剪叉式高空作业平台

1绪论1.1 概述高空作业平台是一种将作业人员、工具、材料等通过作业平台举升到空中指定位置进行各种安装、维修等作业的专用的高空作业机械。高空作业平台相关产品主要有：剪叉式高空作业平台、车载式高空作业平台、曲臂式高空作业平台、自行式高空作业平台、铝合金高空作业平台、套缸式高空作业平台六大类。用高空作业车进行高空作业时一种先进的登高作业方式，其发展与国民经济的发展水平密切相关，据国外高空作业机械专业杂志Access International报道，经济越发达，高空作业车的需求量就越大，并且单位 GDP 需求量也越大。与发达国家和地区相比，我国不仅单位 GDP 需求量小，而且单位 GDP 需求量与GDP 的比例也低，这说明高空作业车的市场需求量既与经济规模有关，又与经济发达程度有关，这样表明了高空作业车在我国有非常广阔的发展前景。剪叉式高空作业平台是用途广泛的高空作业专用设备。它的剪叉机械结构，使升降台起升有较高的稳定性，宽大的作业平台和较高的承载能力，使高空作业范围更大、并适合多人同时作业。它使高空作业效率更高，安全更保障。剪叉式高空作业平台分固定剪叉式，移动剪叉式，自行剪叉式，车载剪叉式 。1.2 国内情况我国高空作业车行业起步较晚，自 20 世纪 60 年代开始研制，70 年代才推出商业样机，随着改革开放的深入，逐渐引入国外高新技术及其产品，开始在市政、园林、电力等行业推广使用，但最大作业高度只有 35m，且功能单一。在高空作业车产品中，目前只有杭州爱知、徐州海伦哲等 30 家企业生产。最大作业高度只有杭州爱知和徐州海伦哲达到 35m，与欧美的差距较大。限制这一行业发展的主要因素是大高度复杂截面混合臂架技术、安全技术、智能化高效控制技术、可靠性等，缺乏前瞻性研究，缺少向更大高度发展的技术支撑。2中国高空作业机械设备行业发展很快，但也存在一些值得关注的问题。主要是部分企业技术创新能力较差。一部分企业不重视产品的更新和新产品的开发，产品品种规格单一、市场经营范围窄，产量逐年下降，企业效益不佳。大高度产品和特殊产品依然以进口为主，如高空绝缘作业车、蜘蛛式大高空作业平台、自行式高空作业平台等，国内产品还有很多空白。 另外，国内高空作业机械设备的基础零部件配套水平较差，产品的基础零部件配套生产厂家少，规格品种少，电气元件、液压元件、动力部件的性能和使用可靠性还不高，这也影响了国内产品的开发。 1.3 国外情况欧美等发达国家和地区，高空作业车发展起步较早，从 20 世纪 20 年代就开始研制，已有近百年的发展历史。产品技术水平高，作业高度大，规格齐全，结构形式丰富，功能多样。总体上看，技术和市场均已很成熟，典型产品具有高空作业、抢险、救援、消防等功能，最大高度已经超过 100m，具有各种安全保护措施，适应在各种场地作业。高空作业车的主要制造商欧洲以 RUTHMANN、BRONTO、CTE、OILT上式中：H任意位置时升降平台的高度；C任意位置时铰接点 F 到液压铰接点 G 的距离；L支撑杆的长度；支撑杆固定铰支点 A 到铰接点 F 的距离；lT机架长度（A 到 G 点的距离） ；9活塞杆与水平线的夹角。以下相同。将（2）式代入（1）式，并整理得。 （3）221/()HLTCll设 代入（3）式得00/,/,H。 （4）221/200()TlLlCC在（4）式中，升降平台的初始高度；0H液压缸初始长度。双铰接剪叉式升降平台机构的运动参数计算：图 2-4 运动参数示意图图中， 是 F 点的绝对速度； 是 B 点绝对速度； 是 AB 支撑杆的速度；VV1是液压缸活塞平均相对速度； 是升降平台升降速度。由图 3 可知：1 21011112,sin()sin(),coscs,in()FBVllLlVV（5）1si()Ll。在（5）式中，液压缸活塞平均相对运动速度；1V升降平台升降速度；2支撑杆与水平线的夹角。以下相同。2.2.3 双铰接剪叉式升降平台机构的动力参数计算图 2-5 动力参数示意图图中，P 是由液压缸作用于活塞杆上的推力，Q 是升降平台所承受的重力载荷。