高空作業(yè)車載人作業(yè)平臺(tái)臂架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馮家炳

（衡陽(yáng)市機(jī)械技工學(xué)校，湖南 衡陽(yáng) 421002）

125m高空作業(yè)車的結(jié)構(gòu)

25m高空作業(yè)車的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高空作業(yè)車結(jié)構(gòu)

高空作業(yè)裝置包括工作臂、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、底盤、工作平臺(tái)、液壓系統(tǒng)和操縱裝置等。25m高空作業(yè)車是利用自制底盤作為行走機(jī)構(gòu)，具有自行式高空平臺(tái)車的特點(diǎn)，適用于固定場(chǎng)所作業(yè)，具有微動(dòng)行駛、擴(kuò)大作業(yè)半徑等特點(diǎn)，廣泛用于造船和很多的園林工程。高空作業(yè)車按工作臂的形式，有四種基本形式，分別為：垂直升降式、折疊臂式、伸縮臂式和混合臂式。25m高空作業(yè)車為伸縮臂式的高空作業(yè)車，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，同時(shí)具有工作效率高、操作簡(jiǎn)單、動(dòng)作平穩(wěn)等特點(diǎn)。

金屬結(jié)構(gòu)工作臂及其調(diào)平系統(tǒng)是高空作業(yè)車的重要組成部分。臂架通過(guò)銷軸與轉(zhuǎn)臺(tái)部分連接，通過(guò)變幅油缸實(shí)現(xiàn)上下變幅。它承受高空作業(yè)車的載人平臺(tái)的載荷以及作業(yè)時(shí)的各種外載荷。因此這部分是高空作業(yè)車安全可靠的一個(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)車臂架結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，對(duì)減輕高空作業(yè)車自重，提高作業(yè)性能，節(jié)約鋼材，提高高空車的可靠性都有重要意義。

2 伸縮臂的結(jié)構(gòu)分析

（1）伸縮臂的結(jié)構(gòu)。25m高空作業(yè)車伸縮臂采用三節(jié)伸縮式箱型臂結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 伸縮臂結(jié)構(gòu)

各節(jié)臂之間可以相對(duì)滑動(dòng)，靠它們搭接的上下滑塊（滑塊材料為MC1010）來(lái)傳遞作用力。基本臂根部與轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)水平銷軸連接，且其中部還與變幅油缸鉸接，可實(shí)現(xiàn)工作臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。工作臂伸縮采用7臂架伸縮油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)二、三節(jié)工作臂同步伸縮。工作臂截面形狀為四塊板焊接而成。一節(jié)臂在各絞點(diǎn)處設(shè)加強(qiáng)板進(jìn)行加強(qiáng)，一、二、三節(jié)臂臂頭部均設(shè)置加強(qiáng)箍，保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全性。

（2）計(jì)算模型。為了方便分析計(jì)算，取回轉(zhuǎn)中心與車架的中心軸線的絞點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，并假設(shè)各臂軸線重合，對(duì)工作臂以直角坐標(biāo)系建立計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3 工作臂計(jì)算模型

（3）工況分析。由于高空作業(yè)車要求在所有幅度下，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)在兩種工作情況下：一是在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4所示；二是在工作斗承載額定載荷，工作臂完全伸出，且處于相應(yīng)最大幅度狀態(tài)，如圖5所示。

圖4 危險(xiǎn)工況1示意圖

圖5 危險(xiǎn)工況2示意圖

3 伸縮臂強(qiáng)度計(jì)算分析

分別對(duì)兩種工況下的伸縮臂強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。

本高空作業(yè)車工作臂均由高強(qiáng)度HG70鋼制造，HG70鋼抗拉強(qiáng)度為700MPa，根據(jù)高空作業(yè)車技術(shù)條件（GB 9465.2-88）,其許用應(yīng)力值為：

式中：σs為材料屈服強(qiáng)度，σs=700MPa；S為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，S=2；f1為應(yīng)力集中系數(shù)，f1=1.1；f2為動(dòng)載荷系數(shù)，f2=1.25。

（1）危險(xiǎn)工況1的計(jì)算。分別進(jìn)行三節(jié)臂應(yīng)力計(jì)算。先對(duì)一節(jié)臂進(jìn)行分析，一節(jié)臂受力如圖6所示，其危險(xiǎn)截面為A-A截面。

圖6 危險(xiǎn)工況1工作臂受力示意圖

同樣可對(duì)此工況1下的二節(jié)臂、三節(jié)臂危險(xiǎn)截面進(jìn)行計(jì)算，求得其最大應(yīng)力。

（2）危險(xiǎn)工況2的計(jì)算。同樣對(duì)三節(jié)臂分別計(jì)算。先對(duì)一節(jié)臂進(jìn)行分析，一節(jié)臂受力如圖7所示，其危險(xiǎn)截面為A-A截面。

圖7 危險(xiǎn)工況2一節(jié)臂受力示意圖

根據(jù)圖示受力分析，可計(jì)算出一節(jié)臂危險(xiǎn)截面應(yīng)力。同樣方法，可分別計(jì)算工況2下，二節(jié)臂、三節(jié)臂的應(yīng)力。

根據(jù)計(jì)算，工況2狀態(tài)下各工作臂應(yīng)力小于工況1，因此工況1為伸縮臂最危險(xiǎn)工作狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)25m高空作業(yè)車的臂架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象進(jìn)行分析，傳統(tǒng)的作業(yè)車均由優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼Q460來(lái)制造，本作業(yè)車采用HG70高強(qiáng)度鋼來(lái)制造。根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于以往，臂架鋼板厚度至少可以減小2mm，減輕了臂架總重量的1/5。通過(guò)對(duì)薄弱點(diǎn)增加加強(qiáng)板來(lái)滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)適當(dāng)減小鋼板厚度，解決了結(jié)構(gòu)笨重的缺陷，降低了成本，同時(shí)為運(yùn)用有限元分析優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。