混合臂（折疊加伸縮）式高空作業(yè)平臺(tái)臂架系統(tǒng)

混合臂（折疊加伸縮）式高空作業(yè)平臺(tái)臂架系統(tǒng),混合,折疊,伸縮,高空作業(yè)平臺(tái),系統(tǒng) 臂架式高空作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì) 學(xué)生 指導(dǎo)老師 大學(xué)學(xué)院 1、課題來源 高空作業(yè)平臺(tái)產(chǎn)品在國民經(jīng)濟(jì)中所占比例較小，尚沒有明確劃分產(chǎn)業(yè)分類，盡管還缺乏國際性的品牌，但已經(jīng)形成了種類齊全的高空作業(yè)平臺(tái)產(chǎn)業(yè)格局。于2008年，“十一五”國家科技支撐計(jì)劃《無腳手架安裝作業(yè)技術(shù)裝備與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)》重點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施，極大提升了高空作業(yè)平臺(tái)行業(yè)的影響力[1]。同時(shí)，工業(yè)廠房的鋼結(jié)構(gòu)化，“十二五”發(fā)展規(guī)劃，向海洋進(jìn)軍的路線，造船和海洋工裝行業(yè)將進(jìn)一步快速發(fā)展，都將大力推動(dòng)高空作業(yè)平臺(tái)的發(fā)展。[2][3] 隨著中國人口紅利的減弱和通脹的加劇，加之人民幣的不斷升值，勞動(dòng)力資源的成本會(huì)越來越高。在國家大力號(hào)召企業(yè)轉(zhuǎn)型的背景下，帶動(dòng)、促進(jìn)了高空作業(yè)平臺(tái)市場(chǎng)的快速發(fā)展，同時(shí)還能夠大幅改善施工作業(yè)的安全性，并促進(jìn)施工工藝和租賃市場(chǎng)的進(jìn)步與成熟，這些特質(zhì)也就是吸引如此多企業(yè)入局的根本原因。[4] 隨著高空作業(yè)的增多，對(duì)高空作業(yè)的舒適性和安全性的要求越來越高。本課題要求運(yùn)用機(jī)械原理和液壓傳動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種臂架式高空作業(yè)平臺(tái)，以滿足行業(yè)發(fā)展的需要。 本課題研究主要是針對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)，進(jìn)行一次設(shè)計(jì)演練，采用ANSYS等軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)受力情況進(jìn)行分析，利用其結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)。對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行簡單的計(jì)算，選擇相關(guān)元器件，進(jìn)而對(duì)動(dòng)力進(jìn)行匹配。 本設(shè)計(jì)采用設(shè)備：10米高空作業(yè)平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如下： （1）、平臺(tái)最大高度（米） 10； （2）、平臺(tái)額定載荷 （kg） 215； （3）、平臺(tái)尺寸（米） 1.2×0.6； 2、研究目的和意義 高空作業(yè)平臺(tái)作為施工工程中較新穎而安全的輸運(yùn)設(shè)備，其計(jì)算方法和分析手段同樣是不容忽視的。但是傳統(tǒng)的計(jì)算方法和分析手段由于受限于理論和手段的匱乏，相對(duì)簡單，計(jì)算結(jié)果精度較差等一系列弊病的存在。同時(shí)減輕臂架重量，用于更大的外伸范圍，以及臂架在展開后，平衡性的控制方面與國外產(chǎn)品差距還很大。針對(duì)于此，我們有必要對(duì)臂架部分及整體結(jié)構(gòu)做受力分析，確定設(shè)計(jì)高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，即載重及受沖擊載荷后，底盤抗傾覆力矩，及臂架在相應(yīng)轉(zhuǎn)角及伸縮的極限長度，以滿足高處施工的安全要求，同時(shí)使制造和使用的成本最低，達(dá)到使用價(jià)值與經(jīng)濟(jì)效益的合理優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)性價(jià)比的最大優(yōu)化。 對(duì)于本課題的研究，要求我們掌握并且熟練應(yīng)用專業(yè)知識(shí)，掌握高空作業(yè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特征和工作原理，并且學(xué)會(huì)運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行受力分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到了解高空作業(yè)平臺(tái)和掌握ANSYS有限元分析的目的。 3 、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 3.1、高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及工作原理 高空作業(yè)平臺(tái)是用來運(yùn)送操作人員和工作設(shè)備到指定高度進(jìn)行作業(yè)的特種車輛，其應(yīng)具有較高的工作可靠性、平穩(wěn)性和安全性。 高空作業(yè)平臺(tái)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、電氣設(shè)備、底盤（車架）、工作裝置及其操作等四部分組成。其工作系統(tǒng)具體包括以下幾部分：發(fā)動(dòng)機(jī)室、底盤（車架）、轉(zhuǎn)臺(tái)、前后車橋、前后車輪組、車橋操作裝置、上部操作裝置、下部操作裝置、變幅缸、臂架、作業(yè)自動(dòng)調(diào)平缸、作業(yè)臺(tái)、平衡配重等。