GKZ高空作业车液压系统设计

高空作业车液压系统设计
摘要
高空作业车是将高空作业人员和必要的工具送至空中，并提供工作人员空中作业场所的机械。

起重机是一种能在一定范围内垂直起升和水平移动物品的机械，动作间歇性和作业循环性是起重机工作的特点。

本次设计以徐州海伦哲工程机械有限公司研制开发的“GKZ14型高空作业车”为研究对象，对该车上的液压系统进行设计。

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。

高空作业部分主要是指控制上下臂变幅运动的液压缸，控制上下臂回转运动的液压马达。

起重部分主要是控制伸缩臂伸缩运动的液压缸，以及控制起重钢丝绳收进放出的液压马达。

本文着重高空作业机构的变幅液压缸和回转液压马达设计，简略起重机构。

文中详细记录了高空作业机构上臂液压缸的设计过程,简略设计下臂液压缸以及起重机构部分的伸缩液压缸;记录了高空作业部分回转机构的液压马达和起重部分起升机构的液压马达的设计选型过程，以及液压泵，油箱的选型过程。

在确定液压系统元件参数的基础上，完成了液压传动系统的设计计算。

关键词:高空作业车；起重机构；液压传动系统设计；液压缸；液压马达
Abstract
The aerial platform vehicle sends high rise operation personnel and the tool of the necessity to the air, and provide the staff member with the high rise operation amenity machine.The derrick is a kind of machine that cans be perpendicular in the certain scope to rise to rise to move a product with level, the action by fits and starts and the homework circulation are the characteristicses of the derrick work, can press the main use and the structure characteristic classification. The high rise operation mechanism mainly is the fluid cylinder that the control points a top and bottom arm to luffe, and the hydranlic moter to control top and bottom arm turns around.Jack mechanism mainly is a control flexible sport of flexible arm of the liquid press an urn, rise a heavy steel wire rope to accept into let out of the liquid press motor.This text emphasizes high rise operation mechanism to become a liquid to press an urn and turns round design, Chine is a jack mechanism slightly.Recorded high empty homework organization parts of upper arm liquids to press the design process of the urn in detail in the text, Chien designed slightly the arm liquid press the flexible liquid of the urn and the jack mechanism part to press an urn.It recorded high rise operation mechanism to turn round the liquid of the organization to press motor and rise heavy part to rise to rise the design that the liquid of the organization presses motor to choose a process in the text, and the liquid press a pump, the fuel tank chooses a process.Base on the system component parameter in hydranlic , completed the designion and calculation of the hydranlic system.
Keywords: aerial platform vehicle;jack mechanism ;hydranlic system design;fluid cylinder;hydrauhc motor.
前言
高空作业车和起重机都广泛应用在船舶、建筑、市政建设、消防、港口等行业，有着广阔的发展前景。

本次设计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，对该车上的液压系统进行设计。

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。

液压传动是以流体（液压液）作为工作介质对能量进行传递和控制的一种传动形式，对于机械传动来说，它是一门新技术。

但如从1650年帕斯卡提出静压传递原理，1850年开始英国将帕斯卡原理先后应用于液压起重机、压力机等算起，也已有二三百年的历史了。

而液压传动在工业上的真正推广使用，则是在20世纪中叶以后的事。

近几十年来，随着微电子和计算机技术的迅速发展，且渗透到液压技术之中并与之紧密结合，使其应用领域遍及到各个工业部门，已成为实现生产过程自动化、提高劳动生产率等必不可少的重要手段之一。

本文共分六章，主要内容有：高空作业车发展状况；课题来源；液压系统设计概述；液压系统的构成；主要工作机构液压回路的设计；整体液压回路设计；上臂油缸的设计计算；下臂油缸的设计计算；回转机构液压马达设计；伸缩机构液压缸设计；起升机构液压马达设计计算等。

