高空作业车的典型结构设计

高空作业车典型结构设计

1、支腿机构设计

高空作业车有各咱不同类型的支腿，起调平和保证整车工作稳定的作用，要求坚固可靠，操作方便。

1.1、支腿跨距的确定

高空作业车的支腿一般为前后设置，并向两侧伸出，如图1所示。支腿支承点纵横方向的位置选择要适当，其原则是作业平台在标定载荷和最大作业幅度时，整车稳定性要达到规定要求。

图1 高空作业车的支腿跨距后方III

侧方（右）II

侧方（左）IV

a、支腿横向跨距

支腿横向外伸跨距的最小值应保证高空作业车在侧向作业时的稳定性，即全部载荷的重力合力落在侧倾覆边以内，并使绕左右倾覆边AB或DC和稳定力矩大于倾覆力矩。如图2所示，1/2支腿横向跨距a应满足：

图2 支腿跨距的确定（一）图3 支腿跨距的确定（二）

()()

q Q G G G L G R q Q r G a b b ++++-++≥

211

1 ()1

式中：g m G 11=，1m ——转台质量，kg ； g m G 22=，2m ——底盘质量，kg ； g m G b b =，b m ——臂架质量，kg ； g m q q =，q m ——作业平台质量，kg ； Q ——作业平台的标定载荷，N ；

1L ——转台重力中心至回转中心的距离，m ； r ——臂架重力中心至回转中心的距离，m ； R ——作业半径（臂幅），m 。

b 、支腿纵向跨距

支腿纵跨距的确定和横向跨距确定的原则一样，应使绕前、后倾覆边BC 或AD 的稳定力矩大于倾覆力矩。

当作业平台在车辆后方作业时，如图3所示，可得后支腿支承点至回转中心的距离1b ，应满足：

()

q Q G G G L G a b b ++++-

=212

21 ()2

式中：2L ——底盘质心至回转中心的距离，m 。 同理，可得前支腿支承点至回转中心的距离2b 为：

()

q Q G G G L G a b b +++-

=212

22 ()3

由式2、式3可知，1b 和2b 不等。这是因为底盘重心在回转中心之前所致，且a b b 221=+。在设计中，实际确定的支腿跨距比按标定载荷计算的值大。

1.2、支腿压力计算

假定高空作业车在作业时支承在A 、B 、C 、D 四个支腿上，臂架位于离高空作业车纵轴线（x 轴）?角处，如图4所示。若高空作业车不回转部分的重力为2G ，其重心2O 在离支腿对称中心（坐标原点O ）2e 处，回转中心0O 离支腿对称中心O 的距离为0e 。又设高空作业车回转部分的合力为0G ，且合力至0O 点的距离为0r ，则作用在臂架平面内的翻倾力矩M 为00r G ，于是可求得四个支腿上的压力各为：

????????? ??+-??? ?

?-+??? ??-=

a b M b e G b e G F A ??sin cos 11410022

????????? ??++??? ??++??? ??+=a b M b e G b e G F B ??sin cos 11410022

????????? ??++??? ?

?++??? ??+=

a b M b e G b e G F C ??sin cos 11410022 ????????? ??--??? ??-+??? ?

?-=

a b M b e G b e G F D ??sin cos 11410022 ()4 当举升臂在车辆正侧方作业时即90=?°，则上式可简化为：

??????-??? ??-+??? ?

?-=

a M

b e G b e G F A 00221141 ??????+??? ??++??? ??+=

a M

b e G b e G F B 00221141 ??????+??? ??++??? ?

?+=

a M

b e G b e G F C 00221141 ??????+??? ?

?-+??? ??-=

a M

b e G b e G F D 00221141 ()5

x 图4 支腿的支承位置

图5 三点支承状态

y

按四点支承计算支腿压力时，若有一支腿的压力出现负值，应改用三点支承重新计算支腿压力。如图5所示，设举升臂在Ⅱ工况位置作业时，支腿A 不受力，支腿B 、C 、D 受力，可求得支腿的支反力分别为：

??

? ??-+=

a M G G F B ?sin 2120

??

? ??++-=a M b M b e G b e G F C ??sin cos 212200

???

???-??? ?

?-+??? ??-=

b M b e G b e G F D ?cos 11212200 ()6 若举升臂转到Ⅰ工况位置作业时，?角为钝角，设支腿B 不受力，支腿C 、D 、A 受力，可求得受力最大的支腿D 的压力为：

??

