机械毕业设计1648折叠臂式高空作业车

摘要

本设计主要以小型折臂式高空作业车上、下臂结构为研究对象，对上、下臂进行结构和该车上`的设计。主要分两部分进行阐述，第一部分：根据高空作业车的最大高度10米，在满足作业高度的前提下，进行高空作业臂的结构设计：首先根据作业载荷使用要求选择作业臂材料类型；其次根据最大作业高度确定上、下长度；在经过受力分析利用强度来确定臂的截面尺寸，进而校核强度、刚度、稳定性，查看作业臂的尺寸是否符合要求。对施加均布载荷和约束，进行结构的强度和刚度的分析，确定危险截面或危险点的应力分布及变形，最后画出作业臂的总装图。第二部分：液压控制部分主要是指控制上下臂变幅运动的液压缸。文中详细记录了高空作业机构上下臂液压缸的设计过程，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：折叠臂式高空作业车，折叠臂式液压系统设计，专用汽车，设计

I

ABSTRACT

In this paper , to” high-altitude vehicles”,under the arm to study de structure of the upper and the lower arm to the vehicles structure and the design of the hydraulic system,mainly conducted in two parts on,high-aititude vehicles under one of the largest 10 meters high degree of operating,to meet the high degree of operating under the premise of a high-aititude operations arm of the structural design ,first,the use of operating arm asked to choose the type of material and secondly in accordance with the largest Operating highly determined ,under the arm length ;another use of force analysis to determine the strength of the arm section size and location of the fuel tank of the hinged ;further strength ,stiffness,the stability of checking to see whether the size of the operating arm to meet the requirements .to impose uniform loading and constraints ,structural strength and stiffness analysis, risk and danger point cross-section of the stress and deformation ,finally draw operating arm and hand ,arm parts under the plans .and hydraulic control of the mainly refers to control the movement from the top to bottom arm change hydraulic cyclinders .In a detailed record of the agencies operating at high altitude upper arm hydraulic cylinders and hydraulic cylinders under the arm of the design of process .In the determining the parameters of the hydraulic system components ,based on the completion of the hydraulic system desion and calculation.

Key words: Folded-arm high-altitude vehicles Folding arm type hydraulic system design Special V ehicle Design

II

目录

摘要............................................................................................................................. I ABSTRACT ...................................................................................................................II 第1章绪论 .. (1)

1.1课题的背景 (1)

1.2小型折叠臂式高空作业车的发展概况 (2)

1.3国内外折叠臂式高空作业车的发展概况 (2)

1.4论文研究基本内容 (3)

第2章折叠臂式高空作业车作业臂设计 (4)

2.1高空作业臂选择 (4)

2.1.1高空作业臂分析 (4)

2.1.2作业臂作业状态主要技术参数 (4)

2.1.3 作业臂材料选择 (5)

2.2上下臂的计算与校核 (5)

2.2.1计算上下臂的长度 (5)

2.2.2 上臂截面尺寸的确定 (6)

2.2.3 对上臂进行强度校核 (8)

第3章折叠臂式高空作业车总体方案分析 (10)

3.1动力传动装置设计与分析 (10)

3.1.1设计要求 (10)

3.1.2动力传动装置的选择 (10)

3.2工作装置设计与分析 (11)

3.2.1支腿机构 (11)

3.2.2回转机构 (16)

3.2.3操作及安全防护装置 (17)

第4章回转机构设计计算 (19)

4.1回转机构设计 (19)

4.1.1确定圆柱滚子的最大载荷 (19)

4.1.2确定圆柱滚子的允许载荷 (21)

第5章液压系统设计计算 (22)

5.1 确定液压缸类型和安装方式 (22)

5.2 确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸 (22)

5.2.1液压缸内径D的计算 (22)

5.2.2活塞杆直径d的计算 (24)

5.2.3缸壁厚的计算 (24)

5.2.4 缸体外径计算 (25)

5．3液压泵的选型计算 (25)

III

5.3.1、液压泵理论流量Q r (25)

5.3.2、油泵排量q (26)

5.3.3 油箱容积计算 (26)

5.3.4油管内径计算 (26)

