（机械制造及其自动化专业论文）高空作业平台上车的虚拟样机与结构分析.pdf

i l llli lli l l llli l l liil y 19 0 6 5 6 3 t h ev i r t u a lp r o t o t y p ea n ds t r u c t u r a la n a l y s i so fs u p p e rs t r u c t u r e so f a e r i a lw o r kp l a t f o r m s b y c h e nh u a b o b e ( h u n a na g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 5 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h o u z h i x i o n g a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：己0 峰泖 日期：抄t1 年f 月碑日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 日期：3 力1 1 年r 月2 年日 日期：加1 1 年厂展砷日 高空作业平台上车的虚拟样机与结构分析 摘要 高空作业平台广泛用于船舶、市政建设、消防、港口货运、建筑、物流等作 业。高空作业平台是载人高空作业机器，用于运送工作人员和使用器材到指定高 度进行作业的特种机器，其设计也较一般机器有更高的要求。因此，有必要对高 空作业平台上车的受力及结构可靠性进行分析。本文以某新型2 5 米直臂高空作业 平台上车为研究对象，分析了其工况、建立其理论模型和虚拟样机，并进行了运 动仿真分析，进而根据仿真结果对上车主要结构进行了强度和屈曲性能分析。论 文具体内容有： ( 1 )介绍了选题的背景和意义，阐述了国内外高空作业平台的发展现状和 直臂式高空作业平台上车的研究现状。 ( 2 )根据高空作业平台的作业范围，分析了上车的作业工况，建立了变幅 机构、调平机构、臂架的运动数学模型，建立了高空作业平台上车的力学模型， 并采用m a t l a b 软件计算出偏载荷时上车的理论受力。 ( 3 )采用变幅油缸和调平油缸长度间的数学关系施加驱动约束，较好地实 现了调平机构的调平功能，使得工作平台保持水平状态。建立上车的虚拟样机， 分析出了该高空作业平台臂架在各工况下的受力，并与理论计算结果进行了比较 分析。结果表明，高空作业平台上车的虚拟样机是可靠的。采用此虚拟样机，并 考虑摩擦因素后，仿真出了考虑摩擦力后的各工况臂架受力。 ( 4 )根据运动仿真结果，分析出了臂架和回转平台的恶劣工况；根据国际 标准和澳大利亚标准，计算了臂架的风载荷和回转平面的惯性载荷；在a n s y s w o r k b e n c h 环境中，建立了臂架和回转平台的有限元模型，并分析了臂架和回转 平台在恶劣工况时的强度、刚度和屈曲性能，而且根据分析结果对回转平台的结 构作了改进，以满足澳大利亚标准要求。 关键词：高空作业平台上车虚拟样机臂架回转台 硕士学位论文 a b s t r a c t a e r i a lw o r kp l a t f o r m sa r ew i d e l yu s e di ns h i p s ，m u n i c i p a lb u i l d i n g ，f i r ef i g h t i n g ， p o r t c a r g o ，c o n s t r u c t i o n ，l o g i s t i c sa n do t h e ra r e a s a na e r i a ld e v i c eo re l e v a t i n gw o r k p l a t f o r mi sam e c h a n i c a ld e v i c eu s e dt op r o v i d et e m p o r a r ya c c e s sf o rp e o p l eo r e q u i p m e n t t oi n a c c e s s i b l e a r e a s ，u s u a l l y a t h e i g h t i t s d e s i g n h a s h i g h e r r e q u i r e m e n t sf o rt h em a c h i n et h a nt h ea v e r a g e f o r c ea n a l y s i sa n ds t r u c t u r a la n a l y s i s f o rt h ea e r i a lw o r kp l a t f o r m sa