9高空作业车部件伸缩臂结构分析设计

我主要阐述的是设计 GKS16JX.4 组合壁总成结构设计的分析过成及研究的一点见解。
【关键词】高空作业车组合壁的结构研究分析
1 绪论
1.1 前言 高空作业车是用来输送登高作业人员到指定高度进行作业的一种特殊的工程车辆。由于它具有
工作稳定、自动调速、安全可靠、机动行走、操作灵活、可跨越一定障碍物进行的登高作业等等的 特点，广泛应用于市政建设、园林维护、路灯安装、电力抢修、通讯安装与维护、建筑物的装饰与 维护等等。现已发展到高空摄影、广告拍摄、商业装饰等商业性应用。以及扩展到对桥梁检测与维 修以及造船、石油化工、航空等维修业。极大地提高了空中作业的工作效率 。
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高空作业车部件伸缩臂结构分析设计
王飞 （沈阳北方交通重工集团 辽宁 沈阳 110003）
【摘 要】随着我国城乡高层建筑的迅猛发展，市政建设、园林维护、路灯安装、电力抢修、通讯安装与维
护、建筑物的装饰与维护等高空作业的需求。以及高空摄影、广告拍摄、商业装饰等商业性活动对高空作业的需求。 高空作业车越来越变成人们登高作业的一种工具。
根据近几年对国内外高空作业车的发展现状的了解，以及目前国内各大高空车生产厂家对折叠壁式、伸缩臂式 和混合臂式高空作业车的各大关键结构部件的设计及工作平台平衡技术的调研、了解、研究分析。依据高空作业车 可靠性要求高，工幅度大，结构复杂等特点。我们北方交通重工高空车研究所提出了设计 GKS16JX.0 后置式高空作 业车的课题。
高空作业车变幅是指改变工作平台到回转中心轴线之间的距离，这个距离称为幅度。变幅机构 扩大了高空车的作业范围，由垂直上下的直线作业范围扩大为一个面的作业范围。高空作业车变幅 机构一般采用液压油缸变幅。
高空作业车的一部分（一般指上车部分或回转部分）相对于另一部分（一般指下车部分或非回 转部分）做相对的旋转运动称为回转。为实现高空作业车的回转运动而设置的机构称为回转机构。 它是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，从而带动整个上车部分回转。有了回转运动，从而使高空作业车从面作业范围 又扩大为一定空间的作业范围。
工作臂、回转机构、工作平台、副车架（车架大梁，门架、支腿等）金属结构是高空作业车的 重要组成部分。高空作业车的各工作机构的零部件都是安装或支承在这些金属结构上的。金属结构 是高空作业车的骨架。它承受高空作业车的自重以及作业时的各种外载荷。组成高空作业车金属结 构的构件较多，其重量通常占整机重量的一半以上，耗钢量大。因此，高空作业车金属结构的合理 设计，对减轻高空作业车自重，提高作业性能，节约钢材，提高高空车的可靠性都有重要意义。 1.3.3 动力装置
本课题的目的是通过对后置式伸缩臂高空作业车各项技术的研究，设计一种后置式伸缩臂的高 空作业车。根据后置式伸缩臂高空作业车的使用特点和国内实际需求情况，本课题将要研制的是最 大作业高度 16 米的后置式伸缩臂高空作业车。作业车通过工作臂的伸出举升能够将工作人员安全 送至 16 米高空进行工作，作业车的作业半径为 10.5 米，可以进行 360o 的连续回转。 1.3 高空作业车组成
GKS16JX 后置式高空车选用的是江铃汽车制造厂生产的二类汽车底盘作为高空作业车的专用底 盘。其整车外形及主要结构部分如下：如图 1-1
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图 1-1 16 米高空作业车外形图 1 汽车底盘、2 回转平台、3 平衡油缸、4 变幅油缸、 5 伸缩油缸、6 伸缩臂支架、7 平衡油缸、 8、工作平台 9 取力器系统、10 液压油箱、11 回转机构、12 回转支称、13 副车架、14 输送机构 1.4.2 液压系统 液压系统原理如图 1-2。 液压系统采用定量齿轮泵供油的开式系统，齿轮泵泵出的压力油首先进 入下车多路阀。