[5] 高空作業(yè)平臺(tái)的工作原理比較簡單，就是將柴油機(jī)的動(dòng)力，帶動(dòng)液壓泵，驅(qū)動(dòng)前輪液壓馬達(dá)、轉(zhuǎn)向油缸、變幅油缸、伸縮油缸和調(diào)平油缸。變幅油缸的動(dòng)作使臂架搖擺，伸縮油缸驅(qū)動(dòng)伸縮臂的進(jìn)出，自調(diào)平油缸使作業(yè)平臺(tái)始終保持水平。 臂架式高空作業(yè)平臺(tái)具有以下一些特點(diǎn)： 1）、作業(yè)區(qū)域大、作業(yè)范圍大，能勝任一些復(fù)雜的工作環(huán)境。設(shè)置探照燈、手動(dòng)工具等可用于高空工程施工作業(yè)。 2）、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)水平要求較高（CAD/CAE在設(shè)計(jì)中緊密結(jié)合應(yīng)用）。 3）、安全性和可靠性高。為了確保作業(yè)人員的生命安全，高空作業(yè)車上設(shè)置有諸多安全限位保護(hù)措施、應(yīng)急動(dòng)力源及應(yīng)急機(jī)械操作裝置，其上的安全保護(hù)系統(tǒng)可以充分保證車輛救援工作的安全。 4）、機(jī)動(dòng)靈活，轉(zhuǎn)場(chǎng)方便。高空作業(yè)車采用汽車底盤，其機(jī)動(dòng)靈活，通過性好，來去自如?？稍诠飞峡煽焖傩旭偅D(zhuǎn)場(chǎng)方便，能夠應(yīng)對(duì)消防險(xiǎn)情的緊急快速反應(yīng)要求。 3.2 、國內(nèi)外高空作業(yè)平臺(tái)現(xiàn)狀對(duì)比 國內(nèi)情況：我國高空作業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)于上世紀(jì) 70 年代初開始起步，根據(jù)中國工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)會(huì)員單位不完全統(tǒng)計(jì)，銷量上高空作業(yè)平臺(tái)2007、2008、2009、2010年銷售量分別為3318、4045、3 820、3074臺(tái)；2008年比2007年增加了727臺(tái)，增長率為20.92%；受金融危機(jī)影響，高空作業(yè)平臺(tái)2009年銷量比2008年減少了225臺(tái)，2010年又比2009年減少了726臺(tái)[6]，主要原因是國內(nèi)產(chǎn)品出口明顯減少，而國內(nèi)銷量仍然出現(xiàn)了增長勢(shì)頭。行業(yè)一些骨干企業(yè)通過近幾年的技術(shù)改造，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，形成了有各自特色的系列產(chǎn)品，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)逐步上升，經(jīng)濟(jì)效益也逐年提高。國內(nèi)高空作業(yè)平臺(tái)行業(yè)近年來取得了較好的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1)產(chǎn)品性能提高。我國高空作業(yè)機(jī)械行業(yè)的一些骨干企業(yè)利用自已的技術(shù)和設(shè)備優(yōu)勢(shì)，通過學(xué)習(xí)、引進(jìn)和消化國外先進(jìn)技術(shù)開發(fā)了許多新產(chǎn)品，其產(chǎn)品的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量都不斷提高，達(dá)到和接近了國際同類產(chǎn)品的水平，推動(dòng)了高空作業(yè)機(jī)械行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，在國內(nèi)市場(chǎng)中競爭力強(qiáng)、市場(chǎng)銷路好，產(chǎn)量增加較快。 (2)產(chǎn)品市場(chǎng)占有率進(jìn)一步擴(kuò)大。一些企業(yè)利用自身的優(yōu)勢(shì)，在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上增加品種和更新一些基礎(chǔ)部件，不斷加大新產(chǎn)品的開發(fā)力度，走企業(yè)橫向聯(lián)合多種經(jīng)營的綜合開發(fā)道路，不但使企業(yè)自身的生產(chǎn)和銷售步入了良性循環(huán)軌道，還帶動(dòng)了附屬企業(yè)和國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的銷售發(fā)展 (3)新產(chǎn)品的開發(fā)推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)，利用自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和設(shè)備優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了許多本行業(yè)產(chǎn)品，推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。[7] 國外情況：發(fā)達(dá)國家由于其城市化進(jìn)程完成早，城市建設(shè)作業(yè)機(jī)械品種規(guī)格繁多，已形成一個(gè)非常大的行業(yè)，并且成立了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(TC214)，正致力于擴(kuò)大作業(yè)范圍，滿足不同作業(yè)的需要。工業(yè)發(fā)達(dá)國家，一般都有專門的跨國公司和集團(tuán)主營和兼營高空作業(yè)機(jī)械，如美國 JLG 公司、GROVE 公司(格魯夫)、SIMON 公司 (西蒙 )、芬蘭 BRONTO 公司 (博浪濤 )、日本的多田野和愛知株式會(huì)社等。