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本科学生毕业设计江铃15米三节臂高空作业车改装设计 系部名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程 学生姓名： 指导教师： 职 称： The Graduation Design for Bachelors DegreeGK Modified and Design of Jiang Ling Fifteen Miter Aerialplatform truck Candidate：Specialty：Vehicle EngineeringClass： BW07-8Supervisor： Prof. Heilongjiang Institute of Technology 摘 要文中主要对JX1060TSG23高空作业车的二类底盘的选型和整体布置、动力传动装置设计分析、工作装置设计分析进行整车稳定性校核。根据设计要求及其技术参数的要求，其设计思路为：根据高空作业车的举升质量要求，确定升降机的结构方案，然后确定汽车底盘及车辆的总体布置和控制系统。在设计说明中，首先对升降机不同结构方案进行了比较，得出了设计方案，然后对负载进行分析计算，选择确定了整车的结构参数，然后根据负载和使用状况进行液压系统的设计。文中主要完成的是JX1060TSG23高空作业车的总体结构设计及传动装置工作装置的详细设计。高空作业车设计时按4单元展开，所有的设计工作都是围绕这4个单元展开的。选用合适平台动力传动装置设计工作装置设计整车稳定性校核全套图纸，加153893706关键词：高空作业车；动力传动装置；工作装置；稳定性ABSTRACTFocuses on JX1060TSG23 aerial second class chassis selection and the overall layout, power transmission equipment design analysis, work equipment design analysis and analysis, the last vehicle stability check.According to design requirements and technical parameters of the requirements, design ideas are as follows: under the aerial lift vehicle quality requirements, to determine the structure of the lift program, and then determine the vehicle chassis and the overall layout. In the design specification, the first lift programs with different structures are compared, obtained design program, then loads analysis and calculation, select the vehicle to determine the structural parameters and based load and use the situation to the hydraulic system design. In the main text to complete the JX1060TSG23 Aerial overall structural design, hydraulic circuit design and gear detailed design of working device. Aerial vehicles designed to start by 4 units, all of the design work around these six units started. choose the right platformPower Transmission DeviceWorking Device typevehicle stability checkKey words: Aerial work; Power transmission devices; Working devices; Control system; StabilityII目 录摘要ABSTRACTII第1章 绪 论11.1选题的目的及意义11.2高空作业车的国内外发展概况11.2.1高空作业车的国外发展趋势与动向11.2.2高空作业车发展动向21.3高空作业车的组成及功用31.3.1 工作装置41.3.2 动力装置51.4设计目标和主要设计内容6第2章 高空作业车总体布置72.1 高空作业车底盘的选择72.1.1二类底盘选择依据72.1.2 选择二类底盘要求72.2 总体尺寸和主要参数确定92.2.1 尺寸参数的确定92.2.2 质量参数的确定92.2.3 总质量ma92.2.4 高空作业车平台作业工作状态图92.3 主要机构简述102.4 本章小结11第3章 高空作业车总体设计123.1工作装置设计与分析123.1.1举升机构123.1.2支腿机构133.1.3 回转机构163.1.4作业平台及调平机构173.1.5操作及安全防护装置183.2动力传动装置设计与分析193.2.1设计要求193.2.2动力传动装置类型203.3本章小结20第4章 工作装置设计计算214.1 举升机构设计214.1.1 设计步骤214.1.2 举升机构运动范围的确定214.2 工作臂的结构设计和主要尺寸确定214.2.1工作臂金属材料的选择214.2.2 工作臂尺寸确定224.3 确定油缸铰点的位置234.3.1 确定上臂油缸铰点的位置244.3.2 确定中臂油缸铰点的位置244.3.3 确定下臂油缸铰点的位置244.4 上臂截面尺寸的确定254.4.1 上臂的强度计算254.5 中臂截面尺寸的确定304.5.1 中臂的强度计算324.6下臂截面尺寸的确定364.6.1 下臂的强度计算364.7 转台回转机构设计454.7.1 转台结构454.7.2 转台受力分析 474.7.3 转台的自重G 484.8 支腿机构设计计算494.8.1支腿跨距的确定494.8.2支腿脚接地面积确定524.9 本章小结52 第5章 高空作业车稳定性能分析535.1 支腿压力的计算535.2 转台支承装置的计算载荷565.2.1 转台工作情况565.2.2 转台支撑情况计算565.2.3 转盘式回转支承装置的计算575.2.4 按承载能力曲线选取合适的回转支承型号585.3 本章小结61结 论62参考文献63致 谢64附 录65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。