剪叉式高空作業(yè)平臺

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1緒論1.1 概述高空作業(yè)平臺是一種將作業(yè)人員、工具、材料等通過作業(yè)平臺舉升到空中指定位置進行各種安裝、維修等作業(yè)的專用的高空作業(yè)機械。高空作業(yè)平臺相關(guān)產(chǎn)品主要有：剪叉式高空作業(yè)平臺、車載式高空作業(yè)平臺、曲臂式高空作業(yè)平臺、自行式高空作業(yè)平臺、鋁合金高空作業(yè)平臺、套缸式高空作業(yè)平臺六大類。用高空作業(yè)車進行高空作業(yè)時一種先進的登高作業(yè)方式，其發(fā)展與國民經(jīng)濟的發(fā)展水平密切相關(guān)，據(jù)國外高空作業(yè)機械專業(yè)雜志《Access International》報道，經(jīng)濟越發(fā)達，高空作業(yè)車的需求量就越大，并且單位 GDP 需求量也越大。與發(fā)達國家和地區(qū)相比，我國不僅單位 GDP 需求量小，而且單位 GDP 需求量與GDP 的比例也低，這說明高空作業(yè)車的市場需求量既與經(jīng)濟規(guī)模有關(guān)，又與經(jīng)濟發(fā)達程度有關(guān)，這樣表明了高空作業(yè)車在我國有非常廣闊的發(fā)展前景。剪叉式高空作業(yè)平臺是用途廣泛的高空作業(yè)專用設(shè)備。它的剪叉機械結(jié)構(gòu)，使升降臺起升有較高的穩(wěn)定性，寬大的作業(yè)平臺和較高的承載能力，使高空作業(yè)范圍更大、并適合多人同時作業(yè)。它使高空作業(yè)效率更高，安全更保障。剪叉式高空作業(yè)平臺分固定剪叉式，移動剪叉式，自行剪叉式，車載剪叉式 。1.2 國內(nèi)情況我國高空作業(yè)車行業(yè)起步較晚，自 20 世紀 60 年代開始研制，70 年代才推出商業(yè)樣機，隨著改革開放的深入，逐漸引入國外高新技術(shù)及其產(chǎn)品，開始在市政、園林、電力等行業(yè)推廣使用，但最大作業(yè)高度只有 35m，且功能單一。在高空作業(yè)車產(chǎn)品中，目前只有杭州愛知、徐州海倫哲等 30 家企業(yè)生產(chǎn)。最大作業(yè)高度只有杭州愛知和徐州海倫哲達到 35m，與歐美的差距較大。限制這一行業(yè)發(fā)展的主要因素是大高度復雜截面混合臂架技術(shù)、安全技術(shù)、智能化高效控制技術(shù)、可靠性等，缺乏前瞻性研究，缺少向更大高度發(fā)展的技術(shù)支撐。2中國高空作業(yè)機械設(shè)備行業(yè)發(fā)展很快，但也存在一些值得關(guān)注的問題。主要是部分企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力較差。一部分企業(yè)不重視產(chǎn)品的更新和新產(chǎn)品的開發(fā)，產(chǎn)品品種規(guī)格單一、市場經(jīng)營范圍窄，產(chǎn)量逐年下降，企業(yè)效益不佳。大高度產(chǎn)品和特殊產(chǎn)品依然以進口為主，如高空絕緣作業(yè)車、蜘蛛式大高空作業(yè)平臺、自行式高空作業(yè)平臺等，國內(nèi)產(chǎn)品還有很多空白。 另外，國內(nèi)高空作業(yè)機械設(shè)備的基礎(chǔ)零部件配套水平較差，產(chǎn)品的基礎(chǔ)零部件配套生產(chǎn)廠家少，規(guī)格品種少，電氣元件、液壓元件、動力部件的性能和使用可靠性還不高，這也影響了國內(nèi)產(chǎn)品的開發(fā)。 1.3 國外情況歐美等發(fā)達國家和地區(qū)，高空作業(yè)車發(fā)展起步較早，從 20 世紀 20 年代就開始研制，已有近百年的發(fā)展歷史。產(chǎn)品技術(shù)水平高，作業(yè)高度大，規(guī)格齊全，結(jié)構(gòu)形式豐富，功能多樣。總體上看，技術(shù)和市場均已很成熟，典型產(chǎn)品具有高空作業(yè)、搶險、救援、消防等功能，最大高度已經(jīng)超過 100m，具有各種安全保護措施，適應(yīng)在各種場地作業(yè)。高空作業(yè)車的主要制造商歐洲以 RUTHMANN、BRONTO、CTE、OILT?