高空作业车抬升液压支架设计

PAGEII摘要本设计主要以小型折叠式高空作业车上、下臂结构为研究对象，对上、下臂进行结构和该车上的液压系统进行设计。主要分两部分进行阐述，第一部分：根据高空作业车的最大作业高度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：首先根据工作载荷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；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。最后画出作业臂总装图及上、下臂零件图。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臂液压缸和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，并作出液压系图。关键词高空作业车；结构设计；液压传动系统设计；液压缸AbstractInthispaper,to"high-altitudevehicles",underthearmtostudythestructureoftheupperandlowerarmtothevehiclestructureandthedesignofthehydraulicsystem.Mainlyconductedintwopartson,high-altitudevehiclesunderoneofthelargest10metershighdegreeofoperating,tomeetthehighdegreeofoperatingunderthepremiseofahigh-altitudeoperationsarmofthestructuraldesign:First,theuseofoperatingarmaskedtochoosethetypeofmaterialandsecondlyinaccordancewiththelargestOperatinghighlydetermined,underthearmlength;anotheruseofforceanalysistodeterminethestrengthofthearmsectionsizeandlocationofthefueltankofthehinged;furtherstrength,stiffness,thestabilityofcheckingtoseewhetherthesizeoftheoperatingarmtomeettherequirements.Toimposeuniformloadingandconstraints,structuralstrengthandstiffnessanalysis,riskordangerpointcross-sectionofthestressanddeformation.Finallydrawoperatingarmandhand,armpartsundertheplans.AndhydrauliccontrolofthemainlyreferstocontrolthemovementfromtoptobottomarmChangehydrauliccylinders.Inadetailedrecordoftheagenciesoperatingathighaltitudeupperarmhydrauliccylindersandhydrauliccylindersunderthearmofthedesignprocess.Indeterminingtheparametersofthehydraulicsystemcomponents,basedonthecompletionofthehydraulicsystemdesignandcalculation.Keywordshigh-altitudevehiclesstructuraldesignhydraulicsystemdesignhydrauliccylindersPAGE37目录第1章绪论 11.1高空作业车的概况及其发展方向 11.2高空作业车的组成 11.2.1工作机构 21.2.2金属结构 21.2.3动力装置 21.2.4控制系统 31.3折叠式高空作业车的概况 31.3.1整机结构简介 31.3.2高空作业臂 41.3.3作业车作业状态主要技术参数 41.4课题的提出 51.5本课题所要研究的具体任务 51.6本课题研究的意义 6第2章高空作业车的结构设计 72.1材料的选择 72.2计算上、下臂的长度 82.3确定油缸铰点的位置 92.3.1确定上臂油缸铰点的位置 92.4上臂截面尺寸的确定 92.4.1对上臂进行受力分析 92.4.2计算上臂截面尺寸 102.4.3对上臂进行强度校核 122.5下臂截面尺寸的确定 152.5.1对下臂进行受力分析 152.5.2计算下臂的截面尺寸 162.5.3对下臂进行正应力校核 172.6连接处销轴尺寸的确定 20第3章液压系统设计 213.1液压系统的构成 213.2液压系统设计概述 213.3设计依据 213.4主要机构简述 213.5主要工作机构液压回路的设计 