曲臂式高空作业平台及其液压系统设计

.摘要高空作业车是将高空作业人员和必要的工具送至空中，并提供工作人员空中作业场所的机械。起重机是一种能在一定范围内垂直起升和水平移动物品的机械，动作间歇性和作业循环性是起重机工作的特点。高空作业车主要应用于路灯、电力、交通、高速公路、造船修船、通信、建筑、园林、广告、机场、港口、有线电视等行业，使用面广、作业效率高、安全方便，拥有巨大的市场潜力。本课题主要是对其上车部分进行理论分析、计算并进行结构设计。高空作业车是由两个机械臂组成，合理确定其一些基本尺寸，运用理论力学知识对其受力分析，用材料力学知识进行强度校核，确定其他尺寸。根据负载条件，选择液压元件，设计液压系统。运用绘图软件Pro-e , CAD，画出零件图和装配图。关键字：起重机构；强度校核；液压系统；液压缸。AbstractThe aerial platform vehicle sends high rise operation personnel and the tool of the necessity to the air, and provide the staff member with the high rise operation amenity machine.The derrick is a kind of machine that cans be perpendicular in the certain scope to rise to rise to move a product with level, the action by fits and starts and the homework circulation are the characteristicses of the derrick work, can press the main use and the structure characteristic classification.It is widely used, efficient, safe and convenient. It has a great potential in the market. This article mainly finished the theoretical analysis, calculation and structure design .Aerial Work Platform is composed by two manipulators ,after reasonably determining some of its basic dimensions, making its force analysis according to theoretical mechanics, I use material mechanics knowledge to make its strength check, and decide the other dimensions. According to load conditions, I choose hydraulic components, design hydraulic system. Make use of the drawing software such as Pro - e, CAD, to paint parts graphs and assembly drawings.Keywords：jack mechanism； Strength check；Hydraulic system； fluid cylinder.目录1 绪论11.1高空作业车简介11.2 课题的来源和意义21.3 国内外的发展状况21.4 课题研究内容52 折叠机构工作原理和计算分析62.1折叠机构组成62.2 机构工作原理确定62.3 结构尺寸的确定72.3.1曲臂的受力分析72.3.2 参数的确定92.4可靠性分析92.4.1臂L强度校核112.4.2臂L强度校核132.4.3铰接旋转轴的强度校核163 行走底盘动力分析173.1非工作状态下底盘设计计算173.2工作状态下底盘设计计算183.3轴荷分配194 液压系统的设计214.1 液压系统的构成214.2液压系统设计概述214.3 设计依据224.4 主要机构简述224.5 主要工作机构液压回路的设计234.6上臂油缸的设计254.6.1 确定液压缸类型和安装方式254.6.2 确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸254.7下臂油缸的设计计算304.7.1 确定液压缸类型和安装方式304.7.2确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸30结论36致谢37参考文献38.1 绪论1.1高空作业车简介高空作业车作为一种工程机械设备，目前广泛应用在船舶、建筑、市政建设、消防、港口等行业，有着广阔的发展前景。