GKZ高空作业车液压和电气控制系统设计(附全套图纸)

目录
摘要 (3)
第一章绪论 (3)
1.1 空作业车的的现状和发展趋势 (6)
1.2 课题的来源和意义 (8)
第二章液压系统设计 (9)
2.1 本参数及主要技术性能指标 (9)
2.1.1 行驶状态主要技术参数 (9)
2.1.2 作业状态主要技术参数 (9)
2.1.3 作业车平台作业工作状态图 (9)
2.1.4 机构简述 (11)
2.2 液压系统的构成 (13)
2.3 各系统工作原理简述 (13)
2.4 主要机构液压回路的设计与分析 (14)
2.4.1 升机构的回路设计 (14)
2.4.2 伸缩机构回路设计 (16)
2.4.3 回转机构回路设计 (17)
2.4.4变幅机构回路设计 (17)
2.4.5整体液压回路设计 (18)
2.5 主要液压元气件的选择与计算 (20)
2.5.1 液压泵的确定 (20)
2.5.2 上下臂液压缸确定 (21)
2.5.3 液压马达选择 (23)
2.5.4 换向阀的选择 (24)
2.5.5 油箱有效容的积确定 (25)
第三章电气控制系统设计 (26)
3.1 电气控制方案的确定 (26)
3.1.1 高空作业机构的电气控制电路 (26)
3.1.2 通讯装置 (27)
3.1.3 选择开关装置 (27)
3.1.4 总的控制电路 (27)
3.2 电气元器件的选择 (28)
3.2.1 按钮的选用 (28)
3.2.2 行程开关的选用 (30)
3.2.3 热继电器的选用 (30)
3.2.4 熔断器的选用 (30)
3.2.5 电线的选择 (31)
3.2.6 照明电器选择 (31)
3.2.7 变压器的选择 (32)
第四章电气控制面板的操作 (33)
4.1 转台处控制箱操作面板及其操作件介绍 (33)
4.2 平台（吊篮）控制箱操作面板及操作元件 (34)
4.3 高空作业电气部分操作方法 (35)
4.4 高空作业操作中注意事项 (35)
附录 (37)
附录1 (37)
附录2 (37)
附录3 (39)
附录4 (39)
附录5 (40)
结论 (42)
后记 (43)
参考文献 (44)
GKZ高空作业车液压和电气控制系统设计
摘要
高空作业车广泛用于建筑、市政、机场、工厂、园林、住宅等场所，从事消防、抢险救灾、安装、维护等工作。

