混合臂(折疊加伸縮)式高空作業(yè)平臺(tái)臂架系統(tǒng)
混合臂(折疊加伸縮)式高空作業(yè)平臺(tái)臂架系統(tǒng),混合,折疊,伸縮,高空作業(yè)平臺(tái),系統(tǒng)
臂架式高空作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)
學(xué)生
指導(dǎo)老師
大學(xué)學(xué)院
1、課題來源
高空作業(yè)平臺(tái)產(chǎn)品在國民經(jīng)濟(jì)中所占比例較小,尚沒有明確劃分產(chǎn)業(yè)分類,盡管還缺乏國際性的品牌,但已經(jīng)形成了種類齊全的高空作業(yè)平臺(tái)產(chǎn)業(yè)格局。于2008年,“十一五”國家科技支撐計(jì)劃《無腳手架安裝作業(yè)技術(shù)裝備與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)》重點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施,極大提升了高空作業(yè)平臺(tái)行業(yè)的影響力[1]。同時(shí),工業(yè)廠房的鋼結(jié)構(gòu)化,“十二五”發(fā)展規(guī)劃,向海洋進(jìn)軍的路線,造船和海洋工裝行業(yè)將進(jìn)一步快速發(fā)展,都將大力推動(dòng)高空作業(yè)平臺(tái)的發(fā)展。[2][3]
隨著中國人口紅利的減弱和通脹的加劇,加之人民幣的不斷升值,勞動(dòng)力資源的成本會(huì)越來越高。在國家大力號(hào)召企業(yè)轉(zhuǎn)型的背景下,帶動(dòng)、促進(jìn)了高空作業(yè)平臺(tái)市場(chǎng)的快速發(fā)展,同時(shí)還能夠大幅改善施工作業(yè)的安全性,并促進(jìn)施工工藝和租賃市場(chǎng)的進(jìn)步與成熟,這些特質(zhì)也就是吸引如此多企業(yè)入局的根本原因。[4]
隨著高空作業(yè)的增多,對(duì)高空作業(yè)的舒適性和安全性的要求越來越高。本課題要求運(yùn)用機(jī)械原理和液壓傳動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種臂架式高空作業(yè)平臺(tái),以滿足行業(yè)發(fā)展的需要。
本課題研究主要是針對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng),進(jìn)行一次設(shè)計(jì)演練,采用ANSYS等軟件,對(duì)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)受力情況進(jìn)行分析,利用其結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)。對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算,選擇相關(guān)元器件,進(jìn)而對(duì)動(dòng)力進(jìn)行匹配。
本設(shè)計(jì)采用設(shè)備:10米高空作業(yè)平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:
(1)、平臺(tái)最大高度(米) 10;
(2)、平臺(tái)額定載荷 (kg) 215;
(3)、平臺(tái)尺寸(米) 1.2×0.6;
2、研究目的和意義
高空作業(yè)平臺(tái)作為施工工程中較新穎而安全的輸運(yùn)設(shè)備,其計(jì)算方法和分析手段同樣是不容忽視的。但是傳統(tǒng)的計(jì)算方法和分析手段由于受限于理論和手段的匱乏,相對(duì)簡(jiǎn)單,計(jì)算結(jié)果精度較差等一系列弊病的存在。同時(shí)減輕臂架重量,用于更大的外伸范圍,以及臂架在展開后,平衡性的控制方面與國外產(chǎn)品差距還很大。針對(duì)于此,我們有必要對(duì)臂架部分及整體結(jié)構(gòu)做受力分析,確定設(shè)計(jì)高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式,即載重及受沖擊載荷后,底盤抗傾覆力矩,及臂架在相應(yīng)轉(zhuǎn)角及伸縮的極限長(zhǎng)度,以滿足高處施工的安全要求,同時(shí)使制造和使用的成本最低,達(dá)到使用價(jià)值與經(jīng)濟(jì)效益的合理優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)性價(jià)比的最大優(yōu)化。
對(duì)于本課題的研究,要求我們掌握并且熟練應(yīng)用專業(yè)知識(shí),掌握高空作業(yè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特征和工作原理,并且學(xué)會(huì)運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行受力分析,并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,達(dá)到了解高空作業(yè)平臺(tái)和掌握ANSYS有限元分析的目的。
3 、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
3.1、高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及工作原理
高空作業(yè)平臺(tái)是用來運(yùn)送操作人員和工作設(shè)備到指定高度進(jìn)行作業(yè)的特種車輛,其應(yīng)具有較高的工作可靠性、平穩(wěn)性和安全性。
