車載裝置升降系統(tǒng)的設(shè)計

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車載裝置升降系統(tǒng)的設(shè)計摘 要車載式升降機根據(jù)舉升機構(gòu)的可分為車載剪叉式升降機、車載鋁合金升降機、車載曲臂式升降機。產(chǎn)品是集四輪移動與二輪牽引式于一身，采用汽車底盤做平臺底架，利用汽車發(fā)動做動力，既可行駛又可驅(qū)動升降機。本課題首先對國內(nèi)升降車的發(fā)展進行了概括，提出了發(fā)展中的不足，簡要介紹了升降車的組成，然后對目前國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)不完善的混合臂和伸縮臂式車載式升降機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，同時對工作中調(diào)平技術(shù)和液壓系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究分析。重點研究了伸縮臂的結(jié)構(gòu)、運動特點，并對其進行了強度校核。根據(jù)車載式升降機安全性要求高，工作幅度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，提出了工作臂、副車架以及工作斗調(diào)平機構(gòu)的研究設(shè)計方法。該課題以混合臂式車載式升降機為研究對象，詳細闡述了伸縮臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計、變形研究；副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作穩(wěn)定性分析；車載式升降機的工作斗調(diào)平系統(tǒng)的研究分析；液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算。課題采用積分法對伸縮臂結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析、變形分析。本文提出的設(shè)計方法，對于同類型車載式升降機研究計算，具有一定的參考價值。關(guān)鍵詞 ：升降車；結(jié)構(gòu)設(shè)計；液壓缸；車載曲臂式AbstractVehicular elevator according to the lifting mechanism can be divided into the on-board shear fork lifter, automotive aluminum alloy elevator, car crank arm lift. Products is a four-wheel mobile and second wheel traction type, with vehicle chassis do platform, use a car for the power, as well as driving can drive elevator.This topic first summarizes the development of domestic lift car, put forward the developing shortage, this paper introduces the composition of the lift car, and then to the current domestic production technology is not perfect mixing arm and telescopic arm type overhead working truck design, the key structure to work at the same time leveling technology and the key technology such as the hydraulic system are analyzed. Telescopic boom structure, motion characteristics are researched, and the strength check. According to the security requirement is high, the work high above the car with a large range to work, the characteristics of complex structure, puts forward the working arm, the auxiliary frame and bucket leveling mechanism research of design method. The subject with mixing arm type overhead working truck as the research object, in detail elaborated the telescopic boom structure design, deformation research; Vice frame structure design, stability analysis; Overhead