為了滿足實(shí)際工程的需要，高空作業(yè)平臺(tái)的作業(yè)高度越來越高，隨之作業(yè)半徑也越來越大，如西蒙公司 S600 高度已達(dá) 62m，芬蘭 BRONTO 公司產(chǎn)品最高已達(dá) 72m，高空作業(yè)平臺(tái)的控制系統(tǒng)均采用微機(jī)進(jìn)行操作，自動(dòng)化程度不斷提高。如 GENIE(吉尼公司)的自行直臂式高空作業(yè)平臺(tái)、自行曲臂式高空作業(yè)平臺(tái)、自行剪型高空作業(yè)平臺(tái)，由于采用自動(dòng)化控制，高空作業(yè)的微動(dòng)性能好，定位也越來越準(zhǔn)確。2008 年杭州市公安消防局從芬蘭進(jìn)口一輛 101 米高世界最高用于消防滅火的高空作業(yè)平臺(tái)，其操作很方便系統(tǒng)很智能，上升下降十分平穩(wěn)，這輛車采用電腦控制，在車底部可以操作，在登高臺(tái)上也能操作，比較方便，這輛車還特別智能，比如風(fēng)速超過 12.5 米/秒或遇到路面不平整等危險(xiǎn)情況時(shí)，電腦將限制曲臂往上(外)升，只能往回縮，以保證救援人員的安全。[8] [9] 20世紀(jì)末，高空作業(yè)車國外巨頭陸續(xù)進(jìn)入中國；2008年開始，又紛紛在華設(shè)廠，加大投資。顯而易見，外企業(yè)普遍看好未來中國高空作業(yè)車市場(chǎng)。[10] 在我國，高空作業(yè)平臺(tái)的應(yīng)用領(lǐng)域已在逐漸擴(kuò)展，但與發(fā)達(dá)國家相比使用的范圍還比較窄，使用比較多的有路燈、交警、園林等行業(yè)，而在高空作業(yè)平臺(tái)大有發(fā)展前途的電力、電信及有線電視系統(tǒng)使用較少。這主要是現(xiàn)有高空作業(yè)平臺(tái)的性能及技術(shù)參數(shù)還不能完全滿足三大系統(tǒng)使用的要求。我國船舶行業(yè)對(duì)輪胎液控自行式高空作業(yè)平臺(tái)的需求量很大；建筑行業(yè)對(duì)履帶自行式高空作業(yè)平臺(tái)也將會(huì)產(chǎn)生需求；室內(nèi)裝飾、維修、清洗行業(yè)大量需要電機(jī)自行式的高空作業(yè)平臺(tái)。目前國內(nèi)能生產(chǎn)液控自行式的廠家只有一二家，且產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)，因此造、修船行業(yè)大多數(shù)用的是進(jìn)口產(chǎn)品。國內(nèi)生產(chǎn)制造的高空作業(yè)平臺(tái)同國外同類型產(chǎn)品相比仍有較大差距，主要表現(xiàn)為技術(shù)含量低、結(jié)構(gòu)笨重、大型的較少、整機(jī)可靠性差、產(chǎn)品比較傳統(tǒng)、作業(yè)時(shí)微動(dòng)性能差、創(chuàng)新力不強(qiáng)、自動(dòng)化技術(shù)與電子控制技術(shù)應(yīng)用落后等問題。[11] [12] 目前國內(nèi)高空作業(yè)平臺(tái)生產(chǎn)廠家主要有：京城重工、徐州海倫哲、北京建研機(jī)械科技、杭州愛知、北方交通、星邦重工、鼎力機(jī)械、孚曼機(jī)械、運(yùn)想重工、徐工集團(tuán)、山推機(jī)械等，產(chǎn)品已基本形成系列化，能滿足國內(nèi)不同的施工要求。[13] 3.3、國產(chǎn)高空作業(yè)平臺(tái)與國際先進(jìn)水平的比較 近幾年，國外工程機(jī)械行業(yè)以信息技術(shù)為先導(dǎo)，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒與電控、液壓控制系統(tǒng)、自動(dòng)操縱、可視化駕駛、精確定位與作業(yè)、故障診斷與監(jiān)控、節(jié)能與環(huán)保等方面進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)出許多新結(jié)構(gòu)（或系統(tǒng)）和新產(chǎn)品，提高了工程機(jī)械的科技含量。 1）動(dòng)力電子控制／管理系統(tǒng)，根據(jù)傳動(dòng)裝置及液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，以滿足不同作業(yè)工況的需要，提高燃料的經(jīng)濟(jì)性。 2）發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，當(dāng)行走機(jī)械處于非作業(yè)工況時(shí)，自動(dòng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減少燃料消耗及發(fā)動(dòng)機(jī)噪音。 3）關(guān)鍵信息顯示管理系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，在辦公室的控制中心實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的作業(yè)狀態(tài)，據(jù)此向操作者提供基于文字提示的精確的故障診斷信息。 4）負(fù)載感應(yīng)變速系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)載狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)節(jié)車速及發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪扭矩，實(shí)現(xiàn)高速、小扭矩或低速、大扭矩的動(dòng)力輸出。 5）計(jì)算機(jī)故障診斷系統(tǒng)，通過控制面板上的指示燈、聽覺與視覺相結(jié)合的報(bào)警信號(hào)，提醒操作者可能潛在的故障隱患。這樣，操作者只管全神貫注地工作而無需不斷查看儀表讀數(shù)。 6）負(fù)載自動(dòng)穩(wěn)定器，將一對(duì)鋼膜氮?dú)庑钅芷靼惭b在前車架中，與工作裝置液壓系統(tǒng)聯(lián)通。