高空作业车机械综合设计_图文

1、目 录引言 . 2 1 选题背景 . 32 机构选型 . 52.1 设计方案的提出 . 5 2.2设计方案的确定 . . 83 尺度综合 . 113.1 机构关键尺寸计算 . 11 3.2机构关键尺寸优化 . . 134 受力分析 . 144.1 机构动态静力描述 . 14 4.2 机构动态静力变化曲线描述 . 155 机构建模 . 156 机构仿真 . 477 有限元分析 . . 748 设计总结 . 969 收获及体会 . . 96 10 致谢 . 97 11 参考文献 . 98引言在国家的生产建设中,大型的工程机械是不能缺少的技术设备,它在城市建设、交 通运输、农田水利、广告摄影、能源开

2、发和国防建设等多个方面都发挥着至关重要的作 用。 高空作业车即是用来运送工作人员和工作设备到达指定高度进行作业的一种大型工 程机械设备。由于其本身拥有的降低劳动强度、提高工作效率、节省劳动力和费用的优 势,在多个领域扮演着重要的角色,有着广阔的发展前景。高空作业车作为一种工程车辆,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” 。 我国高空作业车行业起步较晚

3、, 自 20世纪 60年代开始研制, 70年代才推出商业 化机样,随着经济的发展和技术的进步,高空作业车在国内的需求日益增多。国内一些 厂商开始把高空作业车单独作为一个模块进行了研究,形成了一批知名企业,但与外国 相比,仍有一定的差距。本次课程设计综合运用了机械原理、机械设计等课程所学知识,参考现有产品及相 关资料,设计一个简单的高空作业车,并利用 SolidWorks , Adams 等软件进行三维模型 的制作、机构简图的绘制及零件渲染和运动仿真。1 选题背景1.1 问题的提出高空作业车是指用来运送工作人员和工作设备到达指定高度进行作业的一种大型 工程机械设备,是一种先进的登高作业方式。随着

4、我国的经济建设的飞速发展,城市中 的高层和超高层建筑不断涌现,高空作业和消防任务也日益突出,高空作业车由于其本 身拥有的降低劳动强度、提高工作效率、节省劳动力和费用的优势,在多个领域扮演着 重要的角色,有着广阔的发展前景。但由于我国此行业起步较晚,发展时间短暂,因此 相比于一些重工业发达的国家, 产品不够成熟, 市场也不够广泛, 迫切需要重视和发展。1.2 研究现状高空作业车,其发展与国民经济的发展水平密切相关,据国外高空作业机械专业媒 体杂志 Access International 统计,经济越发达,需求量越大,并且单位 GDP 需求 量也越大。与发达国家和地区相比,我国不仅单位 GDP

5、需求量小,而且单位 GDP 需求量 与 GDP 的比例也低,这说明高空作业车的市场需求量既与经济规模有关,又与经济发达 程度有关,这也恰恰表明高空作业车在我国有非常广阔的发展前景。我国高空作业车行业起步较晚, 自 20世纪 60年代开始研制, 70年代才推出商业化 机样,随着经济的发展和技术的进步,高空作业车在国内的需求日益增多,逐渐引入国 外高新技术及其产品,但与外国相比,仍有一定的差距。目前我国高空作业车年销售量 在 2千台左右,产品技术水平差距较大,产品结构单一。市场销售、使用及保有量最大 的车型还是折叠臂式,其他型式如伸缩臂式和混合臂式占有的比重还很小,最大作业高度只有 3 5 m。相

6、对来说,国外产品技术成熟, 市场广泛,平台的载荷最大可以达到 500kg ,作业高度也早已超过 110m ,具有多种安全 保护措施,作业场地适应能力较强。1.3 设计的技术要求及指标(1 运动的实现整个机构整体的运动分析、运动臂运动分析、摇臂尺寸的优化选择。(2 运动臂受力分析作业车整车受力分析、运动臂静力力分析和动力分析、单个运动构件的动力分析。 (3 动力输入及能量传递整个高空作业车的运动效率、 运动臂动力传递方式选择、增大效率的方式选择。 (4 人机设计标准人机工程学设计、安全性能设计、有限元分析。(5 运动臂材料的选择构件材料的选取、外形美观设计等。(1 运用 SolidWorks 绘

