资源描述
哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计摘 要随着国家经济的不断发展，交通运输等基础行业发生着日新月异的变化。折叠臂式高空作业车作为专用起重运输汽车的一种，它可以将工作人员和工作装备运送到达指定现场并进行作业的专用汽车。折叠臂式高空作业车主要用于邮电通讯、市政建设、消防救护、建筑装饰、高空摄影以及造船、石油、化工、航空等行业。它具有机动灵活、转移迅速、覆盖面广、便于接近、到达作业地点后能迅速投入工作等优点。而且折叠臂式高空作业汽车结构比较简单，改装比较容易，因而发展比较快。本设计主要内容是选择合适的二类底盘，在此基础上对折叠臂式高空作业车的主要工作装置进行设计。通过对支腿机构、举升机构和回转机构的设计，进行各个应用元件布置，并采用液压系统对各个元件进行控制以实现举升和回转运动功能。同时，还对折叠臂式高空作业车的附件进行了简单的设计，并对折叠臂式高空作业车的稳定性进行了计算分析，结果表明基本达到国家对改装车的标准要求。关键词 折叠臂式高空作业车，支腿机构，举升机构，回转机构，设计全套CAD图纸，加153893706ABSTRACT With the countrys economic development, transportation and so on the basis of an ever-changing industry. Folding-arm high above the ground as a dedicated car lifting of a transport vehicle, which can be the work of staff and equipment arrived at the designated on-site delivery and operation of the Special Purpose Vehicle. Folding-arm high above the ground the main vehicle for posts and telecommunications, municipal construction, fire rescue, building decoration, high-altitude photography, as well as shipbuilding, petroleum, chemical, aviation and other industries. It has a flexible, rapid transfer, coverage for close to reach the sites quickly after getting a work of the advantages. And arm-folding high above the ground vehicle structure is relatively simple, relatively easy modification, and therefore faster development. The main content of this design is to choose a suitable chassis in the second category, on this basis of arm-folding work high above the main work of the car plant design. The outrigger body, lifting and turning the body design, layout components for various applications. And the use of the hydraulic system to control the various components in order to achieve lift and rotary motor function. At the same time, also folded-arm high above the ground Annex cars were simple design, and folded-arm high above the ground vehicle for the stability of the calculation and analysis, results showed that the modification of the basic national standards of vehicles. Key words Folded-arm high above the ground vehicles,Outrigger bodies, Lifting bodies, Body rotation, Design52 目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1概述11.2折叠臂式高空作业车的定义、组成及功用11.3国内外折叠臂式高空作业车的发展概况21.4设计目标和主要设计内容3第2章 折叠臂式高空作业车总体方案分析52.1动力传动装置设计与分析52.1.1设计要求52.1.2动力传动装置类型52.2工作装置设计与分析62.2.1支腿机构62.2.2举升机构92.2.3回转机构102.2.4作业平台及调平机构122.2.5操作及安全防护装置132.3本章小结14第3章 折叠臂式高空作业车总布置设计163.1 总体主要参数的确定163.1.1尺寸参数的确定163.1.2质量参数的确定163.2 折叠臂式高空作业车底盘的选择173.3副车架的选型与设计193.3.1副车架的界面形状尺寸193.3.2副车架的前端形状及安装位置193.3.3副车架与主车架的连接213.4本章小结22第4章 