致谢 (28)

参考文献 (29)

附录1 中文翻译..................................................................... 错误！未定义书签。附录2 外文.............................................................................. 错误！未定义书签。

IV

V

第1章绪论

高空作业车是一种将作业人员、工具、材料等通过作业平台举升到空中指定位置进行各种安装的装置。维修等作业的专用高空作业机械，既属于专用汽车，又属于工程机械，是一种重要的施工设备。

高安全性，高作业效率和高环境适应性，其特殊性在于：一是载人高空作业．其作业安全性要求比一般工程车辆高，即所谓“高安全性”；二是施工场所环境的“非结构性”，即其工作环境不可预知并且多变，因此要求对环境具有”高适应性”；三是其经常用于抢修作业，并且多为室外或野外作业，作业环境条件差，所以要求其具有作业的“高效率”。

“城市用”工程车辆特征目前我国用户基本集中在城市或城镇，其工作环境条件比一般的运输车辆和工程机械要好，对其使用寿命的期望也高．因此，要求具有与一般工程车辆不同的特征要求：多功能：外形美观．涂装色彩既要有工程车辆的稳重，又要有轿车的活力．并且要长期保持。机动灵活：可适当装载货物，如作业用的工具、机具、材料等。可乘载作业班组人员，如电力行业的4～6人、路灯行业的3～5人，具有工程车辆的功能和轿车的舒适性。

多功能：国外高空作业车一般只有高空作业功能，车辆看起来非常简捷，而我国用户则要求附加的辅助功能很多．主要有臂架起重、平台小吊，载人、载货等。

目前国内生产的高空作业车几乎全部是折叠臂式的，有很大的市场需求。

1.1课题的背景

本题以“GKZ14高空作业车”为研究对象，对该车的作业臂结构，液压系统进行设计。该型作业车的作业臂由上臂、下臂组成，下臂与底座铰接，上臂头部有工作平台。上下臂通过伸缩油缸调节臂的举升高度。传统力学方法设计是：根据高空作业车的需要，在满足举升高度的前提下，进行强度，刚度，稳定性的要求进行校核，确定截面尺寸，保证安全，设计过程中安全系数较大，造成制造成本增加，质量偏大等问题。在车辆行驶过程中，犹豫臂重较大产生车架断裂现象。由于伸缩臂在作业时位于十几米的高度，事关人身安全，因此，需要有一种较准确的设计计算方法。液压系统设计在高空作业车的设计里占重要地位，例如，起重工种装置主要由变幅机构组成，这一机构靠液压系统驱动，实现作业要求。液压系统元件可分为动力元件，控制元件，执行元件，辅助元件等。随着经济技术的发展，国内外起重机市场和高空作业车市场对这两种产品的要求越来越大，将产生巨大的社会经济效

1

益。

本研究课题，将以高空作业车升降臂结构以及液压系统为对象，根据作业高度和液压驱动部分进行结构设计，得出一种较为准确的设计方法。高空作业机械式在工程起重机械基础上发展起来的高空作业设备，广泛应用在建筑、消防等行业。随着我国经济建设的不断发展，对高空作业车的需求越开越多，要求工作范围也越来越广泛。

1.2小型折叠臂式高空作业车的发展概况

折叠臂式高空作业车采用的工作装置为液压驱动。

高空作业车的升降机构的稳定可靠是实现安全作业的必要条件之一，这

类装置的升降机构大多采用臂式或剪式升降机构，采用液压缸作为液压驱动力，液压缸需要随升降机构运动，因此液压缸与液压主回路需使用液压胶管

连接。因此液压缸作为升降时的动力，又作为施工作业时的升降机构的支撑

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。

高空作业车是以反复循环的方式完成设备安装的作业车。高空作业车主

要由高空作业臂、工作平台、起升机构、动力系统、液压系统、电气系统等

六部分组成

1.3国内外折叠臂式高空作业车的发展概况

国外折叠臂式高空作业机械新兴行业，是在工程起重机械基础上发展起来的高新技术产业系统，只有二十几年的历史。目前，专业生产折叠臂式高空作业机械的公司比较少。近年来，由于汽车起重机销售量下降及市场平淡，一批汽车起重机制造公司相继发展高空作业机械，但总计年产量仍不能满足市场需求，正处于发展时期。