7、制高空作业车各零件的零件图、以及装配图。(2 查阅相关文献并结合机械原理所学对机构的参数进行分析,并进行运动分析。(3 学习 adams 运动分析软件进行运动仿真。(4 确定高空作业车的一些基本参数,比如尺寸、材料等。(5 整理编写机械设计说明书2 机构选型2.1 设计方案的提出我们分析了高空作业车的各个分类 56 如表 2.1说明所示, 各类高空作业车各有优缺点, 剪切式作业车越障能力差、 工作 范围小;伸缩臂式作业车越障能力差;而混合臂式对染工作性能做好,但其结构相对来 说最为复杂。 因此, 在性能与条件的权衡下, 经过讨论, 我们得到如下图所示初步方案:7 8 表 2.2 所用机构 9

8、再经过一些细节上的改进后,得到最终设计方案,如下图所示: 3 尺度综合3.1 机构关键尺寸计算我们的一些尺寸由 1:87的模型多次测量之后再经过在网上的查询得到, 然后利用机 械原理所学知识进行相关尺寸坐标的计算,如下所示: 图 3.1 最终方案结构示意图如图 3.1所示,设 O 点坐标为(, 0x 0y ,建立直角坐标系。以下将对各点静止时 刻坐标进行分析:(1 求 C 点坐标:对于 C 点,设液压缸 1长度为 oc l (可变 , 1=COX ,则可列出方程组 +=+=1010sin cos oc coc c l y y l x x(2 求 B 点坐标:同理, , 对于 B 点,有 (=-

9、+-=-+-222222BCB C B C OBO B O B l y y x x l y y x x ,其中, 2180, 801=BC O B l l(3 求 D 点坐标:由几何关系,可列出方程 (=-+-=-2221CD C D C DBD BD C D C D l y y x x x x y y x x y y , 其中, 2CD l =4350(4 求 E 、 F 点坐标:由几何关系 (=-=-+-=-+-DFD F FD EF E F E F DE D E D E l y y x x l y y x x l y y x x 222222, 其中,已知DE l =562, DF l

10、=1310, EF l =994(5 求 A 坐标 : 设液压缸 2长度为 AE l ,有 (=-+-=-+-222222AEE A E A AFF A F A l y y x x l y y x x , 其中已 知 AF l =3090(6 求 G 坐标,求法同 D, 利用几何关系,可列出方程组(=-+-=-2221GF F G F GA G AG F GF G l y y x x x x y y x x y y ,其中, GF l =3700 (7 求 I 坐标 :同上,有 (=-+-=-2221IG I G I GAI AI F I F I l y y x x x x y y x x y

11、 y , 其中, IG l =3000 (8 求 H 坐标 :设液压缸 3的长度为 HG l (可变 , 则有 (=-+-=-=222HG G H G HIH H I IH l y y x x l y y x x ,其中, IH l =870(9 求 J 坐标 :设液压缸 4的长度为 JH l (可变 ,则有(=-+-=-+-222222JHH J H J JII J I J l y y x x l y y x x , 其中, JI l =3260 (10 求 K 坐标 : (=-+-=-2221KII K I K IK IK J K J K l y y x x x x y y x x y y

12、 , 其中 KI l =7260(11 求 M 坐标 :设液压缸 5的长度为 MK l (可变 , 有 (=-+-=-2221MK K M K M IM IM K M K M l y y x x x x y y x x y y (12 求 L 坐标 : 同上,有 (=-+-=-2221LML M L M IJ IJ K J K J l y y x x x x y y x x y y , 其中 LM l =1090 (13 求 N 坐标 :设液压缸 6的长度为 MN l 由几何关系,有(=-+-=-=2221910MNN M N M N L NL l y y x x y y x x3.2机构关键

13、尺寸优化我们的机构中大量使用了连杆和液压系统,为保证正常工作,需要使各连杆机构的 长度能做到既满足实际使用需求又能互相高效率配合,避免不必要的互相影响,同时也 要考虑到液压系统带来的额外影响,综合考虑之后对尺寸进行优化处理。优化的最终结 果如上文所示,在这里不再单独进行解释。最终的尺寸是经过多次修改确定下来的 , 确定与优化都是在装配时进行过多次修 改,详见后文装配环节,另外在有限元分析中也会出现各种干涉,对非必要干涉可以忽 略,但大部分要修正尺寸以满足分析仿真要求,从而求出最优解。4 受力分析4.1 机构动态静力描述 图 4.1 静力受力图如上图所示,由系统的静力受力示意图可知,各转动副处有

