高空作業平臺折疊臂變幅調平機構設計與研究

朱來福

(上海應用技術學院，上海 201418）

高空作業平臺折疊臂變幅調平機構設計與研究

朱來福

(上海應用技術學院，上海 201418）

運用數學方式對大型曲臂式高空作業平臺的變幅調平機構幾何參數進行求解，并分析不同時刻作業平臺與地面之間的水平誤差，證明變幅系統組合使用時，造成誤差的原因不僅與機械結構的選擇有關，同樣與液壓系統的流量和運動速度有關。

高空作業平臺；折疊臂；變幅調平機構；幾何參數

1 系統組成和基本設計要求

曲臂式高空作業平臺的臂架通常由三節子變幅系統組成，每組伸縮臂能夠在不同區域內進行一定幅度內的擺動，三節子變幅系統首尾相連，在所有的子變幅系統變化范圍內，作業平臺需要始終保持水平，換言之，即使存在于水平面之間的誤差，誤差越小越好，在運動過程中液壓系統需要提供穩定和足夠的力對作業平臺提供支撐。

2 機械參數的選擇

2.1 工作區域的選擇

根據“對變幅系統真實運動軌跡的計算”[1]所得到的單一變幅系統的運動軌跡以及“高空作業平臺伸縮臂變幅及調平機構的配合分析”[2]可以發現，伸縮臂在變幅系統作用下可以使用的工作區域是有限的，當伸縮臂工作區域上擺與下擺都需要有足夠的范圍時，可以使用對稱工作區域；而當伸縮臂的工作區域只需要在一個方向上足夠大時，可以使用非對稱工作區域。

由于整個大跨度曲臂式高空作業平臺的變幅系統需要進行兩種不同范圍的運動，因此其工作區域的選擇由兩個部分組成。對于第一節變幅系統而言，由于其工作幅度與直臂式高空作業平臺類似，因此在圖1中選擇曲線從A點運動到B點的部分，此時伸縮臂的極限變化從19°（A點縱坐標）可以變化到97°（B點縱坐標）。此時，伸縮臂的運動曲線并不存在拐點，在這一區間運動時，需要保證調平機構和變幅系統的運動軌跡的斜率盡可能時時相等，而對于第二和第三節變幅系統而言，由于其工作范圍關于拐點D對稱，因此選擇范圍從C點到E點，而D點是曲線的拐點。

圖1 伸縮臂角速度變化曲線

整個大跨度曲臂式高空作業平臺的變幅系統由三節子變幅系統組成。根據變幅系統的極限工作范圍以及機械安裝尺寸可以得到伸縮臂的工作角度如表1所示。

表1 三節子變幅系統轉動臂與水平夾角

2.2 伸縮臂長度的確定

根據設計需要，曲臂式高空作業平臺往往用于超大型遠洋輪的維護抑或是超大型建筑的建造與維護，因此這類高空作業平臺的伸縮臂需要有足夠的臂展。在本文中，由于以變幅系統為主，因此將伸縮臂的尺寸延伸到最大，這些伸縮臂的極限最大長度通過類比美國吉尼公司和JLG公司的相關機型得到，在伸縮系統的設計中，可以根據具體的設計要求進行重新計算，然而在本文中所討論的情況對于伸縮臂所處的長度并沒有特定要求，因此直接使用最大長度作為伸縮臂的狀態（表2）。

表2 伸縮臂極限長度狀態

2.3 第一節伸縮臂機械安裝尺寸的確定

第一節伸縮臂機構運動簡圖和受力分析如圖2所示。對于整個大跨度曲臂式變幅系統而言，第一節變幅系統與直臂式高空作業平臺類似，其伸縮臂的工作角度在-6°～72°之間，當伸縮臂完全平行于地面時，由于作業平臺產生的力矩最大，因此整個伸縮臂受到了最大的剪切力。在這一節變幅系統中，變幅油缸BD負責改變伸縮臂位置，同時為整個系統提供足夠支撐力。

考慮試件加載經歷的4個受力階段，將節點骨架曲線簡化為考慮剛度退化的四段折線模型。骨架曲線各特征點分別為開裂點A(Pc, Δc)；屈服荷載點B(Py, Δy)；峰值荷載點C(Pmax,Δmax)；極限荷載點D(Pu, Δu)。其中屈服荷載點B采用“通用屈服彎矩法”求得，極限荷載點D取峰值荷載的85%。由于各試件骨架曲線存在一定差異性，首先對各試件骨架曲線進行無量綱化處理，如圖7所示，+Pmax和+Δmax分別表示節點正向加載的峰值荷載及其對應的位移，-Pmax和-Δmax分別表示節點負向加載的峰值荷載及其對應的位移。

圖2 第一節伸縮臂下變幅系統機構運動簡圖

根據參考文獻[1]可以得到上述變幅系統的運動軌跡

式中 θ——伸縮臂與固定邊的夾角（rad）；

室內試驗樁土界面土壓力和孔隙水壓力變化曲線如圖3、圖4所示.模型樁及FBG應變傳感器安裝如圖5所示，模型樁及硅壓阻式傳感器安裝如圖6所示，測試過程如圖7所示.

