混合臂（折疊加伸縮）式高空作業(yè)平臺臂架系統(tǒng)

混合臂（折疊加伸縮）式高空作業(yè)平臺臂架系統(tǒng),混合,折疊,伸縮,高空作業(yè)平臺,系統(tǒng) 2. 自行式高空作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)分析 2.1 高空作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)介紹 自行式高空作業(yè)平臺整車通常分上車、下車兩大部分。 下車通常包括發(fā)動機（或蓄電池）、底盤（車架）、配重、前后車橋、前后車輪組、車橋操作裝置、電纜液壓輸送系統(tǒng)、下車液壓系統(tǒng)、下車電氣系統(tǒng)等。 上車包括回轉(zhuǎn)支承、轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、臂架變幅系統(tǒng)、臂架總成、電纜液壓輸送系統(tǒng)、工作平臺、平臺回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、平臺調(diào)平系統(tǒng)、上車液壓系統(tǒng)、上車電氣系統(tǒng)、安全限位裝置等。 高空作業(yè)平臺按工作臂的型式，有四種基本型式，分別為:垂直升降式、折疊臂式、伸縮臂式和混合臂式。垂直升降式高空作業(yè)平臺的升降機構(gòu)只能在垂直方向上進行運動，它的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單，承載能力強，但作業(yè)范圍小，作業(yè)高度低，這種結(jié)構(gòu)型式應(yīng)用比較少。折疊臂式高空作業(yè)平臺工作臂之間的連接全部采用鉸接型式，結(jié)構(gòu)相對簡單。折疊臂高空作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)適合于較低作業(yè)高度的車型，如要加大作業(yè)高度，必然要增加臂長或增加工作臂數(shù)量，增加臂長會使作業(yè)車體積龐大，降低靈活性;增加工作臂數(shù)量會造成操作繁瑣，安全性降低；同時，過多依賴于平行四邊形鉸接機構(gòu)，運動平順性較差。伸縮臂式高空作業(yè)平臺在行駛狀態(tài)時，工作臂縮回套疊，工作時伸出，可以有效增大作業(yè)高度；但因臂架筆直，無法跨障，面對復(fù)雜場地能力有限。混合臂式高空作業(yè)平臺同時具有折疊臂式高空作業(yè)平臺的跨障能力和折疊臂式高空作業(yè)平臺的動作平穩(wěn)等特性，工作效率高、能滿足復(fù)雜場地作業(yè)要求，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。 本文重點介紹混合臂式高空作業(yè)平臺。 工作機構(gòu)是為實現(xiàn)高空作業(yè)平臺不同的運動要求而設(shè)置的?；旌媳凼礁呖兆鳂I(yè)平臺主要動作有：行走、下車回轉(zhuǎn)、變幅、伸縮、調(diào)平、副臂架擺動、平臺回轉(zhuǎn)。依靠臂架總成的相應(yīng)機構(gòu)實現(xiàn)載人工作斗在兩個水平和垂直方向的移動;依靠平衡機構(gòu)實現(xiàn)工作斗和水平面之間的夾角保持不變，依靠行走機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)移工作場所。 金屬結(jié)構(gòu)工作臂及工作斗調(diào)平系統(tǒng)是高空作業(yè)平臺的重要組成部分。臂架通過銷軸與轉(zhuǎn)臺部分連接，通過折疊臂伸展油缸實現(xiàn)垂直方向運動，通過伸縮臂變幅油缸實現(xiàn)在鉛垂面上變幅，通過伸縮臂伸縮油缸實現(xiàn)平臺極軸方向運動。它們承受高空作業(yè)平臺的載人載荷以及作業(yè)時的各種外載荷。因此這部分是高空作業(yè)平臺安全可靠的一個重要部分，其重量通常占整機重量的三分之一以上，耗鋼量大。因此，高空作業(yè)平臺臂架結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，對整機的安全作業(yè)和可靠性、減輕高空作業(yè)車自重，提高作業(yè)性能，節(jié)約鋼材，都有重要意義。 2.2 高空作業(yè)平臺混合臂架結(jié)構(gòu)分析 混合臂從底盤向上，依次為：下上折疊臂、基本臂、伸出臂、副臂架。 