国外折叠臂式高空作业机械发展迅速，技术水平不断提高。工业发达国家一般都有专门的跨国公司和集团主营和兼营高空作业机械，如美国GROVE 公司（格鲁夫）和GENIE（吉尼公司）、英国COLES公司、SI-MON公司（西蒙）、意大利RICO（利高）、芬兰BRONTO公司（波浪涛公司）、日本的多田野和爱知株式会社等。

国内折叠臂式高空作业机械发展刚刚起步，只有十几年的发展历史，虽然起步晚，但由于高空作业机械制造企业的努力，已逐步走向稳定的发展轨道。

我国从80年代开始抚顺起重机总厂、武汉起重机总厂、四川度岩机械厂、四川长江起重机械有限责任公司、杭州园林机械厂、北京攀尼高空作业

2

车有限公司、徐州重型机械厂等开始着手研制高空作业车和登高平台消防车，投放市场。抚顺起重机械总厂生产的CDZ32型登高平台消防车已出口泰国。四川长江起重机有限责任公司研制的QZC5120JGKS25型高空作业车是最近推向市场的一种新产品。该产品采用现代设计手段设计，填补了国内25m 伸缩臂式高空作业车的空白。

尽管我国在折叠臂式高空作业车设计制造上取得了一些成绩，但是国内生产制造的高空作业机械同国外同类型高空作业机械产品相比仍有一定差距，主要表现为技术含量低、大型的较结构笨重、作业时未动性能差等问题。在开发研制过程中，应采取有效措施、实验研究，逐项加以解决，以缩小差距。同时对目前存在的技术关键，有待于组织力量攻关解决，其关键是电液比例操纵、微动性能问题，支腿调平技术问题，数显微机自动程序控制以及机电一体化问题等[8,9]。

目前，折叠臂式高空作业车的发展动向是实现“六化”、“三性”，以提高折叠臂式高空作业机械的适用性。

“六化”：即液压化、最优化（采用计算机辅助设计）、轻量化（采用高强度材料、减轻构建重量）、机电液一体化（如安全保护、报警装置等）、通用化、系列化。

“三性”：可靠性、安全性和舒适性。

综上所述，在目前的折叠臂式高空作业车的生产水平上，改进折叠臂式高空作业车的工作性能，开发研制机动灵活、技术含量高、安全可靠的高空作业机械具有重大意义。

1.4论文研究基本内容

1、调研折叠臂式高空作业车技术应用情况，结合国内外情况，明确折叠臂式高空作业车技术的发展趋势，运用专业汽车技术及理论知识，确定折叠臂式高空作业车的研究方向。

2、选择适合型号整车分析采用折叠臂式高空作业装置的可行性，确定高空作业的工作方式，论证高空作业装置工作原理及工作过程。

3、设计一种高空作业装置，对折叠臂式高空作业装置进行运动分析和优化设计。

4、通过对折叠臂式高空作业车的研究，分析折叠臂式高空作业车工况的稳定性。

5、计算折叠臂式高空作业装置在工作过程中的受力情况，分析各参数对折叠臂式高空作业装置的影响。

6、计算折叠臂式高空作业装置在工作过程中的受力情况，校核主要零部件的强度。

3

第2章折叠臂式高空作业车作业臂设计

2.1高空作业臂选择

2.1.1高空作业臂分析

高空作业臂包括上臂和下臂，上臂头部有工作平台。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。上臂和下臂间通过水平销轴铰接，铰接处设有专门的滑动轴承，以保证工作臂转动时阻力小，运动平稳。该高空作业车采用折臂式工作臂结构，工作装置为液压驱动。工作臂为两节工作臂。具有操作简便，稳定性好等特点。其组成主要是高空作业臂，如图2-1所示，高空作业臂包括上臂和下臂上臂头部有工作平台。