上式中：H——任意位置時升降平臺的高度；C——任意位置時鉸接點 F 到液壓鉸接點 G 的距離；L——支撐桿的長度；——支撐桿固定鉸支點 A 到鉸接點 F 的距離；lT——機架長度（A 到 G 點的距離） ；9——活塞桿與水平線的夾角。?以下相同。將（2）式代入（1）式，并整理得。 （3）221/[()]HLTCll???設(shè) 代入（3）式得00/,/,H??。 （4）221/200()[]TlLlCC?????在（4）式中，——升降平臺的初始高度；0H——液壓缸初始長度。雙鉸接剪叉式升降平臺機構(gòu)的運動參數(shù)計算：圖 2-4 運動參數(shù)示意圖圖中， 是 F 點的絕對速度； 是 B 點絕對速度； 是 AB 支撐桿的速度；VV1?是液壓缸活塞平均相對速度； 是升降平臺升降速度。由圖 3 可知：1 21011112,sin()sin(),,coscs,in()FBVllLlVV?????????（5）1si()Ll???。在（5）式中，——液壓缸活塞平均相對運動速度；1V——升降平臺升降速度；2——支撐桿與水平線的夾角。?以下相同。2.2.3 雙鉸接剪叉式升降平臺機構(gòu)的動力參數(shù)計算圖 2-5 動力參數(shù)示意圖圖中，P 是由液壓缸作用于活塞桿上的推力，Q 是升降平臺所承受的重力載荷。通過分析機構(gòu)受力情況并進行計算（過程省略）得出：升降平臺上升時11coscosincostan[tan()( )]sin()22icosQLfLbfbPbfl???? ??????； （6）升降平臺下降時 coscosincostan[tan()( )]sin()22icosQLfLbfbPbfl???? ??????； （7）（6） 、 （7）式中，P——液壓缸作用于活塞桿的推力；Q——升降平臺所承受的重力載荷；f——滾動摩擦系數(shù)；b——載荷 Q 的作用線到上平板左鉸支點 M 的水平距離。由于滾動輪與導向槽之間為滾動摩擦，摩擦系數(shù)很?。╢=0.01）,為簡化計算，或忽略不計，由（6） 、 （7）式簡化為：。 （8）cosin()PLl????2.2.4 剪叉式升降平臺機構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注意的問題由式（5）和（8）可知：當 、 增大時， 值隨之減小；當 、 減小?21/V??時，P/Q 值隨之增大。在確定整體結(jié)構(gòu)值隨之減?。划?、 減小時，P/Q 值隨之增大，在液壓缸行程不變的情況下，升降平臺升降行程會減?。环粗?，則會使液壓缸行程受力增大。因此設(shè)計時應(yīng)綜合考慮升降行程與液壓缸受力兩個因素。在滿足升降行程及整體結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，選取較高的 、 初始值。??而且在整個機構(gòu)中 AB 支撐桿是主要受力桿件，承受有最大的彎矩，所以應(yīng)重點對其進行強度校核。液壓缸可采用單作用缸也可以采用雙作用缸，不過要看具體情況。這里我們選用雙作用柱塞缸，以便于在平臺下降時可以控制速度。122.2.5 雙鉸接剪叉式升降平臺機構(gòu)中兩種液壓缸布置方式的分析比較液壓缸驅(qū)動的剪叉機構(gòu)再各種升降臺中廣泛應(yīng)用，因安裝的空間不同，其折合后的高度也必然就不同，所以液壓缸在剪叉機構(gòu)內(nèi)的布置要受到折合后高度的約束。根據(jù)文獻《甘肅工業(yè)大學學報》的有關(guān)液壓缸驅(qū)動剪叉機構(gòu)的運動學及動力學分析一章，得知在這種布置方式的情況下，如圖：圖 2-6 液壓缸布置在左側(cè)液壓缸活塞運動速度與臺面升降速度的關(guān)系式為（1） 2cos2in()yalv vl???????活塞推力與臺面荷重的關(guān)系式為（2） 2cossin()i()lPWa????式中， 111,tan[t],sin(i)hlal d???? ????。以上兩式的推導基于工程中常用的液壓缸布置方式，即液壓缸下支點與剪叉機構(gòu)的固定支點在同一側(cè)，如上圖。這種布置方式的優(yōu)點是液壓缸的有效行程比較短，這在臺面升程范圍比較大的場合較為適用。存在的問題是在剪叉機構(gòu)折合后的高度 h 較小的情況下（即 角較?。?，所需液壓缸的推力將大大增加。?