通过分析机构受力情况并进行计算（过程省略）得出：升降平台上升时11coscosincostantan()( )sin()22icosQLfLbfbPbfl ； （6）升降平台下降时 coscosincostantan()( )sin()22icosQLfLbfbPbfl ； （7）（6） 、 （7）式中，P液压缸作用于活塞杆的推力；Q升降平台所承受的重力载荷；f滚动摩擦系数；b载荷 Q 的作用线到上平板左铰支点 M 的水平距离。由于滚动轮与导向槽之间为滚动摩擦，摩擦系数很小（f=0.01）,为简化计算，或忽略不计，由（6） 、 （7）式简化为：。 （8）cosin()PLl2.2.4 剪叉式升降平台机构设计时应注意的问题由式（5）和（8）可知：当 、 增大时， 值随之减小；当 、 减小21/V时，P/Q 值随之增大。在确定整体结构值随之减小；当 、 减小时，P/Q 值随之增大，在液压缸行程不变的情况下，升降平台升降行程会减小；反之，则会使液压缸行程受力增大。因此设计时应综合考虑升降行程与液压缸受力两个因素。在满足升降行程及整体结构尺寸的前提下，选取较高的 、 初始值。而且在整个机构中 AB 支撑杆是主要受力杆件，承受有最大的弯矩，所以应重点对其进行强度校核。液压缸可采用单作用缸也可以采用双作用缸，不过要看具体情况。这里我们选用双作用柱塞缸，以便于在平台下降时可以控制速度。122.2.5 双铰接剪叉式升降平台机构中两种液压缸布置方式的分析比较液压缸驱动的剪叉机构再各种升降台中广泛应用，因安装的空间不同，其折合后的高度也必然就不同，所以液压缸在剪叉机构内的布置要受到折合后高度的约束。根据文献甘肃工业大学学报的有关液压缸驱动剪叉机构的运动学及动力学分析一章，得知在这种布置方式的情况下，如图：图 2-6 液压缸布置在左侧液压缸活塞运动速度与台面升降速度的关系式为（1） 2cos2in()yalv vl活塞推力与台面荷重的关系式为（2） 2cossin()i()lPWa式中， 111,tant,sin(i)hlal d 。以上两式的推导基于工程中常用的液压缸布置方式，即液压缸下支点与剪叉机构的固定支点在同一侧，如上图。这种布置方式的优点是液压缸的有效行程比较短，这在台面升程范围比较大的场合较为适用。存在的问题是在剪叉机构折合后的高度 h 较小的情况下（即 角较小），所需液压缸的推力将大大增加。在液压缸最高工作压力限定的情况下，这将使得所用的液压缸的直径增大，以致在折合后的剪叉机构中难以布置；或采用两个直径较小的液压缸取代一个大直径的液压缸，不过这将增加一对液压缸的支座，同时带来机械加工、液压缸安装以及液压系统的复杂性，加大了整个装置的成本。13为了解决以上提出的问题，可考虑将液压缸反向布置（即采用第一种设计方案），计算一下该方案的有关参数再将两者作以比较。如图：图 2-7 液压缸布置在右侧这里仍用瞬时速度中心法来求解活塞运动速度。杆上点、点的瞬时转动中心为 F 点，D 点、A 点的速度为：2()Avla台面升降速度： cos2csyDvl点的运动速度： ()2cosyAlav活塞运动速度：（）()sin()s2coAlv式中， 11sini,ta()cohllL依据虚位移原理有：（）()0ixixixpypWFFzP14由图分析可得： cos,sin()()i,2sinxyppwPPlalayl经变分后：i()cos2pwyl代入式（），整理后得活塞推力：（）cos()in()lPWa式（）和式（）的正确性可以用机械能守恒原理来证明，即 yv将式（）与式（）进行比较，在 各参数都相同的条件下，,ylaWv显然，液压缸布置在右侧时的推力较液压缸布置在左侧时小；而式（）与式（）比较，则液压缸布置在右侧时的活塞速度较液压缸布置在左侧时高。可见，活塞推力的减小是以活塞速度的提高为代价换来的。液压缸布置在剪叉机构的右侧，使得液压缸的活塞推力减小，这就可以选用直径较小的液压缸，有利于液压缸在剪叉机构中的布置；带来的问题是液压缸的有效行程较长，如果台面升程范围不大，液压缸行程的增加也是有限的。15第 3 章 升降台的受力分析计算3.1 实例分析3.1.1 升降平台的结构简化根据升降台台面尺寸和升降行程计算叉臂中心距图 3-1 叉臂计算图叉臂最大中心距 带入数值计算取 为 2.1m固定铰耳侧距离滚轮侧距离根据垂直行程确定叉臂级数级数 带入数值计算取 n 为整数为 4垂直行程最低高度16剪叉式升降平台的简化结构如下：图 3-2 平台简化图升降台 k、b 两点为固定铰支座，j、a 为活动铰支座，分别可沿底座和工作台滑到移动。