223.5.1高空作业车变幅机构液压回路设计 22第4章高空作业部分液压系统的设计计算 244.1上臂油缸的设计 244.1.1确定液压缸类型和安装方式 244.1.2确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸 244.2下臂油缸的设计计算 284.2.1确定液压缸类型和安装方式 284.2.2确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸 29结论 34致谢 35参考文献 36第1章绪论1.1高空作业车的概况及其发展趋势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、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。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。1.2高空作业车的基本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：1.2.1工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。1.2.2金属结构工作臂、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优化设计，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。1.2.3动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10-20kw，而载重汽车底盘发动机的功率根据载重量不同从50kw一直到150kw以上，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。1.2.4控制系统高空作业车控制系统是控制和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。1.3小型折叠式高空作业车的发展概况1.3.1整机结构简介 折叠式高空作业车采用的工作装置为液压驱动。高空作业车辆升降机构的稳定可靠是实现安全作业的必要条件之一,这类设备的升降机构大多采用臂式(如市政工程车辆、汽车起重机、飞机除冰车等)或剪式(如飞机食品车、残疾旅客登机车等)升降机构,采用液压缸作为升降驱动力,液压缸需要随升降机构运动,因此液压缸与液压主回路须使用液压胶管连接。此时液压缸既作为升降时的动力,又作为施工作业时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。整车外形图如图1-1。图1-1GKZ型高空作业车外形图图1-2GKZ型高空作业车外形尺寸图1.3.2高空作业臂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。工作臂为2节折叠臂。具有操作简便，稳定性好等特点。其组成主要是高空作业臂，如图1-2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。如图1-2图1-3作业臂示意图1．基本臂(下臂)2．上臂4．上臂油缸6．工作平台1.3.3作业车作业状态主要技术参数作业车的技术参数如下表1-1所示：表1-1作业车作业状态主要技术参数项目单位数据最大抬升重量kg1000最高抬升高度m10抬升速度m/s11.4课题的提出本课题以“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有上臂、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。液压系统设计在高空作业车的设计里占重要地位，例如起重工件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。液压系统元件的类型可分为动力元件，控制元件，执行元件，辅助元件等。随着经济技术的快速发展，国内外起重机市场和高空作业车市场对这两种产品的需求越来越大，将产生巨大的社会经济效益。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.1.5本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，收集整理资料，根据作业车的工作特点和受载状况，制定作业臂设计方案和液压缸的基本参数设计。(2)根据受载状况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，确定液压缸类型和安装方式，确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸。(3)在实际计算中对上下臂施加载荷和约束，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)根据分析结果，找出支架结构设计和液压系统中的不合理因素，提出改进方案，并对改进后的结构和性能进行分析，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，液压系统图以及液压缸零件图。