F 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， b L C L (2.4) 12Cb LL 伸缩臂的当量惯性矩为, dx I (2.5) 1 2 2 dx I I 其中 、为长度系数 。 1 2 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F a F 所产生的挠度，如图2.8 所示。 1 F b 图 2.8 作用力和挠度示意图 无锡太湖学院学士学位论文 10 2.4.2 弹性位移的计算弹性位移的计算 2.4.2.1 的计算的计算 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： 1 FMXF (2.6)() a MFSY 带入挠曲轴的近似微分方程： (2.7) dx EIYm 由于工作臂为阶梯形，是绕X 轴的当量面积惯性矩， dx I , 为变截面长度系数 1 2 2 dx I I 2 将弯矩带入上式： () dxa EIYFSY () dxa EIYF YFS 或 () a dxdx FF YYS EIEI 令 2 dx F K EI 则上式变为： (2.8) 22( ) a YK YKS 这是一个二阶常系数非齐次方程，通解为： 12 sincos a YCKZCKZS 由边界条件： , , 得0Z 0Y 2 () a CS ，, 得0Z 0Y 1 0C 所以挠度方程为： (2.9)() (1 cos) a YSKZ 令 带入挠度方程。, ba ZL Y ()(1 cos) aab SKL 解得 1 cos cos b a b KL S KL 作三角变换: 2 2sin 2 cos b a b KL S KL 带入： a 22 1 2cos b a b K L S KL 车载式高空作业平台的结构设计 11 将 带入 2 dx F K EI 2 1 () 2cos b a dxb LF S EIKL 2 1 2cos X b dxb M L EIKL 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 b KL 2 a F EX F 以认为。 2 b KL 考虑构件支承方式的影响，应以计算长度代替。 12Cb LL b L (2.10) 2 1 2cos X ab dxb M L EIKL 作近似： 2 2 1 cos1()1 22 28 EXEXEX FFF FFF 1 EX F F (2.11) 2 1 2 1 X ab dx EX M L F EI F 2.4.2.2 的计算的计算 b 切向力F 在一截面的弯矩是： (2.12) 1 ()() bYb mFYFLZ 建立挠曲轴的近似微分方程: dx EIYm 1 ()() dxbYb EIYFYFLZ 1 () Y bb dxdx FFF YYLZ EIEIF 令 2 dx F K EI 上式变为： (2.13) 22 1 () Y bb F YK YKLZ F 通解为: (2.14) 1 12 sincos() Y bb F YCKZCKZLZ F 由边界条件: 得 0,0ZY 1 1 Y F C KF 无锡太湖学院学士学位论文 12 则挠度方程为： (2.15) 111 sin()cos() YYY bbbb FFF YKZLKZLZ KFFF 令 , b ZL b Y 11 sin()cos YY bbbbbb FF KLLKL KFF (2.16) 11 cossincos YY bbb FF KLKLKL KFF 作近似： 3 () sin 6 b bb KL KLKL 2 () cos1 2 b b KL KL 32 11 ()() cos(1) 62 bbYY bbb KLKLFF KLKL KFF 33 1 3 Y b F K L F 33 11 1 1 33 cos 2 YbYb b dxdxEX EX FLFLF EIEIFF F 2 1 321 6 1 XYC LabC dx EX MFL YL F EI F 上式中： 12Cb LL 2.4.3 计算结果计算结果 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： 610 5085 115 10170200 101703203550() Xi Mkg m 1 315cos70107.74() Y Fkg 0.89 0.95 1370011583() C Lmm , 315() EX Fkg315sin70296()Fkg , 200()EGpa 4 37956815.75() dx Imm 将参数值代入公式得： 2 1 321 46.09 6 1 XYC LabC dx EX MFL YLmm F EI F 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，其计算值为纯弹性变形挠度。