working truck working bucket leveling system analysis; The calculation in the design of hydraulic system. Subject adopts integral method for telescopic boom structure stress analysis and deformation analysis. In this paper, the design method of calculation for the same type overhead working truck research, has a certain reference value.Key words: Lift car;Structure design;The hydraulic cylinder;Automotive crank arm type目 錄摘 要 .IIABSTRACT .III目 錄 V1 緒論 .11.1 本課題的研究內(nèi)容和意義 11.1.1 課題研究背景 11.1.2 課題研究的意義 11.2 國內(nèi)外發(fā)展概況 11.3 論文主要內(nèi)容 22 車載升降結(jié)構(gòu)原理 42.1 車載升降機分類 .42.2 車載式升降機的組成 52.3 受力分析 .72.4 伸縮臂強度計算分析 82.4.1 危險工況 1 計算 82.4.2 危險工況 2 計算 92.4 伸縮臂變形計算 .102.4.1 力學(xué)模型的建立 102.4.2 彈性位移的計算 112.4.3 計算結(jié)果 142.5 伸縮臂強度校核 .142.5.1 計算基本臂臂的截面尺寸 162.5.2 對下臂進行正應(yīng)力校核 .163 升降機調(diào)平機構(gòu) .193.1 工作斗調(diào)平結(jié)構(gòu)模型 .193.2 調(diào)平機構(gòu)液壓系統(tǒng) 214 液壓油缸的設(shè)計計算 .234.1 伸縮變幅油缸的結(jié)構(gòu) .234.2 伸縮變幅油缸的設(shè)計計算 .234.2.1 確定液壓缸類型和安裝方式 234.2.2 確定液壓缸的主要參數(shù) 235 結(jié)論與展望 .285.1 結(jié)論 .285.2 展望 .28致 謝 .29參考文獻 .301 緒論1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義1.1.1 課題研究背景現(xiàn)如今我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及政府對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的力度逐漸增大，車載式升降機的需求量不斷增加，市場前景非常廣闊。然而由于我國對于車載式升降機的研究開發(fā)起步較晚，對其核心技術(shù)掌握的不足以及加工工藝的落后等方面的原因，使得我國高空作業(yè)產(chǎn)品的使用功能、安全性等方面得不到充分的質(zhì)量保證。通過對目前高空作業(yè)產(chǎn)品市場的發(fā)展趨勢和廣泛的市場研究，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)產(chǎn)品具有類型單一、設(shè)計粗糙等缺陷，無法滿足很多特殊施工環(huán)境的要求 [l]，因此我國高空作業(yè)設(shè)備大多依賴進口。雖然國外產(chǎn)品功能完善、性能比較優(yōu)秀，但是由于價格太高，對很多建設(shè)公司或者施工方來說成本占用比例過大，使得利潤空間降低。因此，研發(fā)生產(chǎn)屬于我國自主品牌的高性能的車載式升降機有著極其重要的經(jīng)濟價值和戰(zhàn)略意義。 車載式升降機是用來運送工作人員和工作裝備到指定高度進行作業(yè)的一種大型工程機械設(shè)備，并廣泛用于電力、路燈、市政、園林、通信、機場、造(修)船、交通、廣告、攝影等高空作業(yè)領(lǐng)域。因此為保障工人在高處作業(yè)的安全性，出現(xiàn)了越來越多的高空作業(yè)設(shè)備，然而隨著科技的發(fā)展和人們對使用要求的增加，傳統(tǒng)的高空作業(yè)設(shè)備已經(jīng)無法滿足人們的需求，專用車載式升降機技術(shù)在最近幾十年來得以快速發(fā)展。1.1.2 課題研究的意義隨著社會的進步和發(fā)展，人們對于產(chǎn)品的人性化要求越來越高，因此在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中應(yīng)堅持人性化思想 [2]，以人機工程學(xué)原理為指導(dǎo)充分分析研究產(chǎn)品各方面因素，提出相應(yīng)的設(shè)計方案。