(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、铰点位置的确定、液压缸类型和安装方式、液压缸的主要性能参数和主要尺寸等方面的可靠数据，为同类型产品的结构设计和改造提供了科学的理论依据。1.6本课题研究的意义通过本课题的研究，掌握折叠式高空作业车作业臂的结构设计理论和分析方法，得出较为准确的设计方法从而达到优化结构、减轻自重、提高可靠性的目的，为研制高空作业车奠定基础。与此同时液压系统设计在整个高空作业车的设计里具有重要的意义，它使整个机器实现自动化。其中安全性等方面的考虑，设计更是减少了故障的发生，相当程度上确保运行该高空作业车的工人的安全。第2章高空作业车的结构设计2.1材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)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许用应力法。(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I类按正常工作时的等效载荷进行疲劳强度计算。对A6—A8工作级别的起重结构必须进行疲劳强度计算，对A1A5工作级别的起重机结构，一般可不进行此项计算。第II类按工作时的最大的载荷进行强度和稳定性计算。第Ш类按非工作时的最大载荷或工作时的特殊载荷进行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。表2-1许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InI=1.5组合IInII=1.33组合IIInIII=1.15注：表中屈服点应按选取的钢材厚度取不同的值由此确定作业臂的材料：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、强度和稳定性计算。所以由表1-1可得安全系数是：nII=1.33Q235钢板的屈服强度是:=235MＰa许用正应力是：=许用切应力是：=2.2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用字母θ来表示，它可从0º到80º，为便于对吊臂端部进行操作，仰角θ可为-3º，作业臂实际作业时通常在30º～75º范围内。设计时仰角取75º，在图2-1中，，起升高度AC=8.5ｍ。上臂：L1=AB下臂：L2=BC则由三角关系有：ABsin75º+BCsin75º=8.5即:(L1+L2)sin75º=8.5L1+L2=8.5/sin75ºL1+L2=8.21ｍ式(2.1)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：L1>L2式(2.2)由式2-1和式2-2可以取上臂L1=4.20ｍ,下臂L2=4.01ｍ。图2-1作业臂最大仰角2.3确定油缸铰点的位置EF是上臂油缸，GH是下臂油缸。图2-2油缸工作铰点2.3.1确定上臂油缸铰点的位置取BE=300mmBF=500mm则由三角关系可得:==599807.6即EF=774mm2.3.2确定下臂油缸铰点的位置取HC=350mm，CG=450mm，由三角关系可得:=243472即HG=493mm2.4上臂截面尺寸的确定2.4.1对上臂进行受力分析图2-3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上臂弯距图可列公式:则:300=9.83900F2=127.4KN又由可得:+F=F2F1=127.4-9.8=117.6KN如上图所示的弯矩图:则可得最大弯矩是Mmax=9.83.9=38.22KN.m而梁所需的截面系数，=再将求出来的梁所需的截面系数W值代入式(2.4)。2.4.2计算上臂截面尺寸(1)上臂梁高h的确定图2-4梁的截面图按强度条件：式(2.3)式中W梁所需的截面系数，;M梁的最大弯矩；所用钢材的许用应力；、钢板的厚度，设计时钢板的厚度一样==4mm因=则上式可简化为:式(2.4)因此把计算所得的截面系数和可得上臂高(2)上臂梁宽b的确定图2-5上臂的截面结构图如图所示：=4mm则:按整体稳定性条件:按局部稳定条件:Q235钢即:则取:由图可得:2.4.3对上臂进行强度校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。(1)正应力校核静强度效核公式：正应力式(2.5)F梁所受的力（N）A截面积（）切应力式(2.6)Fs梁所受的剪力（N）钢板厚度(m)Iz梁对Z轴的惯性矩()图2-6上臂剪力图在截面BE所受的正应力是:式(2.7)梁的截面积是:=0.18×0.158-0.172×0.15=则:在截面AE所受的正应力是:式(2.8)则:在截面BE所受的切应力应是:式(2.9)计算Z轴惯性矩Iz:图2-7上臂的惯性矩图如图所示建立坐标系：矩形对Z轴的惯性矩是：则惯性矩：所以此题的惯性矩为：(2)把和切应力效核公式:则：切应力是在截面AD上所受的切应力是:式(2.10)把和代入式(2.10)则:切应力是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,则梁的整体稳定性不需验算。