在实际工作状态中，工作臂由于加工精度、 滑块调整间隙等因素影响，其工作平台较理想状态下垂要大一些。这一点，我们经过对 伸缩臂式高空作业车产品样车的测试，其结果基本符合预先的理论计算值。 车载式高空作业平台的结构设计 13 2.5 伸缩臂强度校核伸缩臂强度校核 正应力校核、 静强度效核公式： 正应力 (2.17) F A 式中: F-梁所受的力（N） A-截面积（） 2 m 切应力： 2 8 Fs Iz (2.18) 式中: Fs-梁所受的剪力（N） -钢板厚度(m) Iz-梁对Z轴的惯性矩() 4 m 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下 列公式计算： (2.19) 2 /Gkg m 式中 : G-给定钢板厚度下的每平方米重量,kg/m -钢板厚度=4mm -钢板密度7.85 所以 (M=L1=4.2m)4.2 0.004 7.850.13MGkg 所以自重是: 0.13 9.81.27FGKN 由上图可得: 0F 即: 1.279.811.07 B FFGFKN 对伸缩臂进行受力分析如下图 FB B FcFg 3560mm 450mm x 弯矩M GF Mmax=39.41KNm 无锡太湖学院学士学位论文 14 图2.9 伸缩臂的弯距图 即力与力大小相等方向相反。11.07FBFBKN FBFB 由0Mc 所以 450 3560FgFB 所以 3560 11.07 92.56 450 FgKN 由 0F 所以 92.56 11.0781.49FcKN 如图2.9所示的弯矩图:则可得最大弯矩是 max 11.07 356039.41MKNm 而梁所需的截面系数， =/ max WM 43 39.41. 2.2 10 176.69 KN m m MPa 2.5.1 计算基本臂臂的截面尺寸计算基本臂臂的截面尺寸 再将求出来的梁所需的截面系数 W 值代入 可得 0.6Wmax h= 3 4 0.6 2.2 10 180 4 10 mm b b1 mh92 . 2 1 ;46 . 3 1 mS ;5 . 2 2 mS 无锡太湖学院学士学位论文 30 。mh308 . 0 其中为点 c 到力的垂直距离，计算过程如下所示：h g F 已知伸缩臂受力如下图 5.3 所标示。 FG上 F2 B 图 5.3 伸缩臂尺寸 由此计算得： 。mh308 . 0 将所得数据代入公式（5.2）得： mFmmNmNmN g 308. 001 . 4 10 6 . 1175 . 21024. 146 . 3 1027 . 1 92 . 2 108 . 9 3333 NFF g 6 1065 . 1 将 ,代入式 5.1,NF 6 1065. 1MPap16 得： MPa kN D 16 1065 . 1 1057 . 3 2 2 mmD115 查机械设计手册 5表 37.7-1，如表 5-1 给出的缸筒内径尺寸系列圆整成标准值。D 表 5-1 液压缸内径尺寸系列(摘自 GB234880) ()mm 840125（280） 1050（140）320 1263160（360） 1680（180）400 20（90）200（450） 25100（220）500 32（110）250 即取： 。mmD125 (2) 活塞杆直径的计算d 根据速度比的要求来计算活塞杆直径d 车载式高空作业平台的结构设计 31 1 Dd （5.3） 式中: -活塞杆直径();dm -液压缸直径();Dm -速度比; 22 2 1 2 dD D v v -活塞杆的缩入速度； 2 vmin)/(m -活塞杆的伸出速度。 1 vmin)/(m 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： （5.4） Dd56 . 0 将代入式（5.4） 得: mmD125mmd70 查机械设计手册 537.7-2，如表 5-2 液压缸活塞杆外径尺寸系列（摘自 GB2348-80） 表 5-2 液压缸活塞杆外径尺寸系列 (摘自 GB 234880) ()mm 42056160 52263180 62570200 82880220 103290250 1236100280 1440110320 1645125360 1850140 400 取液压缸活塞杆外径尺寸如下： mmd70 (3) 液压缸行程 S 的确定 首先计算伸缩臂升至最大角时，伸缩臂铰点与底盘铰点之间的距离。 由计算得伸缩臂升至最大角时，下臂铰点与底盘铰点之间的距离为：。mm493 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()，由以上条mm 件取 S 值如下： 。mmS160 (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： 2 Dpy （5.5） 无锡太湖学院学士学位论文 32 式中 -液压缸缸筒厚度()；m -试验压力()。