在液壓缸最高工作壓力限定的情況下，這將使得所用的液壓缸的直徑增大，以致在折合后的剪叉機構(gòu)中難以布置；或采用兩個直徑較小的液壓缸取代一個大直徑的液壓缸，不過這將增加一對液壓缸的支座，同時帶來機械加工、液壓缸安裝以及液壓系統(tǒng)的復雜性，加大了整個裝置的成本。13為了解決以上提出的問題，可考慮將液壓缸反向布置（即采用第一種設(shè)計方案），計算一下該方案的有關(guān)參數(shù)再將兩者作以比較。如圖：圖 2-7 液壓缸布置在右側(cè)這里仍用瞬時速度中心法來求解活塞運動速度。桿ＦＤ上Ｄ點、Ａ點的瞬時轉(zhuǎn)動中心為 F 點，D 點、A 點的速度為：2()Avla???臺面升降速度： cos2csyDvl??Ａ點的運動速度： ()2cosyAlav?活塞運動速度：（３）()sin()s2coAlv?????式中， 11sini,ta()cohllL????依據(jù)虛位移原理有：（４）()0ixixixpypWFFzP???????14由圖２分析可得： cos,sin()()i,2sinxyppwPPlalayl???????經(jīng)變分后：i()cos2pwyl?????代入式（４），整理后得活塞推力：（５）cos()in()lPWa???式（３）和式（５）的正確性可以用機械能守恒原理來證明，即 yv將式（５）與式（２）進行比較，在 各參數(shù)都相同的條件下，,,ylaWv??顯然，液壓缸布置在右側(cè)時的推力較液壓缸布置在左側(cè)時小；而式（３）與式（１）比較，則液壓缸布置在右側(cè)時的活塞速度較液壓缸布置在左側(cè)時高?？梢?，活塞推力的減小是以活塞速度的提高為代價換來的。液壓缸布置在剪叉機構(gòu)的右側(cè)，使得液壓缸的活塞推力減小，這就可以選用直徑較小的液壓缸，有利于液壓缸在剪叉機構(gòu)中的布置；帶來的問題是液壓缸的有效行程較長，如果臺面升程范圍不大，液壓缸行程的增加也是有限的。15第 3 章 升降臺的受力分析計算3.1 實例分析3.1.1 升降平臺的結(jié)構(gòu)簡化根據(jù)升降臺臺面尺寸和升降行程計算叉臂中心距圖 3-1 叉臂計算圖叉臂最大中心距 帶入數(shù)值計算取 為 2.1m—固定鉸耳側(cè)距離—滾輪側(cè)距離根據(jù)垂直行程確定叉臂級數(shù)級數(shù) 帶入數(shù)值計算取 n 為整數(shù)為 4——垂直行程——最低高度16剪叉式升降平臺的簡化結(jié)構(gòu)如下：圖 3-2 平臺簡化圖升降臺 k、b 兩點為固定鉸支座，j、a 為活動鉸支座，分別可沿底座和工作臺滑到移動。j、a 兩點為相同的連接裝置，摩擦系數(shù)皆為 f。所有桿件長度為L，且設(shè)為無重桿。升降臺所載重物和工作臺重量為 G。其作用線距 k 點距離為P，顯然升降過程中 P 值不變。3.1.2 升降臺受力分析由于液壓缸安裝在第一級叉臂上，所以作受力分析時，可以把工作臺和二三四級叉臂作為一個整體，然后作受力分析。以整體為研究對象如下圖所示：17圖 3-3 受力分析圖將載荷 G/2 分解到 a、b 兩端，則有分別以 aed 和 ceb 為研究對象 圖 3-4 ceb 桿受力圖18圖 3-5 aed 桿受力圖列平衡方程式，有當 d 點力矩平衡，即 ，則當 b 點力矩平衡時，即 ，則又 aed 和 ceb 桿水平和豎直方向上受力平衡，則有 和 ，當 時，有 當 時，有 整理解得 19式中：T——液壓缸推力3.1.3 受力分析結(jié)論（1） 各鉸點的受力（包括油缸力）均與載荷 G 成正比；（2） 值隨 的值增大而增大，在 l 值確定時，這 些值又隨 P 值成正比；而 隨 的值增大而減小，在 l 值確定時，它們隨P 值減小而增大；（3） l 值成反比；（4） 力 隨 T 值增大而增大。20第 4 章 各部件參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1 升降臺主要零部件材料的選擇4.1.1 底架材料的選擇底架主要用作支撐作用，在其上面固定著輪子和滾道等裝置。參照參考文獻1，底架梁選用熱軋普通槽鋼，型號為 6.3。底架兩頭橫梁選用熱軋不等邊角鋼，型號為 12.5\8 。底架結(jié)構(gòu)如圖：圖 4-14.1.2 工作臺材料的選擇工作臺分為固定平臺和移動平臺。固定平臺有四根長橫梁、兩根短橫梁和臺面構(gòu)成。長橫梁起支撐作用，下面固定有滾道和鉸鏈，材料選用熱軋方鋼型號為60。