r en e c e s s a r y i nt h i sp a p e r a2 5 mt e l e s c o p i cb o o m s a e r i a lw o r kp l a t f o r m s s u p e rs t r u c t u r ei st a k e na sr e s e a r c ho b j e c t w o r k i n gc o n d i t i o n s o ft h es u p e rs t r u c t u r ea r ed i s c u s s e d a n dt h e o r e t i c a lm o d e l i n ga n dv i r t u a lp r o t o t y p e b a s e do nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n so ft h es u p p e rs t r u c t u r ea r ee s t a b l i s h e d ，a n dm o t i o n s i m u l a t i o na r ed o n e a l s o ，t h es t r e n g t ha n dt h eb u l k i n go ft h es u p p e rs t r u c t u r ea r e a n a l y z e da c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o nr e s u l t s r e s e a r c h e so ft h e p a p e ra r e a s f o l l o w i n g ： ( 1 ) t h et o p i c so ft h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e sa r en t r o d u c e d a n dt h e nt h e d e v e l o p m e n to f d o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a ls t a t u so fa e r i a lw o r kp l a t f o r m si sd e s c r i b e d a l s o ，t h er e s e a r c h e so fs u p e rs t r u c t u r eo ft e l e s c o p i cb o o m sa e r i a lw o r kp l a t f o r m sa r e d i s c u s s e d ( 2 ) t h ew o r k i n gc o n d i t i o n sa t ed i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i n gr a n g eo ft h e a e r i a lw o r kp l a t f o r m m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h em o v e m e n to ft h el u f f i n gm e c h a n i s m ， t h el e v e l i n gm e c h a n i s ma n dt h eb o o ma r ee s t a b l i s h e d a n dt h e n ，u s i n gm a t l a b s o f t w a r e ，t h et h e o r e t i c a lf o r c e sb o r nb yb o o ma r ec a l c u l a t e do nt h es i d er a t e dl o a d c o n d i t i o n ( 3 ) i d e a sa r ea p p l i e dt oi m p o s ed r i v e rc o n s t r a i n so fl e v e l i n gc y l i n d e rb yu s i n g t h em a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el e n g t ho f l u f f i n gc y l i n d e ra n dt h el e n g t ho f l e v e l i n gc y l i n d e r a n di ti sr e c e i v e dg o o dp