其中着重高空作业机构的变幅液压缸和回转液压马达设计，简略起重机构的伸缩液压缸和起升液压马达。

液压部分的设计计算主要要考虑动作的实现、泄漏、安全、经济性等方面的问题，由于时间能力等方面的限制，在此次实际过程中考虑的问题不是很周全。

在设计过程中，以《机械设计手册4》、《起重机设计手册》为根本，参考相关方面的教材、书籍以及论文。

在此次设计中，遇到很多问题，动作的实现，油路的设计，液压马达转矩的计算等，在指导老师蒋红旗老师的指导和帮助下，顺利解决了这些问题，在此谨致忠心的感谢。

由于学生水平有限，本文错误之处和不妥之处必定不少，敬请老师批评指正。

第1章绪论
1.1 高空作业车的发展状况
高空作业车是用于电力、通信线路工程安装和维修的专用车辆。

作为一种工程机械设备，目前广泛应用在船舶、建筑、市政建设、消防、港口等行业，有着广阔的发展前景。

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。

现今，高空作业车已发展到其作业高度最高已到达72m(BRONTO公司生产)，且作业车的可靠性、安全性、舒适性、操作方便和简单的直接性等方面都有较大提高。

在高空作业车辆中,空中作业的人机安全是十分重要的。

随着经济技术的快速发展，国内外起重机市场对起重机大型产品的需求越来越大；我国近几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，集中必要力量建设一批大型工程，液压汽车起重机和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。

目前国内使用的高空作业车大多采用吊篮式车辆, 工作时需设有专用支腿, 且在设计中必须考虑其稳定性。

而直升式高空作业车无需专用支腿, 工作相对稳定可靠, 已逐步在城市的通信、电缆的安装和维护作业中得到应用[1]。

高空作业车辆升降机构的稳定可靠是实现安全作业的必要条件之一,这类设备的升降机构大多采用臂式(如市政工程车辆、汽车起重机、飞机除冰车等)或剪式(如飞机食品车、残疾旅客登机车等) 升降机构,采用液压缸作为升降驱动力,液压缸需要随升降机构运动,因此液压缸与液压主回路须使用液压胶管连接。

此时液压缸既作为升降时的动力,又作为施工作业时升降机构的支撑构件,因此液压缸及其连接管路对于整个系统安全起着非常重要的作用。

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，对该车上的液压系统进行设计。

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。

液压系统设计在高空作业车的设计里占重要地位，例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。

液压系统元件的类型可分为动力元件，控制元件，执行元件，辅助元件等[2]。

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。

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，它使整个机器实现自动化。

其中安全性等方面的考虑，设计更是减少了故障的发生，相当程度上确保运行该高空作业车的工人的安全。

1.3 基本参数及主要技术性能指标
作业车行驶状态主要技术参数（表一）：
（表一）
作业车作业状态主要技术参数（见表二）：
(表二)
高空作业车平台作业工作状态图：
（图1.1）
第2章液压系统设计
2.1 液压系统的构成
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。

除高空作业机构外，GKZ系列车型还设有起重装置，一机多用。

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。

底盘的作用在于转移整机装置的作业场所，在起重或高空作业时用于支承上车，保持整机的稳定。

起重工作装置和高空作业装置主要由起升、变幅、吊臂伸缩和回转等机构组成，起升机构和吊臂伸缩机构属于起重装置部分, 变幅机构和回转机构属于高空作业装置部分，这些机构都靠液压系统驱动，实现作业要求。

液压系统元件按构成类型可以分为动力元件、执行元件和辅助元件等。

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变幅由液压缸控制,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，支腿收放部分的液压设计在此次设计中不加以考虑。

2.2液压系统设计概述
液压系统有传动系统和控制系统之分,本次设计中所说的系统设计主要是针对传动系统设计而言,主要是确定整个高空作业车的液压回路,以及其间主要执行元件、控制元件等的主要尺寸和基本性能参数。

其实从结构组成和工作原理来看，传动系统和控制系统并无本质上的区别，仅仅一类以传递动力为主，追求传动特性的完善，其执行元件用来驱动某个控制元件的操纵装置（例如液压泵、液压马达的变量机构、控制阀的阀心等）而已。

因此，传动系统的设计内容和方法只需略做调整，即可直接用于控制系统的设计。

系统的设计除应满足主机要求的功能和性能外，还必须考虑符合质量轻、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，考虑具体要求不同而有所侧重[3]。