我国对“专用汽车”术语于1989年已经制定了相应的标准ZBT50004-89专用汽车的术语及其定义。定义内容为“装置有专用设备，具备有专用功能，用于承担专门运输任务或专项作业的汽车和汽车列车”。ZBT50004-89标准还将国产专用汽车划分为厢式汽车、罐式汽车、专用自卸汽车、起重举升汽车、仓栅汽车和特种结构汽车等六大类。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选题的目的及意义高空作业机械式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来越多，要求工作范围也越来越广泛。高空作业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，为使高空作业车能够完善其结构和性能，提高高空作业车的功能，形成小批量生产。本设计将对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高空作业车的国内外发展概况高空作业车的分类方式有好多种，按臂架的展开方式分类，有折叠式和伸缩式及混合式三种;按臂架的形状分类有，直臂式和曲臂式;按驱动方式分类，有自动式、拖动式和手动式等等。1.2.1高空作业车的国外发展趋势与动向国外高空作业机械属新兴行业，是在工程起重机械基础上发展起来的高新技术产业系统，只有二十几年的历史。但是发展速度很快，随着科学技术不断发展，尤其是电子技术在机械领域的应用，是高空作业更加智能化，更加人性化，操作更加方便，更加安全的方向发展，采用自动化控制，高空作业车的微动性能好，定位也来越来越准确。国外高空作业机械，发展迅速，技术水平不断提高。我国在其主要差距在设计方法。其关键是电液比例操纵、微动性能问题，支腿调平技术问题，微机自动程序控制以及机电一体化问题等和国外有很大的差距。国内折叠臂式高空作业机械发展刚刚起步，只有十几年的发展历史，虽然起步晚，但由于高空作业机械制造企业的努力，已逐步走向稳定的发展轨道。目前，专业生产高空作业机械的公司比较少。近年来，由于汽车起重机销售量下降及市场平淡，一批汽车起重制造公司，相继发展高空作业机械，但总计年产量仍不能满足市场需求，正处于发展时期。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。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。为了提高我国高空作业的生产水平，从目前的状况来看应首先从如下的几个方面来进行。1、解决工程汽车底盘问题，这样才可使高空作业车轻便、可靠，使用上既灵活又可承担繁重的工作任务；2、提高液压元件的制造质量，这样就可以提高使用寿命和可靠性，相应的也就提高了高空作业车的质量和性能；3、改变高空作业车的生产方式，向规模化模块化发展，这不但可保证质量还可降低成本；4、要扩大新型高空作业车的使用范围，可刺激本行业的发展，并投入力量加强对新产品的开发；5、应用现代的设计方法和手段对现有的产品进行改造。在目前的高空作业车的生产水平上，改进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的意义。1.2.2高空作业车发展动向高空作业车的发展主要动向是实现六化、三性，以提高高空作业机械的适用性。六化:即液压化、最优化、轻量化、机电液一体化、通用化、系列化。三性：可靠性、安全性和舒适性。1.3高空作业车的组成及功用高空作业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。高空作业车除底盘部分外，为实现高空作业功能，还有动力传动装置、工作装置、安全装置及控制系统等。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，是将高工作装置安装在汽车底盘上组成的。工作装置包括工作臂、回转平台、副车架、工作斗、液压系统和操纵装置等2。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3。折叠臂式高空作业车中外观如图1.1所示。高空作业车正常进行作业，需要工作装置、动力装置与控制系统三部分。这三个部分的组成及其作用分述如下： 图1.1 高空作业车1.3.1 工作装置 工作装置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。高空作业车的工作装置包括支腿机构、举升机构、回转机构、作业平台及其调平机构。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，提高高空作业车的可靠性都有重要意义。支腿机构是大多数高空作业车所必备的工作装置，目前均采用液压支腿。这类装置时从外接动力驱动液压泵，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。在作业车的两侧，一般备有操纵机构，可以使前、后、左、右四个液压支腿单独的伸出或缩回，所以即使在不平整或者倾斜的地面上，也能把车体调整到水平状态，安全作业。举升机构的作用是实现作业平台的升降和变幅，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。其结构型式有垂直升降式和动臂式。垂直升降式举升机构按转动方式，可分为液压传动和机械传动；按其结构分交叉剪刀式和套筒式交叉见导师是按交叉布置，铰接成剪刀形的连杆框架结构，当改变连杆交叉的角度就可以实现升降运动。套筒有桁架式、箱式和圆筒式等型式，通过多节套筒的伸缩完成升降运动，驱动方式也可以采用液压传动和钢丝滑轮传动，垂直升降式举升机构作业高度有限，工作范围小，但作业平台较大，且支撑稳定。动臂式举升机构可以分为伸缩臂式或直臂式、折叠式或者曲臂式、伸缩和折叠混合组成的混合臂式等三种型式。伸缩臂式是由多节套装、可伸缩的箱形臂结构，包括基本臂和伸缩臂两部分。伸缩臂可以一节或多节，各节间装有液压缸，液压缸工作是，各节臂可以伸缩，从而改变臂架的长度。整个臂架系统职称在液压缸底部的铰支座和变幅液压缸的两端，通过变幅液压缸的伸缩实现臂架摆动，从而达到变幅和升降的目的，这种型式的最大作业高度可达6080m。