e r f o r m a n c e st oa c h i e v et h ef u n c t i o no f l e v e l i n gm e c h a n i s mt ok e e pt h ew o r kp l a t f o r mh o r i z o n t a l a n dt h e nt h ev i r t u a l p r o t o t y p eo ft h es u p p e rs t r u c t u r e so ft h ea e r i a lw o r kp l a t f o r m si se s t a b l i s h e d t h e f o r c e sb o r nb yt h eb o o mo nt h ew o r k i n gc o n d i t i o na r es i m u l a t e da n dc o m p a r e db yt h e t h e o r e t i c a lf o r c e t h ec o m p a r a t i v er e s u l t ss h o wt h a tt h ev i r t u a lp r o t o t y p ei sr e l i a b l e t h e nu s i n gt h ev i r t u a lp r o t o t y p e g a i nt h ef o r c e sb o r nb yb o o mo nt h ew o r k i n g c o n d i t i o n sw h e nt h ef r i c t i o nf a c t o ri st a k e ni n t o ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，h a r s hw o r k i n gc o n d i t i o n sa r ed i s c u s s e d i i i t h ew i n dl o a da n di n e r t i a l f o r c e si nt h e s l e w i n gp l a n es u f f e r e db yt h es u p p e r s t r u c t u r e sa r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt oi s os t a n d a r d sa n da u s t r a l i as t a n d a r d s i nt h e a n s y sw o r k b e n c he n v i r o n m e n t ，f e mm o d e l so ft h eb o o ma n dt h es l e w i n gp l a t f o r m a r ee s t a b l i s h e d t h e nt h es t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n db u l k i n gp e r f o r m a n c e sa r ea n a l y z e d a l s ot h es t r u c t u r eo f s l e w i n gp l a t f o r mi si m p r o v e dt om e e tt h ea u s t r a l i as t a n d a r d s k e y w o r d s ：a e r i a lw o r kp l a t f o r m s ；s u p p e rs t r u c t u r e s ；v i r t u a lp r o t o t y p e ；t e l e s c o p i c b o o m ；s l e w i n gp l a t f o r m 硕十学位论文 目录 学位论文原创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i 附表索引i x 第一章绪论l 1 1 研究背景与意义2 1 2 国内外高空作业平台发展现状2 1 3 高空作业平台结构设计相关技术现状6 1 3 1 高空作业平台虚拟样机的研究现状6 1 3 2 高空作业平台结构设计的有限元技术应用现状7 1 3 3 高空作业平台结构设计其它技术现状7 1 4 课题来源与研究内容一8 1 4 1 课题来源8 1 4 2 课题的研究内容8 1 5 本章小结9 第二章虚拟样机技术和有限元法1 0 2 1 虚拟样机技术1 0 2 1 1 虚拟样机技术和a d a m s 简介1 0 