高空作业车的设计

工程机械课程设计指导书

高空作业车的设计

目录

摘要......................................错误！未定义书签。

ABSTRACT..............................................................错误！未定义书签。

第1章绪论.......................................................1

1.1引言...........................................................1

1.2国内外高空作业车的现状.........................................1

1.2.1国内的现状...............................................1

1.2.2国外的现状...............................................2

1.3研究方向......................................................2

1.4高空作业车的组成...............................................3

第2章高空作业车方案的确定......................................6

2.1动力传动的方案确定............................................6

2.2底盘的确定.....................................................7

2.3举升机构的方案确定.............................................8

2.4回转机构的方案确定.............................................8

2.5作业平台及调平机构的方案确定...................................9

第3章高空作业车工作装置的设计.................................13

3.1回转机构的设计...............................................13

3.1.1回转支承当量负荷的计算....................................14

3.1.2回转支承与转台骨架之间螺栓组的强度校核....................14

3.1.3回转支承负荷能力计算.....................................15

3.1.4回转齿轮强度校核.........................................15

3.2举升机构的设计................................................16

3.2.1确定上臂和下臂的长度.....................................16

3.2.2确定上臂上的校点.........................................17

3.2.3确定下臂上的钱点.........................................18

3.2.4下臂和上臂的主要尺寸和结构...............................19

3.2.5下臂和上臂的受力分析及强度校核...........................20

3.3调平机构的设计................................................24

3.3.1直线角位移传感开关工作原理...............................25

3.3.2开关阀调平电路的设计.....................................25

第4章高空作业车液压系统设计..................................27

4.1高空作业车的液压系统设计......................................27

4.2上臂液压缸的设计.............................................29

4.3下臂液压缸的设计.............................................30

4.4液压泵的选择.................................................31

4.5液压元件的选择...............................................32

4.6管道尺寸的确定...............................................33

4.7油箱容量的确定...............................................33

结论.............................................................34

参考文献..........................................................35

