高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 目 录 第一章 绪 论 . 4 . 4 . 5 作机构 . 5 属结构 . 5 力装置 . 6 制系统 . 6 . 6 . 6 . 7 业车作业状态主要技术参数 . 8 题的提出 . 8 课题所要研究的具体任务 . 9 课题研究的意义 . 9 第二章 高空作业车的结构设计 . 10 料的选择 . 10 算上、下臂的长度 . 11 定油缸铰点的位置 . 12 定上臂油缸铰点的位置 . 12 定下臂油缸铰点的位置 . 13 臂截面尺寸的确定 . 13 上臂进行受力分析 . 13 算上臂截面尺寸 . 14 上臂进行强度效核 . 16 臂截面尺寸的确定 . 18 下臂进行受力分析 . 18 算下臂的截面尺寸 . 21 下臂进行正应力效核 . 22 第三章 高空作业臂有限元分析 . 25 述 . 25 荷条件及分析工况说明 . 26 荷条件 . 26 析工况 . 26 臂的有限元分析 . 27 . 27 限元分析 . 28 臂的有限元分析 . 32 . 32 限元分析 . 32 第四章 总 结 . 37 致 谢 . 38 参考文献 . 39 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 高空作业车工作臂结构设计及有限元分析 摘 要 ： 高空 作业车是用来运送工作人员和工作装备到指定高度进行作业的特种车辆。本文主要以“ 上、下 臂结构为研究对象，对 上、下 臂进行结构设计和文主要阐述了根据高空作业 车 的 最大作业高度 12米 ，在满足 作业高度的前提下，进行高空作业臂的结构设计：首先根据使用要求选择作业臂材料的类型；其次根据最大作业高度确定上、下臂的长度 ；再经过受力分析利用强度来 确定 臂的截面尺寸及油缸的铰接位置； 再进行强度、刚度、稳定性的校核， 查看作业臂的尺寸是否符合要求；利用 软件进行上、下臂实体建模，通过 软件的输出端口和 实体模型导入 定义工作臂的单元类型为实体单元“ 5”；其材料属性定义为：弹性模量为 的密度为 37850kg/m 。进行网格划分时，采用了 最常用的网格划分控制工具“ 中的“ ，网格划分的值越小得到的结果越好，但网格太细会占用大量的分析时间，造成资源浪费，由于上、下臂的尺寸较大， 而厚度较小 ，为提高计算效率 ，在网格划分密度时，选取值为 4。然后， 施加均布载荷和约束，进行 结构的强度和刚度分析，确定危险截面或危险点的应力分布及变形。根据有限元分析结果，找出结构设计中的不合理因素，提出改进方案，并 对改进后的结构进行有限元分析，对两种分析结果进行比较。最后 画出作业臂总装图及上 、 下臂零件图。 关键词 ： 高空作业车；结构设计；有限元分析； 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 is a to In “in of on of 6 to on of of of of of on of to to of of it of of 5; of .1 s of of a of in a of of a to of of or to to of of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 第一章 绪 论 空作业车的概况及其发展方向 高空作业车又称登高平台消防车，广泛 用于建筑、市政、电讯、机场、工厂、园林、住宅等场所，从事消防、抢险救灾、施工、安装、维护等工作。其中，供消防部门用于灭火、辅助灭火或消防救援，是最主要的一个功能。 高空作业车是用来运送工作人员和工作装备到指定高度进行作业的特种车辆，是将高空作业装置安装 在汽车底盘上组成的。高空作业装置包括高空作业臂、起重工作臂、起升机构、动力系统、液压系统、电气系统还有操纵装置等部分组成。 现在的高空作业装置具有操作平顺、工作稳定、自动调速、安全可靠等优点，大大提高了空中作业的工作效率。 高空作业车按工作臂的型式，有四种基本型式，分别为：垂直升降式、折叠臂式、伸缩臂式和混合臂式。垂直升降式高空作业车的升降机构只能在垂直方向上进行运动。它的主要特点是结构简单，承载能力强，但作业范围小，作业高度低，这种结构型式应用比较少。