本課題在充分研究產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，對車載式升降機的功能模塊進行了充分的結(jié)構(gòu)分析，并根據(jù)其各方面的特殊性提出了相應(yīng)的設(shè)計要求，指導(dǎo)其結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此課題研究的意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)通過本課題的研究，掌握混合臂車載式升降機金屬結(jié)構(gòu)件的設(shè)計理論和分析方法，了解車載式升降機結(jié)構(gòu)件的工作規(guī)律，從而達到減輕自重、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高可靠性的目的，為研制系列伸縮臂、混合臂車載式升降機奠定良好的基礎(chǔ)。(2)對車載式車載式升降機進行模塊劃分，將其分為工作平臺、操作系統(tǒng)、運動系統(tǒng)和支持系統(tǒng)幾個部分進行分別研究，對每一部分進行充分的結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計原則，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計進行指導(dǎo)。在課題的研究過程中結(jié)合產(chǎn)品的使用功能，通過計算機建模，在保證實現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，總結(jié)相應(yīng)的外觀設(shè)計理論，以指導(dǎo)后續(xù)系列產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時對于其它機械產(chǎn)品的外觀設(shè)計研究具有一定的理論指導(dǎo)意義。1.2 國內(nèi)外發(fā)展概況車載式升降機發(fā)展起步較早的歐美等發(fā)達國家和地區(qū)，從 20 世紀 20 年代就開始研制，發(fā)展歷史久遠，生產(chǎn)技術(shù)也很成熟，具有生產(chǎn)技術(shù)水平高、作業(yè)車的作業(yè)高度大、規(guī)格齊全、結(jié)構(gòu)型式豐富、功能多樣等優(yōu)點?？傮w來看，技術(shù)和市場均已很成熟，產(chǎn)品能夠進行高空作業(yè)、搶險、救援、消防等復(fù)雜工作，作業(yè)平臺的最大載荷可達 500kg，最1大作業(yè)高度已經(jīng)超過 100m，這是我國目前無法設(shè)計達到的高度，同時具有各種安全保護措施，很好的保障了工人的安全。大型產(chǎn)品特點是科技含量高、研制與生產(chǎn)周期較長、投資大、市場容量有限，但市場競爭相對較少，產(chǎn)品的利潤相對較高。如美國 Genie 公司、JLG 公司和法國 HAULOTTE 公司在車載式升降機產(chǎn)品都形成了系列化，與此同時，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期明顯縮短。這大大提高了企業(yè)在國際市場中的競爭能力和企業(yè)的抗風(fēng)險能力。我國產(chǎn)品在質(zhì)量和性能上與國外優(yōu)秀產(chǎn)品雖然存在一定的差距，但是隨著科技的不斷發(fā)展，產(chǎn)品的功能和性能已經(jīng)逐漸趨于同質(zhì)化 [3]，因此必須通過對我國高空作業(yè)機械產(chǎn)品與國外先進企業(yè)產(chǎn)品進行分析和比較，找出發(fā)展問題的之所在，并提出相應(yīng)的解決方案。我國車載式升降機的使用范圍與國外相比來說還比較窄，使用較多的有路燈、交通、園林等部門，而在有發(fā)展前途的電力、電信及有線電視系統(tǒng)使用較少，市場遠遠沒有挖掘和培育出來 [3]。目前市場上的主要產(chǎn)品仍然是體積教大，對作業(yè)場地要求較高的拖車式或車載式車載式升降機，而我國市場上的車載式車載式升降機多為價格昂貴的國外進口產(chǎn)品或中外合資企業(yè)的產(chǎn)品，我國本土研發(fā)的設(shè)備極少，因此我們開發(fā)研制出擁有自主產(chǎn)權(quán)的高性能車載式車載式升降機具有很強的發(fā)展戰(zhàn)略意義。我們應(yīng)提高工程設(shè)計效率和品質(zhì)，節(jié)約設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期 [4-5]。而傳統(tǒng)設(shè)計在設(shè)計一個工程結(jié)構(gòu)的時候，首先要采用類比方法確定設(shè)計方案的初稿，然后對其結(jié)構(gòu)進行分析，畫出圖紙，然后對重要部件進行強度的校核，并根據(jù)校核的結(jié)果重新修改設(shè)計方案，一般往往要進行多次分析校核和調(diào)整才能得到優(yōu)秀的設(shè)計方案。這種設(shè)計方法的設(shè)計周期長、代價高、效率低，且所得到的方案多數(shù)不是最優(yōu)方案 [6-7]。只有加大行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新力度，開發(fā)先進的高空作業(yè)機械，滿足用戶的差別化和個性化需求，為用戶精細化服務(wù)，才能提高中國產(chǎn)品的市場競爭能力。在我國實際工作過程中，人們對于安全性和勞動條件提出了更高的要求，尤其是在高空作業(yè)中，原始的腳手架、吊籃等安全系數(shù)較低的工作方式將會越來越少，而對于高空作業(yè)機械的需求必將越來越多 [8]。另一方面，中國造船業(yè)逐漸成為世界第一，對于大型車載式車載式升降機的需求急劇增加。