致谢.............................................................36

第1章绪论

1.1弓I言

随着世界经济的大繁荣，各个行业都起了翻天覆地的改变，尤其最近几十年

以来，世界各国都改变了自己的面貌，无论是在外表还是在社会内层。在这其间，

社会的建设少不了各种机械，而在这些机械中，高空作业车的重要性不言而寓。

高空作业车之所以发挥着如此大的作用，跟其自身的特点是分不开的。高空

作业车其结构紧凑、传递平稳、操作轻便、举升高，易于实现自动化控制；同时

还具有机动灵活、转移速度快的特点。它特别适于从事消防、抢险救灾、施工、

安装、维护等工作，广泛应用在电力、摄影、建筑、市政、机场、工厂、园林、

住宅等场所。因此，近年来高空作业车发展很迅速，一举成了市政及其他部门主

要的高空作业机械。

我国高空作业车技术的研究与国外先进水平相比还有一定的差距，还具有很

大的研究空间，我们应该加大力度的研究此方面以拉近我国与国外的差距；同时,

通过此次毕业设计，我可以将自己以前所学运用到设计中来，锻炼自己的动手能

力和运用知识的综合能力，对我各个方面的提高将会起到很大的作用，是一次锻

炼自己的很好的机会。

1.2国内外研究状况

1.2.1国内现状

部分企业技术创新能力较差：部分企业不重视产品的更新和新产品的开发，

产品几十年一贯制，品种规格单一、市场经营范围窄，使企业产品产量逐年下降,

企业效益差。近几年，国外高空作业机械产品纷纷进入国内，如芬兰BRONTO公

司、美国的JLG、GENIN、UP-RIGHT,SNORKELSKYJACK等公司以及英国、意

人利、丹麦的一些著名公司在国内都相继设立了办事机构，而且在大高度产品和

特殊产品中仍然占有国内主要市场，如高空绝缘作业车、蜘蛛式大高度作业平台、

自行式高空作业平台等。这些进口产品性能好、外观美，价格与国内产品相差不

多，具有很强的竞争力。

缺乏高空作业车的专用底盘：高空作业车是由汽车底盘改装而成的，属于工

程车辆范畴，长期处于重载状态，行驶距离短、车速慢，使用频率不高。为便于

在各种街道行驶，要求体积小、轴距短，又因其重心高，要求底盘大梁低。使用

的底盘与一般货车底盘有所不同，在汽车人梁两侧应力集中处都进行了加强，发

动机功率比一般货车大，轮胎小而载荷大，部分底盘大梁前高后低，其它部分也

作了适当的改进。我国到目前为止还没有高空作业车专用底盘，只能选择一般货

车底盘。由于选择范围比较窄，给设计、选型带来许多困难，同样高度的高空作

业车底盘往往比国外产品的底盘大一个档次，造成车身宽、轴距长，使整车外型

又大又高，行驶也不灵活。

专一业化生产水平低的小作坊式企业较多：国内大部分企业以自主生产为

主，专一业化生产水平很低，工艺落后、劳动生产率低。一些小公司、小作坊式

企业纷纷生产高空作业机械，如在江苏、广东等地。一个地区就有数十家企业。

这些小企业的产品产量少、质量差、价格低，严重冲击和影响着正常的市场销售。

1.2.2国外现状

高空作业车在世界上已有近四十年的发展历史，发展非常迅速，随着世界整

体工业水平及电子技术的大发展，技术水平提高很快，工业发达国家一般都有专

门的研发机构，并且拥有很大的跨国公司和集团总营或兼营高空作业车，并形成

了大批的配套件生产厂家。现已形成了一个完整的专业产品生产、研发体系。如

美国的CROVE（格洛夫）、GENIE（吉尼），英国的COLES（西蒙）意大利的RICO

（利高），芬兰的BRONTO（布朗托）公司等，并且它们各有侧重，如BRONTO侧

重于高空消防车系列，COLES侧重于车载高空作业平台等。高空作业车发展到现

在，其作业高度最高已达到72米（BRONTO公司生产）。不仅在作业高度上取得

了很大的发展，综合现代工业水平的发展和应用，高空作业车在各方面都取得

了巨大的发展，可靠性，安全性，舒适性，操作的方便、简单直接性等方面都有

较大提高。由于电子计算机的普和发展，机、电、液一体化研究的进展，机械设

计中更多地融入电子技术，国外各大公司竞相采用电脑（电子）操作系统，提高

整机性能，减少整机液压元件的使用，降低整机体积及重量，提高操控的灵敏度,

使机、电、液一体化的高空作业车的应用渐趋完善和成熟。

1.3研究方向

课题开题之前,我查找大量的资料,发现高空作业设备主要有高空作业车（如

图1-1）、高空作业平台（如图1-2）,高空作业平台又分为自行式高空作业平台

和牵引式高空作业平台。

图IT高空作业车图「2高空作业平台

高空作业车是由升降台和汽车配套改装的高空作业设备。其升降台利用车辆

的直流电及引擎动力驱动升降。车辆本身具有行走功能，使得升降台有更好的灵

活性和机动性，提高了高空作业的工作效率，能适应区域范围广、流动性大的高

空作业。目前最高的达到了70多米。功能上也增加不少，比如增加照明设施，

在载人的基础上增加了起重机的功能等。

自行式高空作业平台的动力来源为发动机和外部电源，和车载式高空作业平

台相比不能长途行走，只能在固定区域内使用。和牵引车式高空作业平台相比，

自行式高空作业平台具有自动行走的功能，移动不需要外部动力源，方便，快捷。

其体积小可以在室内和狭窄地区使用。

牵引式高空作业平台的臂型结构与车载式类似，作业范围广、配合牵引车可

以长距离连续使用，由于体积较大适合在相对空旷的环境下作业。底盘结构分为

支腿型和无支腿型2种，支腿型的整机质量相对较小，无支腿型则需要在底盘上