折叠臂式高空作业车工作臂之间的连接全部采用铰接型式，所 以国外又把它叫做铰接式高空作业车。折叠臂高空作业车结构适合于较低作业高度的车型，如要加大作业高度，必然要增加臂长或增加工作臂数量，增加臂长会使作业车体积庞大，降低灵活性；增加工作臂数量会造成操作繁琐，安全性降低。伸缩臂式的高空作业车在行驶状态时，工作臂缩回套叠，工作时伸出，可以有效增大作业高度，同时具有工作效率高、操作简单、动作平稳等特点。混合臂式高空作业车工作臂之间既有铰接，也有伸缩，是折叠臂式和伸缩臂式高空作业车的结合，它综合了两种结构型式的优点，工作性能最好，但结构也最为复杂。 高空作业车是利用汽车底 盘作为行走机构，具有汽车的行驶通过性能，机动灵活，行驶速度高，可快速转移，转移到作业场地后能迅速投入工作，因此被越来越多的应用在工程建设、工业安装、设备检修、物业管理、航空、船舶、石化、电力、影视、市政、园林等许多行业，是近几年来国内发展最快的专用汽车产品之一。高空作业车是 高空作业机械是在工程起重机械基础上发展起来的 ， 高作业设备广泛应用在建筑、消防等行业。随着高空作业车作业高度越来越高，振动所导致的大幅度摆动，严重的影响了定位的准确性，降低了工作效率，加之高空摆动给人的安全感极差，也降低了设备的宜人性，间接 的影响了工作效率。因此对高空作业车进行动力研究，有重要意义。 目前国内生产的高空作业车几乎全部是折叠臂型式的，有更大的市场需求 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 空作业车组成 高空作业车正常进行作业，需要工作机构、金属结构、动力装置与控制系统四部分。这四个部分的组成及其作用分述如下： 作机构 工作机构是为实现高空作业车不同的运动要求而设置的。高空作业车一般设有变幅机构、回转机构、平衡机构和行走机构。依靠变幅机构和回转机构实现载人工作斗在两个水平和垂直方向的移动；依靠平衡机构实现工作斗和水平面之间的夹角保持不变，依靠行 走机构实现转移工作场所。 高空作业车变幅是指改变工作斗到回转中心轴线之间的距离，这个距离称为幅度。变幅机构扩大了高空车的作业范围，由垂直上下的直线作业范围扩大为一个面的作业范围。高空作业车变幅机构一般采用液压油缸变幅。高空作业车的一部分（一般指上车部分或回转部分）相对于另一部分（一般指下车部分或非回转部分）做相对的旋转运动称为回转。为实现高空作业车的回转运动而设置的机构称为回转机构。它是由液压马达经减速器将动力传递到回转小齿轮上，小齿轮既作自转又作沿着固定在底架上的回转支承大齿圈公转，从而带动整个上车部分回 转。有了回转运动，从而使高空作业车从面作业范围又扩大为一定空间的作业范围。高空作业车在工作臂起伏时，工作斗与水平面夹角必须保持相对稳定，才能保证工作人员正常工作。平衡机构就是为了实现这一功能。对于伸缩臂或混合臂型式的高空作业车，通常有自重平衡、液压伺服缸平衡、电液平衡几种方式。 高空作业车的行走机构就是通用或专用汽车底盘。 属结构 工作臂、回转平台、副车架（车架大梁，门架、支腿等）金属结构是高空作业车的重要组成部分。高空作业车的各工作机构的零部件都是安装或支承在这些金属结构上的。金属结构是高空 作业车的骨架。它承受高空作业车的自重以及作业时的各种外载荷。组成高空作业车金属结构的构件较多，其重量通常占整机重量的一半以 上，耗钢量大。因此，高空作业车金属结构的合理设计，对减轻高空作业车自重，提高作业性能，节约钢材，提高高空车的可靠性都有重要意义。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 力装置 动力装置是高空作业车的动力源。由于高空作业车采用汽车底盘作为行走机构，通常不再另外设置动力源，而是直接采用汽车底盘发动机作为整车的动力源。高空作业装置需要的功率不大，一般约 10载重汽车底盘发动机的功率根据载重量不同从 50直到 150上，且高空作业装置工作时不允许底盘行驶，因此底盘发动机的动力足以保证高空作业装置工作。因为高空作业装置需要功率不大，通常高空作业车采用变速箱取力方式，通过安装在底盘变速箱侧面的取力器取出发动机的动力，并驱动液压油泵向高空作业装置供油。取力系统中还设置控制装置，在底盘行驶时，取力器没有输出，液压油泵不工作，需要进行高空作业时，取力器输出，油泵工作。 制系统 高空作业车控制系统是解决各机构怎样运动的问题。