當(dāng)作業(yè)或低速行駛時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)斷開；當(dāng)車速超過設(shè)計(jì)值時(shí)，由電子速度開關(guān)控制的電磁閥自動(dòng)開啟，蓄能器吸收工作裝置液壓系統(tǒng)的振動(dòng)與沖擊載荷，提高了操作的穩(wěn)定性、安全性和舒適性。 7）計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)，連續(xù)監(jiān)控管理產(chǎn)品的數(shù)十項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)，在遇到突發(fā)或緊急情況時(shí)，很容易通過液晶儀表顯示、聽覺與視覺相結(jié)合發(fā)出警信號(hào)，提醒操作人員注意。 8）自動(dòng)稱量系統(tǒng)，自動(dòng)稱量并顯示載荷的凈質(zhì)量，超過設(shè)定值時(shí)，將限制其它誤動(dòng)作發(fā)生。[14] [15] 國外先進(jìn)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)集中體現(xiàn)在廣泛應(yīng)用微電子技術(shù)與信息技術(shù)上；采用單一吸聲材料、噪聲抑制方法等消除或降低機(jī)器噪音；通過不斷改進(jìn)電噴裝置，進(jìn)一步降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放量；研制無污染、經(jīng)濟(jì)型、環(huán)保型的動(dòng)力裝置；提高液壓元件、傳感元件和控制元件的可靠性與靈敏性，提高整機(jī)的機(jī)—電—信一體化水平；在控制系統(tǒng)方面，廣泛采用電子監(jiān)控和自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、載荷自動(dòng)稱量裝置等。在產(chǎn)品的電子化與信息化問題上，行業(yè)企業(yè)需要做不懈的努力。今后幾年我國高空作業(yè)平臺(tái)行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品將向自動(dòng)化、智能化、信息化，向成套化、系統(tǒng)化和規(guī)?；?、系列化發(fā)展。[16] [17] 參 考 文 獻(xiàn) [1] 陳建平.對(duì)我國高空作業(yè)平臺(tái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考.建筑機(jī)械化2010（09），35-37 [2] 王超.工程機(jī)械行業(yè)十二五發(fā)展機(jī)會(huì)及趨勢(shì).工程建設(shè)，2011年6月43期，58-60 [3] 黎程.科技在國家“十二五”規(guī)劃中的戰(zhàn)略定位.創(chuàng)新科技，2011.11 [4] Maria Hadlow.租賃業(yè)的高空作業(yè)平臺(tái).建設(shè)機(jī)械.2009.4下半月.52-53 [5] 羅振輝等. 高空作業(yè)車.哈爾濱工程大學(xué)出版社,2010 [6] 朱苛婁. 高空作業(yè)車運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與控制.大連理工大學(xué)碩士論文，2011年5月 [7] 柏紅專,羅亮平.國內(nèi)高空作業(yè)機(jī)械行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].建筑機(jī)械 ,2006(08):54-56 [8] 宋興龍．基于ANSYS的高空作業(yè)平臺(tái)的有限元分析．南京林業(yè)大學(xué)碩士論文，2009 [9] 編輯部.下一片藍(lán)海.今日工程機(jī)械，2011（15）：50-61 [10] Maria Hadlow.兩全其美.建筑機(jī)械，2010（10下）:50-51 [11] 張華.我國高空作業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀和發(fā)展綜述. CONSTRUCTION MECHANIZATION. 2010(09) [12] JG/T5101-1998臂架式高空作業(yè)平臺(tái).建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) [13] 林雪. 箱型伸縮臂滑塊的接觸分析及規(guī)律研究.大連理工大學(xué)碩士論文,2011年5月 [14] 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).中國建筑工業(yè)出版社，2003 [15] 張質(zhì)文.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè).中國鐵道出版社，1998 [16] Saeed Moavenl.有限元分析-ANSYS理論與應(yīng)用（三）,電子工業(yè)出版社，2008 [17] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析.人民交通出版社，2007 　　 4、研究的主要內(nèi)容及設(shè)計(jì)成果的應(yīng)用價(jià)值 4.1、主要研究內(nèi)容 1）、熟悉高空作業(yè)平臺(tái)的工作原理與設(shè)計(jì)思路。 2）、分析比較，選擇合理方案。 3）、運(yùn)用機(jī)械原理、理論力學(xué)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。 4）、利用結(jié)構(gòu)力學(xué)，進(jìn)行臂架具體計(jì)算和驗(yàn)算。 5）、針對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)重要結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行CAD建模。 