上下折疊臂采用四邊形連桿機構(gòu)，下折疊臂與轉(zhuǎn)臺邊緣通過兩個水平銷軸連接，上折疊臂與基本臂的端部同樣通過兩個水平銷軸連接，兩臂中間依舊水平鉸接，用一舉升油缸改變上下折疊臂架之間的夾角，實現(xiàn)折疊臂的垂直運動。連接液壓缸的桿件因承受較大載荷，需進行加強。 兩節(jié)伸縮臂之間可以相對滑動，靠它們搭接的上下滑塊來傳遞作用力。基本臂根部與折疊臂端部通過水平銷軸連接，且其中部分還與變幅油缸鉸接，可實現(xiàn)工作臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動。伸縮臂采用臂架伸縮油缸(臂架伸縮油缸結(jié)構(gòu)如圖2.2所示)來實現(xiàn)伸出臂相對基本臂伸縮。伸縮油缸在工作臂內(nèi)部，采用拖鏈來實現(xiàn)液壓油管和電纜與前端的工作斗操作系統(tǒng)連接。伸縮臂截面形狀為單塊板折彎焊接而成?；颈墼诟鹘g點處設(shè)加強板進行加強，伸出臂頭部均設(shè)置加強箍，保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全性。 副臂架與伸出臂端部和作業(yè)斗通過鉸接板鉸接，通過伸出臂端部與副臂架鉸點處的主從平衡油缸，實現(xiàn)副臂架與鉸接板相連的兩鉸孔始終垂直，通過平行四邊形杠桿機構(gòu)，最終保證了工作斗的水平。 2.3 高空作業(yè)平臺混合臂架結(jié)構(gòu)分析 首先確定臂架系統(tǒng)的自由度。 對于折疊臂部分： 自由度為2，因有兩個液壓缸做原動機，所以有確定而穩(wěn)定的運動。 對于伸縮臂及副臂架部分： 自由度為5，因有四個液壓缸二和一個液壓馬達做原動機，所以也有確定而穩(wěn)定的運動。 由于高空作業(yè)平臺要求在所有幅度下，均可以在額定載荷下工作，因此其危險工況只有可能出現(xiàn)在一種工作情況下，即:工作斗承載額定載荷，工作臂水平伸出至最大工作半徑狀態(tài)，如圖所示: 本文較多地方出現(xiàn)擺動液壓缸機構(gòu)，故作詳細分析： 對擺動液壓缸機構(gòu)進行運動分析。如圖所示： 已知該機構(gòu)尺寸及活塞相對液壓缸3的總長度、速度、加速度，求基本臂1的角位移、角速度、角加速度。 Ⅰ.位移分析 按圖中三角形各矢量的方向，有 (1) 在兩軸上分解得 (2) 由（1）（2）兩式各平方后相加，得 (3) 由（3）得 (4) 由（2）（3）得 (5) Ⅱ.速度分析 將式（1）對時間求導(dǎo)，得 (6) 由此得與有如下關(guān)系 (7) 即有： (8) Ⅲ.加速度分析 將式（6）對時間求導(dǎo)，得 (9) 由此解得： (10) (11) 由式(11)(12),得 (12) 當(dāng)已知油缸運行速度后，依據(jù)液壓油壓力取決于負載，即認為是做勻速運動，加速度為0，可以分析出桿件1的運動角加速度。從而分析出附加力矩。 對副臂架的分析： 高空作業(yè)平臺的轉(zhuǎn)臺及副臂架的鋼結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，它們己不是簡單的梁結(jié)構(gòu)，而是板與箱形梁的組合式結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)件不僅要考慮強度、剛度與整體穩(wěn)定性，更重要的是構(gòu)件局部應(yīng)力和局部穩(wěn)定性問題。現(xiàn)有的解析計算方法已很難達到工程要求，解決它的最有效手段是有限元方法。（本文只作部分力學(xué)分析） 已知長寬比，通過力三角形相似原理，分析得當(dāng)油缸長度達到最大值時，油缸受力最大。根據(jù)平臺基本參數(shù)，副臂架在垂直平面內(nèi)可以有139°的對稱轉(zhuǎn)角。即當(dāng)與水平面有69.5°時，油缸最長可達1456mm。平臺自重+額定載荷=320kg，外加副臂架和擺動油缸自重約45kg，可以推出：副臂架油缸受力為19.68KN，工作回路油壓為16MPa,根據(jù)液壓手冊選用DG型車輛用缸，缸徑40mm ，活塞桿直徑22mm，最大推力可達20.11KN，滿足使用要求。 根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品“吉尼Z30”的產(chǎn)品說明，平臺上升速度可達1.1Km/h，距離變幅鉸點2.1m，所以，副臂架的擺動速度為： 根據(jù)式 (7), 且知 得： 由流量速度面積之間的關(guān)系，，根據(jù)的DG型車輛用缸面積參數(shù)，得 流量為2.84L/min 副臂架和油缸重量約45kg 強度計算 本高空作業(yè)平臺工作臂均由高強度HG70高強度焊接結(jié)構(gòu)鋼制造，HG70鋼屈強為700MPa。