如动力传递的方向，各机构运动速度的快慢，以及使机构启动停止等。控制 系统包括操纵装置、执行元件和安全装置。当今的高空作业车全部采用电气液压操纵，因此控制装置包括各种液压操作阀，电控装置等，以实现机构的起动、调速、换向、制动和停止。执行元件包括变幅用的液压油缸、回转马达、油泵等，用来推动结构件实现动作。安全装置包括各种传感器、行程开关、报警器、液压锁止阀，用来检测危险工况，保证工作安全。 高空作业车的概况 系列高空作业车采用折叠式工作臂结构 ,工作装置为液压驱动 ,360 全回转 。除高空作业机构外 ,一 机多用。 高空作业车是以反复短暂循环的方式完成货物装卸或设备安装作业车的 。一个工作循环包括 :取货 、 货物上升 、 水平运下降 、 卸载 ,然后空吊具返回原地。 高空作业车主要由高空作业臂、起重工作臂、工作平台、 回转机构 、起升机构、动力系统、液压系统、电气系统等八部分组成。（ 整车外形图如图 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 图 1外形图 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叠式工作臂结构，工作装置为液压驱动 ， 三百六十度 全回转。除高空作业外，还设有起重装置，一机多用。工作臂为 2节折叠臂。具有操作简便，稳定性好等特 点。其组成由高空作业臂和起重工作臂两部分，如图 1 所示。高空作业 臂包括上臂 2和下臂 1，上臂头部有工作平台 6。行驶状态时， 2 节工作臂折叠在一起；进行高空作业时，2 节工作臂分别由上下臂油缸 4 举升伸展至一定角度。上臂和下臂间通过水平销轴铰接。起重工作臂由基本臂 1和伸缩臂 3组 成。高空作业时下臂兼做起重基本臂。伸缩臂由伸缩臂油缸 5控制，不工作时伸缩臂回缩至基本臂内部；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。 伸 缩臂根部通过销轴与升缩臂油缸铰接， 伸 缩臂和基本臂间有滑块，以保证伸缩臂能平稳运动。伸缩臂与油缸、基本臂根部和回转平台 也通过 水平销轴铰接。（如图 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 图 1业臂示意图 1基本臂 (下臂 ) 2上臂 3伸缩臂 4上臂油缸 6工作平台 业车作业状态主要技术参数 作业车的技术参数如下表所示： 表 1项 目 单位 数据 平台额定载荷 00 平台最大作业高度 m 12 平台最大作业高度时作业幅度 m 台最大作业幅度 m 台最大作业幅度时作业高度 m 转速度 r/臂变幅时间 s 40 上臂变幅时间 s 40 伸缩臂全伸时间 s 30 题的提出 本课题以徐州海伦哲工程机械有限公司研制开发 “ 为研究对象，对该车上的重要结构 该型作业车的作业臂有上买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 臂、下臂组成，下臂与回转转台铰接，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。传统的力学方法设计是：根据高空作业的需要，在满足升降高度的前提下，进行强度、刚度、稳定性的校核，确定截面尺寸。为保证安全，设计过程中安全系数较大，造成质量偏大，成本增加等问题。在车辆在行驶过程中，由于臂重较大，产生多起车架断裂现象。由于 伸 降臂在作业时位于十几米甚至几十米的高空，事关人身安全，因此需要有一种较准确的设计计算方法，既能满足设计要求，又能减轻臂重，降低成本。 本研究课题，将以 高空作业车 伸 降臂结构为对象，根据作业高度及作业范围进行结构设计，然后在 获得最优的设计结果。 课题所要研究的具体任务 本课题主要研究工作如下： 1、 进行大量的调查研究，收集整报资料，根据作业车的工作特点和受载状况，制定作业臂设计方案。 2、 根据受载状况，作业范围等原始数据对作业臂进行结构设计，作业臂由上臂、下臂和升降油缸等组成，设计中要确定上、下臂的长度，油缸铰点位置，作业臂截面尺寸等主要参数。 3、 在 中对 上、下臂 建立三维模型，然后导入有限元分析软件件中， 选择 定材料属性，划分网格，施 加 载荷和约束，进行结构强度和刚度分析，确定危险截面或危险点的应力分布及变形。 