我国高空作业机械的生产于20世纪70年代末开始起步，发展较快。现今，高空作业车已发展到其作业高度最高已到达72m(BRONTO公司生产)，且作业车的可靠性、安全性、舒适性、操作方便和简单的直接性等方面都有较大提高。高空作业车大体有折叠臂、伸缩臂、混合臂、自行式、剪叉式等五个系列， 东风小霸王高空作业车、东风多利卡高空作业车、东风145高空作业车，江铃高空作业车，庆铃高空作业车，奥铃高空作业车。 高空作业车的颜色以工程黄的颜色为主，不论是在白天和黑夜，黄色比较醒目。另提供多种选择。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起升，变幅，吊臂升缩和回转等机构组成，这些机构都靠液压系统驱动，实现作业要求。从安全性、可靠性角度看高空车不同于一般的工程机械, 其特点是作业频率不高, 负荷较小, 但要求安全性, 可靠性较高。因此, 高空车液压系统应具备紧急停止装置。高空车在各执行机构动作的终点位置设限位装置, 尤其是对于折叠臂式及混合臂式的高空车应设中臂限位装置, 以确保整车的稳定性。高空车的变幅系统和伸缩系统的速度必须加以控制, 以防止产生“超速”现象。在高空车的下车支腿液压系统中, 还须防止“软腿”及“掉腿”现象。高空作业车辆升降机构的稳定可靠是实现安全作业的必要条件之一,这类设备的升降机构大多采用臂式(如市政工程车辆、汽车起重机、飞机除冰车等)或剪式(如飞机食品车、残疾旅客登机车等) 升降机构,采用液压缸作为升降驱动力,液压缸需要随升降机构运动,因此液压缸与液压主回路须使用液压胶管连接。此时液压缸既作为升降时的动力,又作为施工作业时升降机构的支撑构件,因此液压缸及其连接管路对于整个系统安全起着非常重要的作用。高空作业车液压系统早期都是由汽车起重机的液压系统改造而成，外表一样而作业性能要求完全不一样，高空车液压系统的设计资料很少。随着液压技术的进步，近几年的高性能的液压控制阀不断出现，采用新型液压阀的液压系统的设计不断出现，下面就笔者在实际设计中的一种采用新的插装阀，设计的一种适合厂区作业，移动方便的自走式高空作业车的液压系统及系统计算做一论述。1.2 课题的来源和意义高空作业车主要应用于路灯、电力、交通、高速公路、造船修船、通信、建筑、园林、广告、机场、港口、有线电视等行业，使用面广、作业效率高、安全方便，拥有巨大的市场潜力。高空作业车除高空作业机构外还设有起重装置，一机多用。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起升，变幅，吊臂升缩和回转等机构组成，这些机构都靠液压系统驱动，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，我国近年来通过实行积极的财政政策和内需拉动等手段，加强和改善宏观调控，集中必要力量建设一批大型工程，高空作业车将有广阔的应用前景，将产生巨大的社会经济效益。1.3 国内外的发展状况国外高空作业车的起步较早，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。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。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。日本高空作业车的作业高度较低，小巧、灵活是其主要特点。日本高空作业车生产厂家高度集中，主要是AICHI（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，东急车辆公司生产高空作业车。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。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；2230m共13个，占6.5；1721m共66个，占33；1216m共102个，占51；11m以下14个，占7。所有产品中1216m的产品仍占优势，1721m占的份额也较大。近几年我国高空作业平台的发展主要表现在品种数量不断增加。十年前，我国高空作业平台产品以剪叉式、套筒油缸式等产品为主，产品的移位大都靠手推为主。随着国民经济和城市建设的发展，需求量逐年增加，新产品增加较快。如单桅柱铝合金平台、双桅柱铝合金平台、车载剪叉式平台、剪叉式平台、折臂式平台、箱型截面铝合金桅柱平台、自行式剪叉式平台、蜘蛛式高空作业平台和自行式曲臂、直臂平台等产品相继开发成功。折叠臂式高空作业车仍然是市场主流产品，但市场份额将逐步下降，伸缩臂和混合臂式高空作业车将以无可替代的优势占据市场半壁江山。