增加一定数量的配重，所以整机重量大。底盘结构比自行式高空作业车简单，无

发动机和自动转功能。

由于高空作业设备向着功能全，作业范围大、起升高度高、载重量大的趋势

发展，因此我这次毕业设计是设计高空作业车的工作装置。

1.4高空作业车组成

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：

1.4.1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。

1.4.2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。

1.4.3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。

1.4.4控制系统

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。

第2章高空作业车方案的确定

2.1动力传动的方案确定

动力传动装置包括高空作业车各工作装置的动力传动部分，其要求有：对作

业功能，在规定的载荷范围内，不论载荷大小，要求动力传动装置具有稳定的工

作转速。在同一作业循环内，工作装置的回转机构、举升机构等是正向和逆向运

动交替进行的。因此，要求能适应运动方向的不断改变。在作业过程中，各工作

装置的工作速度应能随作业进度及时调整，且调速范围大，如举升机构需要有很

低的微动速度。

动力传动有以下几种型式：

①内然机——机械传动

这种传动方式仅在用途单一的高空作业车上使用，如用于电力设施维修的垂

直升降式高空作业车多采用这种型式。动力源为汽车发动机，动力经变速器传出

后，还要经分动器、离合器、减速器、卷扬机、滑轮以及钢丝绳等传递到工作装

置，传动路线长，结构较复杂。

②电力——机械传动

这种传动方式是利用外接电源或车载电源（蓄电池），通过电动机将电能转变

成机械能，再经机械传动装置将动力传递到各工作装置。由于电动机具有可逆转

性和在较大转速范围内实现无级调速等特点，并且各机构可由独立的电机驱动，

简化了传动和操纵机构，而且噪声小、污染少，适用在外接电源方便或流动性不

大的场地作业。

③内燃机——电力传动

这种传动力方式的路线是汽车发动机一发电机一电动机，然后带动各工作装

置运转。其优点是利用直流电动机的优良工作特性，使高空作业车获得好的作业

性能。但这套传动装置质量较大，价格昂贵。

④内燃机——液压传动

大部分高空作业车都采用这种传动方式，它可充分利用液压传动的优点，简

化传动结构，并且易于实现无级调速和运动方向的变换，传动平稳、操作简单、

方便、省力、能防止过载。液压传动的动力来自汽车发动机变速器通过取力器所

输出的动力，也有通过分动器的。通用汽车底盘汽车变速器有左取力口、右取力

口和上取力口。高空作业车根据选用汽车底盘的取力口来安装取力器。取力器有

手动与气动两种操控方式。取力器及油泵、连接座、传动轴组成取力装置。

取力装置如图2-1所示。

8

2-1取力装置

综上所述，我采用内燃机——液压传动的动力传动方案。

2.2底盘确定

我们采用的是EQU01GLJ2底盘，取力器的离合采用推拉软轴控制。工作机

构手柄分布在驾驶室。具体参数见表2-1。

表2T本系统高空作业车底盘参数

项目单位参数

底盘型号EQ1101GLJ2

总质量4100

额定载质量kg420

整备质量3485

车辆长宽高6700X1500X2550

mm

轴距3360

接近角/离去角o23/14

发动机东风康明斯柴油环保发动机EQB160-20

排量/功率ml/PS3298/80

最高车速km/h80

2.3举升机构的方案确定

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、上臂

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。

上臂式高空作业车工作臂之间的连接全部采用较接型式，所以国外又把它叫

做较接式高空作业车。上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，并且使设计过程复

杂化。

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钱接，也有伸缩，是上臂式和伸缩臂式

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。

根据以上叙述，由于我设计的高空作业车作业高度不高，因此，我采用上臂

式的举升机构。

2.4回转机构的方案确定

高空作业车的转台可绕回转中心作360。全周回转。机架是斗臂式高空作业

车必不可少的重要总成（一般台架式高空作业车都不需回转）。转台上面连接工作

臂、举升机构、工作斗、工作斗平衡机构，通过液压传动，将人和物举送到高空

作业车工作空间范围内的任何位置；下面通过回转支承，使高空作业车的上车与

下车以滚动支承形式连接起来。将上车重量及工作载荷传递到副车架，进而到汽

车底盘的底架上。转台上安装有回转机构。回转机构由液压马达、回转减速器、

回转支承构成。高空作业车回转机构的工作速度必须很慢，所以它的传动比要大,

回转机构的作用就是低速回转并增大转矩。

回转减速器较常用的有三种形式：

①蜗轮蜗杆减速器

这种传动方式有较大的传动比，成本低，传动稳定，但传动效率低，使用寿

命短。

②摆线针轮减速器