举升机构与回转机构设计计算234.1 举升机构设计234.1.1举升机构运动范围的确定234.1.2动臂的结构设计和主要尺寸确定234.2回转机构设计244.2.1确定圆柱滚子的最大载荷244.2.2确定圆柱滚子的允许载荷264.3本章小结27第5章 支腿机构和液压系统设计计算285.1 支腿机构设计计算285.1.1支腿跨距的确定285.1.2支撑脚接地面积确定325.2液压系统设计325.2.1液压系统原理分析325.2.2油缸选型确定335.2.3液压泵的选型与计算335.2.4油箱容积与管路内径计算365.2.5液压系统参数计算375.2.6液压泵的选型确定385.2.7取力器布置方案及基本参数选择385.3本章小结40第6章 折叠臂式高空作业车稳定性能分析426.1 支腿压力的计算426.2本章小结45结 论46致 谢47参考文献48第1章 绪 论汽车工业发展的经济效益不只是汽车本身，而是集中表现在汽车的使用和流通的全过程中，随着汽车工业的发展必然是汽车运输业的发展，从而对专用汽车的性能要求也越来越高，使用越来越专门化，品种也越来越多。并且社会对汽车的运输效率和经济性以及各种功能的要求也越来越高，这些是运输工具专用化发展成为必然趋势1,2。专用车辆的主要作用在于提高运输效率，降低运输成本，减少运输途中的货损，节约燃料，在散装货物运输中还节约大量包装材料和包装费用，因而能够带来巨大的经济效益。本设计所研究的折叠臂式高空作业车为起重举升汽车的一种。1.1概述高空作业机械是在工程起重机械基础上发展起来的高空作业设备，广泛应用在建筑、消防等行业。随着我国经济建设的不断发展，对高空作业车的需求越开越多，要求工作范围也越来越广泛。目前，国内外折叠臂式高空作业车朝着多品种、系列化、小批量方向发展。尽管就汽车市场而言，折叠臂式高空作业车在今天甚至是在今后很长一段时间不可能占有太大的市场，但是，正因为折叠臂式高空作业车其独特的作用，它在工程建设中起着越来越重要的作用，其辐射范围也越来越大，邮电通讯、市政建设、消防救护、建筑装饰、高空摄影以及造船、石油、化工、航空等行业都将活跃着它的身影。折叠臂式高空作业汽车提高了机械化程度，减少了劳动消耗，降低了成本，缩短了工作时间，提高了工作效率并且以满足各种特殊需要。经调研发现，目前，折叠臂式高空作业车具有一定需求市场，但生产厂家相对较少，主要在于其结构较为复杂，因此难以形成批量生产，为使折叠臂式高空作业车能够完善其结构和性能，提高折叠臂式高空作业车的功能，形成小批量生产。本设计重点对折叠臂式高空作业车主要工作装置所采用的各种方案进行比较分析，分别列出各方案的优劣点，以便选择最合适方案。1.2折叠臂式高空作业车的定义、组成及功用折叠臂式高空作业汽车是用来运送工作人员和使用器材到达指定现场并进行作业的专用汽车。折叠臂式高空作业汽车除底盘部分外，为实现高空作业功能，还有动力传动装置、工作装置、安全装置及液压系统等。折叠臂式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，是将折叠臂式高空作业装置安装在汽车底盘上组成的。折叠臂式高空作业装置包括工作臂、回转平台、副车架、工作斗、液压系统和操纵装置等。现在的折叠臂式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，大大提高了折叠臂式空中作业的工作效率。折叠臂式高空作业车是利用汽车底盘作为行走机构，具有汽车的形势通过性能，机动灵活，行驶速度高，可快速转移，转移到工作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一4,5。1.3国内外折叠臂式高空作业车的发展概况国外折叠臂式高空作业机械发展迅速，技术水平不断提高。工业发达国家一般都有专门的跨国公司和集团主营和兼营高空作业机械，如美国GROVE公司（格鲁夫）和GENIE（吉尼公司）、英国COLES公司、SI-MON公司（西蒙）、意大利RICO（利高）、芬兰BRONTO公司（波浪涛公司）、日本的多田野和爱知株式会社等6。中国高空作业机械生产企业从20世纪70年代起步，至今已有30多年的历史。到目前为止，国内高空机械生产企业已由当时的7、8家发展到100余家，其中与合资或合作的企业有4家。行业几个骨干企业通过近几年的技术改造，其生产规模不断扩大，都形成了各具特色的产品系列，企业的各项主要经济指标逐步上升，经济效益也逐年提高，基本能满足国内外市场大中小型高空作业机械的需要，并有部分产品出口。根据协会对会员单位初步统计，2005年中国高空作业平台的产量1734台，出口150台；2006年为1890台，出口290台。2005年高空作业车的产量为672台，出口20台；2006年为778台，出口69台。高空作业机械工业总产值初步统计为2005年26822万元，2006年32600万元。2007年上半年产量产值、出口量就接近2006年的全年总数。虽然这些年国内高空作业机械发展很快，但是产品的技术水平相比国外的知名企业还有一定得差距，毕竟我们是处于起步阶段，开发的产品大多还停留在模仿阶段，几乎所有产品或多或少的留有国外产品的影子甚至是全盘照搬。我国从80年代开始抚顺起重机总厂、武汉起重机总厂、四川度岩机械厂、四川长江起重机械有限责任公司、杭州园林机械厂、北京攀尼高空作业车有限公司、徐州重型机械厂等开始着手研制高空作业车和登高平台消防车，投放市场。抚顺起重机械总厂生产的CDZ32型登高平台消防车已出口泰国。四川长江起重机有限责任公司研制的QZC5120JGKS25型高空作业车是最近推向市场的一种新产品。该产品采用现代设计手段设计，填补了国内25m伸缩臂式高空作业车的空白7。尽管我国在折叠臂式高空作业车设计制造上取得了一些成绩，但是国内生产制造的高空作业机械同国外同类型高空作业机械产品相比仍有一定差距，主要表现为技术含量低、大型的较结构笨重、作业时未动性能差等问题。