2 1 2a d a m s 的分析方法1 l 2 1 3 机械系统的自由度1 6 2 2 有限元法18 2 2 1 有限元法的概念及在机械工程中的应用1 8 2 2 2 有限元法的计算思路和步骤1 9 2 2 3 有限元建模过程中的关键技术2 0 2 3 本章小结2l 第三章高空作业平台上车的理论模型2 2 3 1 直臂高空作业平台上车的主要结构及工作原理2 2 3 2 高空作业平台上车工况分析2 3 3 3 高空作业平台上车的运动数学模型2 5 3 2 1 变幅机构的运动数学模型2 5 3 2 2 调平机构的运动数学模型2 6 3 2 3 臂架的运动数学函数2 8 v 高空作业平台上车的虚拟样机与结构分析 3 4 高空作业平台上车的力学模型3 0 3 3 1 高空作业平台的载荷3 0 3 3 2 高空作业平台上车的力学模型3 2 3 5 理论模型计算结果3 5 3 6 本章小结4 l 第四章高空作业平台上车的虚拟样机4 2 4 1 物理建模4 2 4 1 1 施加运动副4 2 4 1 2 施加驱动约束4 3 4 1 3 施加载荷：4 4 4 1 4 仿真设置：。4 4 4 2 仿真结果分析及讨论4 4 4 3 考虑摩擦因素后的仿真结果5 7 4 4 本章小结6 0 第五章高空作业平台上车结构分析6 1 5 1 臂架恶劣工况分析6 1 5 2 回转平面内的风载荷和惯性载荷。6 1 5 2 1 臂架风载荷和惯性载荷6 l 5 2 2 工作平台风载荷和惯性载荷计算6 3 5 2 3 工作人员风载荷和惯性载荷计算6 5 5 2 4 工具的风载荷和惯性载荷计算：6 6 5 3 臂架的结构分析6 6 5 3 1 臂架有限元模型6 6 5 3 2 臂架强度分析6 8 5 3 3 臂架刚度分析7 0 5 3 4 臂架屈曲分析7 1 5 4 回转平台的结构分析7 1 5 4 1 回转平台有限元模型7 1 5 4 2 回转平台的强度分析7 2 5 4 3 回转平台的屈曲分析7 5 5 5 本章小结7 5 结论与展望7 6 参考文献7 8 致谢8 2 附录a ( 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录) 8 3 v l 硕士学位论文 插图索引 图1 1 高空作业平台的分类1 图1 2 美国g e n i e 公司的履带式高空作业平台3 图1 3 美国u p r i g h t 公司的蜘蛛式高空作业平台。3 图1 4 美国g e n i e 公司的z t m 1 3 5 7 0 型高空作业平台。8 图3 1 直臂式高空作业平台上车主要结构2 2 图3 22 5 米高空作业平台作业范围图2 4 图3 3 上车运动分析工况2 4 图3 4 臂架仰角与变幅油缸长度之间的关系图2 5 图3 5 变幅油缸与水平线的角度2 6 图3 6 调平油缸与变幅油缸间的长度关系图2 7 图3 7 调平油缸与水平线的角度2 8 图3 8 臂架上某点的位置运动规律2 9 图3 9 工作人员在工作平台中的位置3 1 图3 1 0 工具在工作平台中的位置3 l 图3 1 l 额定载荷偏载分布时工作台受力3 2 图3 1 2 臂架系统受力3 3 图3 1 3 臂架同步伸缩示意图一3 4 图3 1 4 第二节臂视为悬臂梁时的受力图一3 5 图3 1 5 额定载荷偏载时变幅油缸的推力3 5 图3 1 6 额定载荷偏载时臂架根部受力3 6 图3 1 7 额定载荷偏载时臂架根部受的弯矩3 7 图3 1 8 额定载荷偏载时臂架端部受力3 8 图3 1 9 额定载荷偏载时臂架端部受的弯矩3 8 图3 2 0 额定载荷偏载时调平油缸的推力3 9 图3 2 l 额定载荷偏载时钢丝绳受力4 0 图4 1 某2 5 米直臂型高空作业平台上车的物理建模。4 2 图4 2 浮动铰链4 3 图4 3 变幅油缸推力4 5 图4 4 臂架根部受力4 6 图4 5 臂架根部所受弯矩一4 7 图4 6 调平油缸推力4 7 v l i 高空作业平台上车的虚拟样机与结构分析 图4 7 臂架端部受力4 8 图4 8 臂架端部受弯矩4 9 图4 9 钢丝绳受力5 0 图4 1 0 臂架根部受力结果对比5 l 图4 1 1 臂架根部受弯矩结果对比5 2 图4 1 2 变幅油缸推力结果对比5 3 图4 1 3 调平油缸推力结果对比5 4 图4 1 4 臂架端部受力结果对比5 5 图4 1 5 钢丝绳受力结果对比5 6 图4 1 6 额定载荷偏载时伸出钢丝绳受力5 8 图4 1 7 额定载荷偏载时回拉钢丝绳受力5 8 图4 1 8 额定载荷偏载时伸缩油缸受力。