高空作業(yè)平臺(tái)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、電氣設(shè)備、底盤(車架)、工作裝置及其操作等四部分組成。其工作系統(tǒng)具體包括以下幾部分:發(fā)動(dòng)機(jī)室、底盤(車架)、轉(zhuǎn)臺(tái)、前后車橋、前后車輪組、車橋操作裝置、上部操作裝置、下部操作裝置、變幅缸、臂架、作業(yè)自動(dòng)調(diào)平缸、作業(yè)臺(tái)、平衡配重等。[5]
高空作業(yè)平臺(tái)的工作原理比較簡(jiǎn)單,就是將柴油機(jī)的動(dòng)力,帶動(dòng)液壓泵,驅(qū)動(dòng)前輪液壓馬達(dá)、轉(zhuǎn)向油缸、變幅油缸、伸縮油缸和調(diào)平油缸。變幅油缸的動(dòng)作使臂架搖擺,伸縮油缸驅(qū)動(dòng)伸縮臂的進(jìn)出,自調(diào)平油缸使作業(yè)平臺(tái)始終保持水平。
臂架式高空作業(yè)平臺(tái)具有以下一些特點(diǎn):
1)、作業(yè)區(qū)域大、作業(yè)范圍大,能勝任一些復(fù)雜的工作環(huán)境。設(shè)置探照燈、手動(dòng)工具等可用于高空工程施工作業(yè)。
2)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)設(shè)計(jì)水平要求較高(CAD/CAE在設(shè)計(jì)中緊密結(jié)合應(yīng)用)。
3)、安全性和可靠性高。為了確保作業(yè)人員的生命安全,高空作業(yè)車上設(shè)置有諸多安全限位保護(hù)措施、應(yīng)急動(dòng)力源及應(yīng)急機(jī)械操作裝置,其上的安全保護(hù)系統(tǒng)可以充分保證車輛救援工作的安全。
4)、機(jī)動(dòng)靈活,轉(zhuǎn)場(chǎng)方便。高空作業(yè)車采用汽車底盤,其機(jī)動(dòng)靈活,通過性好,來去自如。可在公路上可快速行駛,轉(zhuǎn)場(chǎng)方便,能夠應(yīng)對(duì)消防險(xiǎn)情的緊急快速反應(yīng)要求。
3.2 、國內(nèi)外高空作業(yè)平臺(tái)現(xiàn)狀對(duì)比
國內(nèi)情況:我國高空作業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)于上世紀(jì) 70 年代初開始起步,根據(jù)中國工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)會(huì)員單位不完全統(tǒng)計(jì),銷量上高空作業(yè)平臺(tái)2007、2008、2009、2010年銷售量分別為3318、4045、3 820、3074臺(tái);2008年比2007年增加了727臺(tái),增長(zhǎng)率為20.92%;受金融危機(jī)影響,高空作業(yè)平臺(tái)2009年銷量比2008年減少了225臺(tái),2010年又比2009年減少了726臺(tái)[6],主要原因是國內(nèi)產(chǎn)品出口明顯減少,而國內(nèi)銷量仍然出現(xiàn)了增長(zhǎng)勢(shì)頭。行業(yè)一些骨干企業(yè)通過近幾年的技術(shù)改造,生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,形成了有各自特色的系列產(chǎn)品,各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)逐步上升,經(jīng)濟(jì)效益也逐年提高。國內(nèi)高空作業(yè)平臺(tái)行業(yè)近年來取得了較好的發(fā)展,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1)產(chǎn)品性能提高。我國高空作業(yè)機(jī)械行業(yè)的一些骨干企業(yè)利用自已的技術(shù)和設(shè)備優(yōu)勢(shì),通過學(xué)習(xí)、引進(jìn)和消化國外先進(jìn)技術(shù)開發(fā)了許多新產(chǎn)品,其產(chǎn)品的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量都不斷提高,達(dá)到和接近了國際同類產(chǎn)品的水平,推動(dòng)了高空作業(yè)機(jī)械行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,在國內(nèi)市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)、市場(chǎng)銷路好,產(chǎn)量增加較快。
(2)產(chǎn)品市場(chǎng)占有率進(jìn)一步擴(kuò)大。一些企業(yè)利用自身的優(yōu)勢(shì),在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上增加品種和更新一些基礎(chǔ)部件,不斷加大新產(chǎn)品的開發(fā)力度,走企業(yè)橫向聯(lián)合多種經(jīng)營的綜合開發(fā)道路,不但使企業(yè)自身的生產(chǎn)和銷售步入了良性循環(huán)軌道,還帶動(dòng)了附屬企業(yè)和國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的銷售發(fā)展
(3)新產(chǎn)品的開發(fā)推動(dòng)了行業(yè)技術(shù),利用自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和設(shè)備優(yōu)勢(shì),開發(fā)了許多本行業(yè)產(chǎn)品,推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。[7]