2.3设计依据
此次液压系统设计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”
为模版，主要依据《机械设计手册4》里液压传动系统设计步骤和方法[4]，以及《起重机机设计手册》里起重机液压部分设计步骤和方法。

2.4 主要机构简述
一高空作业工作臂
高空作业工作臂包括上臂和下臂。

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伸展至一定角度，将工作人员送至工作位置。

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

二起重工作臂
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。

三工作平台（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，周围设有护栏，右侧护栏开有侧门，方便人员进出，平台底板采用防滑的花纹铝板，平台周圈下部设有护围，防止工具和其它物品掉落。

四回转机构
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。

五起升机构
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。

六动力系统
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。

七中心回转接头
中心回转接头由导电滑环、液压滑环两部分组成，它的作用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畅通。

八液压系统
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，输出流量和负荷变化无关，可使系统达到稳定的工作速度，并且能够实现无级调速。

系统工作压力由电磁溢流阀调定。

支腿的收放由下车多路换向阀控制，下车多路换向阀可对个支腿的进回油分别控制，因此各支腿的伸缩量均可单独调节，使作业车能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。

九电器系统
电气系统包括示廊灯、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。

示廊灯和汽车行车灯并联，表示该车的轮廓。

警示灯为夜间工作时显示吊篮位置，提醒过往车辆和行人。

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、下臂最大仰角，当工作臂举升至最大仰角时，行程开关自动接通蜂鸣器，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。

转台控制箱与吊篮控制箱的设置，使得全车即可在转台处操作，又可在吊篮处操作，两处操作具有互锁功能，不能在两处同时对高空作业车进行操作。

2.5 主要工作机构液压回路的设计
2.5.1高空作业车起升机构的液压回路设计
(1) 动作分析
筒将钢丝绳收进或放出，实现重物的提升和下降。

(2) 液压回路设计
(图2.5.1)
1—液压泵；2—油缸；3—换向阀；4—梭阀；5—单向节流阀；6--制动器液压缸；7—平衡阀；8—起升机构液压马达。

换向阀：利用阀心在阀体中的相对运动，使流液的通路接通、关断，或改变流动方向，从而使执行元件启动、停止或改变运动方向。

梭阀：梭阀相当于有两个单向阀组合而成，有两个输入口和一个输出口，在液压回路中起逻辑“或”的作用。

单向节流阀：正向流动时起单向阀作用，反向流动时起节流阀作用。

平衡阀：可使运动速度不受载荷变化的影响，保持稳定，附加的单向阀功能，密封性好，在管路损坏或制动失灵时，可防止重物自由下落造成事故。

制动器：制动器一般都采用常闭式，即向制动器供压力油时，制动器打开，反之，则在弹簧力作用下使马达制动[5]。

以下开始分析动作控制过程：
如图(2.5.1)所示，换向阀3置于右位时，压力油经梭阀4、单向节流阀5进入制动器液压缸6，制动器松开。

液压油同时经平衡阀7中的单向阀进入起升机构液压马达8，驱动其转动，使吊重起升。

靠单向节流阀5的节流作用，制动器松开较起升机构液压马达旋转滞后，避免吊重在起升驱动力矩未充分建立前下溜（“溜钩”）。

换向阀3置于左位时，液压油直接进入起升机构液压马达的另一腔，同时经梭阀4、单向节流阀5进入制动器液压缸6，松开制动器，液压马达反转，吊重放下。

此时，平衡阀7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。

换向阀3处在中位时，整个回路卸荷，制动器液压缸6在自身弹簧和单向节流阀5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重被迅速制动住，实现空中可靠悬停或就位。

(3) 优缺点分析
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。

2.5.2高空作业车吊臂伸缩机构液压回路设计
(1) 动作分析
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。

该伸缩臂式起重机可采用单液压缸或双液压缸变轴，变幅机构由液压马达驱动，其液压回路与起升机构相同。

(2) 液压回路设计
此处吊臂伸缩机构的液压回路设计省略。

2.5.3高空作业车回转机构液压回路
(1) 动作分析
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[6]。