在开发研制过程中，应采取有效措施、实验研究，逐项加以解决，以缩小差距。同时对目前存在的技术关键，有待于组织力量攻关解决，其关键是电液比例操纵、微动性能问题，支腿调平技术问题，数显微机自动程序控制以及机电一体化问题等8,9。目前，折叠臂式高空作业车的发展动向是实现“六化”、“三性”，以提高折叠臂式高空作业机械的适用性。“六化”：即液压化、最优化（采用计算机辅助设计）、轻量化（采用高强度材料、减轻构建重量）、机电液一体化（如安全保护、报警装置等）、通用化、系列化。“三性”：可靠性、安全性和舒适性。综上所述，在目前的折叠臂式高空作业车的生产水平上，改进折叠臂式高空作业车的工作性能，开发研制机动灵活、技术含量高、安全可靠的高空作业机械具有重大意义。1.4设计目标和主要设计内容本设计目标是设计载重300kg高空作业车，其性能参数与原车接近。本设计的主要研究内容有：支腿机构设计、举升机构设计、回转机构设计、液压传动装置设计以及整车的体布置。主要解决的问题有：二类底盘的选择、高空作业车的总体布置、工作装置的设计、整车性能计算。设计技术路线安排如下图：图1-1 技术路线第2章 折叠臂式高空作业车总体方案分析折叠臂式高空作业车主要由动力传动装置、工作装置（支腿机构、举升机构、回转机构、作业平台及调平机构）和液压系统等组成。本章主要对折叠臂式高空作业车的各个机构的方案进行分析。2.1动力传动装置设计与分析2.1.1设计要求动力传动装置包括折叠臂式高空作业汽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。2.1.2动力传动装置类型1、内燃机机械传动这种传动方式仅在用途单一的高空作业汽车上使用，如用于电力设施维修的垂直升降式高空作业汽车多采用这种形式。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，使高空作业汽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高空作业汽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。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形式。2.2工作装置设计与分析折叠臂式高空作业汽车的工作装置包括支腿机构、举升机构、回转机构、作业平台及调平机构、操作及安全保护装置等。2.2.1支腿机构支腿机构是大多数折叠臂式高空作业汽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取出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。1、单缸双支腿 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。2、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。3、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。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。1、 蛙式支腿 图2-1为一种蛙式支腿的结构示意图，支腿的伸缩动作由一个液压缸完成。在运动过程中，支腿除有垂直位移y外，在接地过程中还有水平位移x（如图2-2）。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（图2-2种的2a）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。2、 H式支腿 如图2.3所示，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，是高空作业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。 图2-1 蛙式支腿 图2-2 蛙式支腿的运动示意图 图2-3 H式支腿图2-4 X式支腿 3、X式支腿 如图2-4所示，这种支腿的垂直液压缸作用在伸缩腿的中间，当推力液压缸将腿伸出后，垂直支撑液压缸将支腿压向地面，使轮胎离地如图2-4(a)所示,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。但X式支腿离地间隙较小，在伸支腿的接地过程中有水平位移运动，从而加大了液压缸的推力，液压缸易损坏10。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，高空作业车的支腿机构选择H型支腿，如图2-3所示。2.2.2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。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2-5（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2-5(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。 (a) 伸缩式 (b) 折叠式 (c) 交叉剪式 (d) 套筒式图2-5 高空作业车的结构简图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2-5（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高空作业汽车上。