?

??---=b M b e G b e G a M F D ??cos sin 210022 ()7

由图5还可知，当举升臂在工况Ⅱ的位置作业时，支腿C 的受力最大，令

0=?

d dF C

，可求出支腿C 在承受最大反力时的?角值，令其为0?，有： a

b arctan

0=? 将所求得的0?值代入()6式中的C F 式，或将()?π-代入()7，可求得支腿C 所受到的最大压力或支腿D 所受到的最大压力。比较两支腿支反力的大小，取大者为计算载荷。

1.3、H 式支腿的结构设计 1.3.1、H 式支腿的组成 略

1.3.2、H 式支腿的结构设计

由H 式支腿的组成可知，这种形式的支腿主要由水平腿箱和垂直腿箱组成，腿箱一般为金属板材构成的箱形断面结构（图6），设计时主要确定箱形断面尺寸，可按组合梁的设计要求进行。

D-D

1

2

3

456图6 式支腿的结构

1-支承脚；2-垂直活动箱；3-加强箍；4-垂直固定箱；5-垂直缸；6-销；7-水平活动箱； 8-加强板；9-加强筋；10-加强箍；11-水平缸；12-水平固定箱

1.3.

2.1、活动水平腿箱设计 水平腿箱是支腿的主要受力构件，可以看作一横梁，应具有足够的强度和刚度。

按经济条件（质量最小）确定活动水平腿箱的高度尺寸。

由图6中C-C 断面图可知，水平活动腿箱的箱形结构由上下翼缘（翼板）和两侧腹板组成，在满足一定载荷的强度条件时，若腿箱的高度尺寸h 增加，则翼缘可减小，但腹板要加高，结构质量（两翼缘和两腹板质量之和）亦发生相应的变化。这里提出按经济条件设计腿箱的高度，就是使腿箱总的结构质量最小的高度，称为理想高度。若设计的高度太小或小于理想高度，都会使整个腿箱的结构质量增加，由此提出腿箱高度h 为

3

91.0h

x

v W h ?= ()8 式中

x W ——按腿箱支承点悬伸距离L 的3/5处最大合成弯矩求得的抗弯截面模量； h v ——腹板的厚高比，0/h t v h h =； h t ——腹板的厚度，m ；

0h ——腹板的高度，m 。 设计时，h v 按下式确定

DEK

v cr

h σ=

()9

(

)

2

2

112μ

π-=

D

式中 cr δ——临界应力，设计时可初选，[]δδ25.1=cr ；

[]δ——材料的许用应力，MPa ； D ——刚度系数； μ——材料的泊松比；

E ——材料的弹性模量，GPa ；

K ——板边支承情况影响系数，可取1.2～1.5。 一般h v 可在1/40～1/60之间取值。 腹板厚度h t 可由下式确定

h t h ??

? ??≥2401~601

()10

活动水平腿箱上下翼板（盖板）尺寸确定，按照腿箱高度h 与宽度b 之比值

为 1.4b

h

<1.7，且可根据腹板面积与盖板面积相等原则，确定翼板的板厚b t 。

两腹板的间距0b （图6）由下式确定

δ320--=h t b b ()11

式中 δ——焊缝高度，m 。

在活动支腿箱与固定支腿箱搭接处，由于受局部压应力，在此处增设加强板，

一般为上下布置，且以此处的最大弯矩确定加强板面积，加强板延伸至L 5

3

处。

1.3.

2.2、固定水平腿箱设计 一般固定水平腿箱按照活动腿箱截面进行设计。为保证高空作业车整车在工作中能平稳运动，一般上下间隙mm d 31=，横向间隙mm d 52=。

为保证两腿箱搭接处的强度，在入口部设有加强箍与加强筋，两腿箱的搭接处长度一般取活动腿箱总长的1/3，且在固定腿箱的后搭接处也设有加强箍。 1.3.2.3、垂直腿箱 垂直腿固定箱截面可设计成方形，在入口部设有加强箍。

活动箱主要是保证支承部位在受轴向力后不失稳和保证活动体有可靠的垂直支承而设计的，结构形式是活动腿箱的上端与液压缸杆固定，活动腿箱为滑动配合，其间隙一般为mm 2~1。

用前述方法求得最大支腿压力，校核所有支腿的强度和刚度。

1.3.