本文针对徐州海伦哲工程机械有限公司GKZ14型高空作业车，进行了大量的理论研究和实验测试。

本设计是对该车的重要组成部分----液压系统和电气控制系统进行设计和研究，其液压系统由上车液压系统和下车液压系统组成。

两者之间由中心回转接头连接(垂直升降式高空车除外),上车液压系统由变幅系统、伸缩系统和回转系统三个基本系统组成。

在整个液压系统设计中，采用制动器控制克服了液压马达存在内泄而平衡阀不能锁住停在空中的重物，使重物可靠地停在空中。

制动器采用恒压外控，可以进一步降低平衡阀的开启压力，提高回路效率。

从安全性、可靠性角度看，高空车不同于一般的工程机械, 其特点是作业频率不高, 负荷较小, 但要求安全性, 可靠性较高。

因此, 高空车应具备紧急停止装置。

高空车在各执行机构动作的终点位置设限位装置, 尤其是对于折叠臂式及混合臂式的高空车应设中臂限位装置, 以确保整车的稳定性。

高空车的变幅系统和伸缩系统的速度必须加以控制, 以防止产生“超速”现象。

因此，为保证高空作业车的工作稳定、可靠、安全，作业灵活，效率高，设计出优良的液压系统和电气控制系统就显得尤为重要。

[关键词]：高空作业车；制动器；内泄；恒压外控；限位装置。

Hydraulic and electricity control system design of the high-altitude working machine
Abstract
The high-altitude working machine has been widely used in architecture, city planning, airport, factory, garden, house and other place. It plays an important role in fire protection, dealing with an emergency, construction, installation, maintenance and so on. Aiming at the GKZ14 high-altitude working machine of XhZhou HaiLun machinery Group, It does a lot of theoretical research and experiment test.
This design is carries on the design and the research to this vehicleimportant constituent ---- hydraulic system and the electricitycontrol system, its hydraulic system by boards the hydraulic systemand alights the hydraulic system to be composed. Two between (verticalfluctuation type upper air vehicle is an exception) by the centerswivel joint connection, boards the hydraulic system by the amplitudesystem, the expansion and contraction system and the rotary systemthree basic systems is composed. In the entire hydraulic systemdesign, used the brake control to overcome in the oil motor existenceto release but the by-pass valve not to be able to lock in stops inthe airborne heavy item, caused the heavy item reliably to stop inairborne. The brake uses outside the constant pressure to control, mayfurther reduce the by-pass valve to open the pressure, enhances thereturn route efficiency.
From the security, the reliable angle looked that, the upper airvehicle is different with the
general project machinery, it scharacte ristic is the work frequency is not high, load smaller, butthe request security, the reliability is higher. Therefore, the upperair vehicle should have the urgent stop device. The upper air vehiclesupposes the spacing installment in each implementing agency movementend position, regarding folds the arm type and the mix arm -like upperair vehicle in particular should suppose the arm spacing installment,guarantees the entire vehicle the stability. The upper air vehicleamplitude system and the expansion and contraction system speed mustperform to control, prevents the production "overspeed" thephenomenon.
Therefore, for guaranteed work high above the ground vehicle workstable, reliable, safe, work nimble, the efficiency is high, designs the fine hydraulic system and the electricity control system appears especially importantly.
Keywords: The high-altitude working machine; braker, iternal leakage;external control with constant voltage;The installment limits the position.
第一章绪论
1.1高空作业车的现状和发展趋势
我国高空作业机械的生产于20世纪70年代末开始起步，发展较快，目前生产经营企业已由原来的几家迅速增加到40余家，其中与国外合资或合作生产的企业有5家。

根据2004年和2005年《中国工程机械年鉴》，2003年高空作业机械工业总产值为32139万元，生产各类高空作业平台。

1906年，高空作业车740台，2004年高空作业机械工业总产值为36340万元，生产各类高空作业平台2500台，高空作业车800台。

行业几个骨干企业通过近几年的技术改造，其生产规模不断扩大，形成了各自特色的产品系列，基本能满足国内市场高空作业机械的需要，企业的各项主要经济指标逐步上升，经济效益也逐年提高。

我国高空作业机械行业的一些骨干企业利用自己的技术和设备优势，通过学习引进和消化国外先进技术开发了许多新产品，其产品的技术水平和产品质量都不断提高，达到和接近了国际同类产品的水平，推动了高空作业机械行业的技术进步，在国内市场中竞争力强，市场销路好，产量增加较快。

一些企业利用自身的优势，在原有产品的基础上根据国内底盘品种的发展和基础零部件的更新，不断加大新产品的开发力度，走企业横向联合多种经营的综合开发道路，不但使企业自身的生产和销售步入了良性循环轨道，还带动了附属企业和国内相关产品的销售发展。

高空作业行业作为城市建设的新型产业，必须调整产品结构。

要抓好供电用高空作业机械产品、建筑用自行式登高作业机械及带电绝缘高空作业机械产品的开发，室内外轻型作业平台和25M以上消防救援高空作业车的开发和应用。

总的发展趋势是致
力于扩大高空作业机械的作业范围，满足不同作业的需要；确保使用人员的作业安全；提高操纵和使用性能。

高空作业平台产品以往国内大多以手推式为主，体积大、质量重，更换工作场地非常困难，给用户使用带来不便，而发达国家在产品上早已更新。

因此，开发轻便的铝合金平台和自行式平台有着广阔的前景，从国内近几年开发的铝合金平台销量来看也证明了这一点。

应该优先进行高空作业机械的自动控制和安全保护技术、室内外轻型作业平台及自行式作业平台和大作业幅度平台及新型多功能高空作业车的研究、开发。

要提高我国高空作业车的技术水平，首先必须解决工程车辆底盘问题。

我国目前正在努力提高汽车工业的整体水平，走集团化规模道路，并积极引进国外资金及技术，但还只限于轻型底盘。

汽车制造厂家应该在此基础上根据高空作业车的具体要求，专门设计轻型、中型和重型的工程车底盘以供高空作业车的改装之用。

我国高空机械的使用范围还比较窄，使用较多的主要有路灯、道路交通、园林部门、国内大多厂家把用户集中在车站、地铁、商店、工厂、供电、路灯等部门，其市场远远没有挖掘和培育出来。