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2-5（b）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，扩大了折叠臂式高空作业汽车的作业范围。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11。综上所述，由于折叠臂式举升机构比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。所以折叠臂式高空作业车的举升机构选定为折叠式举升机构，其折叠臂数目为两个，如图2-5(b)所示。2.2.3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 如图2-6所示，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 如图2-7所示，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 如图2-8所示，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。 (a) 外齿式 (b) 内齿式 (a) 外齿式 (b) 内齿式 图2-6 单排球转盘结构 图2-7 双排球转盘结构 (a) 外齿式图 2-8 交叉圆柱滚子转盘结构 (b) 内齿式图以上通过对各种回转支撑装置的结构特点、承载能力、加工性能以及应用情况等的分析，最后确定回转支撑机构选择交叉滚柱式。2.2.4作业平台及调平机构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。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2-9（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2-9（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ef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2-9（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2-10为一种电液伺服调平系统原理图。综上所述，重力式调平机构安全性能太差，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比较困难。由于以上原因作业平台及调平机构选定为平行四杆调平机构，如图2-9(b)所示。2.2.5操作及安全防护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。高空作业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，保护高空作业车和各机构的安全。 (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2-9 作业斗的平衡机构反馈，跟踪角度位移信号转子摆锤自动垂直信号倾斜传感器放大器伺服阀伺服液压缸四连杆机构机作业平台能源器图2-10 电液调平原理图在公路上进行作业的折叠臂式高空作业车，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，高空作业车必须设置辅助下降装置，中小型高空作业车采用手动泵人工辅助下降。折叠式高空作业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，在高空作业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。2.3本章小结本章主要对所要设计的高空作业车的支腿机构、举升机构、回转机构以及其它附属装置的形式进行了方案的比较分析。由于折叠臂式高空作业车的各个工作装置结构形式有很多种，且每种形式各有其优缺点，经过分析后选择了最适合的方案，最后确定了高空作业车各工作装置的类型。第3章 折叠臂式高空作业车总布置设计3.1 总体主要参数的确定3.1.1尺寸参数的确定折叠臂式高空作业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。只有整车的高度由于举升机构高于车头的顶部，所以整车的高度会有所增加。3.1.2质量参数的确定1. 额定装载质量me对于作业型专用汽车，如起重举升汽车、高空作业车等，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。参考同类高空作业车的整车整备质量，在此基础上在增加工作装置的质量，便可估算高空作业车的整车整备质量m0。以东风汽车有限公司生产的折叠臂式高空作业车做为参考，经调查和查阅相关资料得知金杯的折叠臂式高空作业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：kg式中：mp乘员质量（），按每人65计。3.2 折叠臂式高空作业车底盘的选择根据我国目前生产的各类型专用车辆的基本模式，大多是为了满足国民经济某一服务领域的特定使用要求，主要是在已定型的基本车型底盘的基础上，进行车身及工作装置的设计，与此同时对底盘各总成的结构与性能进行局部的更改设计与合理匹配，以达到满足使用需求的较为理想的整车性能。因此，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。 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。