这种传动方式为少齿差行星减速，传动比较大，传动效率较高，结构紧凑,

体积小，自重轻，成本较高，使用寿命较长。

③两级行星减速器

这种传动方式传动比大，传动效率高，结构亦紧凑，体积亦小，但成本高。

回转减速器输出小齿轮下置，与回转支承齿圈啮合，从而带动转台回转。

回转支承是高空作业车承上启下的大型滚动轴承。它的作用是连接与支承,

可承受高空作业车工作的全部载荷：上车的自重，举升载荷产生的力矩，风载荷

和回转惯性力等，承受轴向、径向和倾翻力矩。

回转支承有多种结构形式：单、双排滚球式，单、双排交叉滚柱式，单、多

排滚球/滚柱式等；两种传动方式：外齿啮合和内齿啮合。

滚球式的滚动体是钢球，为四点线接触，结构紧凑，重量轻，允许安装中存

在适当的误差。

交叉滚柱式的滚动体是圆柱形的滚柱，交叉90。排列，为面接触，结构紧

凑，重量轻，且寿命长，承载能力大，但需要较高的安装精度和座圈刚度。

滚球式和滚校式回转交承如图2-2所示。

(a)滚球式

(b)滚珠式

图2-2滚球式和滚珠式回转支承

考虑到设计要求，本系统采用行星减速器加上单排滚球式外啮合的回转支

承。

2.5作业平台及调平机构的方案确定

高空作业车的工作平台用于承载人和物，它主要由底板和防护栏杆构成。底

板下有L形托架，并在相应部位装设了连接座，以与工作臂较接。有的开设了可

朝内开的门或挡杆、档链及踏脚，方便人员进出。工作平台一般采用普通管材、

型材制作，或采用铝合金管材、型材，减轻工作平台自重，增加有效载荷。具有

绝缘性能的工作平台选用高绝缘材料玻璃钢、增强塑料，往往将防护栏杆换成全

周封闭的围板，就像一个无盖的箱笼。工作平台的构件具有可靠的强度和刚度，

底板必须是防滑的，装置保证平台上人员的人身安全。

高空作业车的工作斗（平台）在空间运动的轨迹是曲线，为了始终保持工作斗

（平台）的承载面与地面平行，配置了工作斗（平台）平衡机构。台架式高空作业车

的工作平台在空间运动时基本是垂直升降，所以不必配置平衡机构。

高空作业车的工作斗平衡机构主要有以下几种：

①自重调平机构

如图2-3自重调平机构，其原理是将作业臂的顶端与作业平台质心铅垂线上

的一点钱接，这样使工作臂无论作什么运动、作业平台始终处于铅垂状态，其底

平面能保持水平位置。但是这种机构在举力过程中由于惯性力的作用及作业人员

的质心不能与作业平台的质心完全重合、使作业平台出现偏移和偏摆，减少了安

全感，这种机构已很少采用。

3-上平行四边形4-工作平台

图2-3自重调平机构示意图图2-4平行四连杆调平机构示意图

②平行四连杆调平机构

平行四连杆调平机构由一组或多组平行四边形连杆机构组成，原理见图

2-4,调平机构一端与工作平台4相连，另一端与回转台1连接，上平行四边形

3和下平行四边形2相连处的短边固联在一起，利用平行四边形在变形过程中两

组对边始终分别保持平行的原理，无论上臂如何升降，工作平台始终保持水平状

态。其调平过程是连续的，具有调平可靠、同步性好的特点。缺点是平行四连杆

机构只能在臂杆外侧布置，结构不紧凑，由于平行四连杆的限制，臂杆之间的工

作角度范围小于180°。

③静液压调平机构

静液压调平也称为液压伺服液压缸调平，如图2-5所示，主体部分由两只结

构尺寸完全相同的调平液压缸I和调平液压缸n组成。两根液压缸的无杆腔与无

杆腔相连，有杆腔与有杆腔相连，能保证一只液压缸伸长（缩短）一定长度，另一

只液压缸缩短（伸长）相同的长度。调平液压缸I连接在回转台1与臂杆2之间，

调平液压缸II连接在臂杆2与工作平台3之间。当臂杆变幅时，调平液压缸I

长度发生改变，与工作平台相连的调平液压缸n发生相反方向的长度改变。调平

液压缸I伸长一段距离，/ABC增加；调平液压缸n缩短相同的距离，NA'B'C'

减少。合理设计AABC和AA'B'C'的边长，AA'B'C'减少的角度约等于AABC增

加的角度，从而使工作平台保持水平。两只调平液压缸组成闭环系统，不受外部

系统的影响，为防止密封和接头处泄漏影响工作平台的调平性能，需在系统中安

装补油装置。这种调平机构具有结构简单、成本低、精度高的特点，适用于伸缩

臂式高空作业车。但存在滞后现象，且滞后现象随着高度的增加而更加明显。

回转台2-臂杆3-工作平台4-调平液压缸5-有杆腔连接油路6-无杆腔连接

油路7-调平液压缸II

图2-5静液压式调平机构示意图

④电液自动调平机构

如图2-6所示，电液自动调平机构主要部件包括水平传感器4、调平油缸1

和电磁换向阀6。其中水平传感器4安装在工作平台3上，当工作平台处于水平

状态时，水平传感器输出电流为零，当工作平台发生倾斜时，水平传感器产生控

制电流，电流的大小不随工作平台的倾斜角度变化而改变。根据工作平台倾斜方

向的不同，控制电流进入电磁换向阀6的2个电磁线圈中的1个，使电磁换向阀

工作，调平油缸1伸长或缩短，最终使工作平台趋于水平。调平是不连续的，适

用于上臂式和伸缩臂式高空作业车。

1-调平油缸2-臂杆3-工作平台4-水平传感器5-液压锁6-电磁换向阀

图2-6电液自动调平机构示意图

从高空作业车向自动化的方向发展角度看，我采用电液调平机构。

第3章高空作业车工作装置的设计

3.1回转机构的设计

高空作业车回转支承装置设计为01系列OIL30.560型单排滚球外齿式轴承

支承转盘，转盘外座圈设有内齿圈，通过螺栓与回转平台法兰连接，转盘内座圈

未剖分式，通过螺栓固定在底架的支承圆盘上。

命2

图3-1回转支承结构示意图(OIL30.560)