6）、找出臂架、底盤等幾處重點(diǎn)連接部位，并了解和掌握設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)形式以及他在整個(gè)體系中所處的地位和作用。 7）、學(xué)有余力，深入了解液壓的相關(guān)知識(shí)，并能夠應(yīng)用于此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。 8）、使用ANSYS分析軟件對(duì)模型進(jìn)行有限元分析，對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行適當(dāng)有限元簡化，在對(duì)模型施加載荷的情況下，分析它在使用情況下對(duì)整機(jī)的力學(xué)特性的影響，及重要機(jī)構(gòu)部件的受力特性。 9）、根據(jù)分析結(jié)果，分析它在實(shí)際設(shè)計(jì)制造中合理的結(jié)構(gòu)。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，了解高空作業(yè)平臺(tái)工作原理及結(jié)構(gòu) 分析比較、選擇合理方案 行適當(dāng)簡化處理 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析 確定結(jié)構(gòu)形式 出圖 反饋 4.2、技術(shù)路線 4.3、設(shè)計(jì)成果的應(yīng)用價(jià)值 國內(nèi)高空作業(yè)平臺(tái)飛速發(fā)展，其中臂架類起重技術(shù)發(fā)展目標(biāo)將使起重臂伸得更快、吊的更高、吊重更大?；旌媳凼降母呖兆鳂I(yè)平臺(tái)其多節(jié)懸臂伸出總長度一般在十米以上，在各種復(fù)雜的工況下工作，其工作臂要完成各種動(dòng)作，除了機(jī)器本身的自重和作用反力之外，還有吊欄中傳來的沖擊載荷以及運(yùn)動(dòng)載荷，要保證這種大型機(jī)器的正常工作，各構(gòu)件的強(qiáng)度以及工作穩(wěn)定性成為首要關(guān)心的問題。與一般的起重運(yùn)輸機(jī)械相比，高空作業(yè)平臺(tái)雖然載重量要小得多，但作為高空載人作業(yè)設(shè)備，應(yīng)具有更高的安全性和可靠性，因此，有必要不斷深入地探討計(jì)算機(jī)建模、計(jì)算與仿真方法，將 CAD、CAE技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)中，提高設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)際情況的符合度，提高預(yù)測(cè)對(duì)象工作能力的準(zhǔn)確性，提高國內(nèi)高空作業(yè)平臺(tái)自主設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)水平。 5、工作的主要階段、進(jìn)度 為了更好的完成本設(shè)計(jì)的所有成果，現(xiàn)將所有工作分為以下幾個(gè)階段，時(shí)間進(jìn)度嚴(yán)格按照下表進(jìn)行。 表1-3畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度安排表 起止日期 要求完成的內(nèi)容及質(zhì)量 2011年11月25日至2012年5月25日 完成課題的起止總時(shí)間 2011年11月24日 下達(dá)任務(wù)書，學(xué)習(xí)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求及有關(guān)規(guī)定。 2011年11月26日至 2012年2月13日 閱讀關(guān)于高空作業(yè)平臺(tái)的參考資料及文獻(xiàn)，整理收集資料，完成開題報(bào)告（含文獻(xiàn)綜述）和外文翻譯，學(xué)習(xí)ANSYS軟件；掌握高空作業(yè)平臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)和工作原理。 2012年2月13日至2月24日 畢業(yè)實(shí)習(xí)，撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告 2012年2月27日至3月10日 進(jìn)一步學(xué)習(xí)ANSYS軟件，基本掌握ANSYS建模方法，學(xué)會(huì)應(yīng)用軟件進(jìn)行受力分析；進(jìn)一步學(xué)習(xí)關(guān)于高空作業(yè)平臺(tái)的相關(guān)知識(shí)。 2012年3月11日至3月31日 根據(jù)初步模型方案來確定高空作業(yè)平臺(tái)的參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并校核。同時(shí)完成對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)三維結(jié)構(gòu)的建模。 2012年4月1日至4月22日 對(duì)建模的高空作業(yè)平臺(tái)模型進(jìn)行受力分析，并進(jìn)行分析檢測(cè)，解決分析過程中出現(xiàn)的各種問題，并不斷優(yōu)化，達(dá)到合理設(shè)計(jì)與受力分析的優(yōu)化。 2012年4月23日至5月13日 整理資料，撰寫、修改畢業(yè)論文。 2012年5月14日至5月25日 整理畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料，完善并提交成果. 2012年5月26日至6月1日 教師批閱、評(píng)閱畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成果。 2012年6月4日至6月7日 畢業(yè)答辯 6、最終目標(biāo)及完成時(shí)間 通過機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)方面的知識(shí)，完成一臺(tái)結(jié)構(gòu)合理、用料經(jīng)濟(jì)、工作平順的高空作業(yè)平臺(tái)。 