折叠臂式高空作业车由于市场保有量大、用户熟悉、价格低廉、维护简单等优势仍然会成为市场主流产品，但需在安全性和人性化方面改进提高；伸缩臂式高空作业车将以其作业效率高、操作简单、安全性好等优势得到快速发展，作业高度在1828m之间的将成为主力产品；混合臂式高空作业车既有折叠臂式跨越障碍能力，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无比优势，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；采用越野底盘的高空作业车也将成为一个新的产品方向。杭州赛奇高空作业机械有限公司近几年先后开发了单桅柱铝合金平台、双桅柱铝合金平台及多桅柱铝合金平台，其中多桅柱铝合金平台完成了10m、12m、14m、16m、18m、20m、22m七种规格的研制，完成了自行式桅柱铝合金平台和防爆型桅柱铝合金平台的研制。浙江鼎力机械有限公司完成了自行式单桅柱、自行式双桅柱铝合金平台及剪叉自行式平台以及自行剪叉式升降平台、自行式伸缩臂平台的研制。湖南运想重工科技有限公司、徐州重型机械有限公司、湖南星邦重工有限公司、北京京城重工有限责任公司开发了全液压底盘驱动的40m自行式高空作业平台，为国内船舶修造、建筑、机场及工矿企业的安装检修等工程提供了新的品种，并在短短的几年里先后开发了10多种系列的高空作业平台产品。杭州爱知公司、徐州海伦哲公司开发完成了绝缘型高空作业车，其产品的工作斗耐电压20kv/5min，工作斗内衬耐电压50kv/5min，绝缘臂耐电压可达到100kv/1min。沈阳北方交通重工集团完成54m高空消防救援车的研制。徐州重型机械有限公司先后完成了2268m大高度高空消防救援车的研制，目前正在开发研制80m高空消防救援车。中联重科目前正在开发研制100m以上高空消防救援车。图1 北方交通高空作业车车上的任何技术设备，都需要维修和保养。保养的范围和次数根据高空作业车的工作状况而决定。按照保养规则和保养时间间隔不同，分三个保养范畴。保养预备工作和保持工作可靠性的要求都在保养手册里论述。检查和保养需要纯熟的技术。这些不能在说明书里得到，要进行这项工作，建议派人到疾驰维修站培训。为保持维修好，要有纯熟的经验，工厂的技术资料，车间设备和维修工具。由维修站把一个提醒维修工作的牌子，附在司机座位的门边。任何修理和保养都要根据高空作业车的工作情况而定。要把润滑油、燃油、冷却水放在盆里或类似的容器里，不要放在地面上（环境污染）不要长时间开动发动机，在车上操作时，要注重安全规则。关于润滑，使用黄油枪的最高压力不超过400巴。黄油枪没有安全装置，可能损坏轴承，球形接头，油封等。加油前要注重清洁润滑油嘴，旋出放油塞之前，要注重清洁之。润滑的专用设备，按照制造厂的说明书进行。所需的专用工具，诸如一套通用工具和扭力扳手等工具都可由维修站备件部门供应。所有维修站都储有供维修和保养所需的原配件，保证迅速供应世界和地用户原配件。在中央设备仓库，储有二十多万不同的配件。旧型号高空车的配件更多。高空作业车使用原配件，可保持高空作业车的最佳功能及可靠性，这些部件可经得起最高质量的检查。特殊是各部件的研制、制造，或选择都适用于高空作业车。因此，只能使用原配件。 （一）翻转驾驶室 ，留意：翻转驾驶室 -使发动机熄火； -降下保险杠上的防护装置 ；-为确保安全，清理驾驶室前部范围和变速杆。 向前翻转： 1.把变速杆置于空挡。 2.短驾驶室，解除司机座和助手座位后面的锁定机构。长驾驶室，解除司机座后面的锁定机构。 3.确实关住两侧车门和前保护栏板。 4.按翻转方向移动液压阀杆。 5.作用液压泵，直到驾驶室翻转到最适当位置。 留意：假如液压驾驶室翻转装置有故障，或者没装有这个装置，从变速器拆下变速杆，用外部辅助设备翻转驾驶室（一个起重机）。 翻回驾驶位置： 1.向翻转方向移动液压泵阀杆。 2.作用液压泵，直到驾驶室翻转回到驾驶位置。 注：对短驾驶室，要把橡胶垫准确地放在叶子板与车架的接触处。必要时，校正橡胶垫。对长驾驶室，连续作用液压泵，直到感到有很大阻力为止。 3.短驾驶室，锁闭司机座和助手座后面的锁定机构。长驾驶室，检查司机座后面的安全杆位置。 4.向前压变换械杆，直到变速杆接合。 注：高空平台车工作时，驾驶室翻转泵上的阀杆，要指向驱动方向。 当作用驾驶室外翻转泵时，假如感到没有阻力：检查驾驶室翻转泵是否有足够的油量。当作用驾驶室翻转泵时，假如感到有很大阻力.（二）润滑翻转驾驶室轴承 ，长驾驶室轴承，要定期使用多用途润滑脂。润滑时，要把驾驶室向前翻转。 检查驾驶室锁定是否解除，驾驶室翻转泵上的阀杆是否指向所需的翻转方向。 发动机 机油和滤清器的更换， 高空作业车长距离行驶后，趁机油还热较稀的时候，更换机油。 放出发动机和机油滤清器壳里的机油，卸下滤清器壳的中央螺栓，取出滤芯及滤壳，放出存油并用汽油清洗。 每次更换机油，换上滤芯和滤壳与盖之间的衬垫。