5 9 图5 1 计算风载荷时臂架结构示意图6 2 图5 2 空气动力细长比和截面率6 2 图5 3 实体比率和间隔比率6 4 图5 4 臂架有限元模型：6 8 图5 5 工况1 时臂架受力6 9 图5 6 工况2 时臂架受力6 9 图5 7 工况1 时臂架的应力分布图一6 9 图5 8 工况2 时臂架的应力分布图j 7 0 图5 9 工况2 时臂架竖直方向静变形r 7 0 图5 1 0 工况2 时臂架横向静变形一7 l 图5 1 l 回转平台有限元模型7 2 图5 1 2 工况l 时回转平台受力7 2 图5 1 3 工况1 时回转平台应力分布图7 3 图5 1 4 工况1 时回转平台应力分布图( 第一次改进后) 7 3 图5 1 5 工况l 时回转平台应力图( 第二次改进后) 7 4 图5 1 6 工况2 时回转平台受力图7 4 图5 1 7 工况2 时回转平台应力分布图7 4 v i i i 硕士学位论文 附表索引 表3 1 计算关键点初始坐标2 9 表3 2 计算关键点的位移函数3 0 表3 3 额定载荷偏载时变幅油缸推力3 6 表3 4 额定载荷偏载时臂架根部铰点受力。3 7 表3 5 额定载荷偏载时臂架端部受力3 8 表3 6 额定载荷偏载时调平油缸推力3 9 表3 7 额定载荷偏载时钢丝绳受力4 1 表4 1 变幅油缸推力仿真结果4 5 表4 2 臂架根部铰点受力仿真结果4 6 表4 3 调平油缸推力仿真结果4 8 表4 4 臂架端部受力仿真结果4 9 表4 5 钢丝绳受力仿真结果5 1 表4 6 臂架根部仿真结果相对误差。5 2 表4 7 变幅油缸推力仿真结果相对误差5 3 表4 8 调平油缸推力仿真结果相对误差5 4 表4 9 臂架端部仿真结果相对误差5 5 表4 1 0 钢丝绳仿真结果相对误差5 6 表4 1 l 考虑摩擦因素后钢丝绳受力仿真结果_ 5 8 表4 1 2 考虑摩擦因素后伸缩油缸受力6 0 表5 1 臂架恶劣工况6l 表5 2 风力系数6 3 表5 3 风载荷折减系数6 4 表5 4 材料属性表一6 7 表5 5 恶劣工况时臂架受力6 8 表5 6 恶劣工况时回转台受力7 2 第一章绪论 高空作业平台是服务于各行业高空作业、设备安装、检修等可移动性高空作 业产品，用于运送工作人员和使用器材到指定高度进行作业的特种车辆。高空作 业平台具有降低工人劳动强度、工作效率高、安全可靠、节省劳动力和费用等优 点。高空作业平台的主要装置包括：工作臂、工作平台、回转台、液压系统、操 作装置等。高空作业平台的分类有多种方式。按工作机构的结构形式可以分为伸 缩臂式、折叠臂式、垂直升降式、混合式，如图1 1 所示；按整机运载方式可以 分为车载式、自行式和牵引式。本论文的研究对象为某型2 5 米自行式伸缩臂高空 作业平台。 a ) 伸缩臂式b ) 折叠臂式 c ) 垂直升降式d ) 混合式 图1 1 高空作业平台的分类 高空作业平台上车的虚拟样机与结构分析 1 1 研究背景与意义 随着我国经济建设的快速发展，市场对高空作业平台的作业范围、起升高度、 载重量、整机尺寸、整机自重等提出更高的要求。为了满足市场需求，对于伸缩 臂式高空作业平台而言，研究伸缩臂和回转平台是十分必要的。由于高空作业平 台的需要在各种复杂的工况下工作，伸缩臂和回转平台受力组合也比较多，除了 自重外，还受到液压缸的推力、风载荷、惯性载荷和工作平台上人员设备载荷等。 在如此复杂的工况下，臂架的强度、刚度和屈曲性能等就成为首要关心的问题， 而且回转台能否满足强度、刚度和屈曲性能也不可忽视。 另外，高空作业平台是载人作业的装备，如果高空作业平台的强度、刚度、 屈曲等性能不够，会造成严重的后果1 1 , 2 1 。因此对其的安全可靠性也提出较高的要 求。用传统的计算方法计算臂架和回转平台的强度、刚度、屈曲性能等，已无法 满足臂架和回转平台设计的要求。有必要引入现代设计计算方法，设计高空作业 平台的臂架和回转平台的结构，以提高设计计算与实际情况的符合程度，提高预 测对象工作能力的准确性。 本文采用虚拟样机技术，分析上车在各工况下的受力，并采用有限单元方法 分析在可能恶劣的工况下臂架和回转平台的应力分布、变形、屈曲等，然后进行 适当的改进。伸缩臂式高空作业平台上车的核心环节就是伸缩臂和回转平台。这 些关键组成部分的结构设计得是否合理，直接影响着高空作业平台的承载能力、 整机稳定性和整机自重。因此，设计出合理的伸缩臂和回转平台有着非常重要的 意义。 1 2 国内外高空作业平台发展现状 欧美等发达国家和地区，高空作业机械发展起步较早，从2 0 世纪2 0 年代就 开始研制，已有近百年的发展历史。在发达国家高空作业机械行业已形成一个非 常大的行业，并成立了国际标准化组织( t c 2 1 4 ) ，其高空作业机械品种规格繁多、 技术水平高、作业高度大、规格齐全、结构型式丰富、功能多样。如图1 2 和图 1 3 所示分别为美国g e n i e 公司的履带式高空作业平台和美国u p r i g h t 公司的蜘蛛 式高空作业平台。 