完成時(shí)間：2012年5月25日。 7、現(xiàn)有條件及必須采取的措施 現(xiàn)有PRO/E、ANSYS、AUTOCAD等軟件，利用網(wǎng)絡(luò)搜尋的高空作業(yè)平臺(tái)的資料和起重機(jī)設(shè)計(jì)理念等指導(dǎo)，可以完成對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，對(duì)整機(jī)和重要結(jié)構(gòu)受力分析，進(jìn)一步研究與優(yōu)化。高空作業(yè)平臺(tái)為輕型的施工設(shè)備，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，工況較多，有限元建模時(shí)需要對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)臂架進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚?，同時(shí)在設(shè)計(jì)中必須采取現(xiàn)場(chǎng)觀摩與理論結(jié)合的措施，對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行基于ANSYS的受力分析。 8、協(xié)助單位及要解決的主要問題 本課題的完成應(yīng)解決高空作業(yè)平臺(tái)有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)問題，同時(shí)，需要得到三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院施工機(jī)械研究所等單位的大力支持和幫助。 2. 自行式高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析 2.1 高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)介紹 自行式高空作業(yè)平臺(tái)整車通常分上車、下車兩大部分。 下車通常包括發(fā)動(dòng)機(jī)（或蓄電池）、底盤（車架）、配重、前后車橋、前后車輪組、車橋操作裝置、電纜液壓輸送系統(tǒng)、下車液壓系統(tǒng)、下車電氣系統(tǒng)等。 上車包括回轉(zhuǎn)支承、轉(zhuǎn)臺(tái)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、臂架變幅系統(tǒng)、臂架總成、電纜液壓輸送系統(tǒng)、工作平臺(tái)、平臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、平臺(tái)調(diào)平系統(tǒng)、上車液壓系統(tǒng)、上車電氣系統(tǒng)、安全限位裝置等。 高空作業(yè)平臺(tái)按工作臂的型式，有四種基本型式，分別為:垂直升降式、折疊臂式、伸縮臂式和混合臂式。垂直升降式高空作業(yè)平臺(tái)的升降機(jī)構(gòu)只能在垂直方向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，它的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，承載能力強(qiáng)，但作業(yè)范圍小，作業(yè)高度低，這種結(jié)構(gòu)型式應(yīng)用比較少。折疊臂式高空作業(yè)平臺(tái)工作臂之間的連接全部采用鉸接型式，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單。折疊臂高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)適合于較低作業(yè)高度的車型，如要加大作業(yè)高度，必然要增加臂長或增加工作臂數(shù)量，增加臂長會(huì)使作業(yè)車體積龐大，降低靈活性;增加工作臂數(shù)量會(huì)造成操作繁瑣，安全性降低；同時(shí)，過多依賴于平行四邊形鉸接機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)平順性較差。伸縮臂式高空作業(yè)平臺(tái)在行駛狀態(tài)時(shí)，工作臂縮回套疊，工作時(shí)伸出，可以有效增大作業(yè)高度；但因臂架筆直，無法跨障，面對(duì)復(fù)雜場(chǎng)地能力有限?；旌媳凼礁呖兆鳂I(yè)平臺(tái)同時(shí)具有折疊臂式高空作業(yè)平臺(tái)的跨障能力和折疊臂式高空作業(yè)平臺(tái)的動(dòng)作平穩(wěn)等特性，工作效率高、能滿足復(fù)雜場(chǎng)地作業(yè)要求，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。 本文重點(diǎn)介紹混合臂式高空作業(yè)平臺(tái)。 工作機(jī)構(gòu)是為實(shí)現(xiàn)高空作業(yè)平臺(tái)不同的運(yùn)動(dòng)要求而設(shè)置的?；旌媳凼礁呖兆鳂I(yè)平臺(tái)主要?jiǎng)幼饔校盒凶摺⑾萝嚮剞D(zhuǎn)、變幅、伸縮、調(diào)平、副臂架擺動(dòng)、平臺(tái)回轉(zhuǎn)。依靠臂架總成的相應(yīng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)載人工作斗在兩個(gè)水平和垂直方向的移動(dòng);依靠平衡機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作斗和水平面之間的夾角保持不變，依靠行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移工作場(chǎng)所。 金屬結(jié)構(gòu)工作臂及工作斗調(diào)平系統(tǒng)是高空作業(yè)平臺(tái)的重要組成部分。臂架通過銷軸與轉(zhuǎn)臺(tái)部分連接，通過折疊臂伸展油缸實(shí)現(xiàn)垂直方向運(yùn)動(dòng)，通過伸縮臂變幅油缸實(shí)現(xiàn)在鉛垂面上變幅，通過伸縮臂伸縮油缸實(shí)現(xiàn)平臺(tái)極軸方向運(yùn)動(dòng)。