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅中國造船行業(yè)在2009年約需六七百臺車載式升降機 [9],這一市場之前基本都被國外品牌占據(jù)。因此，研發(fā)生產(chǎn)屬于我國自主品牌的高性能的車載式升降機有著極其重要的經(jīng)濟價值。雖然國內(nèi)產(chǎn)品近些年來發(fā)展較快，但從整體上看，無論是技術(shù)上還是應(yīng)用上都落后于國外同類產(chǎn)品，與國外先進產(chǎn)品相比還有較大的差距。1.3 論文主要內(nèi)容課題研究內(nèi)容主要包括車載式升降機結(jié)構(gòu)的分析研究及其在實際生活中車載式升降機的外觀設(shè)計，以車載式車載式升降機為設(shè)計載體，將產(chǎn)品各部分以功能進行劃分，形成相應(yīng)的設(shè)計理論和原則，并用以指導(dǎo)未來系列產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計。論文的主要內(nèi)容包括以下幾個部分：(1) 課題研究的國內(nèi)外背景和發(fā)展現(xiàn)狀，研究的主要內(nèi)容和意義的概述；(2) 進行車載式車載式升降機的伸縮臂、副車架等金屬結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、用以實現(xiàn)車載式車載式升降機的功能。(3) 對各金屬結(jié)構(gòu)件進行數(shù)學(xué)建模、數(shù)值計算、強度校核，以獲得車載式車載式升降機主要結(jié)構(gòu)的工作規(guī)律和工作性能。(4) 對液壓油缸進行選型，并設(shè)計計算其應(yīng)力大小是否符合要求。32 車載升降結(jié)構(gòu)原理2.1 車載升降機分類 車載式升降機根據(jù)舉升機構(gòu)的可分為車載剪叉式升降機、車載鋁合金升降機、車載曲臂式升降機。產(chǎn)品是集四輪移動與二輪牽引式于一身，采用汽車底盤做平臺底架，利用汽車發(fā)動做動力，既可行駛又可驅(qū)動升降機。產(chǎn)品以小型貨車（汽車）或電瓶車為載體，移動靈活迅速，操作簡單，作業(yè)范圍廣。車載剪叉式升降機采用剪式升降結(jié)構(gòu)，剪叉結(jié)構(gòu)采用優(yōu)質(zhì)矩形錳鋼管制作，整體強度高，載重量大，升降穩(wěn)定性好，廣泛用于城建、油田、交通、市政、室外廣告等行業(yè)。 車載曲臂式升降機利用汽車引擎動力驅(qū)動升降機。具有車載式升降機的全部優(yōu)點，而且車輛的行走功能，使作業(yè)車有更好的靈活性和機動性，高空作業(yè)效率更高，能適應(yīng)區(qū)域范圍廣、流動性大的高空作業(yè)。廣泛應(yīng)用于電力、市政、園林、工礦企業(yè)、通信等行業(yè)。 車載式升降機是把升降機安裝在汽車上的高空作業(yè)設(shè)備。由專用底盤、工作臂架、三維全旋機構(gòu)、柔性夾緊裝置、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和安全裝置等部分組成。由升降機和電瓶車配套改裝而成的高空作業(yè)專用設(shè)備。車載升降平臺利用汽車發(fā)動機或電瓶車原有直流動力，勿須外接電源，即可行駛又可驅(qū)動升降平臺，它移動方便，作業(yè)流動范圍廣，產(chǎn)品具有無污染，無尾氣，作業(yè)范圍大，流動性強。特別適用于冷庫、人群密集區(qū)域（火車站，汽車站，飛機場）。車載折臂式液壓升降機簡介：車載折臂式液壓升降機利用汽車引擎動力驅(qū)動升降機。具有自行曲臂式液壓升降機的全部優(yōu)點，而且車輛的行走功能，使作業(yè)車有更好的靈活性和機動性，高空作業(yè)效率更高，能適應(yīng)區(qū)域范圍廣、流動性大的高空作業(yè)。廣泛應(yīng)用于電力、市政、園林、工礦企業(yè)、通信等行業(yè)。車載升降平臺廣泛用于城建、油田、交通、市政等行業(yè)。根據(jù)個人要求可設(shè)停電情況下的應(yīng)急下降裝置、平衡閥、自動保壓等安全裝置，防止高空升降平臺超載的安全裝置、漏電保護裝置和缺相保護裝置、防止液壓管路破裂的安全防爆裝置。 產(chǎn)品控制方式：產(chǎn)品均由電動控制升降。車載式升降機性能特點：根據(jù)產(chǎn)品分類可分為 6 米、8 米、10 米、12 米、14 米、16米移動式高空升降臺，載重 300 公斤、500 公斤、800 公斤、1 噸等不同規(guī)格，還可根據(jù)客戶需求定制非常規(guī)規(guī)格，還可選用解放、輕騎、電瓶車等不同動力配套，移動方便靈活。適用場所：該類車載式升降平臺廣泛適用于大型工業(yè)廠房、展覽館、野外工作、公園、郵政、車站、碼頭等室外場所均可使用。車載式升降平臺：可駕駛式升降平臺”又名“ 車載式高空升降平臺 ”，是由升降平臺和汽車配套改裝而成的。它接取汽車引擎動力，實現(xiàn)升降平臺的升降功能。適用于大流動量的高空作業(yè)。故可謂技術(shù)革新中的典范，通?？膳淦囶愋陀校阂黄〗夥牛▎闻?/ 雙排）；五十鈴輕卡（單排 / 雙排）；二汽東風(fēng)輕卡（單排 / 雙排）；南汽躍進 1.5T （單排 / 雙排）；南汽躍進卡車 3T( 單排 )；二汽東風(fēng)卡車 2T( 單排 ) 圖 2.1 升降車圖2.2 車載式升降機的組成車載式升降機正常進行作業(yè)，需要由專用底盤、工作臂架、三維全旋機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和安全裝置等部分組成，性能如下。