國外情況:發(fā)達(dá)國家由于其城市化進(jìn)程完成早,城市建設(shè)作業(yè)機(jī)械品種規(guī)格繁多,已形成一個(gè)非常大的行業(yè),并且成立了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(TC214),正致力于擴(kuò)大作業(yè)范圍,滿足不同作業(yè)的需要。工業(yè)發(fā)達(dá)國家,一般都有專門的跨國公司和集團(tuán)主營和兼營高空作業(yè)機(jī)械,如美國 JLG 公司、GROVE 公司(格魯夫)、SIMON 公司 (西蒙 )、芬蘭 BRONTO 公司 (博浪濤 )、日本的多田野和愛知株式會(huì)社等。為了滿足實(shí)際工程的需要,高空作業(yè)平臺(tái)的作業(yè)高度越來越高,隨之作業(yè)半徑也越來越大,如西蒙公司 S600 高度已達(dá) 62m,芬蘭 BRONTO 公司產(chǎn)品最高已達(dá) 72m,高空作業(yè)平臺(tái)的控制系統(tǒng)均采用微機(jī)進(jìn)行操作,自動(dòng)化程度不斷提高。如 GENIE(吉尼公司)的自行直臂式高空作業(yè)平臺(tái)、自行曲臂式高空作業(yè)平臺(tái)、自行剪型高空作業(yè)平臺(tái),由于采用自動(dòng)化控制,高空作業(yè)的微動(dòng)性能好,定位也越來越準(zhǔn)確。2008 年杭州市公安消防局從芬蘭進(jìn)口一輛 101 米高世界最高用于消防滅火的高空作業(yè)平臺(tái),其操作很方便系統(tǒng)很智能,上升下降十分平穩(wěn),這輛車采用電腦控制,在車底部可以操作,在登高臺(tái)上也能操作,比較方便,這輛車還特別智能,比如風(fēng)速超過 12.5 米/秒或遇到路面不平整等危險(xiǎn)情況時(shí),電腦將限制曲臂往上(外)升,只能往回縮,以保證救援人員的安全。[8] [9]
20世紀(jì)末,高空作業(yè)車國外巨頭陸續(xù)進(jìn)入中國;2008年開始,又紛紛在華設(shè)廠,加大投資。顯而易見,外企業(yè)普遍看好未來中國高空作業(yè)車市場(chǎng)。[10]
在我國,高空作業(yè)平臺(tái)的應(yīng)用領(lǐng)域已在逐漸擴(kuò)展,但與發(fā)達(dá)國家相比使用的范圍還比較窄,使用比較多的有路燈、交警、園林等行業(yè),而在高空作業(yè)平臺(tái)大有發(fā)展前途的電力、電信及有線電視系統(tǒng)使用較少。這主要是現(xiàn)有高空作業(yè)平臺(tái)的性能及技術(shù)參數(shù)還不能完全滿足三大系統(tǒng)使用的要求。我國船舶行業(yè)對(duì)輪胎液控自行式高空作業(yè)平臺(tái)的需求量很大;建筑行業(yè)對(duì)履帶自行式高空作業(yè)平臺(tái)也將會(huì)產(chǎn)生需求;室內(nèi)裝飾、維修、清洗行業(yè)大量需要電機(jī)自行式的高空作業(yè)平臺(tái)。目前國內(nèi)能生產(chǎn)液控自行式的廠家只有一二家,且產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān),因此造、修船行業(yè)大多數(shù)用的是進(jìn)口產(chǎn)品。國內(nèi)生產(chǎn)制造的高空作業(yè)平臺(tái)同國外同類型產(chǎn)品相比仍有較大差距,主要表現(xiàn)為技術(shù)含量低、結(jié)構(gòu)笨重、大型的較少、整機(jī)可靠性差、產(chǎn)品比較傳統(tǒng)、作業(yè)時(shí)微動(dòng)性能差、創(chuàng)新力不強(qiáng)、自動(dòng)化技術(shù)與電子控制技術(shù)應(yīng)用落后等問題。[11] [12]
目前國內(nèi)高空作業(yè)平臺(tái)生產(chǎn)廠家主要有:京城重工、徐州海倫哲、北京建研機(jī)械科技、杭州愛知、北方交通、星邦重工、鼎力機(jī)械、孚曼機(jī)械、運(yùn)想重工、徐工集團(tuán)、山推機(jī)械等,產(chǎn)品已基本形成系列化,能滿足國內(nèi)不同的施工要求。[13]
3.3、國產(chǎn)高空作業(yè)平臺(tái)與國際先進(jìn)水平的比較
近幾年,國外工程機(jī)械行業(yè)以信息技術(shù)為先導(dǎo),在發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒與電控、液壓控制系統(tǒng)、自動(dòng)操縱、可視化駕駛、精確定位與作業(yè)、故障診斷與監(jiān)控、節(jié)能與環(huán)保等方面進(jìn)行了大量的研究,開發(fā)出許多新結(jié)構(gòu)(或系統(tǒng))和新產(chǎn)品,提高了工程機(jī)械的科技含量。
1)動(dòng)力電子控制/管理系統(tǒng),根據(jù)傳動(dòng)裝置及液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài),自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率,以滿足不同作業(yè)工況的需要,提高燃料的經(jīng)濟(jì)性。
2)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng),當(dāng)行走機(jī)械處于非作業(yè)工況時(shí),自動(dòng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,減少燃料消耗及發(fā)動(dòng)機(jī)噪音。
3)關(guān)鍵信息顯示管理系統(tǒng),采用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù),在辦公室的控制中心實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的作業(yè)狀態(tài),據(jù)此向操作者提供基于文字提示的精確的故障診斷信息。