j、a 两点为相同的连接装置，摩擦系数皆为 f。所有杆件长度为L，且设为无重杆。升降台所载重物和工作台重量为 G。其作用线距 k 点距离为P，显然升降过程中 P 值不变。3.1.2 升降台受力分析由于液压缸安装在第一级叉臂上，所以作受力分析时，可以把工作台和二三四级叉臂作为一个整体，然后作受力分析。以整体为研究对象如下图所示：17图 3-3 受力分析图将载荷 G/2 分解到 a、b 两端，则有分别以 aed 和 ceb 为研究对象 图 3-4 ceb 杆受力图18图 3-5 aed 杆受力图列平衡方程式，有当 d 点力矩平衡，即 ，则当 b 点力矩平衡时，即 ，则又 aed 和 ceb 杆水平和竖直方向上受力平衡，则有 和 ，当 时，有 当 时，有 整理解得 19式中：T液压缸推力3.1.3 受力分析结论（1） 各铰点的受力（包括油缸力）均与载荷 G 成正比；（2） 值随 的值增大而增大，在 l 值确定时，这 些值又随 P 值成正比；而 随 的值增大而减小，在 l 值确定时，它们随P 值减小而增大；（3） l 值成反比；（4） 力 随 T 值增大而增大。20第 4 章 各部件参数和结构设计4.1 升降台主要零部件材料的选择4.1.1 底架材料的选择底架主要用作支撑作用，在其上面固定着轮子和滚道等装置。参照参考文献1，底架梁选用热轧普通槽钢，型号为 6.3。底架两头横梁选用热轧不等边角钢，型号为 12.58 。底架结构如图：图 4-14.1.2 工作台材料的选择工作台分为固定平台和移动平台。固定平台有四根长横梁、两根短横梁和台面构成。长横梁起支撑作用，下面固定有滚道和铰链，材料选用热轧方钢型号为60。21图 4-24.1.3 叉杆的材料选择叉杆是升降台最主要的举升部件，是主要的受力机构。对其设计的成功与否关系到整个设计工作的成败，选材 45 号钢，热轧钢板。叉杆的外形图如图所示。图 4-3 叉杆外形图图 4-4 叉杆造型图224.2 内外剪叉臂与底架连接的销轴结构设计设计销轴时除了要满足连接功能外，还要考虑润滑等，销轴的结构如下图：图 4-5 销轴结构图4.3 滚轮的设计滑动叉臂与底架和工作平台连接时，要用到滚轮，考虑到滚轮垂直导轨面的径向载荷很大，而轴向受力较小，则采用两个深沟球的宽滚轮。4.4 脚轮的选型根据设计要求，本高空作业平台的额定载重为 200kg，包括升降台自身重量，总共有四个脚轮，每个脚轮最少载重 100kg。脚轮的轮面材料选择为聚氨酯，其中万向转向轮和固定轮各两个，万向轮刹车方式为单轮杀擎。万向轮选择型号为 42-40170-31450，固定轮选择型号为 42-40010-31450，轮宽为。标准配置：精密钢球 耐腐蚀蓝锌支架厚 6mm，底板厚 6mm标准重型底板，102mm114mm 16mm 螺丝结构中心钉轮子材料：高耐磨聚酯适用温度范围：-40至+80 23支架选配：1.热处理- 双珠道热处理，持久耐用2.空心轴螺丝方便为轮子注油3.尼龙螺母轮子直径（D）：100轮宽（W）： 50载重：250KG安装高度（H）：143旋转半径（R）：90底板尺寸（AxB）：114x102安装孔（XxY）：92x76孔径（d）：11.224第 5 章 液压系统的设计5.1 液压缸位置参数计算由图 5-1 知：（1）21/sin(cos),CLHll（2）22()cos;T上式中：H任意位置时升降平台的高度；C任意位置时铰接点 F 到液压铰接点 G 的距离；L支撑杆的长度；支撑杆固定铰支点 A 到铰接点 F 的距离；lT机架长度（A 到 G 点的距离） ；活塞杆与水平线的夹角。以下相同。将（2）式代入（1）式，并整理得。 221/()HLTCll25图 5-1 位置参数示意图5.1.1 参数初设T=2600mm L=2100mm H0=1000mm Hmax=6000mm l=1100mm5.1.2 确定液压缸初始长度 C0、剪叉安装初始角度 0和液压缸安装初始角 0初设剪叉与机架的原始角 0=5，则由 0= 得液压缸初长度C0=1507mm，取 C0=1507mm，则得 0=5.20。同理可求液压缸与机架的初始角度 0=6.29。