θ0——伸縮臂與固定邊之間最小夾角（rad）；

如式（6）所示，為了使得整個系統在運動過程中盡可能的穩定，作為時間的參量α越小越好，然而由于機械結構的限制，α的選擇雖然越小越好，但α越小，液壓系統所提供的工作壓力越大，設定sinα∈{0.1，0.3}，對于大跨度曲臂式高空作業平臺而言，由于第一節伸縮臂需要承擔上兩節伸縮臂以及作業平臺、工作部件和人員的重量，為安全起見，令

大跨度曲臂式高空作業平臺的第一節伸縮臂的機械尺寸較大，一般其旋轉平臺的高度在1.5m左右，根據機械結構和幾何尺寸，取a=1.3m，b=4.3m。

α—— 變幅油缸與伸縮臂的夾角（rad）；

IAC——伸縮臂的轉動慣量。

對運動軌跡分別求一階和二階導數可以得到

剛剛結束的11月香港國際美酒展，行業高峰論壇《酒進亞洲葡萄酒市場新時代的無限機遇》上，Debra Meiburg和Sarah Heller兩位葡萄酒大師掛帥，香港貿發局、歐睿國際（調研機構）和京東助陣，南非、香檳和香港的連鎖酒業公司，甚至拍賣行也上臺分享，沒有TWE也沒有澳洲酒方面的代表，但無論是臺上嘉賓的分享，還是臺下聽眾的提問，都數度提到了Treasury Wine Estates（富邑集團，業內簡稱TWE）這家公司，嘉賓分享他們的案例，聽眾向嘉賓求解讀：TWE何以如此成功？

打響民生水利品牌，出自2011年廣東省水利工作會議上汪洋書記的講話。它揭示了廣東過去一個時期水利改革發展的顯著特點，也指明了廣東未來一個時期水利改革發展的總體方向。

F0——液壓油缸作用力；

b——液壓油缸安裝位置與臂根間的距離；

2017年11月，門診患者服務中心建立了入院準備中心，實行“一站式”服務管理模式，與財務部、信息所、醫保辦多部門協作，攜手優化流程。例如，以往的住院預交金、醫保身份確認都由財務室管理，現在患者到入院準備中心辦理即可，患者自行復印的身份證、醫保卡信息在入院準備中心使用“高拍儀”完成上傳，急危重患者手續辦理后還可由護士直接護送到病區。

根據這些尺寸可以得到：θ(α)=23°；α=9°；θ(α)min=17°；θ(α)max=95°。液壓油缸安裝長度：LBDmin＝3.1m；LBDmax＝4.6m。

2.4 第二節伸縮臂變幅系統幾何尺寸的確定

觀察組患者治療過程中共出現1例惡心現象，對照組患者治療過程中出現4例惡心以及2例嘔吐情況；因此觀察組患者不良反應發生率1例（2.9%）顯著低于對照組患者6例（17.1%）。

2.5 第三節變幅系統機械安裝尺寸的確定

第二節變幅系統可以向上擺動60°，也可以向下擺動60°，整個系統在水平位置時受力最大。變幅油缸需要能夠保證伸縮臂完成±60°的擺動的同時，還要承載第二節以及第三節變幅系統的靜態和動態負載。由此可得第二節變幅系統的機構運動簡圖與受力分析如圖3所示。

科爾沁沙地植物共計有115科1030種，其中, 草本植物89科912種，木本植物37科118種。物種最多的9個科為：菊科(Asteraceae)、禾本科(Poaceae)、莎草科(Cyperaceae)、豆科(Fabaceae)、毛茛科(Ranunculaceae)、薔薇科(Rosaceae)、百合科(Liliaceae)、蓼科(Polygonaceae)、藜科(Chenopodiaceae)。這9科植物占總種數的54.08%。

圖3 第二節伸縮臂下變幅系統機構運動簡圖

根據變幅系統的布置方式，可以確定在受力最大狀態時，θ(α)=90°，α≈2.3(rad)。

對于第二節伸縮臂而言，由于還需要承載第三節伸縮臂、工作部件以及人員的重量，當α增加時，液壓油缸所產生的垂直于伸縮臂的分力增加，通過增加液壓油缸與伸縮臂的夾角，增加整個液壓系統所產生的縱向力，以此來減小液壓系統所需要的工作壓力，則有LEE/LEI=0.3，根據機械結構，LEF＝900mm，則LEI＝3000mm。由此可以得到第二套伸縮臂主要的機械系統所需要的其他參數：LEJ＝9m；θ(α)min＝30°；θ(α)max＝150°；LFImax＝3806mm；LFImin＝2266mm。

358 Artificial intelligence in clinical medicine: application and thinking

對于第二節伸縮臂而言，其受力模式與第一節伸縮臂類似，然而其工作范圍與第一節伸縮臂不同，其范圍以水平位置為中心上下對稱。在整個工作區域內同樣需要始終保持兩個變幅系統進行同步運動。