4、 根据有限元分析结果，找出结构设计中的不合理因素，提出改进方案，并对改进后的结构进行有限元分析，对两种分析结果进行比较。画出作业臂总装图及上下臂零件图。 5、 在上述分析研究的基础上进行总结，得出 上、下臂 在结构设计、有限元模型的建立、铰点位置的确定、单元类型选择等方面的可靠数据，为同类型产品的结构设计和改造提供了科学的理论依据。 课题研究的意义 通过本课题的研究，掌握 计理论和分析方法， 掌握在 从而达到优化结构、减轻自重、提高可靠性的目的，为研制 作臂的高空作业车奠 定基础。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 第二章 高空作业车的结构设计 料的选择 金属结构是指由扎 制的型钢和钢板作为基本元件，按照一定的结构组成规则用栓接、铆接 或焊接的方法连接起来，用于承受 一定 的载荷。为保证 高空作业车 能在工作环境恶劣、载荷变化复杂、不允许产生塑性变 形和人为的不文明操作等因素下能安全、可靠地工作对其金属结构规定 如下计算原则： 1）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 2）结构计算应采用许用应力法。 3）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）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 般可不进行此项计算。 第 第 类 强度和稳定性的验算。 5）对三类载荷情况分别规定了不同的许用应力 8 。 表 2用应力计算公式 载荷组合种类 安全系数 拉伸、压缩、弯曲、许用应力 剪切许用应力 组合 I =3 = 组合 II =3 =组合 =3 =注：表中屈服点 s 应按选取的钢材厚度取不同的值 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 由此 确定 作业臂的 材料 17 ： 根据选材原则及规定：主要选用 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=4屈服强度是 : =235根据 工作时的最大的载荷进行强度和稳定性计算 进行疲劳强度、强度和稳定性计算。 所以由表 1 =235M a 许用正应力是：= 1 7 6 . 6 9235 3 3许 用切应力是：3 = = 1 0 2 . 11 7 6 算上、下臂的长度 如图 2示作业 臂 的 仰角是指上臂与水平线之间的夹角用字母 来表示，它可从 0到 80，为便于对吊臂端部进行操作，仰角 可为 业臂实际作业时 通常在 30 75范围内。设计时仰角取 75，在图 275， 075，起升高度 2。 上臂： B 下臂： C 则由三角关系有： 2 即 : (2) 2 2=12/1+1)式 由于上臂的头部有工作台，所以在上臂头部应留有一定的余量装工作平台， 故 上臂长必须大于下臂长即： 22)式 由 (1)式和 (2)式可以取上臂 下臂 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 图 2定油缸铰点的位置 臂油缸。 图 2 确定上臂油缸铰点的位置 取 0000文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 则由三角关系可得 : 2 2 2 02 c o s 1 5 0E F B E B F B E B F 2 2 2 04 0 0 8 0 0 2 4 0 0 8 0 0 c o s 1 5 0 1160EF 定下臂油缸铰点的位置 取 0000075 由三角关系可得 : 2 2 2 05 0 0 7 0 0 2 5 0 0 7 0 0 c o s 7 5 750 臂截面尺寸的确定 上臂进行受力分析 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臂弯距图 可列公式 : 则 : 2F 400=5900 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 由 F=0可得 : 1F +F=1=上图所示的弯矩图 :则可得最大弯矩是 梁所需的截面系数， / = 531 1 . 