下车多 路阀带有溢流阀，作为整车液压系统的安全阀，第一 联选择阀处于中位时，压力油通过中心回转体 进入上车部分，处于其余两工作位置时，压力油进入控制支腿油缸的多路阀，操纵支腿油缸的伸缩。 第二 至五联选择阀分别控制不同的支腿油缸。 压力油经中心回转体进入上车负载敏感式比例多路换向阀，比例多路换 向阀可以实现：上车不 动作时，液压系统泄荷；上车有动作时，液压系统压 力随负载大小变化，系统压力始终高于负载所 需压力 1～2MPa；各动作可以 同时并相互独立的以不同速度工作，运动速度可无级调节。比例多路 换向阀 有四联换向阀，分别控制伸缩臂变幅、伸缩臂伸缩和上车部分的回转。控制伸缩臂变幅和伸 缩的两联换向阀集成有电磁换向阀，用于高空作业车的限幅。 液压系统还设有电动泵，由底盘电瓶或发电机供电。电动泵有两个作用，正常情况下用于向作 业车调平系统补油。当作业车主供油系统出现故障时，电动泵作为应急动力源，可以使工作人员回 到地面。 此外，在下车支腿总回油路上设有二位二通电磁阀，在上车比例多路换 向阀阀头集成有
整车由底盘发动机通过取力器驱动高压齿轮泵为液压系统提供动力，电器系统与气路系统配合 实现取力操纵和油门控制，整车的安全保护措施由电液控制系统配合实现。动力装置是高空作业车 的动力源。由于高空作业车采用汽车底盘作为行走机构，通常不再另外设置动力源，而是直接采用 汽车底盘发动机作为整车的动力源。高空作业装置需要的功率不大，一般约 10~20kw，而载重汽车 底盘发动机的功率根据载重量不同从 50kw 一直到 150kw 以上，且高空作业装置工作时不允许底盘 行驶，因此底盘发动机的动力足以保证高空作业装置工 作。因为高空作业装置需要功率不大，通常 高空作业车采用变速箱取力方式，通过安装在底盘变速箱侧面的取力器取出发动机的动力，并驱动 液压油泵向高空作业装置供油。取力系统中还设置控制装置，在底盘行驶时，取力器没有输出，液 压油泵不工作，需要进行高空作业时，取力器输出，油泵工作。 1.3.4 控制系统
电气系统原理如图 1-3。 电气系统使用原车蓄电池或发电机 12V 电源，用于实现动作调速、应 急电动泵控制、发动机 起停、工作斗调平等功能，同时实现幅度限制、支腿 状态检测及限位、上下车互锁、极限位置报警 限位、急停及应急恢复等安全保护功能。 动作速度通过电比例手柄进行调节，手柄内置两电位器，电位器两端各 设有一个固定抽头、中 间设一个中心固定抽头和一个滑动抽头，两端固定抽 头分别连接比例放大器的正、负稳态基准电压 输出端，中心固定抽头连接比例放大器的信号端，滑动抽头连接比例放大器的信号输入端，无操作 时滑动 抽头处于电位器中心位置，当推动比例手柄时，滑动抽头滑动，为比例放大器提供 0—10V 电 压信号，经放大器处理，输出电流到比例电磁铁，控制比例阀流量，从而改变动作速度。 应急电泵装置、发动机起停装置、工作平台调平分别由按钮或开关通过继电器控制相应元件， 实现功能。 幅度限制装置由幅度限制器、继电器及电磁阀组成。幅度限制器根据长度传感器检测的伸缩臂 长度信号、由角度传感器检测的伸缩臂角度信号，由中央处理器计算出实际幅度，同时根据预设的
高空作业车在工作臂起伏时，工作平台与水平面夹角必须保持相对稳定，才能保证工作人员正 常工作。平衡机构就是为了实现这一功能。对于伸缩臂或混合臂型式的高空作业车，通常有机械平 衡、自重平衡、液压伺服缸平衡、电液平衡几种方式。
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高空作业车的行走机构就是通用或专用汽车底盘。 1.3.2 金属结构
高空作业车按其行走方式分为两大类，即采用专用汽车底盘的车载式高空作业车和采用四轮驱 动自走行式的高空作业车。采用改装汽车底盘的车载式高空作业车按其结构方式又可分折叠壁式高 空作业车、直臂式高空作业车和混合壁式高空作业车以及剪叉升降式高空作业车；按其工作性质又 可分绝缘式高空作业车和非绝缘式高空作业车。按领域分举高平台消防车、油田井架维修车、航空 食品装运车等。四轮驱动自走行式的高空作业车，同样按臂的结构也分为: 折叠壁式、直臂式及混 合壁和桅杆式等。