2.4、支承脚设计 支承脚要保证作业车在作业时能在规定的地面上可靠支承。为了使支承脚在承受压力时不下陷，则要求支承腿在受最大支反力F 的工况下有足够的接地面积A ，有：

[]

d F

A σ≥

式中[]dσ——地基强度，一般取MPa

6.1。

1.4.3、动臂的主要尺寸和结构

动臂为主要受力构件，受弯扭联合作用。为获得较大的强度和刚度，一般采用薄壁箱形结构，臂架一般由两块冲压成形的槽形板对接而成。槽形板折边采用大圆角形式，这可增强板件的抗局部失稳能力。为使主受弯截面获得较高的抗弯截面模量，可加布上、下加强筋板，获得渐近的等强度受力状态。

1.4.3.1、主要尺寸确定

动臂的截面高度h 可按使结构质量最小的高度提出的设计公式计算，有:

3

n

X

W h γ= ()15

[]

σM

W X =

式中 X W ——按动臂最大合成弯矩求得的抗弯截面模量，3cm ；

n γ——腹板的厚高比。

动臂的高宽比b h /不宜过大，因为动臂除受弯外还受扭，为获得合理的抗扭截面，一般推荐5.1~25.1/=b h 。

1.4.3.2、动臂的强度校核

按动臂的工况，采用相应的载荷组合进行强度校核。 正应力σ为：

[]σσ≤+=y

y x x W M W M max

max ()16

式中 m a x

x M ——主受弯截面的最大弯矩，m N ?； max y M ——由水平力引起的最大弯矩，m N ?；

x W ，y W ——主梁截面对中性轴x 和y 的截面模量，3cm ； []σ——材料的许用应力，MPa 。

剪应力τ为：

[]τδ

δτ≤+=

A M I S Q n

x x x 22max ()17 bh A =

式中 max x Q ——主受弯截面的垂直剪力，N ； n M ——截面的转矩，m N ?； x I ——截面对中性轴的惯性矩，4cm ； x S ——截面的最大静矩， 3cm ；

A ——由板的中线所围成的截面面积，㎡； δ——腹板的厚度，m ；

[]τ——材较的许用剪应力，MPa 。

验算动臂的合成应力

[]σ

23()18

τ

σ≤

+2

此外还应进行动臂的稳定性、板的局部稳定性校核。

1.5、回转机构设计

1.6、高空作业车整车稳定性校核

作业车的稳定性是指作业车在自重和外载荷的作用下抵抗翻倒的能力。作业车稳定性按工作状态与非工作状态两种情况分别验算，这两种稳定性的大小都是以相对于倾覆边的复原力矩和倾覆力矩的比值，即稳定性系数来表示。

1.6.1、行驶稳定性

当后轮驱动作业车在坡道上行驶时，有两种失稳情况可能产生。如果前轮对地面的法向作用力接近或等于零时，将造成行驶方向失稳。再者是下滑力等于或大于附着力时，整车下滑，使车辆失去行驶力。从整车情况来看，只有在上坡时才有可能使前轮对地面的法向作用力减小。此时有力矩平衡的表达式：

图7 上坡工况

0cos sin 1211=-+ααGL Gh L R g ()30

式中 1R ——地面对前轮的法向作用力，N ； 1α——前轮出现打滑时的极限坡度角； L ——整车的轴距，m ；

2L ——整车质心到后轮竖直中心线间的距离，m ； g h ——整车质心离地面的距离，m ； G ——整车整备质量引起的载荷，N 。

当1R =0时，则作业车的极限坡度角为：g

h L

21arctan =α。

作业车在路面行驶时，车辆的后轮（驱动轮）换去牵引作用往往发生在上坡时。当坡度角过大，为2α角时，且前轮01≈R 时，车辆的下滑力接近于驱动轮上的附着力时，即2R F μ≈（μ为车轮与地面间的摩擦因数），驱动轮将开始打滑，

可得22sin R G μα≈。从图7可得出力矩的平衡式：

0sin cos 2212=--ααg Gh GL L R ()31

式中 2R ——地面对后轮的法向作用力，N ； 2α——前轮出现打滑时的极限坡度角；

1L ——整车质心到前轮竖直中心线间的距离，m ；

以μ

α2

2sin G R =

代入式()31，可求得作业车后轮出现打滑时的极限坡度角为

μ

μ

αg h L L -=12arctan

当作业车最大爬坡角α比1α及2α都小时，行驶稳定性才是可靠的。 1.6.2、高空作业稳定性 1.6.3、起重作业稳定性