高空作业机械在有发展前途的电力、电信及有线电视系统使用较少，究其原因是国内产品技术性能及参数还不能完全满足上述三大系统使用的要求，在产品用途和功能上还需更新。

如将高空作业机械用在建筑施工中以替代某些脚手架施工、建筑物外墙表面的装饰、清洗和维护等；绝缘架线和维修；消防救援及大型物体（船舶、飞机）维护检查等，但开发以上这些产品需要从产品的适应性、技术性能上进行较大的突破。

随着我国经济的发展，停电对工农业生产和人民生活带来的损失不可估量，国家已经开始实行《电力法》对供电可靠性要求越来越高，在电力系统创一流企业活动中要求供电可靠率达到99.9%所以如何解决不停电检修----带电作业的问题已经非常突出。

这就要求不但能登高作业，还要具有绝缘性能好的高空作业车。

这种新型高空作业车要打破常规的格局，工作斗，臂架要采用非金属的高性能绝缘材料，工作斗对整个作业的控制不能采用一般的电控和液控，还要具有起吊能力。

并有更可靠的安全性、平稳性、微调性。

电信和有线电视系统使用的高空作业车要求小巧灵活，能走街穿巷，操作方便、乘坐舒适。

这就要求设计小型先进的汽车底盘，并解决动力输出问题。

应该特别注意的是，高空作业车新产品的开发不能限制在汽车上，应该考虑它是一种工程机械，以适应用户的需要为前提，行走方式可以采用电动自行式、液控自行式、轮胎自行式、履带自行式等。

我国船舶行业对轮胎液控自行式高空作业车的需求量很大，建筑行业对履带自行式
产品也将产生需求，室内装修、清洗行业大量需要电机自行式高空作业车。

随着高速公路、高架桥的出现，逐步需要具有负低空作业性能的高空作业车，以解决高架路桥的维修问题，这种特殊的高空作业车在国外早已出现，但在我国还刚刚起步。

[1]
1.2课题的来源和意义
本课题以徐州海伦哲工程机械有限公司研制开发“GKZ14型高空作业车”为研究对象，对该车高空作业机构的液压电气系统进行设计。

此型号高空作业车除高空作业机构外还设有起重装置，一机多用。

液压系统在高空作业车里占重要地位，如起重工件装置主要由起升，变幅，吊臂升缩和回转等机构组成，这些机构都靠液压系统驱动，实现作业要求。

随着经济技术的快速发展，国内外起重机市场和高空作业车市场对这两种产品的需求越来越大，我国近年来通过实行积极的财政政策和内需拉动等手段，加强和改善宏观调控，集中液压系统设计在整个高空作业车的设计里具有重要的意义，它使整个机必要力量建设一批大型工程，“GKZ14型高空作业车”将有广阔的应用前景，将产生巨大的社会经济效益。

第二章液压系统设计2.1 GKZ高空作业车基本参数及主要技术性能指标
2.1.1高空作业车行驶状态主要技术参数（表一）：
（表一）
2.1.2高空作业车作业状态主要技术参数（见表二）：
（表二）
9
2.1.3 高空作业车平台作业工作状态图：
图2.1高空作业车平台作业工作状态图2.1.4 主要机构简述
（1）．高空作业工作臂
高空作业工作臂包括上臂和下臂。

行使状态时，两节工作臂折叠在一起，进行高空作业时，两节工作臂分别有上下臂油缸举升至一定高度，将工作人员送至工作位置。

上臂和下臂、下臂和转台铰接处均设有专门的滑动轴承，保证工作臂转动时阻力小，运动平稳。

（2）．起重工作臂
起重工作臂由基本臂和伸缩臂组成。

高空作业工作下臂兼做起重基本臂。

伸缩臂由伸缩油缸控制，不工作时，回缩至基本臂内部，进行起重作业时，伸缩臂根据需要的起重幅度和起升高度进行伸缩。

（3）．工作平台（工作吊篮）
工作平台的作用是将高空作业人员和必要的工具送至空中，并作为工作人员空中作业的场所。

GKZ系列车型的工作平台采用钢管焊接框架结构，周围设有护拦，右侧护拦开有侧门，方便人员进出，平台底版采用防滑的花纹铝板，平台周圈下部设有护围，防止工具或其它物品掉落。