4)負(fù)載感應(yīng)變速系統(tǒng),根據(jù)負(fù)載狀態(tài),自動(dòng)調(diào)節(jié)車速及發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪扭矩,實(shí)現(xiàn)高速、小扭矩或低速、大扭矩的動(dòng)力輸出。
5)計(jì)算機(jī)故障診斷系統(tǒng),通過控制面板上的指示燈、聽覺與視覺相結(jié)合的報(bào)警信號(hào),提醒操作者可能潛在的故障隱患。這樣,操作者只管全神貫注地工作而無需不斷查看儀表讀數(shù)。
6)負(fù)載自動(dòng)穩(wěn)定器,將一對(duì)鋼膜氮?dú)庑钅芷靼惭b在前車架中,與工作裝置液壓系統(tǒng)聯(lián)通。當(dāng)作業(yè)或低速行駛時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)斷開;當(dāng)車速超過設(shè)計(jì)值時(shí),由電子速度開關(guān)控制的電磁閥自動(dòng)開啟,蓄能器吸收工作裝置液壓系統(tǒng)的振動(dòng)與沖擊載荷,提高了操作的穩(wěn)定性、安全性和舒適性。
7)計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng),連續(xù)監(jiān)控管理產(chǎn)品的數(shù)十項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù),在遇到突發(fā)或緊急情況時(shí),很容易通過液晶儀表顯示、聽覺與視覺相結(jié)合發(fā)出警信號(hào),提醒操作人員注意。
8)自動(dòng)稱量系統(tǒng),自動(dòng)稱量并顯示載荷的凈質(zhì)量,超過設(shè)定值時(shí),將限制其它誤動(dòng)作發(fā)生。[14] [15]
國外先進(jìn)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)集中體現(xiàn)在廣泛應(yīng)用微電子技術(shù)與信息技術(shù)上;采用單一吸聲材料、噪聲抑制方法等消除或降低機(jī)器噪音;通過不斷改進(jìn)電噴裝置,進(jìn)一步降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放量;研制無污染、經(jīng)濟(jì)型、環(huán)保型的動(dòng)力裝置;提高液壓元件、傳感元件和控制元件的可靠性與靈敏性,提高整機(jī)的機(jī)—電—信一體化水平;在控制系統(tǒng)方面,廣泛采用電子監(jiān)控和自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、載荷自動(dòng)稱量裝置等。在產(chǎn)品的電子化與信息化問題上,行業(yè)企業(yè)需要做不懈的努力。今后幾年我國高空作業(yè)平臺(tái)行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品將向自動(dòng)化、智能化、信息化,向成套化、系統(tǒng)化和規(guī)模化、系列化發(fā)展。[16] [17]
參 考 文 獻(xiàn)
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4、研究的主要內(nèi)容及設(shè)計(jì)成果的應(yīng)用價(jià)值
4.1、主要研究?jī)?nèi)容
1)、熟悉高空作業(yè)平臺(tái)的工作原理與設(shè)計(jì)思路。
2)、分析比較,選擇合理方案。
3)、運(yùn)用機(jī)械原理、理論力學(xué)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。
4)、利用結(jié)構(gòu)力學(xué),進(jìn)行臂架具體計(jì)算和驗(yàn)算。
5)、針對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)重要結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行CAD建模。
6)、找出臂架、底盤等幾處重點(diǎn)連接部位,并了解和掌握設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)形式以及他在整個(gè)體系中所處的地位和作用。
7)、學(xué)有余力,深入了解液壓的相關(guān)知識(shí),并能夠應(yīng)用于此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。
8)、使用ANSYS分析軟件對(duì)模型進(jìn)行有限元分析,對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行適當(dāng)有限元簡(jiǎn)化,在對(duì)模型施加載荷的情況下,分析它在使用情況下對(duì)整機(jī)的力學(xué)特性的影響,及重要機(jī)構(gòu)部件的受力特性。
9)、根據(jù)分析結(jié)果,分析它在實(shí)際設(shè)計(jì)制造中合理的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,了解高空作業(yè)平臺(tái)工作原理及結(jié)構(gòu)
分析比較、選擇合理方案
行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理
運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
結(jié)構(gòu)力學(xué)分析
確定結(jié)構(gòu)形式
出圖
反饋