5 6 . 6 . 5 1 01 7 6 . 6 9K N m a 再将求出来的 梁所需的截面系数 2）式 算上臂截面尺寸 （ 1） 8上 臂 梁 高 h 的 确 定 图 2的截面图 按强度条件： 03)式 式中 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 、 0 计 时 钢板的厚度一样 =0 =4 =0 则上式可简化为 : 4)式 因此把计算所得的截面系数 536 0 和 4 10 m 可得 上臂高 350 . 6 6 . 5 1 0 1004 1 0 （ 2） 8上 臂 梁 宽 b 的 确 定 图 2臂的截面结构图 如图所示： =4 : 1 2 1 0 0 8 9 2h h m m 按整体稳定性条件 : 13局部稳定条件 : 60b 即 : 1 603 1 1 0 0 6 0 43 m m b m m 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 3 3 2 4 0m m b m m 则 取 : 130b 由图可得 : 1 2 1 3 0 8 1 3 8b b m m 上臂进行强度效核 上臂梁的尺寸确定后应对其进行强度、钢度和整体稳定性 效核 ,不满足时应进行修改。 40正 应 力 效 核 静强度效核公式：正应力 )式 N） 2m ） 切应力 28 )式 N） m) 轴的惯性矩 ( 4m ) 图 2臂剪力图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 在截面 11 7）式 梁的截面积是 : 11A hb h b 3 210 m 则 : 331 2 1 . 4 9 1 01 1 1 . 9 3 1 . 8 1 0F M P 在截面 2 8）式 则 : 331 . 9 6 1 02 1 . 0 5 1 . 8 1 0F M P 在截面 2118 )式 计算 z: 图 2臂的惯性矩图 如图所示建立坐标系： 矩形对 312惯性矩： 12z 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 所以此题的惯性矩为： 33 541 1 3 8 1 0 01 1 . 1 5 1 01 2 1 2z m 33 541 1 3 0 9 22 0 . 8 4 1 01 2 1 2z m 5 5 5 41 2 1 . 1 5 1 0 0 . 8 4 1 0 0 . 3 1 1 0I z I z I z m 把 1 3 2 N 和 540 0Iz m 切应力效核公式 : 则：切应力是 2 3 251 2 1 . 4 9 1 0 0 . 0 0 41 9 . 08 8 0 . 3 1 1 0F M P 在截面 22 28z 10)式 把 2 N 和 540 0Iz m 代入上式 则 : 切应力是 2 3 252 1 . 9 6 1 0 0 . 0 0 42 5 . 88 8 0 . 3 1 1 0F M P 所以上臂的 正应力和切应力 符合要求。 (3) 对上臂进行整体稳定性验算 箱型组合梁通常刚度很大 ,若梁的高宽之比 /3,则梁的整体稳定性不需验算。 所以 / 1 1 7 / 1 5 0 0 . 7 8 3 则不需要整体稳定性不需验算。 从以上对上臂的验算可得上臂尺寸的选 择符合要求。 臂截面尺寸的确定 下臂进行受力分析 图 2臂工作到水平位置时 ,此时 下臂受力最大，由此来计算梁的受力情况。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 图 2臂的受力图 把上图分解后计算各个力的大小力 图 2臂受力图 计算上臂的自重 板每平方米面积的理论质量 ,不同厚度的钢板 (密度为 每平方米理论质量按下列公式计算 : 2 /G S k g m 11)式 式中 G kg/m 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 以 0 . 0 0 4 7 . 8 5 6 . 3 0 . 2M G k g 所以自重是 : 0 . 2 9 . 8 1 . 9 6F G K N 由上图可得 : 0F 即 : 1 . 9 6 1 . 9 6 3 .