图2-1

2.1.2作业臂作业状态主要技术参数

作业车技术参数如下表2-1所示：

表2-1作业臂作业状态主要技术参数

4

2.1.3 作业臂材料选择

金属结构为保证能安全，可靠地工作对其规定如下计算原则

（1）金属结构工作级别按结构件中的应力状态（名义应力谱系数）和应力循环次数（应力循环等级）分为A1-A8八级。

（2）金属结构计算应采用应力法（许用正应力和许用切应力）

（3）金属结构应进行强度，刚度和稳定性计算，并满足其规定的要求（4）金属结构应按三类载荷情况进行疲劳强度，刚度和稳定性计算第一类——按正常工作时的等效载荷进行疲劳强度计算。

第二类——按工作时的最大的载荷进行强度和稳定性计算

第三类——按非工作时的最大的载荷工作时的特殊载荷进行强度和稳定性验算

由此确定作业臂材料：根据选材原则及规定，主要选用Q235钢板，其主要特点是机械强度，韧性和塑性，以及加工等综合方面的性能好，价格较低，钢板的厚度t=4mm，其屈服强度是235Mpa

由于工作时应按最大的载荷进行强度和稳定性计算——结构应按第二类载荷情况进行疲劳强度，刚度和稳定性计算

2.2上下臂的计算与校核

2.2.1计算上下臂的长度

如图2-1所示作业臂的仰角是指上臂与水平线之间的夹角，它可以从0到80度，为便于对吊臂端部进行操作，仰角可为-3度，作业臂实际作业时通常在30-75度范围内，设计时仰角取75度，在图2-2中

图2-2作业臂最大仰角

5

，上臂：L1=AB 下臂：L2=BC, 则AB sin 75+BC sin 75=8.5

即（L1+L2）sin 75=8.5

L1+L2=8.21

由于上臂头部有工作台，所以在上臂头部应留有一定的余量装工作平台，因此上臂应大于下臂长，即 L1>L2

因此可以取上臂L1=4.20mm 下臂L2=4.01mm

2.2.2 上臂截面尺寸的确定

（1）上臂截面尺寸受力分析

下图所示是上臂工作到水平位置时的受力图，此时上臂受到的力最大

图2-3 上臂弯矩图

∑=0

可列公式：MB

F X400=9.8X3900

则

2

F=93.1

2

∑=0

又由F

F+F=2F

1

F=93.1-9.8=83.31N

1

6

7

如上图所示弯矩图：可得最大弯矩是max M =9.8X3.8=37.24KN.M

而梁所需要的截面系数，W=M/[σ]

=37.24/154.52

=24.1X105-m 3

（2）计算上臂截面尺寸

1．梁高的确定（h ）

按强度条件：h=0

1.2w σσ+ 式中 w ——梁所需的截面系数W=M/[σ]

M ——梁的最大弯矩

[σ]——所用钢材的许用应力

σ、o σ——钢板的厚度，设计时钢板的厚度σ=o σ=4mm

因σ=o σ 则上式可简化为：h=

0.68w 因此可得上臂高h=0.68w

=5

30.621.110410

--??? =190mm

2．上臂梁宽的确定

如下图σ

=4mm

图2-4 臂的截面图

则1h =h -2σ=190-8=182mm

8

按整体稳定条件：b>1/3h

按局部稳定条件：Q235钢 b<60σ

即1/360h b σ≤≤

1/3190604b mm ?≤≤?

63240mm b mm ≤≤

则 取：150b mm =

由图可得 121508158b b σ=+=+=mm

2.2.3 对上臂进行强度校核

（1）正应力校核 静应力校核公式：正应力[]F A

σσ=

≤ 式中F ——梁所受的力（N ）

A ——截面积（2m ） 切应力 2

[]8Fs IZ

ττσ=≤ 式中s F ——梁所受的弯力（N ）

σ——钢板的厚度（m ）

IZ ——梁对轴的惯性矩

在截面BE 所受的正应力是 11[]A F σσ=≤

梁的截面积是：11A hb h b =-

320.190.1580.1820.15

2.7210m -=?-?=? 则11328

3.330.6[]2.7210Kw MPa A m

F

σσ-===≤? （2）计算Z 轴的惯性矩是：312

z h b I =

9

图2-5

则惯性矩：

12

3354133542545412158190 6.25101212150182 5.121012126.2510 5.1210z Z Z Z Z z Z Z b lh m b lh m

m m

I I I I I I I I ----=-?===??===?-=?-?= =541.1310m -?