检查所有密封环是否准确密封和有无损坏，必要时，更换之。清洗耳恭听放油塞。 滤芯弹簧必须对准滤清器壳。把滤壳垂直对冷滤清器支架，向上推之。然后，用手或扳手上紧中央螺栓。 灰尘分离阀的保养，定期倒空进气管路的灰尘分离阀。在积聚灰尘我的情况下，每周清除一次。灰尘特殊严峻，天天都要清除。要倒空，压缩橡胶波纹管。 油封的准确安装很重要。要留意按规定的扭力上昆机油滤清器壳。旋入并上紧放油螺塞。观察紧定扭力。把机油注入发动机。转动发动机（不超过20秒），直到机油压力表指示机油压力，此时，要作用排气制动，防止发动机起动。 注意：如果压缩空气系没有供应压力，把驾驶室向前翻转，使喷油泵控制杆移到停止位置，推动发动机上的起动器按钮。 使发动机怠速一会，检查机油滤清器是否泄漏，五分钟后关住发动机，并检查发动机机油平面，重新把机油注到油标尺上标记。纸质式空气滤清器的检查和保养，检查422、423发动机，发动机预热后，全开油门（加速踏板全部压下），观察保养指示器，如果约色区域全部可见，清洁或更换滤芯。 422A，422L A发动机 如果保养指示器全部红色区域都可看到，清洁或更换滤芯。带两个转向前桥和大驾驶室的高空作业车配件：1.如果保养指示器的红色区域完全可见，推动按钮，除去红色区域。2.全速开动发动机（油门踏板全部压下），观察保养指示器。如果红色区域出现，清洁或更换滤芯。 3.推动按钮，清除红色区域。 清洗： 1.松开固定螺帽，取出滤芯。2.盖住滤芯内部，用最大5巴的压缩空气沿滤芯外部折叠方向吹气。然后，注意吹滤芯里面。这样清洁不够彻底，也可用清洁剂清洗滤芯。如若清洗，要严格按下列安全规则进行。2.使用制造厂的清洁剂。任何疾驰维修站将予提供，如果没有制造厂的清洁剂，也可使用无泡沫变通清洁剂。注意：制造厂的滤清器清洁剂有很强的去油作用，使用时，戴上橡皮套或涂上皮肤保护膏，以保护手。约不要使用碱液或热液。3.把滤芯浸入约40的清洁液中10分钟。然后在清洁液中洗耳恭听涤五分钟，再用干净的水冲洗，甩抻滤器上的水后，然后，放到隔尘室里使其干燥（约60）。只有彻底干燥，才能安装。4.清洁滤清器衬垫与滤清清器壳的封面。5.装上滤芯之前，用检查灯检查已清洁的滤芯和衬垫有元损坏（裂纹、针孔）。更换已损坏的滤芯。6.注意在滤芯面上标记清洁的次数，装上滤芯并上紧固定螺帽。清洗三次，或最多两年后，要更换滤芯。灰尘沉积在进气管道，表明进气系统有泄漏现象，应立刻排除之。 （三）油浴式空气滤清器的保养，定期检查空气滤清器的油平面。如果有大量的灰尘进入空气滤清器，要每周检查一次，如若灰尘很多，天天都要检查。始终保持油平面达到标记，至少高于油壳底部形成油泥层5毫米。如果空气滤清器污物增多，更换机油。进入不干净的空气将导致加速活塞和汽缸的磨损。用柴油清洗空气滤芯和滤壳，并用压缩空气吹干（彻底干燥）。把发动机油注入滤器壳，直至注到上标记。装配空气滤清器时，检查其密封状况，如果必要，更换之。灰尘沉积在进气管道，表明进气系统有泄漏现象，应立刻排除之。（四）飞轮齿圈的润滑，定期润滑飞轮齿圈。使用长效润滑脂经检查孔逐一润滑齿圈润滑点。（五）正时齿轮驱动动力轮输出轴，按照保养手册里的说明，检查弹性联接器橡胶块是否裂纹和损坏。固定螺栓是否紧定。观察扭力，有关橡胶块的更换，参看故障判定。 （六）气缸盖罩的拆下和安装，拆下汽缸盖罩之前，要清除上面的灰尘。更换变形严峻或损坏的汽缸盖衬垫和紧定螺栓下的弹簧垫圈。观察紧定扭力。（七）气门间隙的调整，用厚薄规在冷发动机，检查摇臂与进排气门杆之间的间隙。（发动机熄火后20分钟检查）在点火上止点时，进排气门同时关闭，调整第一缸气门间隙（进排气门间隙）。重叠检查：进排气同时稍为打开（重叠）时，汽缸活塞应燃烧完毕。422发动机：1、6、2、8、3、5、4、7气缸活塞。 423发动机：1、7、2、9、3、6、4、10、5、8气缸活塞。松开埋头螺母，转动调整螺钉，调整气门间隙。调整后，重新上紧埋头螺母，并再检查一次气门间隙。使用专用工作转动曲轴。气门间隙参看技术数据。1.4 课题研究内容（1）对整机的结构进行了设计，把整机分为了几大系统：（2）对底盘系统进行了设计计算：（3）对于实现运动的曲臂结构进行了设计，同时对于结构的强度进行了验证：（4）对于机器的液压系统进行了设计。2 折叠机构工作原理和计算分析2.1折叠机构组成曲臂式高空作业平台的折叠机构主要有以下几个部分组成：一级折叠臂、二级折叠臂、一级折叠油缸、二级折叠油缸、作业平台。机构如图2.1所示：图2.1 折叠机构2.2 机构工作原理确定依照设计要求，作业平台的额定升降高度为4米，额定作业高度是4.7米，则本工控作业平台属于低空作业高度，平台的原理图如图2.2：图2.2 工作原理图2.3 结构尺寸的确定两机械臂中间铰接 ，构成一个二杆开链，该二杆机构一端自由，一端铰接在机架上，在两个液压缸给定的推力下，有确定的运动 。由于在载荷作用下，高空作业车有一定的强度要求。