（4）．回转机构
回转机构由液压马达、回转减速机以及回转小齿轮、回转支承等组成。

进行回转时，液压马达输出动力，通过回转减速机减速后带动输出轴上的小齿轮旋转，小齿轮与回转支承的的齿圈啮合，由于回转支承的齿圈与车架刚性连接，因而回转减速机带动与之相连的转台回转。

（5）．起升机构
起升机构由液压马达和起升减速机组成。

其工作原理是：起升液压马达驱动
起升减速机旋转，带动滚筒将钢丝绳收进或放出，实现重物的提升和下降。

（6）．动力系统
GKZ系列作业车高空作业和起重作业动力源为底盘发动机，其动力由取力器从底盘变速箱取出。

取力器和变速箱之间的动力传递由机械式操纵系统控制，平时取力器与变速箱取力齿轮处于断开状态，当进行高空作业或起重作业时，操纵拉杆使取力器的滑移齿轮与变速箱的输出取力齿轮啮合，取力器输出轴带动油泵工作，从而将发动机的机械能转为液压能，为系统提供动力。

（7）．中心回转接头
中心回转接头由导电滑环、液压滑环两部分组成，它的作业是当作业车进行回转动
作时，作业车转动部分与固定部分的电路及液压油路始终保持畅通。

（8）．液压系统
液压系统采用定量齿轮泵供油，系统工作压力为16MPa，油路中设有安全溢流阀，保证系统安全。

液压系统通过电液比例流量阀对工作臂油缸、回转马达和卷扬马达供油，供油量大小由比例阀控制，输出流量与负荷变化无关，可使系统达到稳定的工作速度，并且能够实现无级调速。

系统工作压力由溢流阀调定。

支腿的收放由下车多路换向阀控制，下车多路换向阀可对各支腿的进回油油路分别控制，因此各支腿的伸缩量均可单独调节，使作业车能够适应不同的路面状况。

为了增加液压系统的安全性，在下车附设了手动泵作为应急液压源，当主动力源发生故障时，可用手动泵压杆操纵手动泵收回工作臂。

（9）．电气系统
电气系统包括示廓灯、警示灯、照明灯（可选件）等灯具、上臂限位系统、下臂限位系统、上下车互锁系统、蜂鸣器、转台控制箱和吊篮控制箱等部分。

示廓灯与汽车行车灯并联，表示该车的轮廓。

警示灯为夜间工作时显示吊蓝的位置，提醒过往车辆与行人。

照明灯在夜间工作时起照明作用。

当支腿油缸支起，下臂离开原始位置后，系统自动切断支腿油缸的回油油路，确保高空作业时支腿油缸不会因误操作而收回。

上、下臂限位行程开关限制上、下臂最大的仰角，当工作臂举升至最大仰角时，行程开关动作接通蜂鸣器，提醒操作者注意，同时系统切断油缸进油路，使工作臂不能继续举升，但工作臂的下落不受影响。

蜂鸣器受蜂鸣器按钮和上、下臂限位行程开关控制，在作业车开始作业及工作臂处于极限位置时起警示作用。

2.2 液压系统的构成
GKZ系列车型有底盘（简称下车）和起重工作装置、高空作业装置（简称上车）两大部分。

整个高空作业车工作装置由以下几部分构成：
（1）支腿是汽车轮胎离开地面，架起整个车，不使载荷压在轮胎上，同时调整整机平衡
（2）回转机构使上下臂回转
（3）伸缩机构用以改变吊臂的长度
（4）变幅机构用以改变上下臂的倾角
（5）起升机构使重物升降
2.3 各系统工作原理简述
GKZ系列车型采用折叠式工作臂结构，工作装置为液压驱动，3600全回转。