專用底盤由發(fā)動機、車架、行走機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)等組成?？紤]到工作可靠性、噪聲、排放等方面綜合要求，優(yōu)選康明斯 B3.3～C60 型工程機械專用柴油發(fā)動機，該發(fā)動機為直列 4 缸水冷、自然吸氣發(fā)動機，帶全程調(diào)速器，運行平穩(wěn)，具有熱效率高、比油耗低、排放污染少等特點。由于臺車行駛速度低，綜合考慮作業(yè)安全性和經(jīng)濟性，車架采用剛性連接式，不設(shè)懸架機構(gòu)，輪胎選用高負荷實心橡膠輪胎。 工作裝置由回轉(zhuǎn)臺、工作臂架、伸縮軟鏈等組成?；剞D(zhuǎn)臺通過回轉(zhuǎn)支承安裝在車架上，由回轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動，可實現(xiàn) 360°全回轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)機構(gòu)包括行星減速機、常閉式制動器、液壓馬達等構(gòu)成，與回轉(zhuǎn)支承采用外嚙合傳動方式。 三維全旋機構(gòu)設(shè)備或系統(tǒng)的安裝位置一般由標(biāo)高和方向 2 個參數(shù)確定。由于要求被舉升物體在空間相互垂直的 3 個方向可以進行獨立旋轉(zhuǎn)，使物體可以獲得任意安裝角度，因此設(shè)計了三維全旋機構(gòu)，即在水平和豎直方向設(shè)置±90°。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)俯仰方向轉(zhuǎn)角可以通過臂架變幅進行，微調(diào)由調(diào)平油缸實現(xiàn)，不再設(shè)單獨機構(gòu)，從而減少機構(gòu)設(shè)置。 液壓系統(tǒng)采用 1 臺變量柱塞泵和 1 臺定量齒輪泵供油，由發(fā)動機驅(qū)動。變量泵為行5走、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、臂架變幅和臂架伸縮供油，齒輪泵為行走轉(zhuǎn)向機構(gòu)、工作裝置擺動、工作裝置翻轉(zhuǎn)、工作裝置夾緊和調(diào)平機構(gòu)微調(diào)供油。由變量泵供油的動作采用比例閥進行控制，以便精確進行速度調(diào)節(jié)，其它動作由于速度低、流量小，直接采用電磁換向閥進行控制。液壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有安全溢流閥、液壓鎖等安全裝置。 設(shè)有電動應(yīng)急系統(tǒng)，當(dāng)?shù)妆P發(fā)動機和主泵液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，借助以 12V 底盤電源為動力的微型組合式液壓泵站，將工作裝置降至行駛狀態(tài)。也可采用緊急下降閥進行操作，實現(xiàn)動臂下降復(fù)位。地面操作盤、遙控操作盤均設(shè)有緊急停止按鈕，用于在緊急狀況下強制停止行駛系統(tǒng)和工作裝置的各種運動。整車外形圖如圖 1.1：圖2.2 車載式車載式升降機車外形圖車載式升降平臺：車載式升降平臺是為提高升降平臺的機動性，將升降平臺固定在電瓶搬運車或貨車上，它接取汽車引擎動力，實現(xiàn)車載式升降平臺的升降功能。以適應(yīng)廠區(qū)內(nèi)外的高空作業(yè)。 廣泛應(yīng)用于賓館、大廈、機場、車站、體育場、車間、倉庫等場所的高空作業(yè)；也可作為臨時性的高空照明、廣告宣傳等。 后置式車載式升降機伸縮臂采用三節(jié)伸縮式箱形臂，如圖 2.3 所示。圖2.3 伸縮臂結(jié)構(gòu)圖如圖所示，各節(jié)臂可以依靠相互連接的滑塊進行相對滑動。轉(zhuǎn)臺與伸縮臂的跟部通過水平銷軸進行鉸接，同時轉(zhuǎn)臺的中下部還與伸縮變幅油缸鉸接，同樣通過水平銷軸，伸縮變幅油缸能夠?qū)崿F(xiàn)工作臂在變幅平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動。所有鉸接點均采用自潤滑軸承，降低保養(yǎng)要求，所有需要潤滑的點都設(shè)有加油口，可以方便地進行保養(yǎng)。工作臂依靠一級伸縮液壓缸進行伸縮運動，伸縮油缸直接推動第二節(jié)臂，第三節(jié)臂在鏈條伸縮機構(gòu)的作用下和第二節(jié)臂同步伸縮。臂架系統(tǒng)由臂架變幅機構(gòu)、臂架伸縮機構(gòu)、臂架鋼結(jié)構(gòu)及其它零部件組成。臂架變幅機構(gòu)主要由變幅油缸組成，其作用是實現(xiàn)臂架的變幅功能。具有三節(jié)或三節(jié)以上的吊臂，各節(jié)臂的伸縮方式基本有三種：順序伸縮、同步伸縮和獨立伸縮。該車載式升降機臂架伸縮機構(gòu)由臂架伸縮油缸和鋼絲繩傳動系統(tǒng)組成，伸縮原理為單級同步伸縮即由伸縮油缸直接驅(qū)動二節(jié)臂動作，同時通過固定在一節(jié)臂上的鋼絲繩使三節(jié)臂與二節(jié)臂實現(xiàn)同步動作。