所以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。2.5下臂截面尺寸的确定2.5.1对下臂进行受力分析图2-8所示是下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。图2-8下臂的受力图把上图分解后计算各个力的大小力图2-9上臂受力图计算上臂的自重FG钢板每平方米面积的理论质量,不同厚度的钢板(密度为7.85)的每平方米理论质量按下列公式计算：式(2.11)式中G给定钢板厚度下的每平方米重量,kg/m钢板厚度=4mm钢板密度7.85所以(M=L1=4.2m)所以自重是:由上图可得:即:对下臂进行受力分析如下图图2-10下臂的弯距图即力FB’与力FB大小相等方向相反。所以所以 如上图所示的弯矩图:则可得最大弯矩是而梁所需的截面系数，=2.5.2计算下臂的截面尺寸再将求出来的梁所需的截面系数W值代入式(2.2)可得图2-11下臂的截面图如图所示：=4mm(和上臂的厚度一样)则:按整体稳定性条件:按局部稳定条件:Q235钢即:可取:由图可得:2.5.3对下臂进行正应力校核下臂梁的截面尺寸确定后应对其进行强度、钢度和整体稳定性,不满足时应进行修改。其计算方法和计算公式和上臂一样，计算公式是式(2.5)和式(2.6)。(1)效核正应力图2-12下臂的剪力图在截面CG上所受的正应力是:式(2.12)梁的截面积是:则:在截面AD上所受的正应力是:式(2.13)则:(2)效核切应力在截面BD上所受的切应力应是:式(2.14)计算Z轴惯性矩Iz:图2-13惯性矩图如图所示建立坐标系，见图2-13惯性矩图矩形对Z轴的惯性矩是：则惯性矩：所以此题的惯性矩为：把和切应力效核公式:则：切应力是在截面AD上所受的切应力是:式（2.15）把和代入式（2.15）则:切应力是所以下臂的正应力和切应力符合要求。（3）对下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（图2-11）,则梁的整体稳定性不需验算。所以则不需要整体稳定性不需验算。从以上对下臂的验算可得上臂尺寸的选择符合要求。2.6连接处销轴尺寸的确定确定销轴的基本参数：公称直径，总长度根据高空作业车上下臂的结构可以确定其尺寸，按《机械设计手册2》表6.3-61销轴（摘自GB/T882--2000），选定=50mm，总长度=200mm、材料为35钢、热处理硬度28~38HRC、表面氧化处理的A型销轴。确定其相关尺寸：max=70mm，，=10mm，r=1.5mm，c5mm 第3章液压系统设计3.1液压系统的构成折叠式高空作业车工作装置为液压驱动。该系列车分为底盘（简称下车）和高空作业装置（简称上车）两大部分。底盘的作用在于转移整机装置的作业场所，在高空作业时用于支承上车，保持整机的稳定。高空作业装置主要由变幅机构组成，变幅机构属于高空作业装置部分，这机构靠液压系统驱动，实现作业要求。液压系统元件按构成类型可以分为动力元件、执行元件和辅助元件等。在此次液压系统设计过程中，将构成作业车主要工作机构的液压回路主要是变幅机构。上下吊臂的变幅由液压缸控制,在此次设计中主要是对这部分进行液压设计，而支腿是用于支撑整机，同时调整整机平衡，支腿收放部分的液压设计在此次设计中不加以考虑。3.2液压系统设计概述液压系统有传动系统和控制系统之分,本次设计中所说的系统设计主要是针对传动系统设计而言,主要是确定整个高空作业车的液压回路,以及其间主要执行元件、控制元件等的主要尺寸和基本性能参数。其实从结构组成和工作原理来看，传动系统和控制系统并无本质上的区别，仅仅一类以传递动力为主，追求传动特性的完善，其执行元件用来驱动某个控制元件的操纵装置（例如液压泵、液压马达的变量机构、控制阀的阀心等）而已。因此，传动系统的设计内容和方法只需略做调整，即可直接用于控制系统的设计。系统的设计除应满足主机要求的功能和性能外，还必须考虑符合质量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、使用维护方便等一般要求及工作可靠这一特别重要的要求。系统设计的出发点，可以是充分发挥其组成元件的工作性能，也可以是着重追求其工作状态的绝对可靠。前者着眼于效能，后者着眼于安全；实际的设计工作则常常是这两种观点不同程度的组合，考虑具体要求不同而有所侧重。3.3设计依据依据《机械设计手册5》里液压传动系统设计步骤和方法，对折叠式高空作业车液压传动系统进行设计。3.4主要机构简述(1)高空作业工作臂高空作业工作臂包括上臂和下臂。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、下臂和转台铰接处设有专门的滑动轴承,保证工作臂转动时阻力小,运动平稳。(2)工作平台（工作吊篮）工作平台的作用是将高空作业人员和必要的工具送至空中，并作为工作人员空中作业的场所。