所采用的单排滚球式轴承为四点接触球式轴承，其回转支承的受力与高空作

业车工况有关，强度计算应取最大当量负荷工况为计算工况。

取典型的作业工况作为当量负荷°，的计算工况：该典型计算工况即高空作

业车处于最高作业位置时的受力情况,如图3-2所示。

图3-2回转支承当量负荷计算工况

3.1.1回转支承当量负荷的计算

对单排四点接触球式回转支承，其当量负荷g由下式求出：

Cd=GP+5M/Do+2.5Hp(N)(3-1)

式中：Do——滚道中心直径，4=0.560m；

Gp——作用在回转支承上的总轴向力，单位(N)

M——作用在回转支承上的总倾覆力矩，单位(N.m)

Hp——在总倾覆力矩M作用平面内的总径向力，

如图3-1所示，取回转支承上部为脱离体，对回转支承中心0点取矩，则

M=+G,r,+G3r3-G4r4+G5r5-G6r6)(N.m)(3-2)

沿回转中心轴线方向的合力G0为：

GP=k(Gx+G2+G3+G4+G5+G6)(N)(3-3)

式中：G-G6—分别为下臂油缸、下臂、上臂油缸、作业斗及人、上臂和

调平油缸重量，单位(N)

6〜%——分别G]〜Gf为对回转中心0取矩的力臂，单位(m)

k——回转支承工作条件系数，取k=l.4o

以上重力或挖掘阻力与相应的力臂列表如下：

表3.1重力与力臂相应列表

作用力

G)G3G4G5G6

N

300980030020009400180

力臂

rlr2r3qr5%

m

0.10.630.950.80.460.14

将上述已知参数分别代入(3-1)式、(3-2)式、(3-3)式，即可分别求出M、

Gp和CJ

4

M=k(G[t\+G2G+G3r3-G4r4+G5r5-G6r6)=1.286X10A^*;M

4

GP=k(Gv+G2++G4+G5+G6)=3.077x10

5

当量负荷Q为：Cd=Gp+5M/Do+2.5Hp=1.456xl0^

3.1.2回转支承与转台骨架之间螺栓组的强度校核

由于此处为螺栓组联接，因此必须按螺栓组受力情况来计算。

螺栓个数为Z=10,

螺栓直径。=16mm

所用材料⑸]=3.7x108

所受的倾覆力矩为"=1.286xlO42V*/n

螺栓组呈圆形分布，其分布圆直径为626mm

校核所受的倾覆力矩

螺栓中受力最大的螺栓所受的力

10x0.313

螺栓所受的应力为:

因为所以满足要求。

3.1.3回转支承负荷能力计算

由于高空作业车的回转支承是低速回转支承，故不考虑滚动和滚道抗疲劳裂

纹的负荷能力，而只校核其回转支承静容量负荷能力。

对单排四点接触球式回转支承，其静容量孰〃按下式计算：

3

COa=f^^ZSinaxlO(N)(3-4)

式中f0——静容量系数(Kgf/m?)取f0=3.5Kgf/m"滚道表面硬度为HRC=55)

dQ----滚动体直径(mm),dQ=25mm

Z——滚动体总数，Z=77

a----滚动体与滚道的接触角，a=45°

由(3-4)式可算出回转支承静容量负荷能力Co”：

23234

COfl=/o^oZSm«xlO=3.5xO.25x77xSm45°xlO=1.19X10A^

计算结果表明：cd<cOa滚动轴承式回转支承承载能力足够

3.1.4回转齿轮强度校核

转台回转齿轮为开式齿轮，且传动比大，转速低，显然其主要破坏形式为疲

劳弯曲破坏，故只需对驱动小齿轮做弯曲强度验算。

直齿圆柱齿轮齿根弯曲应力计算公式，计算最大弯曲应根据力2max即：

式中：Pv运转中在分度圆上出现的最大圆周啮合力(KN)

^L=2xl-5=50KN

Pu=

mZ0.005x12

式中：Mu一油马达驱动机构的额定输出扭矩，Mv=l.5KN.m

m--齿轮模数，m=5mm

Z——小齿轮齿数，Z=12

q—齿形系数。根据变位系数X=+0.15,齿数Z=12,由曲线图查

得q=3

b----齿宽,b=45mm

e----影响载荷系数，取e=l.25

将上述参数代入（3-5）式得:

M_/^gxlQ3

=533MPa

maxWbme

齿根疲劳极限应力而加,由下式求出：

YnYx/YsrS

^Flin=^FlinbFmin（MPa）（3一6）

式中YN——寿命系数，有寿命系数图查的：YN=1.9

右——尺寸系数，由尺寸系数图查得：及=1

Ysr---相对应力集中系数，由系数图查得：Ysr=0.88

SFmm—弯曲强度最小安全系数，由表查得：Sfmin=1.5

由（3-6）式计算得：

dFIin=525XI.9X1/0.88X1.5=755.67MPa

计算结果表明：5Fmm<5Flin,齿根抗弯强度足够。

3.2举升机构的设计

本系统的举升机构是由两个动臂组成，即下臂和上臂。下臂的下端钱接在回

转台上，由下臂液压缸驱动；上臂的下端与下臂的上端钱接，由上臂液压缸驱动;

上臂的一端与作业斗较接，且其上还有一个调平油缸，使作业斗保持水平。

3.2.1确定下臂和上臂的长度

本系统的举升机构在铅垂平面内的运动范围为：下臂相对于回转台为0

-80°；上臂相对于下臂为0°-100°o

图3-3上下臂简图

本系统的高空作业车最大作业高度要达到IL5m,由于回转台校点到地面的

距离有1.5m,因此下臂和上臂能举起10m就可以了。

据图3-3有：h=L1s加80°+L2Sml00°=10

考虑到上臂末端须安装作业斗，且参考同类产品，可得：

L]+0.85=L2

由上两式可得：下臂长度4=5.4根上臂长度右=6.25机

3.2.2确定上臂上的钱点

图3-4求上臂钱点简图

考虑到安装位置以及能使高空作业车伸到最高，取伉=0.6m。具体计算中

F可以看成在DE的延长线上，贝小lEF-=lED+lDF

图3-4中EF表示上臂油缸，虚线表示油缸能把上臂推到的极限位置，根据

油缸的行程规律可知：2（心-0.5）=lDF.

根据三角形的余弦定理可得：

产,72一/2

cosNFED=cos100=助—

211

^EF'^ED

由以上三式可解得：油缸在上臂上的距离心=1-8优。

3.2.3确定下臂上的钱点

实际中高空作业车的回转台总比车头矮一些，因此，下臂缩回时不可能

保持水平，本系统取下臂缩回时与水平面成3。。而回转台上的上臂油缸的钱点

位置一般在下臂钱点下方45°的方向上，参考同类产品并考虑安装的尺寸要求

取-0.615mo

V

图3-5中BC表示下臂油缸，虚线表示油缸能把下臂推到的极限位置，根

据油缸的行程规律可知：

2QBC-0.5）=lBC-

根据三角形的余弦定理可得以下两式：

]2+产―/2

cosZCAB=cos125=化回资

21I

^bAC'bAB

由以上三式可解得：油缸在下臂上的距离/=0.5mo

3.2.4下臂和上臂的主要尺寸和结构

下臂和上臂为主要受力构件，受弯曲和拉压联合作用。为获得较大的强度和

刚度，一般采用薄壁箱形结构。16皿是低合金结构钢，它具有良好的综合力学性

能、焊接性能良好。本系统臂架采用四块16Mn钢板对接而成，如图3-6所示。

为使主受弯截面获得较高的抗弯截面模量，可加布上、下加强筋板，获得渐近的

图3-6上下臂截面图

初步设计下臂的截面尺寸为：bxhxt=250mmx250mmx20mm。

考虑到上臂与下臂的安装要求，设计上臂的截面尺寸为：

bxhxt=210mmx210mmx20mm。

16Mn钢[b]=410MPa

上下臂的具体结构如图3-7和3-8所示：

O

图3-7上臂结构

oo

图3-8下臂结构

3.2.5上臂和下臂的受力分析及强度校核

此两臂主要受三种力：支反力、油缸给的反力、重力。在进行两臂的强度校

核时,必须先找到其受力情况最恶劣的位置进行受力分析。当下臂处于最大角度

且上臂处于水平位置时，两臂的受力状况最恶劣。如图3-9。

（1）先分析上臂

分析时需对上臂进行简化为力学模型如图3-10,从图中可以看出上臂受弯

矩和拉伸的组合变形。

G1=9400NG2=21B0N

图3-10上臂力学模型

根据三角形的正弦定理先求出。：

sinasin(180-100-a)

解得：a=22。

求F：

据=0,1.8sinab-3.125G「6.25G2=0

可得：F=63771N

求0点支点反力：

;