伸縮機構(gòu)原理如圖 2.2 所示。臂架截面形式采用四邊形箱型結(jié)構(gòu)，臂架外部裝有油管電纜托鏈與工作平臺進行連接 [10]。1 2 345 69781 0圖2.4 伸縮機構(gòu)原理圖2.3 受力分析由于車載式升降機要求在所有幅度下，均可以在額定載荷下工作，因此其危險工況只有可能出現(xiàn)以下兩種工作情況：一是在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)；二是在工作斗承載額定載荷，工作臂完全伸出，且處于最大幅度狀態(tài)。2.4 伸縮臂強度計算分析分別對兩種工況下的伸縮臂強度進行計算分析。本作業(yè)車工作臂均由優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼Q700 制造，根據(jù)車載式升降機結(jié)構(gòu)安全要求（GB9645-88） [11]，其許用應(yīng)力值為：(2.1)12[]sSf???式中： —材料屈服強度， s 70sMpa??—結(jié)構(gòu)安全系數(shù)， 2S-應(yīng)力集中系數(shù)，1f1.f-動載荷系數(shù)， ，則225212[]704.6/.s pakgmSf??????2.4.1 危險工況 1 計算分別進行三節(jié)臂的應(yīng)力計算。先對外臂進行分析，外臂受力其危險截面為A-A 截面。7G1--載荷， G1=250*1.25kg G2--工作斗，G2=100 kgG3--前平衡油缸， G3=20 kg G4--平衡拉桿，G4=30 kgG5-折疊臂，G5=80 kg G6--折疊臂變幅缸，G6=60 kgG7--三節(jié)臂， G7=215 kg G8--二節(jié)臂及伸縮鏈排，G8=355 kg G9--1/2一節(jié)臂， G9=240 kg G10--伸縮油缸， G10=200 kg(2.2)AiMGL????外臂危險截面A-A慣性矩為：(2.3)312ABHbhI?則可求A-A 截面的最大應(yīng)力 。?2[]74./[]ANm????同樣可對此工況1 下的中臂、內(nèi)臂危險截面進行計算。求得其最大應(yīng)力。2.4.2 危險工況 2 計算同樣對三節(jié)臂分別計算。先對外臂進行分析，外臂受力如圖 2.5，其危險截面為 A-A 截面。圖 2.5 危險工況2 外臂受力示意圖根據(jù)圖示受力分析，可計算出一節(jié)臂危險截面應(yīng)力。同樣方法，可分別計算工況 2 下，中臂、內(nèi)臂的應(yīng)力。根據(jù)計算，工況1 狀態(tài)下各工作臂應(yīng)力大于工況2 ，因此工況 1 為伸縮臂危險工作狀態(tài)。2.4 伸縮臂變形計算車載式升降機伸縮臂全伸時，臂端將產(chǎn)生較大的彈性變形，箱形伸縮臂臂端彈性位移將對車載式升降機的作業(yè)參數(shù)產(chǎn)生影響，同時對對車載式升降機安全性影響也很大，因此需要對其變形進行計算。2.4.1 力學(xué)模型的建立考慮到很多現(xiàn)實干擾因素，因此計算時要虛擬化，建立以下假設(shè)：1) 假定工作臂截面不受力的影響產(chǎn)生彎曲變形，按平面計算；2) 由于截面變形不明顯，對計算結(jié)果影響不大，因此假設(shè)撓度曲線是光滑連續(xù)的曲線；3) 每次建立模型時只考慮單方面受力作用結(jié)果，不用共同考慮；如圖2.7 所示，建立 空間直角坐標(biāo)系，其中 軸沿工作臂鉸接軸軸線向外，OXYZOX設(shè)工作斗載荷為 ，考慮存在偏載， 為空間載荷，為了便于計算，圖 2.7 中先將 在QQQ平面進行分解，分解成沿Z軸的 和平行于 平面的 ，在后面的計算中再將OYFY1F分解為沿 X軸 和Y 軸的 。1F1F1Y圖 2.7 工作臂受力坐標(biāo)系參考《起重機設(shè)計規(guī)范》（GB3811-83） [12]，臂端彈性位移計算時應(yīng)同時考慮軸向壓力影響，先將工作臂簡化為受壓等截面懸臂梁，計算中再通過引入各種長度系數(shù)來考慮工作臂截面的影響。據(jù)此，我們作如下假設(shè)：伸縮臂實際長度為 ，伸縮臂計算長度為 ，bLCL(2.4)12C???伸縮臂的當(dāng)量慣性矩為 ,dxI(2.5)12dxI其中 、 為長度系數(shù) 。1?下面用積分法來計算梁的彈性位移。為了計算方便，先分別計算在垂直平面OYZ 內(nèi)， 與M 所產(chǎn)生的撓度 ，和 與Fa?F所產(chǎn)生的撓度 ，如圖 2.8 所示。1Fb?9圖 2.8 作用力和撓度示意圖2.4.2 彈性位移的計算將 和 還原成偏心載荷 作用下的壓桿，梁上任一橫截面 Z 處的彎矩為：1FMXF(2.6)()aSY?????帶入撓曲軸的近似微分方程：(2.7)'dxEIm?由于工作臂為階梯形， 是繞X 軸的當(dāng)量面積慣性矩，dxI, 為變截面長度系數(shù)12dxI??2將彎矩帶入上式： '()dxaEIYFSY??????'?或 ' ()adxdxII令 2dxFKE則上式變?yōu)椋?2.8)'2()aYS????這是一個二階常系數(shù)非齊次方程，通解為： 12sincosaCKZ由邊界條件：, , 得0?Y2()aS????， , 得' 10所以撓度方程為：(2.9)()(cos)aSKZ???令 帶入撓度方程。,bZLY?