把193.1s F =和541.1310z m I -=?代入切应力校核公式

则：切应力是 2321

5

193.1100.0040.1688 1.1310MPa IZ F

στ-??===?? 在截面AD 上所受的切应力是：2

22[]8S IZ F

σττ=≤

把29.8s KN F =和541.110z m I -=?代入

则：切应力 2232259.8100.0040.017[]88 1.1310

F MPa IZ σττ-??===≤?? 所以上臂的正应力和切应力符合要求。

（3）对上下臂进行整体稳定性验算

箱型组合型梁通常刚度很大，若梁的高度之比/3h b ≤，则梁的整体稳定

性不需验算，所以/190/150 1.27h b ==<3.则不需要整体稳定性验算。

从以上对上臂的验算可得上臂尺寸的选择符合要求

下臂截面尺寸计算与受力分析与上臂基本相同。

第3章折叠臂式高空作业车总体方案分析

折叠臂式高空作业车主要由动力传动装置、工作装置（支腿机构、回转机构、作业平台）等组成。

本章主要对折叠臂式高空作业车的各个机构的方案进行分析。

3.1动力传动装置设计与分析

3.1.1设计要求

动力传动装置包括折叠臂式高空作业汽车各工作装置的动力传动部分，其设计要求如下：

(1)对作业功能，在规定的载荷范围内，不论载荷大小，要求动力传动装置具有稳定的工作转速。

(2)在同一工作循环内，工作装置的回转机构、举升机构等是正向和逆向运动交替进行的。因此要求能适应运动方向的不断改变。

(3)在工作过程中，各工作装置的工作速度应能随作业进度及时调整，且调速范围大，如举升机构需要有很低的微动速度。

3.1.2动力传动装置的选择

1、内燃机——机械传动

这种传动方式仅在用途单一的高空作业汽车上使用，如用于电力设施维修的垂直升降式高空作业汽车多采用这种形式。动力源为汽车发动机，动力经变速器传出后，还要经分动器、离合器、减速器、卷扬机、滑轮以及钢丝绳等传递到工作装置，传动路线长，结构较复杂。

2、电力——机械传动

这种传动方式是利用外接电源或车载电源（蓄电池），通过电动机将电能转换成机械能，再经机械传动装置将动力传递到各工作装置。由于电动机具有逆转性和在较大转速范围内实现无级调速等特点，并且各机构可由独立的电机驱动，简化了传动和操纵机构，而且噪声小、污染少，适用在外接电源方便或流动性不大的场地作业。

3、内燃机——电力传动

这种传动方式的路线是汽车发动机→发电机→电动机，然后带动各工作装置运转。其优点是利用直流电动机的优良工作特性，使高空作业汽车

10

获得好的作业性能。但这些传动装置质量较大，价格昂贵。

4、内燃机——液压传动

大部分折叠臂式高空作业汽车都采用这种工作方式，它可充分利用液压传动的优点，简化传动结构，并且易于实现无级调速和运动方向的变换，传动平稳、操作简单、方便、省力、能防止过载。

通过以上各种动力传动装置的结构、经济性、适用范围以及操作性能等多方面性能的分析，将动力传动装置选定为内燃机——液压传动这种形式。

3.2工作装置设计与分析

折叠臂式高空作业汽车的工作装置包括支腿机构、回转机构、操作及安全保护装置等。

3.2.1支腿机构

1、支腿机构的选择

支腿机构是大多数折叠臂式高空作业汽车所必备的工作装置，目前均采用液压支腿。这类装置是利用从汽车发动机取出的动力来驱动液压泵，通过控制阀把液压泵产生的液压油供给液压支腿的工作缸，实现支腿伸缩。其优点是操作简单，动作迅速。