折叠式车型的工作平台采用钢管焊接框架结构，周围设有护栏，右侧护栏开有侧门，方便人员进出，平台底板采用防滑的花纹铝板，平台周圈下部设有护围，防止工具和其它物品掉落。(3)动力系统折叠式作业车高空作业动力源为底盘发动机，其动力由取力器从底盘变速箱取出。取力器和变速箱之间的动力传递由机械式操纵系统控制，平时取力器与变速箱取力齿轮处于断开状态，当进行高空作业时，操纵拉杆使取力器的滑移齿轮与变速箱的输出取力齿轮啮合，取力器输出轴带动油泵工作，从而将发动机的机械能转为液压能，为系统提供动力。在行驶状态时，务必将取力器脱开。(4)液压系统 液压系统采用定量齿轮泵供油，系统工作压力为16MPa，油路中设有安全溢流阀，保证系统安全。液压系统通过电液比例流量阀对工作臂油缸供油，供油量大小由比例阀控制，输出流量和负荷变化无关，可使系统达到稳定的工作速度，并且能够实现无级调速。系统工作压力由电磁溢流阀调定。3.5主要工作机构液压回路的设计3.5.1高空作业车变幅机构液压回路设计(1)动作分析行驶状态时，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升展至一定高度，将工作人员送至工作位置。上臂和下臂、下臂和转台铰接处均设有专门的滑动轴承，保证工作臂转动时阻力小，运动平稳。(2)液压回路设计：图3-1液压回路1上臂液压缸2下臂液压缸3平衡阀4三位四通电磁换向阀5单向节流阀6压力表7单向阀8液压泵9过滤器10油箱电磁换向阀：电磁换向阀借助于电磁铁吸力推动阀心动作来改变流液流向。平衡阀：可使运动速度不受载荷变化的影响，保持稳定，附加的单向阀功能，密封性好，在管路损坏或制动失灵时，可防止重物自由下落造成事故。以下简述动作分析过程：因为上下臂的液压设计很相似，所以分开分析。先看左边液压缸的控制过程。如上图所示，当电磁换向阀置于左位时，油液经过左边单向节流阀的单向阀部分到达平衡阀，再经过平衡阀到液压缸的左腔，推动活塞杆向外运动。而右腔的油液则从右边的平衡阀到右边的节流阀再流出。当电磁换向阀置于右位时，油液经右边的单向节流阀和平衡阀到达液压缸的右腔，推动活塞杆向左运动，左腔的油液经左边的平衡阀和单向节流阀流出。当电磁换向阀处于中位时，液压缸不运动。右边液压缸的控制过程如上。第4章高空作业部分液压系统的设计计算高空作业部分主要由变幅机构构成，其中，变幅机构主要是指上下臂液压缸。上臂液压缸是联结上臂和下臂铰点的液压缸，它主要控制上臂的上升，下降动作。下臂液压缸是指下臂与支架之间的液压缸，它主要用于控制下臂的上升和下降动作。以下，就主上臂油缸，下臂油缸进行设计计算。4.1上臂油缸的设计设液压缸单活塞杆双向运动时的负载力相同,不记执行件质量。液压系统工作压力，查[5]如表23.4-3，选定系统工作压力为P=16Mpa。4.1.1确定液压缸类型和安装方式根据主机的运动要求,按《机械设计手册5》表37.7—5,选择液压缸类型为单杆活塞式双作用液压缸。下图为单杆活塞式双作用液压缸示意图：图4-1单杆活塞式双作用液压缸此类液压缸特点为活塞双向运动产生推、拉力。活塞在行程终了时不减速。将缸体固定，活塞杆运动，查《机械设计手册5》表37.7—6液压缸的安装方式，选择合适的安装方式。考虑机构的结构要求，上臂起升、下降时液压缸的活塞杆进行伸缩实现运动需求。查表37.7—6液压缸的安装(P37-179)选择耳环型安装方式，这种安装方式使液压缸在垂直面内可摆动,满足上臂动作要求。4.1.2确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸根据主机的动力分析和运动分析,确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸，包括液压缸的内径D，活塞杆直径d和液压缸行程s等。(1)液压缸内径D的计算。根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算液压缸内径D计算公式：=3.57式（4.1）式中--液压缸内径（m）；--液压缸推力（KN）;--选定的工作压力（MPa）。其中的计算过程如下：当高空作业车上下臂处于如下状态时，如图4-2。上臂液压缸所受的力最大，即液压缸具备的最大力必须大于此时的力。图4-2上下臂受力状态有:式（4.2）其中:--上臂自重,由计算为 。--上臂长度，为4.2m.--高空作业车吊篮最大承受力，由计算知为--点到力的垂直距离，由计算得0.283m.代入公式(4.2)得:将,代入式(4.1),得:查《机械设计手册5》表37.7-1,如表4-1给出的缸筒内径尺寸系列圆整成标准值。表4-1液压缸内径尺寸系列(摘自GB2348—80)()840125（280）1050（140）3201263160（360）1680（180）40020（90）200（450）25100（220）50032（110）250即取:(2)活塞杆直径的计算根据速度比的要求来计算活塞杆直径式(4.3)式中--活塞杆直径();--液压缸直径();--速度比--活塞杆的缩入速度;--活塞杆的伸出速度。