取， y pMPappy5 . 1 即：。MPappy24165 . 15 . 1 -液压缸内径（m） ； D -刚体材料的许用应力（） MPa 取 。 MPa100 代入式（5.5）中，得： mm MPa mmMPa 15 1002 12524 2) 缸体外径的计算 2 1 DD （5.6） 代入数据得: mmD155152125 1 查机械设计手册 5表 37.7-66(P37-246)取液压缸外径为 150。mm 5.3 本章小结本章小结 本章内容主要是关于伸缩变幅液压缸的选型和计算。首先详细介绍了伸缩变幅油缸 的结构及运动机理，然后根据伸缩臂运动范围确定油缸的类型和安装方法，最后根据受 力进行设计计算，得到油缸外径。 车载式高空作业平台的结构设计 33 6 结论与展望结论与展望 6.1 结论结论 本文对最大作业高度为 25 米的混合臂高空作业车进行研究，重点论述了伸缩臂、副 车架、调平系统等混合臂高空作业车关键部分的设计计算方法和设计思路，在对结构件 进行设计计算时，分别采用了传统解析法和有限元方法，并对两种设计方法进行了对比 分析。按照这一方法和思路进行了设计，进行了产品试制，并对样机进行了试验分析， 通过试验和分析验证了设计方法和思路。通过以上研究分析得到如下结论： 1、伸缩臂结构最危险的工作状态是工作臂全部伸出并在其最大允许作业幅度时。对 三节伸缩臂结构来说，最危险截面在二节臂上，其位置在二节臂和一节臂头部搭接滑块 处。工作臂失效的重要原因是结构件的局部失稳。工作臂全伸时会产生较大的挠曲变形， 对工作参数和工作臂受力产生较大影响。 2、在计算副车架，考虑车架的扭转刚度和支腿横梁的弯曲刚度得到的计算结果较将 车架、支退简化为刚体模型得到的结果更为准确，和实际情况更为接近。副车架较大应 力部位是转台座圈与上盖板连接处周围、活动支腿与固定支腿搭接处，后者为最大应力 发生处，也是最危险的地方。 3、通过对伺服液压油缸调平系统的机械机构、液压系统的分析，得出此系统可以满 足伸缩臂高空作业车工作斗调平的工程要求，将伺服液压油缸调平系统和平行四变形机 械调平系统结合，可以解决混合臂高空作业车的调平问题，具有结构简单，调平可靠的 优点。 本课题提供了一种混合臂高空作业车的设计方案，解决了控制系统、工作机构、金属结 构等关键问题的设计方法。而且通过试验分别验证了各部分的设计结果，获得了较为满 意的工作性能，为国产混合臂高空作业车的研制生产提供了设计方法。 6.2 展望展望 本文结合车载式高空作业车在研发生产过程的实践和体会，经过理论计算结果同产 品样车检测结果的对比分析，提供了三节伸缩臂式高空作业车的设计方案，解决了控制 系统、工作机构、金属结构等关键问题的设计方法。而且通过产品样车试验分别验证了 各部分的设计结果，获得了较为满意的工作性能，为我国今后车载式高空作业车的研制 生产提供了设计方法。 无锡太湖学院学士学位论文 34 致致 谢谢 经过十六周的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设 计，由于缺乏相关设计经验，难免有许多考虑不周全的地方。本论文是在黄敏老师和朱 启兵老师的积极鼓励和精心指导下完成的。在此对导师的悉心指导致以最衷心的感谢！ 在这里首先要感谢我的指导老师。指导老师平日里工作繁多，但每个阶段都会组织 我们集合并布置相关的任务，解决我们在各阶段设计中遇到的难题，包括查找资料，到 确定设计草案，中期检查，后期图纸的设计，论文的修改等各个方面都对我们进行了悉 心的指导。即使我的设计比较复杂，但是指导老师仍然很耐心的跟我讲解细节方面的问 题。指导老师严谨的工作态度深深的感动了我，这对我以后学习和工作的态度产生了积 极的影响。 能够顺利的完成毕业设计，在此对各位老师和同学以及在设计期间，曾经对我的毕 业设计给予帮助的领导、老师、同学表示最诚挚的谢意！ 最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位 老师表示感谢！ 衷心祝愿母校无锡太湖学院的明天更加美好！ 感谢黄敏老师和朱启兵老师。 车载式高空作业平台的结构设计 35 参考文献参考文献 1张华. 纵览中国高空机械行业J. 建筑机械, 2007, (10A): 18-22. 2孙元, 高顺德. 自行式高空作业平台工业设计研究J. 机电产品开发与创新, 2008, 21(4): 108- 110. 3张华, 祝志峰, 董威. 我国装修与高空作业机械行业的现状及展望J. 建筑机械化, 2006, (5): 49-52. 4Kita E,Tanic H.Topology and shape optimization of continum structures using GA and BEMJ. 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