(2) 液压回路设计
（图2.5.2）
电磁换向阀：电磁换向阀借助于电磁铁吸力推动阀心动作来改变流液流向。

梭阀：梭阀相当于有两个单向阀组合而成，有两个输入口和一个输出口，在液压回路中起逻辑“或”的作用。

单向节流阀：正向流动时起单向阀作用，反向流动时起节流阀作用。

制动器：制动器一般都采用常闭式，即向制动器供压力油时，制动器打开，反之，则在弹簧力作用下使马达制动。

控制过程分析如下：
如图(2.5.2)所示，换向阀置于右位时，压力油经梭阀进入制动器液压缸，制动器松开。

液压油同时经平衡阀中的单向阀进入回转机构液压马达，驱动其转动，使吊臂回转。

换向阀置于左位时，液压油经单向节流阀进入回转机构液压马达的另一腔，同时经梭阀进入制动器液压缸，松开制动器，液压马达反转。

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[13]。

2.5.4高空作业车变幅机构液压回路设计
(1) 动作分析
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家度，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) 液压回路设计：
(图2.5.3)
电磁换向阀：电磁换向阀借助于电磁铁吸力推动阀心动作来改变流液流向。

平衡阀：可使运动速度不受载荷变化的影响，保持稳定，附加的单向阀功能，密封性好，在管路损坏或制动失灵时，可防止重物自由下落造成事故。

以下简述动作分析过程：
因为上下臂的液压设计很相似，所以分开分析。

先看左边液压缸的控制过程。

如上图所示，当电磁换向阀置于左位时，油液经过左边单向节流阀的单向阀部分到达平衡阀，再经过平衡阀到液压缸的左腔，推动活塞杆向外运动。

而右腔的油液则从右边的平衡阀到右边的节流阀再流出。

当电磁换向阀置于右位时，油液经右边的单向节流阀和平衡阀到达液压缸的右腔，推动活塞杆向左运动，左腔的油液的经左边的平衡阀和单向节流阀流出。

当电磁换向阀处于中位时，液压缸不运动[13]。

右边液压缸的控制过程如上。

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

如下图（2.6.1）所示,分析运动控制过程。

(图2.6.1)
总图分析：
图中虚线部分是属于控制油路。

联结两个液压马达然后通回油箱的虚线是防止泄漏的。

由于液压马达本身没有密封装置，它靠马达外壳将泄漏的液压油聚集起来，然后通过细管送回油箱。

单向节流阀，正向流动时起单向阀作用，反向流动时起节流阀作用。

流液正向通过时可以顺利通过该阀，反向通过时，则可根据调节节流阀节流口面积的方法来控制通过阀的流量，从而达到控制液压缸和液压马达运动速度的目的。

在系统图中，高空作业部分的变幅机构和回转机构回路上都安装了单向节流阀，主要是基于安全方面的考虑控制速度。

例如当工作人员在高空作业篮内，上臂起升和下降时，如果速度高将会十分危险，通过节流阀的调速后则可以使作业篮平稳缓慢的上升和下降。

这部分结构主要是一个电磁式两位四通阀和一个先导式溢流四通阀。

按下手柄时，两位四通阀置于右位，由于阀端被堵，此油路不同；通常情况下，两位四通阀置于左位，则H型阀口使回路通顺，即使先导溢流阀的远程控制口接回了油箱。

这是，泵输出的油液在很低的压力下通过阀口流回油箱实现卸荷作用。

在整个液压系统图中，起重结构部分的动作是靠手动控制的，而高空作业部分的机构是靠电动控制的。

当该两位四通阀位于右位时，由于油路不同，油液会绕过此机构到达高空作业机构，实现高空作业部分的动作。

当该两位四通阀位于左位时，油路卸荷，油液直接流回油箱则相当于是高空作业机构的总开关没有开启，高空作业部分不能动作。

此手动二位四通阀同时还有安全保护的作用。

当高空作业部分出现故障时，可以按动手柄使二位四通阀置于左位，油路卸荷，高空作业部分不能动作。

高空作业部分具体动作时还必须使变幅机构和回转机构的三位四通电磁阀通电[7]。