5.1.3 求出液压缸的最大行程 Smax由前面计算知升降台的叉数 n=4，而每一对剪叉所升高的行程是相同的，所以为达到升降台最大工作平台高度 Hmax=6000mm，则每个剪叉的高度H1= =1500mm E = =750mm26F =AF =785.71mm = =0.748= =0.663=可得 Smax=536mm5.1.4 结构计算结构如下表 5-1 计算结果 5.2 确定液压执行元件的形式液压执行元件大体分为液压缸或液压泵。前者实现直线运动，后者完成回转运动，二者的特点及适用场合见下表。名 称 特 点 适 用 场 合双活塞杆液压缸 双向对称 双作用往复运动单活塞杆液压缸 有效工作面积大、 往返不对称的直线S/(mm) /() /() H/(mm) h/(mm)0 4.92 3.59 1000 067 16,21 11,25 2344.9 1344.9134 22.69 14.99 3240.3 2240.3201 27.95 17.57 3937.1 2937.1268 32.59 19.50 4524.4 3524.4335 36.85 20.99 5037.7 4037.7402 40.86 22.15 5495.4 4495.4469 44.70 23.05 5908.5 4908.5536 48.47 23.75 6288.3 5288.327双向不对称 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，靠重力或其他外力返回摆动缸 单叶片式转角小于360 度双叶片式转角小于180 度小于 360 度的摆动小于 180 度的摆动齿轮泵 结构简单，价格便宜高转速低扭矩的回转运动叶片泵 体积小，转动惯量小高转速低扭矩动作灵敏的回转运动摆线齿轮泵 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泵 运动平稳、扭矩大、转速范围宽大扭矩的回转运动径向柱塞泵 转速低，结构复杂，输出大扭矩低速大扭矩的回转运动注：A1无杆腔的活塞面积 A2有无杆腔的活塞面积表 5-2 液压缸和液压泵对于本设计实现单纯并且简单直线及回转运动的机构，可以采用齿轮式液压泵及单活塞杆液压缸，这样不仅简化液压系统降低设备成本，而且能改善运动机构的性能和液压执行元件的载荷状况。5.3 压缸类型及安装方式根据运动要求，按机械工程手册表 34.3-1 选择单活塞杆双作用液压缸。由于本设计中液压缸在作用过程中是一端固定，一端在垂直面上自由摆动的，因此按机械工程手册表 34.3-2 选择液压缸的安装方式为：尾部耳环联接。285.4 缸盖联接类型缸体的联接方式，可分为外螺纹联接式、内卡键联接式及法兰联接式三种。这里采用法兰联接。5.5 液压缸的推力计算根据机械工程手册第二版 2-214 知，剪叉式臂杆带铰斜置液压缸(图 3.4)的举升力的计算公式为：F=m = 式中 额定起重量 （t） ；工作台质量 （t） ；升降机构质量 （t） ；N升降机构的级数。29图 5-2 剪叉式臂杆带铰斜置液压缸举升力计算图根据分析知，当液压缸与地面夹角 为最小值是，即剪叉支撑杆与地面夹角 为最小值时，液压缸的工作压力最大根据上述计算及图 2-1 计算可得:N=4L=900mm AB= =910mm AO=1106.7mm BO=200mm对于 m 初选则 m = =0.28tF =112027.27 N5.6 系统压力的初选液压缸的选择要遵循系统压力的大小，要根据载荷的大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不是很经济；反之，压力选的太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般来说，对于固定尺寸不太受限的设备，压力可选低一些，行走机械重载设备压力要选的高一些。由机械工程手册表 34.7-4 各类机械常用的系统压力（表 3.5），初选系统压力为 10MPa。30机 床机械类型 磨床组合机床龙门刨床拉床农业机械小型工程机械建筑机械液压机大中型挖掘机重型机械工作压力MPa0.80.2 35 28 810 1018 2032表 5-3 各类机械常用的系统压力5.7 确定缸的主要尺寸5.7.1 确定液压缸的内外径