它們承受高空作業(yè)平臺(tái)的載人載荷以及作業(yè)時(shí)的各種外載荷。因此這部分是高空作業(yè)平臺(tái)安全可靠的一個(gè)重要部分，其重量通常占整機(jī)重量的三分之一以上，耗鋼量大。因此，高空作業(yè)平臺(tái)臂架結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，對(duì)整機(jī)的安全作業(yè)和可靠性、減輕高空作業(yè)車自重，提高作業(yè)性能，節(jié)約鋼材，都有重要意義。 2.2 高空作業(yè)平臺(tái)混合臂架結(jié)構(gòu)分析 混合臂從底盤向上，依次為：下上折疊臂、基本臂、伸出臂、副臂架。 上下折疊臂采用四邊形連桿機(jī)構(gòu)，下折疊臂與轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣通過兩個(gè)水平銷軸連接，上折疊臂與基本臂的端部同樣通過兩個(gè)水平銷軸連接，兩臂中間依舊水平鉸接，用一舉升油缸改變上下折疊臂架之間的夾角，實(shí)現(xiàn)折疊臂的垂直運(yùn)動(dòng)。連接液壓缸的桿件因承受較大載荷，需進(jìn)行加強(qiáng)。 兩節(jié)伸縮臂之間可以相對(duì)滑動(dòng)，靠它們搭接的上下滑塊來傳遞作用力?；颈鄹颗c折疊臂端部通過水平銷軸連接，且其中部分還與變幅油缸鉸接，可實(shí)現(xiàn)工作臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。伸縮臂采用臂架伸縮油缸(臂架伸縮油缸結(jié)構(gòu)如圖2.2所示)來實(shí)現(xiàn)伸出臂相對(duì)基本臂伸縮。伸縮油缸在工作臂內(nèi)部，采用拖鏈來實(shí)現(xiàn)液壓油管和電纜與前端的工作斗操作系統(tǒng)連接。伸縮臂截面形狀為單塊板折彎焊接而成。基本臂在各絞點(diǎn)處設(shè)加強(qiáng)板進(jìn)行加強(qiáng)，伸出臂頭部均設(shè)置加強(qiáng)箍，保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全性。 副臂架與伸出臂端部和作業(yè)斗通過鉸接板鉸接，通過伸出臂端部與副臂架鉸點(diǎn)處的主從平衡油缸，實(shí)現(xiàn)副臂架與鉸接板相連的兩鉸孔始終垂直，通過平行四邊形杠桿機(jī)構(gòu)，最終保證了工作斗的水平。 2.3 高空作業(yè)平臺(tái)混合臂架結(jié)構(gòu)分析 首先確定臂架系統(tǒng)的自由度。 對(duì)于折疊臂部分： 自由度為2，因有兩個(gè)液壓缸做原動(dòng)機(jī)，所以有確定而穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。 對(duì)于伸縮臂及副臂架部分： 自由度為5，因有四個(gè)液壓缸二和一個(gè)液壓馬達(dá)做原動(dòng)機(jī)，所以也有確定而穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。 由于高空作業(yè)平臺(tái)要求在所有幅度下，均可以在額定載荷下工作，因此其危險(xiǎn)工況只有可能出現(xiàn)在一種工作情況下，即:工作斗承載額定載荷，工作臂水平伸出至最大工作半徑狀態(tài)，如圖所示: 本文較多地方出現(xiàn)擺動(dòng)液壓缸機(jī)構(gòu)，故作詳細(xì)分析： 對(duì)擺動(dòng)液壓缸機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。如圖所示： 已知該機(jī)構(gòu)尺寸及活塞相對(duì)液壓缸3的總長度、速度、加速度，求基本臂1的角位移、角速度、角加速度。 Ⅰ.位移分析 按圖中三角形各矢量的方向，有 (1) 在兩軸上分解得 (2) 由（1）（2）兩式各平方后相加，得 (3) 由（3）得 (4) 由（2）（3）得 (5) Ⅱ.速度分析 將式（1）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得 (6) 由此得與有如下關(guān)系 (7) 即有： (8) Ⅲ.加速度分析 將式（6）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得 (9) 由此解得： (10) (11) 由式(11)(12),得 (12) 當(dāng)已知油缸運(yùn)行速度后，依據(jù)液壓油壓力取決于負(fù)載，即認(rèn)為是做勻速運(yùn)動(dòng)，加速度為0，可以分析出桿件1的運(yùn)動(dòng)角加速度。從而分析出附加力矩。 對(duì)副臂架的分析： 高空作業(yè)平臺(tái)的轉(zhuǎn)臺(tái)及副臂架的鋼結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，它們己不是簡單的梁結(jié)構(gòu)，而是板與箱形梁的組合式結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)件不僅要考慮強(qiáng)度、剛度與整體穩(wěn)定性，更重要的是構(gòu)件局部應(yīng)力和局部穩(wěn)定性問題?，F(xiàn)有的解析計(jì)算方法已很難達(dá)到工程要求，解決它的最有效手段是有限元方法。（本文只作部分力學(xué)分析） 已知長寬比，通過力三角形相似原理，分析得當(dāng)油缸長度達(dá)到最大值時(shí)，油缸受力最大。根據(jù)平臺(tái)基本參數(shù)，副臂架在垂直平面內(nèi)可以有139°的對(duì)稱轉(zhuǎn)角。即當(dāng)與水平面有69.5°時(shí)，油缸最長可達(dá)1456mm。平臺(tái)自重+額定載荷=320kg，外加副臂架和擺動(dòng)油缸自重約45kg，可以推出：副臂架油缸受力為19.68KN，工作回路油壓為16MPa,根據(jù)液壓手冊(cè)選用DG型車輛用缸，缸徑40mm ，活塞桿直徑22mm，最大推力可達(dá)20.11KN，滿足使用要求。 