4.2、技術(shù)路線
4.3、設(shè)計(jì)成果的應(yīng)用價(jià)值
國內(nèi)高空作業(yè)平臺(tái)飛速發(fā)展,其中臂架類起重技術(shù)發(fā)展目標(biāo)將使起重臂伸得更快、吊的更高、吊重更大。混合臂式的高空作業(yè)平臺(tái)其多節(jié)懸臂伸出總長(zhǎng)度一般在十米以上,在各種復(fù)雜的工況下工作,其工作臂要完成各種動(dòng)作,除了機(jī)器本身的自重和作用反力之外,還有吊欄中傳來的沖擊載荷以及運(yùn)動(dòng)載荷,要保證這種大型機(jī)器的正常工作,各構(gòu)件的強(qiáng)度以及工作穩(wěn)定性成為首要關(guān)心的問題。與一般的起重運(yùn)輸機(jī)械相比,高空作業(yè)平臺(tái)雖然載重量要小得多,但作為高空載人作業(yè)設(shè)備,應(yīng)具有更高的安全性和可靠性,因此,有必要不斷深入地探討計(jì)算機(jī)建模、計(jì)算與仿真方法,將 CAD、CAE技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)中,提高設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)際情況的符合度,提高預(yù)測(cè)對(duì)象工作能力的準(zhǔn)確性,提高國內(nèi)高空作業(yè)平臺(tái)自主設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)水平。
5、工作的主要階段、進(jìn)度
為了更好的完成本設(shè)計(jì)的所有成果,現(xiàn)將所有工作分為以下幾個(gè)階段,時(shí)間進(jìn)度嚴(yán)格按照下表進(jìn)行。
表1-3畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度安排表
起止日期
要求完成的內(nèi)容及質(zhì)量
2011年11月25日至2012年5月25日
完成課題的起止總時(shí)間
2011年11月24日
下達(dá)任務(wù)書,學(xué)習(xí)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)要求及有關(guān)規(guī)定。
2011年11月26日至
2012年2月13日
閱讀關(guān)于高空作業(yè)平臺(tái)的參考資料及文獻(xiàn),整理收集資料,完成開題報(bào)告(含文獻(xiàn)綜述)和外文翻譯,學(xué)習(xí)ANSYS軟件;掌握高空作業(yè)平臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)和工作原理。
2012年2月13日至2月24日
畢業(yè)實(shí)習(xí),撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告
2012年2月27日至3月10日
進(jìn)一步學(xué)習(xí)ANSYS軟件,基本掌握ANSYS建模方法,學(xué)會(huì)應(yīng)用軟件進(jìn)行受力分析;進(jìn)一步學(xué)習(xí)關(guān)于高空作業(yè)平臺(tái)的相關(guān)知識(shí)。
2012年3月11日至3月31日
根據(jù)初步模型方案來確定高空作業(yè)平臺(tái)的參數(shù),對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,并校核。同時(shí)完成對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)三維結(jié)構(gòu)的建模。
2012年4月1日至4月22日
對(duì)建模的高空作業(yè)平臺(tái)模型進(jìn)行受力分析,并進(jìn)行分析檢測(cè),解決分析過程中出現(xiàn)的各種問題,并不斷優(yōu)化,達(dá)到合理設(shè)計(jì)與受力分析的優(yōu)化。
2012年4月23日至5月13日
整理資料,撰寫、修改畢業(yè)論文。
2012年5月14日至5月25日
整理畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)資料,完善并提交成果.
2012年5月26日至6月1日
教師批閱、評(píng)閱畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)成果。
2012年6月4日至6月7日
畢業(yè)答辯
6、最終目標(biāo)及完成時(shí)間
通過機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)方面的知識(shí),完成一臺(tái)結(jié)構(gòu)合理、用料經(jīng)濟(jì)、工作平順的高空作業(yè)平臺(tái)。
完成時(shí)間:2012年5月25日。
7、現(xiàn)有條件及必須采取的措施
現(xiàn)有PRO/E、ANSYS、AUTOCAD等軟件,利用網(wǎng)絡(luò)搜尋的高空作業(yè)平臺(tái)的資料和起重機(jī)設(shè)計(jì)理念等指導(dǎo),可以完成對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì),對(duì)整機(jī)和重要結(jié)構(gòu)受力分析,進(jìn)一步研究與優(yōu)化。高空作業(yè)平臺(tái)為輕型的施工設(shè)備,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高,工況較多,有限元建模時(shí)需要對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)臂架進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理,同時(shí)在設(shè)計(jì)中必須采取現(xiàn)場(chǎng)觀摩與理論結(jié)合的措施,對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行基于ANSYS的受力分析。