硕士学位论文 图1 2 美国g e n i e 公司的履带式高空作业平台 图1 3 美国u p r i g h t 公司的蜘蛛式高空作业平台 总体上看，发达国家的技术和市场均已很成熟，高空作业机械使用率也非常 高，市场前景很大。在发达的工业国家，发展出一批专门的高空作业机械公司和 集团主营或兼营高空作业机械，比如美国j l g 公司、日本多田野、日本爱知株式 会社、美国特雷克斯高空作业平台部、芬兰b r o n t os k y l i f t 公司、法国h a u l o t t e ( 皓乐) 公司、法国m e d i a c o 公司、加拿大s k y j a c k 公司等。典型产品具有高 空作业、抢险、救援、消防等功能，作业平台最大载荷可达5 0 0 k g 。最大作业高 度已经超过1 0 0 m ，具有各种安全保护措施，适应在各种场地作业。如m e d i a c o 高空作业平台上车的虚拟样机与结构分析 公司生产的车载式高空作业平台最大起伸高度达到了1 0 2 5 米【3 1 。发达国家和地 区的产品主要特点有1 4 j ： ( 1 ) 采用高强度材料和轻质金属材料 工作臂结构设计合理，选用高强度的特殊合金材料，因而工作臂截面小。一 些非受力件或受力较小的件采用铝合金轻质材料。有效地降低了整车质量，提高 了底盘的使用性能。相同作业高度的国外高空作业车与国内产品相比，显得轻盈 小巧。 ( 2 ) 控制系统普遍智能化 国外高水平的高空作业车大量采用比例控制，对各种动作均有检测系统，可 以进行不同程度的自动控制，可根据实际情况不断自动变速和调压。在工作臂达 到极限点前自动减速，到达极限位置自动停止；根据支腿跨距变化自动确定工作 范围等。另外其控制系统集成化程度高，所有动作均通过2 - 3 个操纵杆( 手柄) 进行操作，大大简化了操作程序，降低了劳动强度，提高了安全性和可靠性。 ( 3 ) 安全装置齐全 国外高空作业车尤其是作业高度较高的高空作业车，对安全性非常重视，设 置了各种安全装置。这些装置包括：支腿压力控制系统，确保每个支腿的支承力 达到安全值后，才能对上车进行操作，支腿状况与上车动作互锁：工作臂极限位 置限位；工作平台过载保护：高电压报警系统，当平台接近危险电压电源时，自 动实施报警，以提醒工作人员注意。这些安全装置的设置，极大地保证了操作人 员的安全。 ( 4 ) 做工精良 国外高空作业车制造工艺水平普遍高于国内车型，表现在为金属表面处理后 喷涂质量高，同时基础件质量也高，早期故障率低。 高空作业平台广泛用于船舶、市政建设、消防、港口货运、建筑、物流等作 业，有着广泛的发展前景。随着国内经济的不断增长，人民生活水平的不断提高， 对安全和劳动条件的要求越来越高，对高空作业机械的需求必将越来越大。仅中 国造船行业在2 0 0 9 年约需6 0 0 7 0 0 台臂架式高空作业平台，价值约6 0 亿人民币。 随着中国政府造船业、装备制造业振兴规划的实施，国家科技部“钢结构安装无 脚手架施工装备技术与产业化开发 十一五科技支撑计划的启动，我国高空作业 机械行业必将迎来新的高速发展期【5 1 。另外，我国高空作业平台的标准化工作正 在逐步同国际升降平台的标准接轨。积极采用国际标准和国外先进标准，不但能 引领我国高空作业机械产品质量的提高，而且将大大推动我国高空作业机械产品 走向国际市场【6 j 。 我国高空作业机械的生产于2 0 世纪7 0 年代末开始起步，发展较快。尤其是 近几年来可以说是一个飞跃。这不仅仅是从量的飞跃，更多的是质的飞跃。从前 4 硕士学位论文 的制造商数量并不少，但大部分是规模小，产品简单，产能低的企业。在2 0 0 8 年上海宝马( b a u m a ) 展上，中国制造商让世界刮目相看。北京京城重工、湖南 运想重工、湖南星邦重工的自行臂架式高空作业平台高度都达到或超过3 0 m 左右 1 5 】。2 0 0 8 年高空作业平台全球制造商2 0 强排行榜中，中国企业广州京龙名列第 1 3 位【7 1 。 国内高空作业平台行业近年来的发展比较好，其体现如下【8 ，9 】： ( 1 ) 产品性能有了较大的提高，通过学习、引进和消化国外先进技术，开发 了许多新的产品； ( 2 ) 产品种类和数量不断增加，各种规格的新产品增加较快，为船舶、建筑、 高空消防等作业提供了多种类型、多种结构的高空作业平台； ( 3 ) 市场份额进一步扩大，一些企业利用自身的优势，在原有产品的基础上 增加新产品的开发力度，使市场份额进一步扩大，有些企业的产品甚至走出国门， 出口到欧洲、中东和东南亚； ( 4 ) 新产品开发推动行业技术进步，国内机械行业、汽车起重机行业的一些 大中型企业，利用自己技术优势和设备优势纷纷开发了许多本行业产品，这些产 品的开发推动了高空作业机械行业技术的进步。 虽然，我国高空作业平台有了较快的发展，但是目前国内的高空作业平台产 品主要集中在车载式、剪叉式、牵引式。自行履带式高空作业平台目前在国内还 是空白。