运用理论力学知识对上悬臂进行受力分析，建立简化的力学模型，使其合力，合力矩为零，处于静平衡状态，运用材料力学知识对其危险部分进行强度校核。保证高空作业车在给定载荷作用下正常工作。2.3.1曲臂的受力分析机械传动结构设计，已知最大起重量为160kg，其可靠性设计过程如下：（注意，）运用理论力学知识，对上臂进行受力分析：X轴方向的受力平衡： （2.1）Y轴方向的受力平衡： （2.2）对铰接点的合力矩为零： （2.3）通过其它参数可以求得 F , F;（图2.3中）图2.3上臂受力图同理，运用理论力学知识，对上臂进行受力分析：X轴方向的受力平衡： （2.4）Y轴方向的受力平衡： （2.5）对铰接点的合力矩为零： （2.6）图2.4中。图2.4下臂受力图2.3.2 参数的确定由以上的分析确定各主要机构参数尺寸，取曲臂1为1.5米，曲臂2为2米，并且曲臂1和曲臂2的活动角度都为60度。2.4可靠性分析材料选为合金钢 20CrMnTi，根据其力学性能，运用材料力学的知识对其分析。见图2.5：图2.5上臂与上臂液压缸位置关系图L1，L2水平位置时， （2.7） 时由式（2.7）得，在图2.6中图2.6下臂与下臂液压缸位置关系图 （2.8） 如图2.7液压缸伸长后 （2.9） （2.10）得H=2 （2.11） 如图2.7图2.7高空作业车上车机构简图2.4.1臂L强度校核易知液压缸g与臂L相交处的L臂处的截面易折断，是危险截面，对危险截面进行受力分析：如图2.8图2.8上臂危险截面受力分析图根据其受力平衡可知其载荷之和与合力矩之和为零； （2.12）M= （2.13）M对危险截面的弯矩 （2.14）危险截面的正应力 （2.15）危险截面的切应力 （2.16）由弯矩引起的应力值根据材料力学的知识，有上臂断面上部处应力分析： （2.17）上臂断面上端所受正应力 （2.18）上臂断面所受的切应力见图3-2-3，形心坐标公式有： （2.19） 对y轴的形心坐标=0.043m对z轴的转动惯量：= =1.324代入得根据第三强度理论： （2.20）代入不等式后，当605.1 0 ,所以有以下关系：取L臂与支座铰接处旋转轴直径 d=1.7m,强度足够。3 行走底盘动力分析总布置设计人员应初步确定以下各种参数，作为整车和总成的原始数据和工作目标。在整车的方案(车头、驾驶室的型式、发动机的种类，整车初步的外廓尺寸、主要布置参数和布置草图)初步确定之后，整车设计人员通过图面工作和计算、初步确定如下目标参数：汽车主要尺寸参数、汽车质量参数、主要性能参数、汽车的机动性参数、估算发动机的最大功率、最大扭矩及其对应的转速、变速器的头档速比和档位数和驱动桥的主减速比。图2.1 高空作业平台底盘3.1非工作状态下底盘设计计算整车整备质量(自重) 按下式计算： （3.1）式中 No用估算整车整备质量的全部总成数量(总成的划分可根据实际情况由设计人员自定)；整车装备质量，kg。空车后轴荷按下式计算： （3.2）式中 L轴距， mm；空车后轴荷， kg。 空车前轴荷Mci按下式计算： 式中 Mcf空车前轴荷， kg。空车质心高度mgo按下式计算： （3.3）式中 空车质心高度， mm。3.2工作状态下底盘设计计算整车最大总质量(总重)按下式计算：N1用于估算整车最大总质量的全部总成和负载的数量(一般在整车整备质量基础上加上乘员和最大装载质量)。满载后轴荷按下式计算： 式中 满载后轴荷，kg。 满载前轴荷按下式计算式中 满载前轴荷，kg 满载质心高度按下式计算： 式中 满载质心高度，mm。 3.3轴荷分配在确定汽车的轴荷分配时，还要考虑汽车的静态方向稳定性和动态方向稳定性。根据理论分析，汽车质心位置到汽车中性转向点的距离s对汽车的静态方向稳定性有决定性的影响。这个距离可由下式计算得到： （3.4）式中 ，分别为汽车质心离前、后轴的距离。和取决于轴荷分配，；两个前轮的轮胎侧偏刚度之和，N/rad；后轮的轮胎侧偏刚度之和，N/rad；汽车全部轮胎的总侧偏刚度之和，N/rad；当s0时，亦即当L1Ca1L2Ca20时，汽车具有过度转向特性。此时存在着一个临界车速，低于此车速时，汽车的行驶时稳定的，高与此车速，则汽车就不能稳定行驶。在汽车设计时一般希望汽车具有适度的不足转向特性。为此，要很好地匹配上述参数，使L1Ca1L2Ca20汽车动态方向稳定性的条件是 （3.5）式中，K稳定性因素； v汽车车速，m/s； L轴距，m。4 液压系统的设计4.1 液压系统的构成 GKZ系列车型采用折叠式工作臂结构，工作装置为液压驱动，360全回转。除高空作业机构外，GKZ系列车型还设有起重装置，一机多用。该系列车分为底盘（简称下车）和起重工作装置、高空作业装置（简称上车）两大部分。底盘的作用在于转移整机装置的作业场所，在起重或高空作业时用于支承上车，保持整机的稳定。起重工作装置和高空作业装置主要由起升、变幅、吊臂伸缩和回转等机构组成，起升机构和吊臂伸缩机构属于起重装置部分, 变幅机构和回转机构属于高空作业装置部分，这些机构都靠液压系统驱动，实现作业要求。