基于伸缩式高空作业车设计探讨

基于伸缩式高空作业车设计探讨

（云南远鹏装饰设计工程有限公司）

摘要：文章主要阐述了伸缩式高空作业车主要机构的设计原理，并对整机稳定性进行了分析。通过分析，该设备有普通高空作业设备的全部功能，具有回缩尺寸小，伸缩量、工作幅度大，操作灵活等特点，适用于作业空间狭小、尺寸要求严格的工作环境。

关键词：高空作业车；伸缩臂；摆臂；稳定性

前言：

近年来，随着建筑业的发展，各类起重机得到了广泛的应用。在一些特殊工作条件下，为进行设备和物料的输送，特殊起重设备应运而生。狭小空间内，如多层地下建筑，当需要从底层孔洞向顶层输送维修人员及物料时，要求升降机构全缩尺寸很小且全伸尺寸很大，工作机构的可达位置还要能够覆盖较大的作业空间，升降机构上往往附有回转工作平台，受力情况复杂，对设备的强度和结构刚性提出了更高要求。

一、伸缩式高空作业车设计方案

伸缩式高空作业车主要采用垂直升降形式，展开时工作幅度大，回缩时外形尺寸小，结构紧凑，整机分为升降机构、变幅机构、回转机构和行走机构，其整机模型如图1所示。

图1 整机模型

1.1升降机构

由于升降距离较大，为提高设备刚度，升降机构采用箱型伸缩臂。

伸缩机构由3节臂组成，伸缩臂采用箱形结构，采用液压油缸和钢丝绳滑轮系统进行伸缩。

图2为采用1个单级液压缸和1套钢丝绳滑轮系统的同步伸缩机构。油缸伸缩杆与基本臂由销轴铰接，缸体与第二节臂由销轴铰接。钢丝绳a绕过滑轮a，一端由销轴与第三节臂相连，另一端与基本臂相连。钢丝绳b绕过滑轮b，一端与基本臂相连，另一端与第三节臂相连。滑轮b装在第二节臂上。滑轮a装在液压缸体头部。当缸体带动第二节臂伸出时，滑轮a随缸体上升，通过钢丝绳a拉动第三节臂上升。第三节臂的同步缩回，是由钢丝绳b完成的，其动作原理与同步伸出完全一样。

1-基本臂；2-油缸伸缩杆；3-油缸缸体；4-第二节臂；5-第三节臂；6-滑轮a；

7-钢丝绳a；8-钢丝绳b；9-滑轮b

图2 伸缩臂同步伸缩原理图

1.2变幅机构

图3为双油缸串联调平机构原理图。在一次调平过程中油压和温度的变化对调平误差影响很小，其调平精度主要由其铰点位置的选取来决定，故对铰点位置的优化就显得尤为重要。a点为升降机构中第三节臂和摆臂的铰接点，与第三节臂相连的油缸称为主动油缸，与工作平台相连的油缸称为被动油缸。b点为主动油缸和第三节臂的铰接点，c点为主动油缸和摆臂的铰接点。三角形中ab和ac边长度固定不变，通过作为bc边的主动油缸的伸缩来驱动摆臂

进行变幅运动。摆臂与工作平台铰接点d，被动油缸和摆臂的铰接点e，被动油缸和工作平台的铰接点f，这三点构成另外一个三角形。其中de和df两边长度固定不变，通过被动油缸的伸缩变化即可改变工作平台与地面间的夹角。

图3 双油缸串联调平机构原理图

摆臂向上变幅，主动油缸伸出时，由于主、被动油缸串联，故主动油缸伸出一定长度，则被动油缸缩回相同的长度。c点绕a点运动到c′点，摆臂向上摆动的角度为∠cac′，同时f点绕d点运动到f′，工作平台向下摆动∠fdf′。如果∠cac′与∠fdf′相等则就实现了工作平台的调平。通过以上分析，双油缸串联调平机构可归结为两个三角形边长的问题。

1.3 回转机构

回转机构的作用是实现作业车的回转运动。回转机构采用360°下回转，安装在行走小车上，操作和安装都非常方便。回转台通过回转支承固定在车架上，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，进而带动整个上车部分回转，从而扩大高空作业车作业范围。

1.4 行走机构

行走机构承受整机的重量及由传动系和操纵系传来的力和力矩，行走机构包括车架、支腿及车轮。图4为行走机构模型。

图4 行走机构模型

二、伸缩式高空作业车稳定性分析

2.1倾翻稳定性计算

高空作业车运载人时，支腿伸出以撑实地面，此时同一侧的两支腿构成倾覆线，由于起运车质心对倾覆线的稳定力矩相应较小，当起重装置在整车侧方起吊载荷时，稳定性较差，且当吊臂在水平面投影垂直于小车前后轴线时，吊重力臂最长，此外，当吊臂仰角为0°时，力矩吊重力矩最大，高空作业车处于最不利工作状况。

故其稳定安全系数

式中ms——位于倾翻线内侧的稳定力矩；mt ——位于倾翻线外侧的倾翻力矩；e——伸缩臂与机架铰点距离和支腿几何中心的距离。

本设计中，a——支腿与地面作用点距支腿几何中心距离，300mm；gc——行走机构的重量，2130kg；gs——摆臂的重量，150kg；gh ——工作平台的重量，300kg；q——起重量，300kg。

由此可见，作业车在起重过程中是稳定的，不会发生倾翻。

2.2 伸缩臂稳定性计算

分析研究表明，结构稳定性失效具有突发性、结构变形大等特点，一旦发生稳定失效，结构随即崩溃。箱形臂的稳定性设计是否合理，直接影响到起重机的质量及工作性能、起重性能、承载能力和整机的稳定性。

考虑轴向力二阶效应，解其单元平衡方程可得

其中

式中e——材料的弹性模量；

i——截面惯性矩；

p——轴力。

梁杆结构失稳条件为其刚度矩阵行列式值为零，即det（k）=0，由单元刚度矩阵组装成结构刚度阵后，即可根据刚度阵行列式为零的失稳条件得到失稳特征方程，由此解出临界力系数εcr及对应临界力pcr=εcr2/l2 。

等截面柱的精确刚度矩阵为

由临界失稳条件det（k）=0可求得pcr=π2ei/4l2。

对实际工况进行仿真，可得伸缩臂应力及位移仿真图（略）。三、结论

综上所述，通过针对伸缩式高空作业车设计及稳定性分析，得到了以下几个方面的结论：

（1）设计了一种伸缩式高空作业车，这种高空作业车升降机构采用了伸缩形式，整体刚度大，全伸时工作高度很大，全缩时又很节省空间；摆臂机构采用液压式折叠机构，再加上360°全回转机构，扩大了工作范围，提高了劳动生产率。

（2）行走机构采用手推小车的形式，既节约了成本，又可使设备移动灵活。

（3）为避免稳定性失效，对整机稳定性进行了分析，并给出了仿真模型。

（4）该设备回缩尺寸小，伸缩量、工作幅度大，适用于环境空间狭小、作业空间较大的工作场合。