该系列车分为底盘（简称下车）和起重工作装置、高空作业装置（简称上车）两大部分在此次液压系统设计过程中，将构成作业车主要工作机构的液压回路分成起升机构、变幅机构、回转机构、吊臂伸缩机构和支腿收放这几部分。

其中起升机构和回转机构由液压马达控制，吊臂伸缩机构和上下吊臂的动作由液压缸控制,在此次设计中主要是对这两部分进行液压设计，而支腿是用于支撑整机，同时调整整机平衡，支腿收放部分在此次设计中不予考虑。

重点对上车液压系统进行分析，各主要回路功能如下：
（1）起升回路
液压马达和起升减速机组成。

起升液压马达驱动起升减速机旋转，带动滚筒将钢丝绳收进或放出，实现重物的提升和下降。

在液压马达的回油路上设有平衡回路，以防止重物自由下落，此外采用马达制动器控制，考虑到由于液压马达存在内泄，平衡阀不能锁住停在空中的重物，必须靠制动器使重物可靠地停在空中。

（2）伸缩回路
起重吊臂有基本臂和伸缩臂组成，伸缩臂套在基本臂之中，用一个由三位四通手动换向阀控制的伸缩液压缸来改变驱动吊臂的伸出和缩回。

为防止因自重而使吊臂下落，油路中设有平衡回路。

（3）回转机构
回转机构采用液压作为执行元件，液压马达通过蜗轮蜗杆减速箱和一对内啮合的齿轮来驱动转盘。

系统中一个由三位四通手动换向阀控制转盘的正转、反转和不动三种工况。

（4）变幅回路
变幅就是用液压缸来改变上下臂的角度。

变幅液压缸由三位四通电磁换向阀来控制，为防止在变幅作业时因自重而使吊臂下落，在油路中设有平衡回路。

（5）支腿回路
关于支腿回路这里省略。

2.4 主要机构液压回路的设计与分析
2.4.1 起升机构的回路设计
图2.2 起升机构的回路
1-液压泵2-油缸3-换向阀4-梭阀
5-平衡阀6-制动器液压缸7-液压马达
(1) 动作分析
如图(3.1)所示开始分析动作控制过程：
换向阀3置于右位
液压泵→单向阀→换向阀→梭阀4→液压缸6→制动器松开
平衡阀7→液压马达→吊重起升
换向阀3置于左位
液压泵→单向阀→换向阀→梭阀4→液压缸6→制动器松开
液压马达
换向阀3置于中位马达不工作，整个回路卸荷，制动器锁紧实现空中可靠悬停或就位。

（2）性能分析
本回路采用制动器恒压外控，如果马达制动器控制采用的为内控，制动器压力随负载变化而变化，在负载压力小于制动器开启压力时，起升会出现抖动现象。

另一方面，为了弥补回路的开启压力。

这种回路特别在空钩时会出现抖动现象。

在回路上增加背压阀解决抖动现象会使系统效率降低。

采用制动器恒压外控方法，这样还可以进一步降低平衡阀的开启压力，提高回路效率。

吊重放下此时，平衡阀5的远控口受到压力油的作用，推动平衡阀的阀芯，调节其开度，使吊重平稳下落。

但这种液压回路只能靠调节发动机转速和换向阀开度的节流作用来调速，调速范围小，能耗大，但它简单，容易配置，适宜用于这种中小型起重车。

2.4.2 伸缩机构回路设计
图2.3 伸缩机构回路
(1)动作分析
换向阀置于左位
液压泵→单向阀→换向阀→液压缸（伸缩臂伸出）→平衡阀→油箱
换向阀置于右位
液压泵→单向阀→换向阀→平衡阀中的单向阀→液压缸→油箱
换向阀置于中位
伸缩臂不伸缩工作
（2）性能分析
该高空作业车工作下臂兼做起重基本臂，伸缩臂由伸缩油缸控制，不工作时，回缩至基本臂内部，进行起重作业时，伸缩臂根据需要的起重幅度和起升高度进行伸缩。

该伸缩臂式起重机采用单液压缸. 伸出时，平衡阀的远控口受到压力油的作用，推动平衡阀的阀芯，调节其开度，使伸出平稳。

2.4.3 回转机构回路设计
图2.4 回转机构回路
（1）动作分析
换向阀置于左位
液压泵→换向阀→梭阀→液压缸→制动器松开
→液压马达
换向阀置于右位
液压泵→换向阀→梭阀→液压缸→制动器松开
右节流阀→液压马达
换向阀置于中位
整个回路卸荷，制动器液压缸在自身弹簧的作用下迅速刹住液压马达。