8、協(xié)助單位及要解決的主要問題
本課題的完成應(yīng)解決高空作業(yè)平臺(tái)有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)問題,同時(shí),需要得到三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院施工機(jī)械研究所等單位的大力支持和幫助。
2. 自行式高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析
2.1 高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)介紹
自行式高空作業(yè)平臺(tái)整車通常分上車、下車兩大部分。
下車通常包括發(fā)動(dòng)機(jī)(或蓄電池)、底盤(車架)、配重、前后車橋、前后車輪組、車橋操作裝置、電纜液壓輸送系統(tǒng)、下車液壓系統(tǒng)、下車電氣系統(tǒng)等。
上車包括回轉(zhuǎn)支承、轉(zhuǎn)臺(tái)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、臂架變幅系統(tǒng)、臂架總成、電纜液壓輸送系統(tǒng)、工作平臺(tái)、平臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、平臺(tái)調(diào)平系統(tǒng)、上車液壓系統(tǒng)、上車電氣系統(tǒng)、安全限位裝置等。
高空作業(yè)平臺(tái)按工作臂的型式,有四種基本型式,分別為:垂直升降式、折疊臂式、伸縮臂式和混合臂式。垂直升降式高空作業(yè)平臺(tái)的升降機(jī)構(gòu)只能在垂直方向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng),它的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,承載能力強(qiáng),但作業(yè)范圍小,作業(yè)高度低,這種結(jié)構(gòu)型式應(yīng)用比較少。折疊臂式高空作業(yè)平臺(tái)工作臂之間的連接全部采用鉸接型式,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。折疊臂高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)適合于較低作業(yè)高度的車型,如要加大作業(yè)高度,必然要增加臂長(zhǎng)或增加工作臂數(shù)量,增加臂長(zhǎng)會(huì)使作業(yè)車體積龐大,降低靈活性;增加工作臂數(shù)量會(huì)造成操作繁瑣,安全性降低;同時(shí),過多依賴于平行四邊形鉸接機(jī)構(gòu),運(yùn)動(dòng)平順性較差。伸縮臂式高空作業(yè)平臺(tái)在行駛狀態(tài)時(shí),工作臂縮回套疊,工作時(shí)伸出,可以有效增大作業(yè)高度;但因臂架筆直,無法跨障,面對(duì)復(fù)雜場(chǎng)地能力有限?;旌媳凼礁呖兆鳂I(yè)平臺(tái)同時(shí)具有折疊臂式高空作業(yè)平臺(tái)的跨障能力和折疊臂式高空作業(yè)平臺(tái)的動(dòng)作平穩(wěn)等特性,工作效率高、能滿足復(fù)雜場(chǎng)地作業(yè)要求,但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。
本文重點(diǎn)介紹混合臂式高空作業(yè)平臺(tái)。
工作機(jī)構(gòu)是為實(shí)現(xiàn)高空作業(yè)平臺(tái)不同的運(yùn)動(dòng)要求而設(shè)置的?;旌媳凼礁呖兆鳂I(yè)平臺(tái)主要?jiǎng)幼饔校盒凶摺⑾萝嚮剞D(zhuǎn)、變幅、伸縮、調(diào)平、副臂架擺動(dòng)、平臺(tái)回轉(zhuǎn)。依靠臂架總成的相應(yīng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)載人工作斗在兩個(gè)水平和垂直方向的移動(dòng);依靠平衡機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作斗和水平面之間的夾角保持不變,依靠行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移工作場(chǎng)所。
金屬結(jié)構(gòu)工作臂及工作斗調(diào)平系統(tǒng)是高空作業(yè)平臺(tái)的重要組成部分。臂架通過銷軸與轉(zhuǎn)臺(tái)部分連接,通過折疊臂伸展油缸實(shí)現(xiàn)垂直方向運(yùn)動(dòng),通過伸縮臂變幅油缸實(shí)現(xiàn)在鉛垂面上變幅,通過伸縮臂伸縮油缸實(shí)現(xiàn)平臺(tái)極軸方向運(yùn)動(dòng)。它們承受高空作業(yè)平臺(tái)的載人載荷以及作業(yè)時(shí)的各種外載荷。因此這部分是高空作業(yè)平臺(tái)安全可靠的一個(gè)重要部分,其重量通常占整機(jī)重量的三分之一以上,耗鋼量大。因此,高空作業(yè)平臺(tái)臂架結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì),對(duì)整機(jī)的安全作業(yè)和可靠性、減輕高空作業(yè)車自重,提高作業(yè)性能,節(jié)約鋼材,都有重要意義。
2.2 高空作業(yè)平臺(tái)混合臂架結(jié)構(gòu)分析