()1)abL??解得 csobS??作三角變換: 2sincobaKLS???帶入 ：a21csbbLK??將 帶入2dxFEI?1()cosbadxbLSIL???2XbxMK??當(dāng) 趨近于 時， 最大，此時軸向壓力 達到臨界載荷 ，由極限的概念可bKL2?a?FEXF以認為 。?考慮構(gòu)件支承方式的影響，應(yīng)以計算長度 代替 。12CbL???bL(2.10)21cosXabdxbMLEIK???作近似： 22cos1()128EXEXEXFF????????1EXF?(2.11)2abdxEXLI???切向力F 在一截面的彎矩是：(2.12)1[()()]bYbmFZ????建立撓曲軸的近似微分方程: 'dxEIY??' 1()()bYbL' []dxdxFFZII?????令 2xKE?上式變?yōu)椋?2.13)'21[()]YbbFYLZ????11通解為: (2.14)' 112sincos()YbbFYCKZLZ?????由邊界條件: 得'0,1?則撓度方程為：(2.15)111sin()cos()YYYbbbbFFFKZLKZLZ??????令 ,bL?11si()csYYbbb?(2.16)1coinobFKLK??作近似： 3()si6bb?2co1L?321()()s[]6bbYYbbKLLFFK???31YbFK?3 311cos2bdx dxEXEXEII??? ???2116YCLabdxEXMFLYFI?????上式中： 12Cb???2.4.3 計算結(jié)果對于我們開發(fā)研制的直臂后置式車載式升降機，其上式各參數(shù)應(yīng)為： 6105810721073250()XiMkgm???????13cos7.4()YFkg?.93CLm?, 5()EXkg15sin70296()Fk?, 20Gpa?48.dxI將參數(shù)值代入公式得： 21316.096XYCLabdxEXMLY mFEI??????從以上計算結(jié)果看，由于公式推導(dǎo)基于理想狀態(tài)，模型的建立將工作臂簡化為節(jié)節(jié)之間剛性連接，其計算值為純彈性變形撓度。在實際工作狀態(tài)中，工作臂由于加工精度、滑塊調(diào)整間隙等因素影響，其工作平臺較理想狀態(tài)下垂要大一些。這一點，我們經(jīng)過對伸縮臂式車載式升降機產(chǎn)品樣車的測試，其結(jié)果基本符合預(yù)先的理論計算值。2.5 伸縮臂強度校核正應(yīng)力校核、 靜強度效核公式：正應(yīng)力 (2.17) ??FA???式中: F----------梁所受的力（N）A----------截面積（ ）2m切應(yīng)力： ??28FsIz????δ(2.18)式中: Fs----------梁所受的剪力（N ）----------鋼板厚度(m)δIz----------梁對 Z軸的慣性矩( )4m鋼板每平方米面積的理論質(zhì)量,不同厚度的鋼板(密度為7.85)的每平方米理論質(zhì)量按下列公式計算：(2.19)2ρ/Gkgm???式中 : G-----給定鋼板厚度下的每平方米重量 ,kg/m-----鋼板厚度 =4mm?-----鋼板密度7.85所以 (M=L1=4.2m)4.207.850.13Mkg???所以自重是: 92FGKN由上圖可得: ?即: 1.78.0B?對伸縮臂進行受力分析如下圖13FB'Fcg3560m4x彎 矩 MGax=9.1KN圖2.9 伸縮臂的彎距圖即力 與力 大小相等方向相反。'1.07FBKN??'FB由 Mc?所以 45'36g?所以 .92.50??由 F所以 92.561.78.4cKN?如圖2.9所示的彎矩圖:則可得最大彎矩是 max.039.1Mm???而梁所需的截面系數(shù)，=/[]axWσ43.42.01769KNMPa??2.5.1 計算基本臂臂的截面尺寸再將求出來的梁所需的截面系數(shù) W 值代入可得 0.mhδ34.62180????b1m9.1?463S;5.219。mh308.?其中 為點 c 到力 的垂直距離，計算過程如下所示：gF已知伸縮臂受力如下圖 5.3 所標(biāo)示。 FG上F2B圖 5.3 伸縮臂尺寸由此計算得： 。mh308.?將所得數(shù)據(jù)代入公式（5.2）得： mFmNNN g308.01.46.175.2104.6.127.9.108.9 333 ?????????Fg65將 , 代入式 5.1,0.?MPap?得： kD160.7322??m15查《機械設(shè)計手冊 5》表 37.7-1，如表 5-1 給出的缸筒內(nèi)徑尺寸系列圓整 成標(biāo)準(zhǔn)值。D表 5-1 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列( 摘自 GB2348—80) ( )m8 40 125 （280）10 50 （140） 32012 63 160 （360）16 80 （180） 40020 （90） 200 （450）25 100 （220） 50032 （110） 250即取：。mD125?(2) 活塞桿直徑 的計算d根據(jù)速度比的要求來計算活塞桿直徑 d?1??Dd（5.3）式中: --活塞桿直徑( );m--液壓缸直徑( );--速度比; 212dDv???--活塞桿的縮入速度 ；2 in)/(m--活塞桿的伸出速度 。