此处，《机械设计手册5》表37.7-63(P37-245)取液压缸的往复运动速度比为1.46,表37.7-2(P37-173)查得:式（4.4）将代入式（4.4）得:查《机械设计手册5》37.7-2,如表4-2液压缸活塞杆外径尺寸系列（摘自GB2348-80）表4-2液压缸活塞杆外径尺寸系列(摘自GB2348—80)()420561605226318062570200828802201032902501236100280144011032016451253601850140取液压缸活塞杆外径尺寸如下：。(3)液压缸行程的确定由于上下臂工作状态最大夹角为,如图4-3所示图4-3上下臂最大夹角图上下臂铰点位置如上所示,代入数据可求出线段的长度,由此长度计算上臂油缸的最大行程,计算过程如下:查《机械设计手册5》表37.7-3(P37-173),如4-3液压缸活塞行程第一系列()。表4-3液压缸活塞行程第一系列()摘自(GB2349—80)2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000由以上条件取S值如下:。(4)液压缸结构参数的计算1)缸筒壁厚的计算按薄臂筒计算:对于低压系统，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算。式（4.5）式中--液压缸缸筒厚度();--试验压力()。取，即，。--液压缸内径（m）；--刚体材料的许用应力（），取。代入式（4.5）中，得：2)缸体外径的计算式（4.6）代入数据得:查《机械设计手册5》表37.7-66(P37-246)圆整液压缸外径为120。4.2下臂油缸的设计计算设液压缸单活塞杆双向运动时的负载力相同,不记执行件质量。液压系统工作压力为P=16MPa。4.2.1确定液压缸类型和安装方式将缸体固定，活塞杆运动，查《机械设计手册5》表37.7—6液压缸的安装方式，选择合适的安装方式。考虑机构的结构要求，上臂起升、下降时液压缸的活塞杆进行伸缩实现运动需求。查表37.7—6液压缸的安装(P37-179)选择耳环型安装方式，这种安装方式使液压缸在垂直面内可摆动,满足上臂动作要求。4.2.2确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸根据主机的动力分析和运动分析,确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸:(1)液压缸内径D的计算根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算液压缸内径D计算公式：=3.57式（4.7）式中--液压缸内径（m）；--液压缸推力（kM）；--选定的工作压力（MPa）。其中（Fg）的计算过程如下：当高空作业车上下臂处于如下状态时，如图4-4。上臂液压缸所受的力最大。此时，上下臂夹角为，下臂水平放置，上臂抬起与下臂成夹角。图4-4上下臂状态把上下臂当成一个整体，将所受力对c点取矩，得：式（4.8）其中:--上臂自重,由计算为。--高空作业车吊篮最大承受力，由计算知为。--下臂自重,由计算知其值是。--点c到力的垂直距离。--点c到上臂重力的垂直距离。--点c到下臂重力的垂直距离。--最大起重量，由计算得。--点c到力的垂直距离，为4.01。已知上下臂夹角为，上臂长为4.2,下臂长为4.01,且已知上下臂上各铰点位置,通过计算得:;。其中为点c到力的垂直距离，计算过程如下所示：已知尺寸如下图4-5所标示。图4-5下臂尺寸由此计算得:。将所得数据代入公式（4.8）得:将,代入式4-7,得:查《机械设计手册5》表37.7-1)给出的缸筒内径尺寸系列圆整成标准值。即取：。(2)活塞杆直径的计算根据速度比的要求来计算活塞杆直径式（4.9）式中--活塞杆直径();--液压缸直径();--速度比--活塞杆的缩入速度;--活塞杆的伸出速度。此处，《机械设计手册5》表37.7-63(P37-245)取液压缸的往复运动速度比为1.46,表37.7-2(P37-173)查得:式（4.10）将代入式（4.4）得:查[5]表23.6-34液压缸活塞杆外径尺寸系列（摘自GB/T2348-1993）取液压缸活塞杆外径尺寸如下：(3)液压缸行程S的确定首先计算下臂升至最大角时，下臂铰点与底盘铰点之间的距离。如下图所示：图4-6下臂升至最大角如上图4-6所示，由计算得下臂升至最大角时，下臂铰点与底盘铰点之间的距离为：。查《机械设计手册5》表37.7-3(P37-173)液压缸活塞行程第一系列(),由以上条件取S值如下:。(4)液压缸结构参数的计算1)缸筒壁厚的计算按薄臂筒计算:式（4.11）式中--液压缸缸筒厚度();--试验压力()。取，即，。--液压缸内径（m）；--刚体材料的许用应力（），取。代入式（4.5）中，得：2)缸体外径的计算式（4.12）代入数据得:查《机械设计手册5》表37.7-66(P37-246)取液压缸外径为150。结论本文在目前国内外各种高空作业车的发展趋势和现状的基础上，主要是对高空作业车的工作臂（即上臂和下臂）和液压系统进行了总体的设计计算。本论文基本完成了对高空作业臂和液压系统的总体设计，主要取得了以下的成果：(1)分析了折叠式高空作业车的基本结构，确定高空作业臂所涉及的相关参数。(2)根据相关计算公式以及所知的参数进行计算，从而确定了高空作业臂的上臂长度、下臂长度，油缸铰点位置，以及作业臂截面尺寸等主要参数。