混合臂從底盤向上,依次為:下上折疊臂、基本臂、伸出臂、副臂架。
上下折疊臂采用四邊形連桿機(jī)構(gòu),下折疊臂與轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣通過兩個(gè)水平銷軸連接,上折疊臂與基本臂的端部同樣通過兩個(gè)水平銷軸連接,兩臂中間依舊水平鉸接,用一舉升油缸改變上下折疊臂架之間的夾角,實(shí)現(xiàn)折疊臂的垂直運(yùn)動(dòng)。連接液壓缸的桿件因承受較大載荷,需進(jìn)行加強(qiáng)。
兩節(jié)伸縮臂之間可以相對(duì)滑動(dòng),靠它們搭接的上下滑塊來傳遞作用力?;颈鄹颗c折疊臂端部通過水平銷軸連接,且其中部分還與變幅油缸鉸接,可實(shí)現(xiàn)工作臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。伸縮臂采用臂架伸縮油缸(臂架伸縮油缸結(jié)構(gòu)如圖2.2所示)來實(shí)現(xiàn)伸出臂相對(duì)基本臂伸縮。伸縮油缸在工作臂內(nèi)部,采用拖鏈來實(shí)現(xiàn)液壓油管和電纜與前端的工作斗操作系統(tǒng)連接。伸縮臂截面形狀為單塊板折彎焊接而成?;颈墼诟鹘g點(diǎn)處設(shè)加強(qiáng)板進(jìn)行加強(qiáng),伸出臂頭部均設(shè)置加強(qiáng)箍,保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全性。
副臂架與伸出臂端部和作業(yè)斗通過鉸接板鉸接,通過伸出臂端部與副臂架鉸點(diǎn)處的主從平衡油缸,實(shí)現(xiàn)副臂架與鉸接板相連的兩鉸孔始終垂直,通過平行四邊形杠桿機(jī)構(gòu),最終保證了工作斗的水平。
2.3 高空作業(yè)平臺(tái)混合臂架結(jié)構(gòu)分析
首先確定臂架系統(tǒng)的自由度。
對(duì)于折疊臂部分:
自由度為2,因有兩個(gè)液壓缸做原動(dòng)機(jī),所以有確定而穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。
對(duì)于伸縮臂及副臂架部分:
自由度為5,因有四個(gè)液壓缸二和一個(gè)液壓馬達(dá)做原動(dòng)機(jī),所以也有確定而穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。
由于高空作業(yè)平臺(tái)要求在所有幅度下,均可以在額定載荷下工作,因此其危險(xiǎn)工況只有可能出現(xiàn)在一種工作情況下,即:工作斗承載額定載荷,工作臂水平伸出至最大工作半徑狀態(tài),如圖所示:
本文較多地方出現(xiàn)擺動(dòng)液壓缸機(jī)構(gòu),故作詳細(xì)分析:
對(duì)擺動(dòng)液壓缸機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。如圖所示:
已知該機(jī)構(gòu)尺寸及活塞相對(duì)液壓缸3的總長(zhǎng)度、速度、加速度,求基本臂1的角位移、角速度、角加速度。
Ⅰ.位移分析
按圖中三角形各矢量的方向,有
(1)
在兩軸上分解得
(2)
由(1)(2)兩式各平方后相加,得
(3)
由(3)得
(4)
由(2)(3)得
(5)
Ⅱ.速度分析
將式(1)對(duì)時(shí)間求導(dǎo),得
(6)
由此得與有如下關(guān)系
(7)
即有:
(8)
Ⅲ.加速度分析
將式(6)對(duì)時(shí)間求導(dǎo),得
(9)
由此解得:
(10)
(11)
由式(11)(12),得
(12)
當(dāng)已知油缸運(yùn)行速度后,依據(jù)液壓油壓力取決于負(fù)載,即認(rèn)為是做勻速運(yùn)動(dòng),加速度為0,可以分析出桿件1的運(yùn)動(dòng)角加速度。從而分析出附加力矩。
對(duì)副臂架的分析:
高空作業(yè)平臺(tái)的轉(zhuǎn)臺(tái)及副臂架的鋼結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,它們己不是簡(jiǎn)單的梁結(jié)構(gòu),而是板與箱形梁的組合式結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)件不僅要考慮強(qiáng)度、剛度與整體穩(wěn)定性,更重要的是構(gòu)件局部應(yīng)力和局部穩(wěn)定性問題?,F(xiàn)有的解析計(jì)算方法已很難達(dá)到工程要求,解決它的最有效手段是有限元方法。(本文只作部分力學(xué)分析)
已知長(zhǎng)寬比,通過力三角形相似原理,分析得當(dāng)油缸長(zhǎng)度達(dá)到最大值時(shí),油缸受力最大。根據(jù)平臺(tái)基本參數(shù),副臂架在垂直平面內(nèi)可以有139°的對(duì)稱轉(zhuǎn)角。即當(dāng)與水平面有69.5°時(shí),油缸最長(zhǎng)可達(dá)1456mm。平臺(tái)自重+額定載荷=320kg,外加副臂架和擺動(dòng)油缸自重約45kg,可以推出:副臂架油缸受力為19.68KN,工作回路油壓為16MPa,根據(jù)液壓手冊(cè)選用DG型車輛用缸,缸徑40mm ,活塞桿直徑22mm,最大推力可達(dá)20.11KN,滿足使用要求。
根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品“吉尼Z30”的產(chǎn)品說明,平臺(tái)上升速度可達(dá)1.1Km/h,距離變幅鉸點(diǎn)2.1m,所以,副臂架的擺動(dòng)速度為:
根據(jù)式 (7), 且知
得:
由流量速度面積之間的關(guān)系,,根據(jù)的DG型車輛用缸面積參數(shù),得
流量為2.84L/min
副臂架和油缸重量約45kg