液压支腿按其结构形式又可分为：蛙式支腿、H式支腿和X式支腿。

1、蛙式支腿

图3-1为一种蛙式支腿的结构示意图，支腿的伸缩动作由一个液压缸完成。在运动过程中，支腿除有垂直位移△y外，在接地过程中还有水平位移△x （如图3-2）。这种支腿结构简单，液压缸数少，一支腿一液压缸，结构质量小。但支腿在伸出过程中受摇臂尺寸的限制，支腿的跨距（图3-2种的2a）不能很大，调平性能较差，且在支反力变化过程中有爬移现象。

2、 H式支腿

如图3.3所示，这种形式的支腿对地面适应性好，易于调平，且在支反力变化过程中无爬移现象，是高空作业车较理想的支腿形式。H式支腿由两个液压缸驱动即水平推力液压缸和垂直的支撑液压缸。这种支腿形式的稳定性良好。

11

12

图3-1 蛙式支腿 图3-2 蛙式支腿的运动示意图

图3-3 H 式支腿 图3-4 X 式支腿

3、X 式支腿

如图3-4所示，这种支腿的垂直液压缸作用在伸缩腿的中间，当推力液压缸将腿伸出后，垂直支撑液压缸将支腿压向地面，使轮胎离地如图3-4(a)所示,四个伸缩腿是同步工作的，而垂直液压缸可同时顶升，也可单独工作，以便对车架进行调平。由于X 式支腿的垂直支撑液压缸作用在横梁的中间，而横梁又直接支撑在地面上，这就比H 式支腿更加稳定。但X 式支腿离地间隙较小，在伸支腿的接地过程中有水平位移运动，从而加大了液压缸的推力，液压缸易损坏。

综上所述，H 型支腿稳定性较蛙式支腿好，虽然X 型支腿的稳定性比H 型支腿更好，但X 型支腿的离地间隙比H 型支腿小。因此，高空作业车的支腿机构选择H 型支腿，如图3-3所示。

13

2、支腿机构的计算

折叠臂式高空作业车的支腿机构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。

支腿跨距的确定

折叠臂式高空作业车的支腿一般为前后设置，并向两侧伸出，如图3-5所示。支腿支撑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的要求。

图3-5 高空作业车的支腿跨距

（1）、支腿横向跨距

支腿横向外伸跨距的最小应保证路灯装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 的稳定力矩大于倾覆力矩。如图3-2(a)所示，1/2支腿横跨距a 应满足：

)()(211

1q Q G G G L G R q Q r G a b b ++++-++≥

14

)

4502400(4000200005001005003000)4502400(14004000++++?-?++?≥a 515≥a mm

由于车总宽B =1900mm ，且2a ＞B ，故取 1400=a mm

式中：G 1——转台重力，N ；选取同等规格的高空作业车的转台的质量作参考，质量为50kg ；

G 2——底盘重力， N ；所选取SY1041DBF 的底盘资料查找为2000kg,即20000N 。 G b ——臂架重力，N ；Gb=G 上臂+G 下臂；上臂和下臂的材质为Q235; q ——作业平台重力，N ；所设计的平台具体尺寸为1200×740×1040mm;平台上部为铝合金围栏，下部为铝合金板，经估算质量为45kg;

Q ——作业平台标定载荷，N ；平台可容纳3个人，每个人平均65kg,再加上一些操作工具，规定为240kg;

L 1 ——转台重力中心至回转中心的距离

r —臂架重力中心至回转中心距离。

R ——作业半径（臂幅），mm 。当下臂升起75°时，下臂升起150°时，以上臂上端点的垂线为旋转中心，上臂和下臂交接处到旋转中心的距离为作业半径。

即mm o 1400

2/140cos 4300≈ （2）、支腿纵向跨距

支腿纵向跨距的确定和横向跨距确定的原则一样，应绕前、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3-2(b)所示，可得后支腿支撑点至回转中心的距离b 1应满足：

)

(21221q Q G G G L G a b b ++++-≥ )4502400(4000200005008642000014001++++?-

≥b 7691≥b mm

式中：L 2 ——底盘质心至回转中心的距离。经上图分析和相关高空作业车的

15 侧量为864mm; 同理，可得前支腿支撑点至回转中心的距离b 2为：1700

2 b

mm

(a)

(b) 图3-2 支腿跨距的确定