14、沿连杆方向的力,液压 系统提供沿其径向的驱动力。下面将对工作时的情形为例进行静力分析:设 L 、 N 中点为 ' O , 则由上述所得数据,可知 ' O 点坐标为 +2, 2L N N L y y x x ,假设一个质量为 m (单位为 KG 的工作人员站在工作台上,在液压系统未工作时,可估 算出此时 O 点所受扭矩:2' 2' O O O O y y x x mg L G T -+-=另外还有各连杆、各液压系统的重力及各处的摩擦力,具体见有限元分析,在此不再进行一一描述。4.2 机构动态静力变化曲线描述我们在有限元章节中对各部分构件的静力学进行了详细的研究,

15、机构动态静力变化 图表具体见有限元分析。5 机构建模5.1 机构运动简图及尺寸标注机构运动简图主要运用 Microsoft Visio2010绘制, 生成 vsd 文件, 运用 Microsoft Visio2010打开,具体属性如下 绘制过程如下:1. 新建工程,选择部件和工程模板 2. 选择合适的绘图工具,并绘制草绘简图 3. 绘制尺寸及其尺寸数据的编辑,并添加文字说明 4. 最终完成并保存 5.2 机构关键构件建模过程零件的三维建模主要是运用三维建模软件 Solid Works 绘制,由于零件比较多,主 要选取部分关键部件的零件进行介绍,另外也详见经典建模过程的绘制视频载物台。使用 So

16、lidWorks 进行车架建模,首先进行整体的空间布置构思,进行零件的绘制 步骤分析,然后绘制底盘草图 添加车架其他特征, 以配合轮胎使用, 具体如下图。 首先选定好基准面, 绘制拉伸草图。 编辑拉伸特征数据 进行镜像编辑,如下图: 然后继续添加其他特征,进行底部抽壳工作,如下图所示: 绘制耳朵特征编辑,并镜像,如下图。 绘制拉伸切除特征以配合轮胎,如下图所示。 首先绘制整体的拉伸特征供后面进行切除特征,如下图所示 进行拉伸切除特征编辑,做出可供支撑架运动的空间,如下图所示: 进行车底部抽壳工作,并且切除不必要的部分,如下图所示。 然后进行倒圆角编辑,如下图所示。 车架底部支撑建模如下图: 载

17、物台配合小部件如图所示: 载物台建模如下图所示: 轮胎建模如下图所示: 插入 tool 零件库: 35 设定参数完成标准件的建模: 5.3 机构总体装配过程本次装配主要运用的 SolidWorks 中的装配体命令,在前面的步骤中我们已经绘制 好了单一的零件,然后理清好零部件之间的配合关系,然后进行总成装配,具体装配过 程如下。新建装配体文件: 选择插入零部件,选择之前完成的建模零件,并调整好视图方向后插入:3637 选择配合类型,添加相应约束,如下图所示 完成总成装配图,调整视图,为下步渲染做准备:38 39 40 插入光源和相机,并调整。 41 7.编辑外观结束后预览装配体 8. 完成渲染过

18、程。 42 2在装配完成的配合体重创建爆炸视图 自主设计爆炸方向幷逐一爆炸 最终完成爆炸视图。4344 创建爆炸动画,点击 点击第一个动画向导按钮选择爆炸动画,电脑自动创建成 功。45 调整视向和相机,自主设计选择视频方向,以便直观的展示装配体的装配过程。 调整视频帧数和高宽比例并保存文件。具体文件见附件46 6 机构仿真在完成建模以及装配后,我们选用了两种软件进行仿真分析, adams 软件侧重于机 构运动简图的运动学分析, 能够得出相对比较理想的数据处理结果, SolidWorks 软件中 的 motion 分析插件能够综合模型得出运动学和动力学仿真分析结果。我们分工合作, 赵延垒负责 SolidWorks 的仿真分析,林严负责 adams 软件的学