強(qiáng)度計(jì)算
本高空作業(yè)平臺(tái)工作臂均由高強(qiáng)度HG70高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼制造,HG70鋼屈強(qiáng)為700MPa。根據(jù)《JGT 5101-1998 臂架式高空作業(yè)平臺(tái)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)于塑性材料,其結(jié)構(gòu)安全系數(shù)n不小于2(以作計(jì)算)
其許用應(yīng)力值為:
式中,:應(yīng)力集中系數(shù)
:動(dòng)載荷系數(shù),則
箱型伸縮臂由左右兩塊薄鋼板折彎,加上上下兩塊薄鋼板拼焊而成。伸縮臂架在變幅的過程中主要承受軸向壓力(拉力)、剪切力、彎矩以及扭轉(zhuǎn)的作用。為了減輕臂架的重量,同一截面的板厚各不相同,由于箱型伸縮臂是雙向壓彎構(gòu)件,導(dǎo)致臂架下側(cè)薄鋼板更容易失效,因此選取的臂架下側(cè)鋼板比上側(cè)鋼板要厚。在箱型伸縮臂的內(nèi)部安裝有伸縮油缸,用來完成伸縮臂的伸縮,通?;颈酆蜕斐霰鄣母糠謩e固定伸縮油缸的缸桿和缸筒。各節(jié)箱型伸縮臂依靠滑塊進(jìn)行相互作用,同時(shí)依靠滑塊對(duì)箱型伸縮臂起著導(dǎo)向作用。
箱型伸縮臂有多種截面形式,每種截面都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn),根據(jù)使用性能、經(jīng)濟(jì)成本等因素應(yīng)用于不同的工況場(chǎng)合。矩形截面是最早被使用的截面形式,由于其形狀簡(jiǎn)單,因此其受力狀態(tài)較容易掌握,現(xiàn)今對(duì)于箱型伸縮臂的理論研究大體以矩形截面為基礎(chǔ),同時(shí)工藝制造方便,在滑塊的布置和附件的安放上也比較容易。由于其下翼緣板、腹板相對(duì)于其他同尺寸截面較長(zhǎng),因此其局部穩(wěn)定性較低,故矩形截面主要應(yīng)用于小噸位的起重機(jī)和大部分高空作業(yè)車產(chǎn)品中。
對(duì)伸縮臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析:
對(duì)基本臂變幅時(shí)擺動(dòng)油缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析:
其中:
從“吉尼Z30”產(chǎn)品說明中知道,伸展上升速度為1.1Km/h,當(dāng)伸出臂縮在基本臂內(nèi)?;颈厶幱谒綍r(shí),臂架會(huì)產(chǎn)生較大的角加速度。
由式(7),得:
由式(12),得:
則角加速度產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩:
假定伸縮臂自重加上其他外載荷,共重:610kg, L=3.8m
則,轉(zhuǎn)矩=14.093N.m<<外載荷。
所以,角加速度產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可以忽略。
從油缸速度,油缸受力為
對(duì)“吉尼Z30”型產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)繪,確定伸縮臂外形尺寸,如圖:
為方便計(jì)算,簡(jiǎn)化為上圖中右側(cè)的簡(jiǎn)易模型。
對(duì)伸出臂作受力分析圖:
慣性矩:
抗彎截面模量:
截面所受靜力產(chǎn)生的彎矩:
其中:Q為副臂架傳遞過來的載荷,Q=3.65Kn
L為伸出臂末端到固定于基本臂內(nèi)段的距離:L=1.5m
m為伸出臂自重,
則,伸出臂上彎曲應(yīng)力為:
應(yīng)用迭代法解的值,當(dāng)=6mm時(shí)=47MP<<254.5MP
當(dāng)=5mm時(shí)=56MP<<254.5MP
當(dāng)=1mm時(shí)=242MP,接近許用強(qiáng)度。
顯然,當(dāng)=1mm時(shí),臂架在受力時(shí)自身已經(jīng)容易失穩(wěn),從抵抗失穩(wěn),易于焊接角度,初選臂架厚度=5mm。
伸出臂自重
考慮到局部補(bǔ)強(qiáng)接頭,銷軸,局部鏈接結(jié)構(gòu)等,自重放大至45kg
臂架伸縮油缸最大受力為:4.2Kn(較小)
伸出速度約0.31m/s 油缸行程為1.5m
所以選用mm的DG型車輛用缸,油缸自重約50kg
由流量速度面積之間的關(guān)系,,根據(jù)D=63mm的DG型車輛用缸面積參數(shù),使用差動(dòng)連接,得:流量Q=17.9L/min
對(duì)伸出臂進(jìn)行剛度分析:
對(duì)基本臂進(jìn)行強(qiáng)度分析:
慣性矩:
抗彎截面模量:
截面所受靜力產(chǎn)生的彎矩:
其中:Q為伸出臂傳遞過來的載荷,Q=4.75Kn
L為基本臂末端到固定于基本臂轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸之間的距離:L=2.5m
m為伸出臂自重,
則,伸出臂上彎曲應(yīng)力為:
應(yīng)用迭代法解的值,當(dāng)=6mm時(shí)=62MP<<254.5MP
強(qiáng)度滿足要求
基本臂自重m=76kg,考慮到局部補(bǔ)強(qiáng)接頭,銷軸,局部鏈接結(jié)構(gòu)等,自重放大至90kg
拖鏈及支撐,油管等自重約60kg
對(duì)變幅的擺動(dòng)油缸機(jī)構(gòu)分析:
對(duì)基本臂進(jìn)行剛度分析:
對(duì)折疊臂進(jìn)行受力分析:
折疊臂的結(jié)構(gòu)形式和副臂架形式非常相似,故,在此依舊只進(jìn)行簡(jiǎn)單的受力分析。
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