据£4=0,7Sy+sinaF-G1-G2=0

可得：FR,=-12309N

据£工=0,孑取+cosaF=Q

可得：=591272V

根据支点反力可以画出弯矩图和轴力图：

6812.5N.rn

22156N.m

图3-11弯矩图

图3-12轴力图

从图3-11和图3-12可知，在C截面上臂受力最大，须选择C截面进行强度

校核:

C截面的抗弯截面系数:

BH3—b廿0.21x0.2F—0.19x0.193

印==5.09x10"m3

6H-6x0.21

C截面的面积:

A=-/?/?=0.21x0.21-0.19x0.19=0.008/

C截面的最大应力:

59127221566

°max------1--------T=50.9x10P=5Q.9MPa

AW0.0085.09x10-4a

<Tmax<[a],因此，上臂的强度符合要求。

（2）再分析下臂

分析时需对上臂进行简化为力学模型如下图，从图中可以看出上臂受弯矩和

拉伸的组合变形。

〃/〃/

图3-13下臂力学模型图

为了方便画弯矩图和轴力图还须将图3-13旋转为水平状态，如下图:

0.615_1.5

sinb-sin(180-80-b)

解得：Z?=15°

求综:

据£见=0，

-5.4sin80°F&+2.7sinlO°G3+5.4sinlO°F\y+4.8cos12°歹'—1.5sinbFo=O

可得：1=—56590N

求A点支点反力：

据£4=0，

vV

FAy+sinbF0-sin10℃3+cos10°F/?x-sin10°F\y-cos12°F=0

可得：/力=18360"

据£工=0，

FAr-cosbF0+cosl0℃3+sin10°F\A+cos1Q°F'Ry+sin12°F'=0

可得：FAX=-757162V

根据支点反力可以画出弯矩图和轴力图：

图3-15弯矩图

图3-16轴力图

从图3-15和图3-16可知，B、C、D截面下臂受力都较大，须分别求出B、C、

D截面的应力，取较大值进行强度校核：

B、C、D截面的抗弯截面系数：

BH^—blf0.25x0.253-0.21x0.2F=13.1x10^^3

-6H-6x0.25

B、C、D截面的面积:

A=BH—bh=0.25x0.25-0.21x0.21=0.0184/

B截面的最大应力：

FM2105431996-s

(y=--B1----B=-------1--------——25.6x1i0nPn—25.6A^Pa

1R1AW0.018413.lxlO-4"

C截面的最大应力：

生+必=比+362214”4

AW0.018413.1x104

D截面的最大应力：

FM7571627540”，6—.“八

cr„=--n-1----n=-------1-------2T=25.1x10Prl=25.IMPa

DAW0.0184B.lxlO-4

因此，下臂的最大应力在C截面：o-max=o-c=28.3MPa

由于［司，因此，上臂的强度符合要求。

3.3调平机构的设计

作业平台电控调平系统的特点是所有环节均可设在平台上，调平机构简单，

使调平的可靠性进一步提高。特别是对于臂架结构复杂、作业高度较高的作业平

台，更能显出其优势；电控调平系统组成参见图3-17。在这一系统中，从实用的

角度出发，电液换向阀可选用开关阀或比例阀，这两种阀的抗油液污染能力较强。

本系统选用开关阀，角位移传感单元是角位移传感开关，放大器就是开关控制电

路。

勘万油豫I

图3-17电控调平系统框图

3.3.1直线角位移传感开关工作原理

图3-18所示是由微动开关组成的直线角位移传感开关示意图。在重力的作用

下，重锤使摆杆保持垂直，摆轮不动。当所测平面倾斜时，调平开关1与摆轮的

位置发生变化，使远离摆杆的调平开关动作，发出开关量电信号。改变开关在摆

轮圆周上的位置，就可以改变动作角度。重锤应有足够的重量，以保证开关可靠

动作。

「摆轮、摆杆及重锤2-调平开关3-螺栓4-销轴

图3-18直线角位移传感开关

3.3.2开关阀调平电路的设计

图3-19所示是微动开关控制的调平电路。XK1和XK2就是图2中的调平开关，

当平台向里倾斜且达到规定的角度时，XK2闭合，继电器YV2得电，开关阀“外侧”