折臂式是由多节箱型臂折叠而成，一般采用23节折叠臂组成，折叠方式可分为上折式和下折式两种，各节臂的折叠和展开都是由各节液压缸完成，这种型式的举升机构可以完成一定高度和幅度的作业，还可以完成地平面以下空间的作业。混合臂式举升机构是由折叠臂式和伸缩式混合组成，这种型式组合上诉两种举升机构的优点，使这种型式的举升机构具有更大的作业空间。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作业车的作业范围，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。高空作业车的回转机构一般采用全回转式回转机构，一般是由液压马达带动具有减速作用的机械回转装置旋动。回转机构的回转部分和作业平台均安装在回转支撑转台上。回转机构的机械传动型式有蜗杆涡轮传动、行星齿轮传动等。高空作业车的行走机构就是通用或专用汽车底盘。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，提高高空作业车的可靠性都有重要意义。1.3.2 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。路灯安装装置需要的功率不大，一般约 1020KW，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 高空作业车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车工作装置工作。因为高空作业车工作装置需要功率不大，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。1.4设计目标和主要设计内容本设计目标是设计一种最大举升高度为15m，举升质量400Kg的高空作业车。本设计的主要研究内容有：支腿机构设计、举升机构设计、回转机构设计以及整车的整体布置。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：1、方案设计与分析；2、二类底盘选型；3、总体布置设计；4、工作装置设计；5、高空作业车稳定性能计算。第2章 高空作业车总体布置2.1 高空作业车底盘的选择 2.1.1二类底盘选择依据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11。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。2.1.2 选择二类底盘要求 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，所选用的底盘在市场上必须具有一定的保有量。表2.1 JX1060TSG23底盘参数 江铃15米三节臂高空作业车主要技术型号参数介绍 江铃15米三节臂高空作业车主要技术参数产品名称：江铃15米三节臂高空作业车外型尺寸：724019502995(mm)底盘型号：JX1060TSG23货厢尺寸：(mm)总质量：5615(Kg)接近/离去角：27/14()额定质量：(Kg)前悬后悬：1015/1855(mm)整备质量：5290(Kg)最高车速：95(km/h)发动机：JX493ZLQ3，JX493ZLQ3A排量：2771，2771(ml)功率：85，75(kw)生产厂家：江铃汽车股份有限公司，江铃汽车股份有限公司排放标准：GB17691-2005国, GB3847-2005轴数：2前轮距：1385/1425(mm)轴距：3360后轮距：1425(mm)轮胎数：6轮胎规格：7.00R16LT燃料种类：柴油弹簧片数：7/5+5轴荷：1960/3655驾驶室乘人数：2+3整车备注：前伸750mm,后伸260mm.专用性能：1、我公司生产的高空作业车关键件靠性高，性能优良，使用寿命长。2、随车安装四个液压支腿，以保证整车在操作时的稳定性与安全性。3、高空作业车支腿与工作臂互锁，防止误操作过位。支腿跨距大，稳定性好，可同时或单独操作。4、具有限位功能，危险工况报警，安全性能卓越。5、我公司生产的高空作业车可双向360连续回转。目前国内市场上底盘的种类多、品种全，因为解放和东风系列底盘性能好，价格便宜，市场保有量大，在载重量围910t的中型汽车，选用的底盘多为解放和东风系列的产品。东风汽车有限公司生产的JX1060TSG23系列二类底盘是东风汽车有限公司长头九吨底盘，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JX1060TSG23底盘的部分参数列表。市场价格经济和在市场上的占有率高，因此，JX1060TSG23底盘是最佳选择，适合于高空作业车车改装设计，所以选择JX1060TSG23底盘作为本次设计汽车所用底盘。2.2 总体尺寸和主要参数确定2.2.1 尺寸参数的确定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与原车底盘尺寸相同，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。2.2.2 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10。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m0，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。高空作业车的整车整备质量约为： kg (2.1) 式中：底盘整备质量3000kg，工作装置质量1650kg2.2.3 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 (2.2)式中：mp乘员质量（kg），按每人65kg计。2.2.4 高空作业车平台作业工作状态图图2.2表示的是高空作业车的举升高度和水平作业范围，此设计的最大作业高度为12m，转台可以进行360旋转，可以进行大范围的作业，并且可以越过障碍物进行路灯的安装维修工作。工作台部分的最大载荷为400kg，并可以保持水平状态。图2.2 高空作业车平台作业工作状态图2.3 主要机构简述1、高空作业工作臂 高空作业工作臂包括上臂和下臂。行使状态时，两节工作臂折叠在一起，进行高空作业时，两节工作臂分别有上下臂油缸举升至一定高度，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。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。