表3-1 DFL1050BX11和EQ1050G46D3底盘参数底盘型号DFL1050BX11EQ1050G46D3整备质量（kg）29102850总质量(kg)50955135外形尺寸（长*宽*高）mm7000*2500*26006985*2140*2395轴距(mm)38003800最小离地间隙(mm)184186发动机型号492Q-2482Q-2最高车速(km/h)9595最小转弯半径(m)10.410.4最大爬坡度(%)3030百公里油耗(L)23.523.5接近角()2323离去角()1919车胎类型与规格7.50-167.50-16车架可用长度mm50004650车架外宽mm800820目前国内市场上底盘的种类多、品种全，因为东风的小型货车底盘价格便宜，市场保有量大，在载重量围5t的小型汽车中，选用的底盘多为东风系列的产品。东风汽车有限公生产的DFL1050BX11系列底盘，采用东风汽车有限公司成熟总成，经过优化设计，各总成匹配合理，通用性强。表3-1为DFL1050BX11和EQ1050G45D3底盘的部分参数列表。从表3-1中，可以发现DFL1050BX11和EQ1050G46D3在整体性能上差不多，且市场价格和在市场上的占有率都差不多，因此，这两种底盘无论那一个都是最佳选择，因为是DFL1050BX11底盘更适合于高空作业车改装设计，所以选择DFL1050BX11底盘作为本次设计汽车所用底盘。3.3副车架的选型与设计在专用汽车设计时，为了改善主车架的承载情况，避免集中载荷，同时也为了不破坏主车架的结构，一般多采用副车架（副梁）过渡。在增加副车架的同时，为了避免由于副车架刚度的急剧变化而引起主车架上的应力集中，所以对副车架的形状、安装位置及主车架的连接方式都有一定的要求。3.3.1副车架的界面形状尺寸专用汽车副车架的界面形状一般和主车架纵梁的截面形状相同，多采用如图3-1所示的槽型结构，其截面形状尺寸取决于专用汽车的种类及其承受载荷的大小。表3-2和表3-3列出了斯太尔91系列重型专用汽车副车架的截面尺寸。对于随车起重运输车的副车架来说，在安装起重装置的范围内，应按如图3-2和图3-3所示的方式用一块腹板将副车架截面封闭起来，以提高副车架的抗扭和抗弯能力。表3-2 斯太尔91系列起重运输车副车架尺寸表3-3斯太尔91系列后栏板起重运输车副车架尺寸3.3.2副车架的前端形状及安装位置为了避免由于副车架截面高度尺寸的突然变化而引起主车架纵梁的应力集中，副车架的前端形状应采用逐步过渡的方式。例如采用如图3-4（C）所示的三种过渡方式。对于这三种不同形状的副车架前端，在其与主车架纵梁相接触的翼面上都加工有局部斜面，尺寸如图3-4（C）所示：h=1;l=15-20mm.(a)U形 （b）角形 （C）L形图3-4 副车架的三种前端形状 如果加工上述形状困难时，可以采用如图3-5所示的副车架前端简易形状，此时斜面尺寸较大。对于钢质副车架：h=5-7mm;l=200-300mm对于硬木质副车架：h=5-10mm;l=H副车架在汽车底盘上布置时，其前端应尽可能地往驾驶室后围靠近。图3-6为某散装水泥运输车的罐体、副车架相对于汽车底盘的安装位置。在满足轴荷分配的前提下，其中A不宜过大，留足空压机的位置即可；B为副车架的前端离主车架拱形横梁的距离，一般在100mm之内；C为固定副车架的前面第一个U型螺栓距拱形横梁的距离，一般控制在500-800mm的范围内。 （a）钢质副车架 （b）硬木质副车架图3-5 副车架前端简易形状 图3-6副车架的安装位置3.3.3副车架与主车架的连接副车架与主车架的连接常采用如下形式。1. 止推连接板图3-7是斯泰尔重型专用汽车所采用的止推连接板的结构形状及其安装方式。连接板上端通过焊接与副车架固定，而下端则利用螺栓与主车架纵梁腹板相连接。止推板的优点在于可以承受较大的水平载荷，防止副车架与主车架纵梁产生相对水平位移。相邻两个止推连接板之间的距离在500-1000mm范围内。 图3-7 止推连接板的结构 图3-8 连接支架1-副车架；2-止推连接板；3-主车架纵梁 1-上托架；1-下托架；3-螺栓2. 连接支架 连接支架由相互独立的上下托架组成，上、下托架均通过螺栓分别与副车架和主车架纵梁的腹板相固定，然后再用螺栓上、下托架相连接，见图3-8所示。由于上、下托架之间留有间隙，因此连接支架所能承受的水平载荷较小，所以连接支架应和止推连接板配合使用。一般布置是在后悬架前支座前用连接支架连接，在后悬架前支座后用止推连接板连接。3. U型夹紧螺栓当选用其它连接装置有困难时，可采用U型夹紧螺栓。但在车架受扭转载荷最大的范围内不允许采用U型螺栓。当采用U型螺栓固定时，为防止主车架纵梁翼面变形，应在其内侧衬以木块，但在消声器附近，必须使用角铁等做内衬 本设计所选副车架的界面形状和主车架纵梁的截面形状相同，采用如图3-1所示的槽型结构;采用图3-4 （a）的过渡方式；主副车架选用止推板连接，但是副车架与止推板是用螺栓连接以更好的固定。3.4本章小结本章的主要任务是确定折叠臂式高空作业车的总体参数和二类底盘的选择。首先根据实际数据估算出高空作业车的总体参数，然后通过查阅资料将DFL1050BX11和EQ1050G46D3两种底盘的参数进行对比分析，从而选择了DFL1050BX11底盘。对副车架进行选型和设计，和已选的底盘的主车架进行合适的配合，以利用这一底盘实现本次的设计内容。第4章 举升机构与回转机构设计计算4.1 举升机构设计4.1.1举升机构运动范围的确定本设计中所设计的举升机构包括上臂和下臂两个动臂。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。上臂和下臂在铅锤面内的运动范围为：下臂相对于回转台：070；上臂相对于下臂：0140。4.1.2动臂的结构设计和主要尺寸确定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 动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），Nm；6 n腹板的厚高比。