自行轮载式平台也只有少数厂家在生产，并且存在产品种类少、臂型结 构单一、起升高度低、适应场地能力差等不足之处，因此在功能上与国外先进产 品相比还有较大的差距，其主要表现为【4 lo 】： ( 1 ) 作业高度小、结构庞大 我国大高度高空作业车最大作业高度仅达3 5 m ，而发达国家已达l o o m 以上， 主要原因是在设计、工艺、材料等多方面存在较大差距。发达国家的高空作业车 已经很少能见到折叠臂架，基本以伸缩臂架、折叠加伸缩臂架等结构为主。从而 实现了轻量化和外形尺寸小型化( 相同作业高度比较) 。而我国折叠臂架仍是主流 产品，约占8 0 。 ( 2 ) 自动化技术和电子控制技术滞后 发达国家的高空作业车产品已经普遍采用计算机、信息技术等，不仅运动精 度和稳定性高，可实现各种安全信息的实时监控，同时作业平台可以实现垂直升 降、水平、垂直平面运动和跨越障碍等功能。 ( 3 ) 安全性差距大 由于是载人高空作业，高空作业车的安全性是其最重要的技术性能，这方面 我国产品的差距最为突出。从有关报道看几乎每年我国都有因臂架断裂，平台 倾斜坠落等原因，发生车毁人亡的重大安全事故。而发达国家的高空作业车具有 s 高空作业平台上车的虚拟样机与结构分析 各种安全保护措施，如自动限制幅度、高度、载荷和角度，实时检测控制平台位 置、支腿支承稳定性和可能的障碍物等，即使误操作，控制系统也能够根据优先 级的设置实现限动、报警等安全功能。 ( 4 ) 应用不广泛 高空作业车在国外已广泛应用到几乎所有高空作业场所，在产品的结构型式、 控制方式，移动方式等方面已非常成熟。我国尚处于初级阶段，目前仅在电力、 国防、市政、通讯、园林、交通、造船、消防等行业使用，在电力、市政等少数 公用行业普及使用。即使如此，配置率仍处于较低水平。 如今高空作业平台发展的共同趋势是，在增加作业高度、优化底盘结构、采 用先进行走方式、应用现代控制技术等方面下功夫，提升产品档次。涉及到的新 技术主要有：高强度材料应用及其加工技术；恶劣环境下使用的可靠性技术；绿 色、低碳等环保技术；基于信息化、智能化安全监控的电子控制技术 1 0 l 。 因此，在开发研制新产品的过程中，企业应组织技术力量进行科技攻关，了 解运用最新设计理念，掌握先进的设计方法，针对不同的市场需求，研发出适应 市场需要的高空作业平台。 1 3 高空作业平台结构设计相关技术现状 直臂式高空作业平台上车的主要结构组成部分是伸缩臂和回转台。高空作业 平台结构设计得是否合理，直接影响着高空作业平台的承载能力、整机稳定性和 整机可靠性。因此，合理设计出具有足够强度、刚度和屈曲性能，而自重又轻的 高空作业平台有着很重要的意义。 由于高空作业平台金属结构的设计计算涉及到空间的超静定问题，计算的工 况多，计算复杂繁重。在运用传统的设计计算方法设计金属结构时，为了保证金 属结构的强度、刚度和弹性稳定性等满足要求，往往采用加大安全系数的办法 i l l , 1 2 1 。这样很可能造成金属结构比较笨重。对于伸缩臂式高空作业平台的重要部 件的伸缩臂，其重量对整机稳定性有很大的影响。 随着科学技术的发展，工程设计的理论、方法和手段都发生了很大的变化。 近年来，集计算机设计、分析、仿真技术于一体的虚拟样机技术，引起人们的广 泛重视，并越来越多地应用于工程实践。 1 3 1 高空作业平台虚拟样机的研究现状 数字化的虚拟样机技术是对传统设计方法的一次历史性的革命，以其为基础 的现代设计方法的出现，改变了传统以物理样机为基础的设计，大大减少昂贵的 物理样机制造及实验过程，设计人员可直接在计算机上进行快速分析，比较多种 设计方案，进行优化，在设计中及时发现问题，提高产品质量，缩短产品开发周 6 硕士学位论文 期，降低产品开发成本。 在设计和制造高空作业平台时，学者们已经将虚拟样机技术运用于高空作业 平台的研究，并取得了一定的成果【1 3 1 6 】：运用虚拟样机技术仿真优化双油缸串联 调平机构铰点位置，使调平精度有了大幅提高；运用a d a m s 对作业臂进行机构 动力学特性分析，并以构件的外载荷和支反力的基本平衡为校核条件，在a n s y s 中进行强度分析，然后在a d a m s 中进行作业臂的柔体动力学分析，为作业臂实 现动态性能优化提供了技术基础；应用a d a m s c a r 建立高空作业车仿真模型， 通过设计升降平台质心位置布置，改善高空作业车操纵稳定性；建立高空作业平 台的虚拟样机，针对不同的举升作业方式进行运动学仿真，进行高空作业车的抗 倾覆性分析和振动仿真分析，为高空作业车的设计和制定操作规程提供理论依据。 虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体 功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。