(3)在确定了高空作业臂的全部尺寸后，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。所以根据相关的效核公式进行强度、钢度和整体稳定性效核，效核结果是上、下臂的尺寸符合强度、钢度和整体稳定性的要求，所取尺寸能够达到要求。(4)在液压系统的设计中，主要是设计变幅机构的参数，即上下臂液压缸基本参数的确定，通过前面对上下臂的受力分析和计算，从而进一步的设计液压缸的尺寸。在设计过程中，高空作业臂的性能校核结果表明，本论文的高空作业臂的设计计算结果是正确的。但对于此设计的高空作业臂用于实现实际的高空作业时还必须再做大量的工作，必须通过实际的高空作业才能检验出设计的是否正确，如有差错，还必须进一步的分析，找出错误原因，进行改善，最终使设计的高空作业臂能够完成实际的高空作业要求。在液压系统设计过程中，各个动作由不同的执行元件来控制。同时又在系统中加入安全控制部分，例如安全阀的加入，当回路中压力过大时可使油液溢流，使整个系统中压力维持恒定。手动换向阀的加入，在系统油路出现问题时可以直接按动手柄切断油路，使机构停止动作，防止事故的发生。通过这次毕业设计不但使我巩固和重温了大学三年来我所学的专业理论知识，而且让我从中吸取了很多新的知识，很好地锻炼了我独立思考问题、分析问题、解决问题的能力，尤其是增进了我对工程力学及液压这一领域的了解和认识。毕业设计是将所学专业理论知识有机融合的一个过程，是对我们专业综合素质的一个考核。我的设计题目是高空作业车抬升液压支架设计，由于工程力学和液压系统设计比较烦琐，且设计又比较灵活，在整个设计过程中，我不断遇到各种各样的问题和困难，在指导老师的指导下熟悉了独立进行项目设计的全过程以及设计过程中如何解决碰到的难题。在设计过程中经常会碰到书本上推荐的理论数据与工厂里实际应用不符合，这时候就必须理论联系实际综合考虑实际的应用性进行合理的选择，在设计过程中忽略了任何一个因素都可能对整个设计带来很大影响甚至导致失败，而为以后走上工作岗位成为一名优秀的工程技术人员奠定了坚实的基础。致谢经过八周的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方。本论文是在指导老师的积极鼓励和精心指导下完成的。指导老师丰富的理论知识、实践经验和严谨的治学态度使我在专业知识方面受益匪浅，她的无微不至的关怀对我论文的完成起到了极大的帮助作用。在此对导师的悉心培养致以最衷心的感谢！在这里首先要感谢我的指导老师。指导老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从开始的查阅资料，到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是指导老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩指导老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。能够顺利的完成毕业设计，在此对各位老师和同学以及在设计期间，曾经对我的毕业设计给予帮助的领导、老师、同学表示最诚挚的谢意！最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示感谢！参考文献[1]何存兴张铁华.液压传动与气压传动.华中科技大学出版社，2000年[2]机械工程手册.机械工业出版社，1982年.[3]戴冠军.汽车维修理论.人民交通出版社.1991年.[4]范祖尧.现代机械设备设计手册[M].机械工业出版社，1996年.[5]机械设计手册机械工业出版社1995年.[6]胡宗武.起重机动力学[M].北京出版社，l988年.[7]陈玮璋.起重机械金属结构IMJ.人民交通出版社，1986年.[8]尹军琪.变截面梁的等效质量计算.起重运输机械，1995年.[9]GB9465.2.高空作业车国家标准.[10]涂桥安.移动式高空作业平台的设计研究.机械设计与制造工程.[11]朱世强.高空作业车多臂协调控制技术的研究.浙江大学91级硕士论文.[12]吴克坚.于晓红.机械设计.钱瑞明主编.高等教育出版社，2003年3月.[13]刘鸿文.材料力学.高等教育出版社，1991.[14]李景刚.高空作业车电液比例系统控制技术的研究.浙江大学88级硕士论文.[15]杨晓波.高空作业车支腿反力限制器的研制.建筑机械，1998年第6期.[16]王恒华等.QAY160全地面起重机吊臂系统在变幅工况下的动力分析.建筑机械，1998年12月.[17]钟安庆等.消防车多节直臂举升同步伸缩系统的设计.工程机械，2002年2月.[18]高低空起重工程车吊臂伸缩机构.工程机械出版社，2000年6月.[19]黄锡恺等主编.机械原理.高等教育出版社，1997年7月第7版.[20]范祖尧.现代机械设备设计手册.机械工业出版社，1996年1月.[21]周秋等.现代工程机械应用技术.国防科技人学出版社，2001年.[22]单斗液压挖掘机（第二版）.同济大学主编.中国建筑工业出版社，1986年12月. 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