一般推荐。计算得h=160,则b=120。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上下臂为参考最终确定上臂长L1=4300mm；下臂长L2=4030mm。4.2回转机构设计经查阅有关书籍，按照有关专业标准，高空作业车的回转机构应能进行正反两个方向的360回转，回转速度不大于2r/min，回转过程中的起动、回转、制动要平稳、准确、无抖动、晃动现象，微动性能良好。圆柱滚子的接触角一般为45，相邻的两圆柱滚子轴线成90交叉。这不但使回转装置能承受轴向和径向载荷，而且还能承受翻倾力矩。4.2.1确定圆柱滚子的最大载荷圆柱滚子在工作时要受到三种作用载荷，如图4.2所示。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。图4-3 圆柱滚子内圈受力图 图4-2 圆柱滚子外载荷及承载最大的滚子位置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，如图4-3所示。其中任一圆柱滚子的最大法向载荷FImax为: (4-5)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 ; 见5.1.1FIH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。FIH和FIM由同等特性的折叠臂式高空作业车参考得出为240N。对内圈作受力分析，如图4-4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，如图4-5所示，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。 图4-4 翻倾力的计算4.2.2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： (4-7)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，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=0.85d，m； 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，可取许用接触应力值为1800Pa。依据所选用的许用应力值，由式(4-7)便可求得圆柱滚子的允许载荷F=222N。4.3本章小结本章首先对举升机构进行了运动分析和受力分析，并确定了动臂的主要尺寸；然后又对所设计的折叠臂式高空作业车的回转机构的回转支撑机构进行了受力分析，从而计算出它的受力情况，并确定了回转支撑机构的主要尺寸参数。第5章 支腿机构和液压系统设计计算5.1 支腿机构设计计算折叠臂式高空作业车的支腿机构起调平和保证整车工作稳定的作用，要求坚固可靠，操作方便。5.1.1支腿跨距的确定折叠臂式高空作业车的支腿一般为前后设置，并向两侧伸出，如图5-1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。图5-1 高空作业车的支腿跨距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： (5-1)mm由于车总宽B=2500mm，且2aB，故取 mm式中：G1转台重力，N；选取同等规格的高空作业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;cm3;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;平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；经下图分析和相关高空作业车的侧量为100mm；r 臂架重力中心至回转中心距离。mm；经下图分析和相关高空作业车的侧量为1400mm;下臂液压缸一半的长度为1044,求得r为1044cos70=1400mmR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(b)所示，可得后支腿支撑点至回转中心的距离b1应满足： (5-2) mm式中：L2 底盘质心至回转中心的距离。经上图分析和相关高空作业车的侧量为864mm; 同理，可得前支腿支撑点至回转中心的距离b2为：mm (a)(b) 图5-2 支腿跨距的确定支腿的纵向跨距： (5-3)因此取mm；mm。 5.1.2支撑脚接地面积确定为了使折叠臂式高空作业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： (5-4) Fmax=9377,详见（6-10） mm2 ； mm2综合考虑选取6000mm2式中：地基强度，一般为1.6Mpa。5.2液压系统设计5.2.1液压系统原理分析图5.3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。图5-3 液压系统原理图5.2.2油缸选型确定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。折叠臂式高空作业车各液压缸均采用双作用单杆活塞缸。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。表5-1 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
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