21圖 4-24.1.3 叉桿的材料選擇叉桿是升降臺最主要的舉升部件，是主要的受力機構(gòu)。對其設(shè)計的成功與否關(guān)系到整個設(shè)計工作的成敗，選材 45 號鋼，熱軋鋼板。叉桿的外形圖如圖所示。圖 4-3 叉桿外形圖圖 4-4 叉桿造型圖224.2 內(nèi)外剪叉臂與底架連接的銷軸結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計銷軸時除了要滿足連接功能外，還要考慮潤滑等，銷軸的結(jié)構(gòu)如下圖：圖 4-5 銷軸結(jié)構(gòu)圖4.3 滾輪的設(shè)計滑動叉臂與底架和工作平臺連接時，要用到滾輪，考慮到滾輪垂直導軌面的徑向載荷很大，而軸向受力較小，則采用兩個深溝球的寬滾輪。4.4 腳輪的選型根據(jù)設(shè)計要求，本高空作業(yè)平臺的額定載重為 200kg，包括升降臺自身重量，總共有四個腳輪，每個腳輪最少載重 100kg。腳輪的輪面材料選擇為聚氨酯，其中萬向轉(zhuǎn)向輪和固定輪各兩個，萬向輪剎車方式為單輪殺擎。萬向輪選擇型號為 42-40170-31450，固定輪選擇型號為 42-40010-31450，輪寬為。標準配置：精密鋼球 耐腐蝕藍鋅支架厚 6mm，底板厚 6mm標準重型底板，102mm×114mm 16mm 螺絲結(jié)構(gòu)中心釘輪子材料：高耐磨聚酯適用溫度范圍：-40℃至+80℃ 23支架選配：1.熱處理- 雙珠道熱處理，持久耐用2.空心軸螺絲方便為輪子注油3.尼龍螺母輪子直徑（D）：100輪寬（W）： 50載重：250KG安裝高度（H）：143旋轉(zhuǎn)半徑（R）：90°底板尺寸（AxB）：114x102安裝孔（XxY）：92x76孔徑（d）：11.224第 5 章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計5.1 液壓缸位置參數(shù)計算由圖 5-1 知：（1）21/sin(cos),CLHll????（2）22()cos;T?上式中：H——任意位置時升降平臺的高度；C——任意位置時鉸接點 F 到液壓鉸接點 G 的距離；L——支撐桿的長度；——支撐桿固定鉸支點 A 到鉸接點 F 的距離；lT——機架長度（A 到 G 點的距離） ；——活塞桿與水平線的夾角。?以下相同。將（2）式代入（1）式，并整理得。 221/[()]HLTCll???25圖 5-1 位置參數(shù)示意圖5.1.1 參數(shù)初設(shè)T=2600mm L=2100mm H0=1000mm Hmax=6000mm l=1100mm5.1.2 確定液壓缸初始長度 C0、剪叉安裝初始角度 0和液壓缸安裝初始角 0初設(shè)剪叉與機架的原始角 0=5°，則由 0= 得液壓缸初長度C0=1507mm，取 C0=1507mm，則得 0=5.20°。同理可求液壓缸與機架的初始角度 0=6.29°。5.1.3 求出液壓缸的最大行程 Smax由前面計算知升降臺的叉數(shù) n=4，而每一對剪叉所升高的行程是相同的，所以為達到升降臺最大工作平臺高度 Hmax=6000mm，則每個剪叉的高度H1= =1500mm∴ E = =750mm26F =AF =785.71mm∴ = =0.748= =0.663=可得 Smax=536mm5.1.4 結(jié)構(gòu)計算結(jié)構(gòu)如下表 5-1 計算結(jié)果 5.2 確定液壓執(zhí)行元件的形式液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸或液壓泵。前者實現(xiàn)直線運動，后者完成回轉(zhuǎn)運動，二者的特點及適用場合見下表。名 稱 特 點 適 用 場 合雙活塞桿液壓缸 雙向?qū)ΨQ 雙作用往復運動單活塞桿液壓缸 有效工作面積大、 往返不對稱的直線S/(mm) /(°) /(°) H/(mm) h/(mm)0 4.92 3.59 1000 067 16,21 11,25 2344.9 1344.9134 22.69 14.99 3240.3 2240.3201 27.95 17.57 3937.1 2937.1268 32.59 19.50 4524.4 3524.4335 36.85 20.99 5037.7 4037.7402 40.86 22.15 5495.4 4495.4469 44.70 23.05 