液压系统元件按构成类型可以分为动力元件、执行元件和辅助元件等。在此次液压系统设计过程中，将构成作业车主要工作机构的液压回路分成起升机构、变幅机构、回转机构、吊臂伸缩机构和支腿收放这几部分。其中起升机构和回转机构由液压马达控制，吊臂伸缩机构和上下吊臂的变幅由液压缸控制,在此次设计中主要是对这两部分进行液压设计，而支腿是用于支撑整机，同时调整整机平衡，支腿收放部分的液压设计在此次设计中不加以考虑。4.2液压系统设计概述液压系统有传动系统和控制系统之分,本次设计中所说的系统设计主要是针对传动系统设计而言,主要是确定整个高空作业车的液压回路,以及其间主要执行元件、控制元件等的主要尺寸和基本性能参数。其实从结构组成和工作原理来看，传动系统和控制系统并无本质上的区别，仅仅一类以传递动力为主，追求传动特性的完善，其执行元件用来驱动某个控制元件的操纵装置（例如液压泵、液压马达的变量机构、控制阀的阀心等）而已。因此，传动系统的设计内容和方法只需略做调整，即可直接用于控制系统的设计。系统的设计除应满足主机要求的功能和性能外，还必须考虑符合质量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、使用维护方便等一般要求及工作可靠这一特别重要的要求。系统设计的出发点，可以是充分发挥其组成元件的工作性能，也可以是着重追求其工作状态的绝对可靠。前者着眼于效能，后者着眼于安全；实际的设计工作则常常是这两种观点不同程度的组合，考虑具体要求不同而有所侧重。4.3 设计依据此次液压系统设计以徐州海伦哲工程机械有限公司研制开发 “GKZ14型高空作业车” 为模版，主要依据机械设计手册4里液压传动系统设计步骤和方法4，以及起重机机设计手册里起重机液压部分设计步骤和方法。4.4 主要机构简述一 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。二 起重工作臂起重工作臂由基本臂和伸缩臂组成。高空作业工作臂兼做起重基本臂。伸缩臂由伸缩油缸控制，不工作时，回缩至基本臂内部，进行起重作业时，伸缩臂根据需要的起重幅度和起升高度进行伸缩。三 工作平台（工作吊篮）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。GKZ系列车型的工作平台采用钢管焊接框架结构，周围设有护栏，右侧护栏开有侧门，方便人员进出，平台底板采用防滑的花纹铝板，平台周圈下部设有护围，防止工具和其它物品掉落。四 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，输出流量和负荷变化无关，可使系统达到稳定的工作速度，并且能够实现无级调速。系统工作压力由电磁溢流阀调定。支腿的收放由下车多路换向阀控制，下车多路换向阀可对个支腿的进回油分别控制，因此各支腿的伸缩量均可单独调节，使作业车能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。五 电器系统电气系统包括示廊灯、警示灯、照明灯（可选件）等灯具、上臂限位系统、下臂限位系统、上下车互锁系统、蜂鸣器、转台控制箱和吊篮控制箱等部分。示廊灯和汽车行车灯并联，表示该车的轮廓。警示灯为夜间工作时显示吊篮位置，提醒过往车辆和行人。照明灯在夜间工作时起照明作用。当支腿油缸支起，下臂离开原始位置后，系统自动切断支腿油缸的回油油路，确保高空作业时支腿油缸不会因误操作而收回。上、下臂限位行程开关限制上、下臂最大仰角，当工作臂举升至最大仰角时，行程开关自动接通蜂鸣器，提醒操作者注意，同时系统切断油缸进油路，使工作臂不能继续举升，但工作臂的下落不受影响。蜂鸣器受蜂鸣器按钮和上、下臂限位行程开关控制，在作业车开始作业及工作臂处于极限位置时起警示作用。转台控制箱与吊篮控制箱的设置，使得全车即可在转台处操作，又可在吊篮处操作，两处操作具有互锁功能，不能在两处同时对高空作业车进行操作。4.5 主要工作机构液压回路的设计该高空作业车工作下臂兼做起重基本臂，伸缩臂由伸缩油缸控制，不工作时，回缩至基本臂内部，进行起重作业时，伸缩臂根据需要的起重幅度和起升高度进行伸缩。该伸缩臂式起重机可采用单液压缸或双液压缸变轴，变幅机构由液压马达驱动，其液压回路与起升机构相同。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家度，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。液压回路设计：图4.1 液压回路电磁换向阀：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，保持稳定，附加的单向阀功能，密封性好，在管路损坏或制动失灵时，可防止重物自由下落造成事故。