线圈得电，随即开始调平，调平结束后，电路恢复图示状态；当平台向外侧倾斜

时亦然。若微动开关触点容量足够，可将继电器及其续流二极管省去。

图3-19作业平台（开关阀）调平电路

第4章高空作业车液压系统设计

4.1高空作业车的液压系统设计

我此次设计的高空作业车行驶部分为机械传动，其他工作机构均为液压传

动。原动机为底盘发动机。其液压系统原理如图4-1所示。该液压系统为开式变

量系统，分为油源、下车油路、上车油路三大部分。动力源为油泵排出的压力油,

可按需要分别单独给下车油路或上车油路供油。

自W

第

关

一

一

B瞬

司

Sfe司

一

比

社

利

ri部f

「调平油缸2-支腿水平油缸3-支腿垂直油缸4-液压锁5-下臂油缸6-上臂油缸

7-平衡阀8-回转马达9-梭阀10-安全阀11-上车多路阀12-双联叶片泵

13-过滤器14-溢流阀15-下车多路阀16-压力表17-三位四通电磁阀

图4-1高空作业车液压原理图

下车油路为支腿油路，由支腿操纵阀、支腿水平伸缩油缸、支腿垂直升降油

缸组成。支腿操纵阀采用一个先导式溢流阀（安全阀），一个三位六通换向阀（选

择阀、弹簧复位）和四个三位四通换向阀（操纵阀、弹簧复位）组成。泵开启，当

选择阀操纵杆处于中位时，压力油从P口进，经选择阀V口进入上车油路。支腿

动作时，首先可分别或同时操控操纵阀，操纵阀都处于下位，再操控选择阀也处

于下位，支腿水平伸缩油缸同时伸出；反之，则缩回。同理，操纵阀都处于上位，

再操控选择阀处于下位，支腿垂直升降油缸伸出；反之，则缩回。单独调整某支

腿水平伸缩油缸或支腿垂直升降油缸，只需操控其对应的操纵阀杆处于相应位

置，再操控选择阀杆即可。

支腿油路工作时，支腿伸出，应先伸出支腿水平伸缩油缸，后伸出支腿垂直

升降油缸；支腿缩回，应先收支腿垂直升降油缸，再收支腿水平伸缩油缸。支腿

伸缩完毕，选择阀杆必须回复中位。

支腿垂直升降油缸上都安装了液压锁。它能使支腿垂直升降油缸在任意位置

停留并锁紧，其结构和原理如图4-2所示。

支腿锁由阀体、两个带外伸杆的控制活塞和一对锥阀式单向阀组成。油口A、

B接通换向阀的压力油口和回油口，油口C、D接通支腿垂直升降油缸的无杆腔

和有杆腔。当操控换向阀时，压力油从B口进入支腿锁，打开左单向阀，从D

口进入支腿垂直升降油缸无杆腔，同时通过控制活塞打开右单向阀，使支腿垂直

升降泊缸有杆腔油流从C口通过A口接通回油，活塞杆伸出；反之，活塞杆缩回。

BA

图4-2液压锁

阀恢复中位时，单向阀复位，封闭油路，支腿垂直升降油缸上的载荷越大，

锁紧程度越高，可靠地防止了活塞杆自动缩回，同时也能防止高空作业车行驶或

停放时，支腿自动下落。

上车油路包括变幅、下臂伸缩、上臂伸缩回转、工作斗调平等基本油路。各

油路的供油、换向、停止都分别由对应的换向阀操控。换向阀内设溢流阀。换向

阀为手控。

变幅、下臂伸缩、上臂、上臂伸缩油路通常是由油缸来完成所规定的动作。

操控其对应的换向阀阀杆，油道连通。油泵排出的压力油打开平衡阀的单向阀进

入油缸无杆腔，使臂起、伸、折，油缸回油经另一油道流回油箱。反向操控，则

压力油进入油缸有杆腔，使臂、落、缩、叠。

变幅、伸缩、折叠油路都必须装设平衡阀。平衡阀由单向阀与溢流阀组合而

成。变幅、伸缩、折叠油缸在下降的过程中，由于载荷或白重力的作用，速度越

来越快，以致失控，为可靠地控制下降速度，必须采取限速措施，加装平衡阀。

回转油路由液压马达来执行回转工况。马达装有平衡限速、制动缓冲和补油

等综合机能的双向缓冲阀。双向缓冲阀从相反的方向并联在液压马达的进出油路

上，在制动过程中，当一侧油路过载，而另一侧油路产生负压时，相应的缓冲阀

立即打开，形成短路，使进回油路自行循环，防止了液压马达回油路压力突然升

高带来的冲击和进油路因负压产生的汽蚀现象。回转油路上还装设有梭阀，以控

制制动器的离合。

4.2上臂液压缸的设计

根据运动要求，参照《机械设计手册》表23.6-39,确定下臂液压缸为双作

用单杆活塞液压缸；按照《机械设计手册》表23.6-40,选择液压缸安装方式采

用耳环型。

当高空作业车下臂伸到最高位置，上臂处于水平位置时，上臂液压缸受最大

负载，根据上章知液压缸活塞杆上的最大外部载荷q=637712V

贝I」：/?=£