根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品“吉尼Z30”的產(chǎn)品說明，平臺(tái)上升速度可達(dá)1.1Km/h，距離變幅鉸點(diǎn)2.1m，所以，副臂架的擺動(dòng)速度為： 根據(jù)式 (7), 且知 得： 由流量速度面積之間的關(guān)系，，根據(jù)的DG型車輛用缸面積參數(shù)，得 流量為2.84L/min 副臂架和油缸重量約45kg 強(qiáng)度計(jì)算 本高空作業(yè)平臺(tái)工作臂均由高強(qiáng)度HG70高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼制造，HG70鋼屈強(qiáng)為700MPa。根據(jù)《JGT 5101-1998 臂架式高空作業(yè)平臺(tái)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于塑性材料，其結(jié)構(gòu)安全系數(shù)n不小于2（以作計(jì)算） 其許用應(yīng)力值為： 式中，：應(yīng)力集中系數(shù) ：動(dòng)載荷系數(shù)，則 箱型伸縮臂由左右兩塊薄鋼板折彎，加上上下兩塊薄鋼板拼焊而成。伸縮臂架在變幅的過程中主要承受軸向壓力(拉力)、剪切力、彎矩以及扭轉(zhuǎn)的作用。為了減輕臂架的重量，同一截面的板厚各不相同，由于箱型伸縮臂是雙向壓彎構(gòu)件，導(dǎo)致臂架下側(cè)薄鋼板更容易失效，因此選取的臂架下側(cè)鋼板比上側(cè)鋼板要厚。在箱型伸縮臂的內(nèi)部安裝有伸縮油缸，用來完成伸縮臂的伸縮，通?；颈酆蜕斐霰鄣母糠謩e固定伸縮油缸的缸桿和缸筒。各節(jié)箱型伸縮臂依靠滑塊進(jìn)行相互作用，同時(shí)依靠滑塊對(duì)箱型伸縮臂起著導(dǎo)向作用。 箱型伸縮臂有多種截面形式，每種截面都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)使用性能、經(jīng)濟(jì)成本等因素應(yīng)用于不同的工況場(chǎng)合。矩形截面是最早被使用的截面形式，由于其形狀簡單，因此其受力狀態(tài)較容易掌握，現(xiàn)今對(duì)于箱型伸縮臂的理論研究大體以矩形截面為基礎(chǔ)，同時(shí)工藝制造方便，在滑塊的布置和附件的安放上也比較容易。由于其下翼緣板、腹板相對(duì)于其他同尺寸截面較長，因此其局部穩(wěn)定性較低，故矩形截面主要應(yīng)用于小噸位的起重機(jī)和大部分高空作業(yè)車產(chǎn)品中。 對(duì)伸縮臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析： 對(duì)基本臂變幅時(shí)擺動(dòng)油缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析： 其中： 從“吉尼Z30”產(chǎn)品說明中知道，伸展上升速度為1.1Km/h,當(dāng)伸出臂縮在基本臂內(nèi)。基本臂處于水平時(shí)，臂架會(huì)產(chǎn)生較大的角加速度。 由式(7)，得： 由式(12)，得： 則角加速度產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩： 假定伸縮臂自重加上其他外載荷，共重：610kg, L=3.8m 則，轉(zhuǎn)矩=14.093N.m<<外載荷。 所以，角加速度產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可以忽略。 從油缸速度，油缸受力為 對(duì)“吉尼Z30”型產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)繪，確定伸縮臂外形尺寸，如圖: 為方便計(jì)算，簡化為上圖中右側(cè)的簡易模型。 對(duì)伸出臂作受力分析圖： 慣性矩： 抗彎截面模量： 截面所受靜力產(chǎn)生的彎矩： 其中：Q為副臂架傳遞過來的載荷，Q=3.65Kn L為伸出臂末端到固定于基本臂內(nèi)段的距離：L=1.5m m為伸出臂自重， 則，伸出臂上彎曲應(yīng)力為： 應(yīng)用迭代法解的值，當(dāng)=6mm時(shí)=47MP<<254.5MP 當(dāng)=5mm時(shí)=56MP<<254.5MP 當(dāng)=1mm時(shí)=242MP，接近許用強(qiáng)度。 顯然，當(dāng)=1mm時(shí)，臂架在受力時(shí)自身已經(jīng)容易失穩(wěn)，從抵抗失穩(wěn)，易于焊接角度，初選臂架厚度=5mm。 伸出臂自重 考慮到局部補(bǔ)強(qiáng)接頭，銷軸，局部鏈接結(jié)構(gòu)等，自重放大至45kg 臂架伸縮油缸最大受力為：4.2Kn(較小) 伸出速度約0.31m/s 油缸行程為1.5m 所以選用mm的DG型車輛用缸，油缸自重約50kg 由流量速度面積之間的關(guān)系，，根據(jù)D=63mm的DG型車輛用缸面積參數(shù)，使用差動(dòng)連接，得:流量Q=17.9L/min 對(duì)伸出臂進(jìn)行剛度分析： 對(duì)基本臂進(jìn)行強(qiáng)度分析： 慣性矩： 抗彎截面模量： 截面所受靜力產(chǎn)生的彎矩： 其中：Q為伸出臂傳遞過來的載荷，Q=4.75Kn L為基本臂末端到固定于基本臂轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸之間的距離：L=2.5m m為伸出臂自重， 則，伸出臂上彎曲應(yīng)力為： 應(yīng)用迭代法解的值，當(dāng)=6mm時(shí)=62MP<<254.5MP 強(qiáng)度滿足要求 基本臂自重m=76kg,考慮到局部補(bǔ)強(qiáng)接頭，銷軸，局部鏈接結(jié)構(gòu)等，自重放大至90kg 拖鏈及支撐，油管等自重約60kg 對(duì)變幅的擺動(dòng)油缸機(jī)構(gòu)分析： 對(duì)基本臂進(jìn)行剛度分析： 對(duì)折疊臂進(jìn)行受力分析： 折疊臂的結(jié)構(gòu)形式和副臂架形式非常相似，故，在此依舊只進(jìn)行簡單的受力分析。