5908.5 4908.5536 48.47 23.75 6288.3 5288.327雙向不對稱 運動，差動連接可實現(xiàn)快進，A1=2A2 往返速度相等柱塞缸 結(jié)構(gòu)簡單 單向工作，靠重力或其他外力返回擺動缸 單葉片式轉(zhuǎn)角小于360 度雙葉片式轉(zhuǎn)角小于180 度小于 360 度的擺動小于 180 度的擺動齒輪泵 結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜高轉(zhuǎn)速低扭矩的回轉(zhuǎn)運動葉片泵 體積小，轉(zhuǎn)動慣量小高轉(zhuǎn)速低扭矩動作靈敏的回轉(zhuǎn)運動擺線齒輪泵 體積小，輸出扭矩大低速，小功率，大扭矩的回轉(zhuǎn)運動軸向柱塞泵 運動平穩(wěn)、扭矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬大扭矩的回轉(zhuǎn)運動徑向柱塞泵 轉(zhuǎn)速低，結(jié)構(gòu)復雜，輸出大扭矩低速大扭矩的回轉(zhuǎn)運動注：A1——無桿腔的活塞面積 A2——有無桿腔的活塞面積表 5-2 液壓缸和液壓泵對于本設(shè)計實現(xiàn)單純并且簡單直線及回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，可以采用齒輪式液壓泵及單活塞桿液壓缸，這樣不僅簡化液壓系統(tǒng)降低設(shè)備成本，而且能改善運動機構(gòu)的性能和液壓執(zhí)行元件的載荷狀況。5.3 壓缸類型及安裝方式根據(jù)運動要求，按機械工程手冊表 34.3-1 選擇單活塞桿雙作用液壓缸。由于本設(shè)計中液壓缸在作用過程中是一端固定，一端在垂直面上自由擺動的，因此按機械工程手冊表 34.3-2 選擇液壓缸的安裝方式為：尾部耳環(huán)聯(lián)接。285.4 缸蓋聯(lián)接類型缸體的聯(lián)接方式，可分為外螺紋聯(lián)接式、內(nèi)卡鍵聯(lián)接式及法蘭聯(lián)接式三種。這里采用法蘭聯(lián)接。5.5 液壓缸的推力計算根據(jù)機械工程手冊第二版 2-214 知，剪叉式臂桿帶鉸斜置液壓缸(圖 3.4)的舉升力的計算公式為：F=m = 式中 ——額定起重量 （t） ；——工作臺質(zhì)量 （t） ；——升降機構(gòu)質(zhì)量 （t） ；N——升降機構(gòu)的級數(shù)。29圖 5-2 剪叉式臂桿帶鉸斜置液壓缸舉升力計算圖根據(jù)分析知，當液壓缸與地面夾角 為最小值是，即剪叉支撐桿與地面夾角 為最小值時，液壓缸的工作壓力最大根據(jù)上述計算及圖 2-1 計算可得:N=4L=900mm AB= =910mm AO=1106.7mm BO=200mm對于 m 初選則 m = =0.28tF ===112027.27 N5.6 系統(tǒng)壓力的初選液壓缸的選擇要遵循系統(tǒng)壓力的大小，要根據(jù)載荷的大小和設(shè)備類型而定。還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟條件及元件供應(yīng)情況等限制。在載荷一定的情況下，工作壓力低，勢必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對某些設(shè)備來說，尺寸要受到限制，從材料消耗角度看也不是很經(jīng)濟；反之，壓力選的太高，對泵、缸、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度也要求很高，必然要提高設(shè)備成本。一般來說，對于固定尺寸不太受限的設(shè)備，壓力可選低一些，行走機械重載設(shè)備壓力要選的高一些。由機械工程手冊表 34.7-4 各類機械常用的系統(tǒng)壓力（表 3.5），初選系統(tǒng)壓力為 10MPa。30機 床機械類型 磨床組合機床龍門刨床拉床農(nóng)業(yè)機械小型工程機械建筑機械液壓機大中型挖掘機重型機械工作壓力MPa0.8~0.2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32表 5-3 各類機械常用的系統(tǒng)壓力5.7 確定缸的主要尺寸5.7.1 確定液壓缸的內(nèi)外徑