以下简述动作分析过程： 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边的节流阀再流出。当电磁换向阀置于右位时，油液经右边的单向节流阀和平衡阀到达液压缸的右腔，推动活塞杆向左运动，左腔的油液的经左边的平衡阀和单向节流阀流出。当电磁换向阀处于中位时，液压缸不运动13。右边液压缸的控制过程如上。4.6上臂油缸的设计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。4.6.1 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4表23.639,选择液压缸类型为单杆活塞式双作用液压缸4。下图为单杆活塞式双作用液压缸示意图：图4.2 液压缸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，按机械设计手册4表23.640 液压缸的安装方式，选择合适的安装方式4。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。查机械设计手册4表23.6-40 液压缸的安装 (P23-176)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。4.6.2 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D 计算公式： =3.57 （4.1）式中 -液压缸内径（m）；-液压缸推力（kM）；-选定的工作压力（MPa）。其中的计算过程如下：当高空作业车上下臂处于如下状态时，如图3.1.2。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 受力分析 （4.2）其中:-上臂自重,由计算为7.5310。-上臂长度，为5.950m。-高空作业车吊篮最大承受力，由计算知为2.0。-点到力的垂直距离，由计算得=1.796m。代入公式(4.2)得: 将,代入式(3.1),得: 按机械设计手册4表23.6-33给出的缸筒内径尺寸系列圆整成标准值4。表23.6-33 液压缸内径尺寸系列(摘自GB/T23481993) () 840125（280）1050 （140）3201263160（360）1680（180）40020（90）200（450）25100（220）50032（110）250即取:2)活塞杆直径的计算根据速度比的要求来计算活塞杆直径 (4.3)式中 -活塞杆直径();-液压缸直径();-速度比 -活塞杆的缩入速度;-活塞杆的伸出速度。此处，取液压缸的往复运动速度比为1.46,由机械设计手册4表23.6-57(P23-191)4查得: (4.4)将代入式(4.4) 得:查机械设计手册4表23.6-34 液压缸活塞杆外径尺寸系列（摘自GB/T2348-1993）4表23.634 液压缸活塞杆外径尺寸系列 (摘自GB/T 23481993) ()420561605226318062570200828802201032902501236100280144011032016451253601850140取液压缸活塞杆外径尺寸如下：。3)液压缸行程的确定由于上下臂工作状态最大夹角为,如下图所示：图4.4 上下臂夹角示意图上下臂铰点位置如上所示,代入数据可求出线段的长度,由此长度计算上臂油缸的最大行程,计算过程如下:查机械设计手册4表23.6-35 液压缸活塞行程第一系列()4。表23.635 液压缸活塞行程第一系列()摘自(GB23491980)2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000由以上条件取S值如下: 。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: （4.5）式中 -液压缸缸筒厚度();-试验压力()。取，即，。-液压缸内径（m）；-刚体材料的许用应力（），取。代入式（3.5）中，得：（2）缸体外径的计算 (4.6)代入数据得:查机械设计手册4表23.6-60(P23-192)圆整液压缸外径为1054。（3）流量的计算由原始数据得,上臂的变幅时间小于等于40,且由上面计算可知液压缸活塞杆的行程为1000,则,液压缸活塞杆运动的最小速度13。查机械设计手册4表23.4知:,取最大为0.12。即，液压缸活塞杆运动的最大速度为： 则液压缸流量4.7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。4.7.1 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4表23.639,选择液压缸类型为单杆活塞式双作用液压缸。