本高空作业车的工作平台采用钢管焊接框架结构，周围设有护拦，右侧护拦开有侧门，方便人员进出，平台底版采用防滑的花纹铝板，平台周圈下部设有护围，防止工具或其它物品掉落。3、回转机构回转机构由液压马达、回转减速机以及回转小齿轮、回转支承等组成。进行回转时，液压马达输出动力，通过回转减速机减速后带动输出轴上的小齿轮旋转，小齿轮与回转支承的的齿圈啮合，由于回转支承的齿圈与车架刚性连接，因而回转减速机带动与之相连的转台回转。4、起升机构 起升机构由液压马达和起升减速机组成。其工作原理是：起升液压马达驱动起升减速机旋转，带动滚筒将钢丝绳收进或放出，实现重物的提升和下降。5、动力系统高空作业车的动力源为底盘发动机，其动力由取力器从底盘变速箱取出。取力器和变速箱之间的动力传递由机械式操纵系统控制，平时取力器与变速箱取力齿轮处于断开状态，当进行高空作业或起重作业时，操纵拉杆使取力器的滑移齿轮与变速箱的输出取力齿轮啮合，取力器输出轴带动油泵工作，从而将发动机的机械能转为液压能，为系统提供动力。6、中心回转接头中心回转接头由导电滑环、液压滑环两部分组成，它的作业是当作业车进行回转动作时，作业车转动部分与固定部分的电路及液压油路始终保持畅通。7、液压系统液压系统采用定量齿轮泵供油，系统工作压力为16MPa，油路中设有安全溢流阀，保证系统安全。液压系统通过电液比例流量阀对工作臂油缸、回转马达和卷扬马达供油，供油量大小由比例阀控制，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。系统工作压力由溢流阀调定。支腿的收放由下车多路换向阀控制，下车多路换向阀可对各支腿的进回油油路分别控制，因此各支腿的伸缩量均可单独调节，使作业车能够适应不同的路面状况。为了增加液压系统的安全性，在下车附设了手动泵作为应急液压源，当主动力源发生故障时，可用手动泵压杆操纵手动泵收回工作臂。2.4 本章小结本章的主要任务就是确定高空作业车的总体参数以及二类底盘的选择。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JX1060TSG23这种底盘的参数进行分析，从而选择了JX1060TSG23底盘，将利用这一底盘实现本次的设计内容。另外还对高空作业车的主要机构进行简述。第3章 高空作业车总体设计 高空作业车由动力传动装置、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）和控制系统等组成。本章主要对高空作业车的各个机构的方案进行分析。3.1工作装置设计与分析高空作业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。3.1.1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5。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3.1（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3.1（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。(a) 伸缩式 (b) 折叠式 (c) 交叉剪式 (d) 套筒式图3.1 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3.1（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高空作业车上。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3.1（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（如立交桥下桥梁的维修与装饰），扩大了高空作业车的作业范围。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，结合本设计的技术要求，采用折叠臂式举升机构较交叉剪刀式和套筒式的工作范围大、越障能力好，且折叠式举升机构较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3.1（b）所示。3.1.2支腿机构支腿机构是大多数高空作业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5。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。4、蛙式支腿 图2.2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3.3）。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2.3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。图3.2 蛙式支腿图3.3 蛙式支腿的运动示意图5、H式支腿 如图3.4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3.4 H式支腿6、X式支腿 如图3.5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3.5(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3.5所示。（a） (b)图3.5 X式支腿3.1.3 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。回转平台，俗称为转台，它是构成轮式全回转起重机的三大承载结构件之一。常见的转台形式有:框架式、单板加肋式、单墙大箱式、箱形立板式和箱形积木式等。转台结构为高空作业车组成的重要组成部分,属于金属结构部分在设计的过程中要综合考虑转台的结构大小、转台的选材、以及转台受到的力的大小6 7。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6 7。