根據(jù)《JGT 5101-1998 臂架式高空作業(yè)平臺》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于塑性材料，其結(jié)構(gòu)安全系數(shù)n不小于2（以作計算） 其許用應(yīng)力值為： 式中，：應(yīng)力集中系數(shù) ：動載荷系數(shù)，則 箱型伸縮臂由左右兩塊薄鋼板折彎，加上上下兩塊薄鋼板拼焊而成。伸縮臂架在變幅的過程中主要承受軸向壓力(拉力)、剪切力、彎矩以及扭轉(zhuǎn)的作用。為了減輕臂架的重量，同一截面的板厚各不相同，由于箱型伸縮臂是雙向壓彎構(gòu)件，導(dǎo)致臂架下側(cè)薄鋼板更容易失效，因此選取的臂架下側(cè)鋼板比上側(cè)鋼板要厚。在箱型伸縮臂的內(nèi)部安裝有伸縮油缸，用來完成伸縮臂的伸縮，通?；颈酆蜕斐霰鄣母糠謩e固定伸縮油缸的缸桿和缸筒。各節(jié)箱型伸縮臂依靠滑塊進行相互作用，同時依靠滑塊對箱型伸縮臂起著導(dǎo)向作用。 箱型伸縮臂有多種截面形式，每種截面都有其各自的優(yōu)缺點，根據(jù)使用性能、經(jīng)濟成本等因素應(yīng)用于不同的工況場合。矩形截面是最早被使用的截面形式，由于其形狀簡單，因此其受力狀態(tài)較容易掌握，現(xiàn)今對于箱型伸縮臂的理論研究大體以矩形截面為基礎(chǔ)，同時工藝制造方便，在滑塊的布置和附件的安放上也比較容易。由于其下翼緣板、腹板相對于其他同尺寸截面較長，因此其局部穩(wěn)定性較低，故矩形截面主要應(yīng)用于小噸位的起重機和大部分高空作業(yè)車產(chǎn)品中。 對伸縮臂結(jié)構(gòu)進行受力分析： 對基本臂變幅時擺動油缸結(jié)構(gòu)進行分析： 其中： 從“吉尼Z30”產(chǎn)品說明中知道，伸展上升速度為1.1Km/h,當(dāng)伸出臂縮在基本臂內(nèi)?；颈厶幱谒綍r，臂架會產(chǎn)生較大的角加速度。 由式(7)，得： 由式(12)，得： 則角加速度產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩： 假定伸縮臂自重加上其他外載荷，共重：610kg, L=3.8m 則，轉(zhuǎn)矩=14.093N.m<<外載荷。 所以，角加速度產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可以忽略。 從油缸速度，油缸受力為 對“吉尼Z30”型產(chǎn)品進行測繪，確定伸縮臂外形尺寸，如圖: 為方便計算，簡化為上圖中右側(cè)的簡易模型。 對伸出臂作受力分析圖： 慣性矩： 抗彎截面模量： 截面所受靜力產(chǎn)生的彎矩： 其中：Q為副臂架傳遞過來的載荷，Q=3.65Kn L為伸出臂末端到固定于基本臂內(nèi)段的距離：L=1.5m m為伸出臂自重， 則，伸出臂上彎曲應(yīng)力為： 應(yīng)用迭代法解的值，當(dāng)=6mm時=47MP<<254.5MP 當(dāng)=5mm時=56MP<<254.5MP 當(dāng)=1mm時=242MP，接近許用強度。 顯然，當(dāng)=1mm時，臂架在受力時自身已經(jīng)容易失穩(wěn)，從抵抗失穩(wěn)，易于焊接角度，初選臂架厚度=5mm。 伸出臂自重 考慮到局部補強接頭，銷軸，局部鏈接結(jié)構(gòu)等，自重放大至45kg 臂架伸縮油缸最大受力為：4.2Kn(較小) 伸出速度約0.31m/s 油缸行程為1.5m 所以選用mm的DG型車輛用缸，油缸自重約50kg 由流量速度面積之間的關(guān)系，，根據(jù)D=63mm的DG型車輛用缸面積參數(shù)，使用差動連接，得:流量Q=17.9L/min 對伸出臂進行剛度分析： 對基本臂進行強度分析： 慣性矩： 抗彎截面模量： 截面所受靜力產(chǎn)生的彎矩： 其中：Q為伸出臂傳遞過來的載荷，Q=4.75Kn L為基本臂末端到固定于基本臂轉(zhuǎn)動銷軸之間的距離：L=2.5m m為伸出臂自重， 則，伸出臂上彎曲應(yīng)力為： 應(yīng)用迭代法解的值，當(dāng)=6mm時=62MP<<254.5MP 強度滿足要求 基本臂自重m=76kg,考慮到局部補強接頭，銷軸，局部鏈接結(jié)構(gòu)等，自重放大至90kg 拖鏈及支撐，油管等自重約60kg 對變幅的擺動油缸機構(gòu)分析： 對基本臂進行剛度分析： 對折疊臂進行受力分析： 折疊臂的結(jié)構(gòu)形式和副臂架形式非常相似，故，在此依舊只進行簡單的受力分析。