1此處， 《機械設(shè)計手冊 5》表 37.7-63(P37-245)取液壓缸的往復(fù)運動速度比為 1.46， 表 37.7-2(P37-173)查得：（5.4） Dd56.0?將 代入式（5.4 ） 得: m12md70?查《機械設(shè)計手冊 5》37.7-2，如表 5-2 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列（摘自 GB2348-80）表 5-2 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列 (摘自 GB 2348—80) ( )m4 20 56 1605 22 63 1806 25 70 2008 28 80 22010 32 90 25012 36 100 28014 40 110 32016 45 125 36018 50 140 400取液壓缸活塞桿外徑尺寸如下： md70?(3) 液壓缸行程 S 的確定首先計算伸縮臂升至最大角時，伸縮臂鉸點與底盤鉸點之間的距離。由計算得伸縮臂升至最大角時，下臂鉸點與底盤鉸點之間的距離為： 。m493查《機械設(shè)計手冊 5》表 37.7-3(P37-173)液壓缸活塞行程第一系列 ( )，由以上條件取 S 值如下：。m160?(4) 液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算1) 缸筒壁厚的計算按薄臂筒計算：????2Dpy?（5.5）21式中 --液壓缸缸筒厚度( )；?m--試驗壓力( )。取 ，ypMPapy5.1?即： 。24165??--液壓缸內(nèi)徑（m） ；D--剛體材料的許用應(yīng)力（ ）???a取 。Pa0代入式（5.5）中，得： mM15124????2) 缸體外徑的計算 1?D（5.6）代入數(shù)據(jù)得: m1521??查《機械設(shè)計手冊 5》表 37.7-66(P37-246)取液壓缸外徑為 150 。m4 三維模型設(shè)計SolidWorks 軟件是美國 SolidWorks 公司開發(fā)的三維 CAD 軟件。是世界上第一個基于Windows 開發(fā)的三維 CAD 系統(tǒng)，Solidworks 軟件功能強大，組件繁多。 Solidworks 有功能強大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點，這使得 SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD 解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，而且對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。對于熟悉微軟的 Windows 系統(tǒng)的用戶，基本上就可以用 SolidWorks 來搞設(shè)計了。SolidWorks 獨有的拖拽功能使用戶在比較短的時間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計。 SolidWorks 資源管理器是同 Windows 資源管理器一樣的 CAD 文件管理器，用它可以方便地管理 CAD文件。使用 SolidWorks，用戶能在比較短的時間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場。在目前市場上所見到的三維 CAD 解決方案中，SolidWorks 是設(shè)計過程比較簡便而方便的軟件之一。在強大的設(shè)計功能和易學(xué)易用的操作協(xié)同下，使用 SolidWorks，整個產(chǎn)品設(shè)計是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計、裝配設(shè)計和工程圖之間的是全相關(guān)的。它采用了大家所熟悉的 Microsoft Windows 圖形用戶界面，在技術(shù)內(nèi)核上基于先進的Parasolid 圖形語言平臺。SolidWorks 在國際上得到了廣泛的應(yīng)用，并以其功能強大，易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點而深受廣大用戶的喜愛。在眾多的三維 CAD 軟件中SolidWorks 提供了最優(yōu)秀的中文支持，因此，SolidWorks 幾乎是中國工程師步入三維CAD 階段的首選。SolidWorks 系統(tǒng)主要功能如下：(1)真正的全相關(guān)性，任何地方的修改都會自動反映到所有相關(guān)地方；(2)具有真正管理并發(fā)進程、實現(xiàn)并行工程的能力；(3)具有強大的裝配功能，能夠始終保持設(shè)計者的設(shè)計意圖；(4)容易使用，可以極大地提高設(shè)計效率。用 SolidWorks 設(shè)計零件的基本流程如圖 4.1 所示。23進入零件設(shè)計模式建立基體特征添加特征和修改特征重繪特征完成設(shè)計合格否添加特征和修改特征合格不合格圖 4.1 Solidworks 設(shè)計零件的基本流程圖圖 4.2 第一節(jié)升降臂圖 4.3 第二節(jié)升降臂圖 4.3 第三節(jié)升降臂圖 4.4 底座圖 4.5 升降部分組裝圖 4.6 整體裝配圖