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。 与上一个液压缸相似，查机械设计手册4表23.6-40 液压缸的安装 (P23-176)选择耳环型安装方式4，这种安装方式使液压缸在垂直面内可摆动,满足下臂动作要求。4.7.2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D 计算公式：=3.57 （4.7）式中 -液压缸内径（m）；-液压缸推力（kM）；-选定的工作压力（MPa）。其中的计算过程如下：当高空作业车上下臂处于如下状态时，如图3.2.1。上臂液压缸所受的力最大。此时，上下臂夹角为，下臂水平放置，上臂抬起与下臂成夹角。图4.5 受力分析把上下臂当成一个整体，将所受力对点取矩9，得： （4.8）其中: -上臂自重,由计算为7.5310。-高空作业车吊篮最大承受力，由计算知为2.0。-下臂自重,由计算知其值是。-点到力的垂直距离。-点到上臂重力的垂直距离。-点到下臂重力的垂直距离。-最大起重量，由计算得。-点到力的垂直距离，为5.6。已知上下臂夹角为，上臂长为5.950,下臂长为5.6,且已知上下臂上各铰点位置,通过计算得:;。其中为点到力的垂直距离，计算过程如下所示：已知尺寸如下图所标示18。图4.6由此计算得: 。将所得数据代入公式(4.8)得:将,代入式(4.7),得: 按机械设计手册4表23.6-33(P23-173)给出的缸筒内径尺寸系列圆整成标准值。即取：。2)活塞杆直径的计算 根据速度比的要求来计算活塞杆直径 (4.9)式中 -活塞杆直径();-液压缸直径();-速度比-活塞杆的缩入速度;-活塞杆的伸出速度。此处，取液压缸的往复运动速度比为1.46,由机械设计手册4表23.6-57(P23-191)4查得: (4.10)将代入式(3.4) 得:查机械设计手册4表23.6-34 液压缸活塞杆外径尺寸系列（摘自GB/T2348-1993）4取液压缸活塞杆外径尺寸如下：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10。如下图所示：图4.7如上图(3.2.3)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：。查机械设计手册4表23.6-35 液压缸活塞行程第一系列(),由以上条件取S值如下:。4)液压缸结构参数的计算(1)缸筒壁厚的计算4按薄臂筒计算: （4.11）式中 -液压缸缸筒厚度();-试验压力()。取，即，。-液压缸内径（m）；-刚体材料的许用应力（），取。代入式（3.5）中，得：（2）缸体外径的计算 (4.12)代入数据得:查机械设计手册4表23.6-60(P23-192)取液压缸外径为2004。（3）流量的计算由原始数据得,下臂的变幅时间小于等于40,且由上面计算可知液压缸活塞杆的行程为800,则,液压缸活塞杆运动的最小速度13。查机械设计手册4表23.4知:,取最大为。即，液压缸活塞杆运动的最大速度为：则液压缸流量结论本设计是对高空作业车上车机构的设计，通过功用分析，机构运动分析，对上车机构进行设计，尺寸确定，强度校核，在严谨的计算的基础上，对液压系统进行分析，对液压元件科学选用，设计液压系统。高空作业车的设计关键在于强度校核，这是安全的前提，液压系统要可靠的使用寿命。高空作业车普遍用于高空作业，可靠地设计是安全的重要保障！在设计过程中，起重机构与高空作业机构结合在一起，相互制约又相互独立。高空作业机构的下臂作为起重机构的基本臂，两机构的动作又相互独立。在液压系统设计过程中，各个动作由不同的执行元件来控制。同时又在系统中加入安全控制部分，例如安全阀的加入，当回路中压力过大时可使油液溢流，使整个系统中压力维持恒定。手动换向阀的加入，在系统油路出现问题时可以直接按动手柄切断油路，使机构停止动作，防止事故的发生。今后要扎实掌握所学知识，运用科学的运算，设计出高强度，结构优化的工程产品，要深入实践，观看高空作业车产品，要认真翻阅和查找相关设计资料，制定科学的设计计划，踏实完成设计任务。尤其是工程图的绘制要愈加细心！致谢参考文献1.周秋等,现代工程机械应用技术，国防科技人学出版社，2001年。2.单斗液压挖掘机第二版、同济大学主编，中国建筑工业出版社1986年12月。3.曹善华等,单斗挖掘机，机械工业出版社，1989年11月。4.机械设计手册编委会,机械设计手册4,机械工业出版社,2004年8月。5.计算机辅助设计，机械工业出版社，1994年10月。6.西北工业大学机械原理教研室编，机械设计，高等教育出版社，1984年。7.芮丰1YM128 型自动卷染机液压比例系统液压气动与密封,1999(6)。8.陈忠强,芮丰1 A10VSO 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