本课题研究的 16 米高空作业车为后置式伸缩臂式结构，工作臂由三节伸缩臂组成，伸缩臂外 壁与回转台铰接，中部与变幅油缸铰接，伸缩臂内壁与工作平台铰接。回转台通过回转支承固定在 副车架上，在回转机构的驱动下可进行 360o 连续回转。副车架与汽车底盘固定，设置四条 H 型液 压支腿，工作时，液压支腿伸出支撑在地面上，承载高空作业时的全部载荷。作业车采用电液比例 多路阀控制，可方便的实现动作的换向和调速，还可以实现复合动作。系统中设有应急电泵，幅度 限制、支腿支撑状态检测、工作斗防撞等安全装置。
高空作业车控制系统是解决各机构怎样运动的问题。如动力传递的方向，各机构运动速度的快 慢，以及使机构启动停止等。控制系统包括操纵装置、执行元件和安全装置。当今的高空作业车全 部采用电气液压操纵，因此控源自文库装置包括各种液压操作阀，电控装置等，以实现机构的起动、调速、 换向、制动和停止。执行元件包括变幅用的液压油缸、回转马达、油泵等，用来推动结构件实现动 作。安全装置包括各种传感器、行程开关、报警器、液压锁止阀，用来检测危险工况，保证工作安 全。 1.4 16 米高空作业车概况 1.4.1 整机结构
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二位二通电磁阀。两处电磁换向阀分别由设在支腿处的接近 开关和设在臂支架处的行程开关控制， 实现支腿没有支撑稳固时，无法操作工作臂；工作臂离开臂支架后，即使操纵下车多路阀也不能收 支腿。避免由于误操作造成作业车的倾翻。
图 1-2 16 米高空作业车液压系统图 1.4.3 电气系统
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节臂直线式伸缩而举升，其最大作业幅度大，作业方位易确定，相对而言大。工作平台平衡由平衡 油缸及平衡杆完成。但相对于 20 米一下的登高作业来说，后直臂式高空车具有其作业幅度大，定位 准确，调整灵活、倾翻性小等。
而目前国内生产、使用的高空作业车多数为折叠臂型式的，这一方面是因为它是国内在 70 年代 最早引进的高空作业车就是折叠臂式的。这些年来国内使用的一直是这种车型，使用者有习惯性， 而且国内对高空作业车需求仍然以 20 米以下低高度为主。折叠臂型式的高空车在功能上能够实现， 同时加上折叠臂式高空车车结构简单、价格低，目前折叠臂式高空车车仍然有较大的市场需求。另 一方面，国内对伸缩臂和混合臂高空作业车的认识也在提高，同时需求也在不断增多。如：大连路 灯管理处已全部淘汰了折叠臂车。后直伸缩臂式高空车的由于在举升高度、作业半径、工作效率等 方面都具有明显优势。针对这种情况，沈阳北方交通高空车研究所结合国产汽车底盘的特性，与之 进行匹配，生产后直伸缩臂高空作业车。 1.2 课题的提出
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数据计算出当前状态的额定幅度，并进行比较。当实际 幅度到达设计要求的危险状态时，幅度限制 器发出信号，通过继电器控制电 磁换向阀，停止伸臂和落臂的危险动作，从而限制作业幅度。
从使用来看，剪式升降高空车由于采用多级四边形结构，靠多级联动达到垂直举升的目的。其 结构较为简单，但作业幅度窄小，应用范围不广。折臂式高空车由上下臂（或左右臂）折叠组成， 由变幅油缸及上臂缸和小臂缸协调动作完成升降，工作平台平衡由平衡拉杆完成。相对而言倾翻性 小，但作业方位调整难。混合臂式高空车由多节伸缩臂加 1 节或多节曲臂组成，具有作业高度高、 跨障碍能力强，且作业稳定性好等特点。比较适用于 20 米以上的登高作业。直臂式高空车依靠其多
高空作业车的主要结构有：工作机构、金属结构、动力装置与控制系统四部分。这四个部分的 组成及其作用分述如下： 1.3.1 工作机构
工作机构是为实现高空作业车不同的运动要求而设置的。高空作业车一般设有变幅机构、回转 机构、平衡机构和行走机构。依靠变幅机构和回转机构实现载人工作斗在两个水平和垂直方向的移 动；依靠平衡机构实现工作斗和水平面之间的夹角保持不变，依靠行走机构实现转移工作场所。