（2）性能分析
进行回转时，液压马达输出动力，通过回转减速机减速后带动输出轴上的小齿轮旋转，小齿轮与回转支承的齿圈啮合，由于回转支承的齿圈与车架刚性连接，因而回转减速机带动与之相连的转台回转。

如图(3.3)所示，换向阀处在中位时，整个回路卸荷，制动器液压缸在自身弹簧的
作用下迅速刹住液压马达。

这样，即使液压马达有内泄露也能保证吊臂被迅速制动住,保证了安全性。

2.4.4 变幅机构回路设计
图2.5 变幅机构回路
(1) 动作分析
由于上下臂机构相似，所以只需要分析其中之一即可。

当电磁换向阀置于左位
液压泵→换向阀→左向节流阀→左平衡阀→液压缸→右平衡阀→右节流阀→换向阀→油箱
当电磁换向阀置于右位
液压泵→换向阀→右向节流阀→右平衡阀→液压缸→左平衡阀→左节流阀→换向阀→油箱
当电磁换向阀处于中位时，液压缸不运动。

（2）性能分析
行驶状态时，两节工作臂折叠在一起，进行高空作业时，两节工作臂分别由上下臂油缸举升升展至一定高度，将工作人员送至工作位置。

上臂和下臂、下臂和转台铰接处均设有专门的滑动轴承，保证工作臂转动时阻力小，运动平稳。

2.4.5. 整体液压回路设计
结合以上能满足起升机构、回转机构、伸缩机构、变幅机构、动作要求的液压回路,完成整体液压回路设计。

如下图所示：
图2.6 整体液压回路
（1）系统分析
系统中只有当单向阀的电磁线圈Y1接通，变幅机构和回转机构才能进行工作.回转机构和卷扬机构的马达外控口都与油箱直接相连，起到一定的保护作用，在每个液压缸的进回油回路中都设节流阀调速，在整个系统中安全阀作为系统的安全保证。

整个系统设置合理，采用模块设计。

（2）性能分析
系统的设计除应满足主机要求的功能和性能外，还考虑符合质量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、使用维护方便等一般要求及工作可靠这一特别重要的要求。

系统设计的出发点，可以是充分发挥其组成元件的工作性能，也可以是着重追求其工作状态的绝对可靠。

前者着眼于效能，后者着眼于安全；实际的设计工作则常常是这两种观点不同程度的组合。

在整个液压系统设计中，考虑到由于液压马达存在内泄，平衡阀不能锁住停在空中的重物，必须靠制动器使重物可靠地停在空中。

在开式回路中再次提升重物时，当制动器打开先与系统建立起负载压力或制动器开启虽与系统建立起负载同步，但流向马达的流量如小于马达的泄露流量，会产生二次下滑。

采用压力记忆回路虽可保证制动器开启与系统建立起负载压力同步，但系统复杂。

采用负荷传感回路，可使制动器打开的同时系统压力也建立起来，有效地消除因马达内泄产生的二次下滑现象。

马达制动器控制采用的为内控，制动器压力随负载变化而变化，在负载压力小于制动器开启压力时，起升会出现抖动现象。

另一方面，为了弥补回路的开启压力。

这种回路特别在空钩时会出现抖动现象。

在回路上增加背压阀解决抖动现象会使系统效率降低。

最好的解决办法是制动器采用恒压外控。

这样还可以进一步降低平衡阀的开启压力，提高回路效率。

[4]
2.5 主要液压元气件的选择与计算
2.5.1 液压泵的确定
根据泵的压力和流量选取适合的液压泵
1．确定液压泵最大工作压力p P
P P P p ∆∑+≥1 (1)
p P --液压泵最大工作压力
1P --液压缸的最大工作压力，Mpa P 161=
∑∆P --管路损失。

取Mpa P 5.0=∆∑
则Mpa P P P p 5.165.0161=+≥∆∑+≥
2．确定液压泵的流量Qp
)(max ∑≥Q K Q P (2)。