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3.6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3.7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3.8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 图3.6 单排球转盘结构 (a) 外齿式 (b) 内齿式图3.7 双排球转盘结构 (a) 外齿式 (b) 内齿式图3.8 交叉圆柱滚子转盘结构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，最后确定高空作业车回转支撑机构选择交叉滚柱式。3.1.4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7。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3.9（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3.9（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3.9（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。图3.10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3.9(b)所示。3.1.5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8。在公路上进行作业的高空作业车，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。 (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3.9 作业斗的平衡机构3.2动力传动装置设计与分析3.2.1设计要求动力传动装置包括高空作业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。3.2.2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车上使用，如用于电力设施维修的垂直升降式高空作业车多采用这种形式。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5。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，使高空作业车获得好的作业性能。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高空作业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。3.3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。其中：举升机构选择折臂式；支腿机构选择H式支腿；动力传动装置选定为内燃机液压传动形式；作业平台选择平行四杆调平机构；回转支撑机构选择交叉滚柱式。控制系统采用机电液控制系统。第4章 工作装置设计计算4.1 举升机构设计4.1.1 设计步骤1、初步确定机架的形状和尺寸。2、根据机架的制造数量，结构型式和尺寸大小，初定制造工艺。3、分析载荷情况，载荷包括机架的设备重量，机架本身的重量，设备运转的动载荷等，对于高架结构，还要考虑风载，雪载等载荷。4、确定结构型式。5、画出结构简图。6、参照类似的有关规范，规程，确定机架结构所允许的应力。7、进行计算确定尺寸。4.1.2 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12。上臂和下臂在铅锤面内的运动范围为：中臂相对于回转台：075；上臂相对于下臂：0150。4.2 工作臂的结构设计和主要尺寸确定4.2.1工作臂金属材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A1A8八级。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。5、对三类载荷情况分别规定了不同的许用应力。第I类-按正常工作时的等效载荷进行疲劳强度计算。对A6A8工作级别的起重结构必须进行疲劳强度计算，对A1A5工作级别的起重机结构，一般可不进行此项计算。第II类-按工作时的最大的载荷进行强度和稳定性计算。第类-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。根据选材原则及规定：主要选用Q345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。如表4.1所示表4.1 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=1.5组合IInII=1.33组合IIInIII=1.15注：表中屈服点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Q345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=6mm。其屈服强度是:=345Mpa.根据工作时的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。4.2.2 工作臂尺寸确定经过验证计算确定上下臂的尺寸如下：如图4.1 所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，作业臂实际作业时通常在3075范围内。设计时仰角取75，在图4.1中，起升高度AC=15m。上臂+下臂：L1=AB下臂：L2=BC则由三角关系有：ABsin75+BCsin75=15即: (L1+L2) sin75=15L1+L2=15/sin75 L1+L2=15.53m （4.1）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：L1L2 （4.2）由(4.1)式和(4.2)式可以取上臂+中臂L1=8m,取上臂为1.4 m，中臂6.6 m，下臂L2=7.53m。图 4.1上中下臂举升至最高位置简图4.3 确定油缸铰点的位置图 4.2油缸铰接点位置简图4.3.1 确定上臂油缸铰点的位置取IK=50 mm IJ=70 mm4.3.2 确定中臂油缸铰点的位置取BE=1800mm BF=700mm则由三角关系可得: （4.3）
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