以上所得到的是三節變幅系統中變幅系統的機械安裝尺寸，對于三節變幅系統，同樣存在調平機構確保工作平臺始終與地面平行。對于這些調平機構，根據參考文獻[2]可以發現，當調平機構與變幅系統使用同步液壓系統進行連接時，兩系統之間的機械安裝尺寸同樣成一定比例，因此可得三節調平機構幾何尺寸如表3所示。

2.6 調平機構的尺寸

第三節變幅系統的運動范圍與第二節變幅系統類似，其工作范圍以水平面為對稱平面從-60°～60°進行上下擺動，此時由于整個系統所承受的載荷只剩下第三節變幅系統，因此使用與第二節變幅系統類似的方法可以求得第三節變幅系統的幾何安裝尺寸。令sinα≈0.2，則有a/ b≈0.2，根據機械結構尺寸，令a≈450mm，則b＝2250mm；由此可得第三節伸縮臂的長度為6m；θ(α)min＝30°；θ(α)max＝150°。液壓油缸的工作長度變化范圍：1869～2655mm。

表3 三節調平機構幾何尺寸

2.7 大跨度曲臂式高空作業平臺總機構運動簡圖

通過對3組雙變幅系統機械安裝尺寸以及液壓油缸安裝長度變化范圍的計算可以得到總的組合變幅系統機構運動簡圖，如圖4所示。

圖4 大跨度曲臂式高空作業平臺變幅系統總機構運動簡圖

3 機械仿真模擬系統的建立

使用solidworks將機械系統設計中的細節進行忽略，保留主要的幾何尺寸，對組合變幅系統進行建模（圖5）。在運動過程中，對于液壓系統而言，其安裝長度在單位時間內的變化最為關鍵，因此每個液壓油缸按照一定比例兩兩一對，下變幅油缸與上調平機構所使用的液壓油缸的單位時間內行程成特定比例，而方向各有不同，對于第一節伸縮臂，方向相同，而第二節和第三節伸縮臂方向相反。通過這一模型，可以對組合變幅系統的機械參數進行驗證，同時當組合變幅系統的結構發生改變時，能夠及時對液壓系統的幾何運動參數進行調整。

《水土保持定額》中的工程措施人工工資為1.50～1.90元/h，按8 h/d計算，水土保持工程人工日工資在9.60～15.20元/d之間。按（429號文件）樞紐工程部分二類區（柳林縣）中級工9.15元/h，按每天8 h計算，水利樞紐工程人工日工資73.20元/d。按正常市場經濟發展，生活水平及人工工資正常提升，“2017年山西省最低工資標準與規定”二類地區（柳林縣）16.60元/h，按每天8 h計算，人工日工資132.80元/d。《水土保持定額》中人工工資遠遠低于當地（柳林縣）市場人工價格。

圖5 大跨度曲臂式高空作業平臺變幅系統機械模擬系統

4 變幅系統運動速度與流量關系

通過對運動模擬結果的分析可以發現，當組合變幅系統需要始終保持作業平臺在任意工作區域內都能與地面保持平行時，大跨度曲臂式高空作業平臺的變幅系統的液壓油缸的運動速度的選擇有特別的要求，不能太快，太快會產生額外的向心力。

通過分析可以發現，變幅系統在運動過程中隨著伸縮臂與固定邊之間的角度越來越大，速度的變化率越來越平緩。這意味著，當兩個使用機械方式進行限制的液壓油缸的運動方向不同時，其經歷的速度變化過程是不同的。當液壓油缸的安裝長度從大到小進行變化時，伸縮臂的角速度由于機械結構的限制，會由小到大進行變化，反之，當液壓油缸的安裝長度從小到大進行變化時，液壓油缸的長度所引起的角速度會由大到小進行變化。

此時，伸縮臂擺動速度與液壓系統流量的關系

腹腔鏡下排煙[6]：在手術過程中電外科器械會產生大量的煙霧，使視野變得模糊，大多數在視野不清晰時，通過曲卡排氣孔放出煙霧，以保持視野清晰，故大量煙霧從腹腔鏡釋放到手術間，大量氣體被我們醫護人員所吸入，所以在手術過程中使用自制簡易吸煙裝置是有必要的，保護了醫護人員。

式中 QC—— 下變幅系統液壓油缸的工作流量；

AC——下變幅系統無桿腔面積。

整個組合變幅系統由六組變幅系統兩兩連接構成，兩兩相連的液壓油缸同步運動，即兩油缸的運動同時發生，則：t上＝t下；v上≠v下；A上＝A下。

根據公式（7）可知，使用液壓油缸對伸縮臂的角度進行改變時，其角速度的變化往往并不恒定。當使用液壓油缸對變幅系統進行驅動時，液壓系統提供的流量是恒定的，因此，無法保證其速度始終一一對應。此時，由于流量的差異，伸縮臂轉動過程中理論切向運動速度與實際切向運動速度有一定的差異，由此會導致調平機構的運動幅度與理論的不一致，此時需要使用溢流閥來完成。

5 結 語

本文通過具體的機械結構的設計對液壓平動系統在運動過程中如何避免誤差產生的解決方案進行了驗證，同時對兩種擁有不同工作范圍的變幅系統的必要設計步驟和參數進行了歸納。對曲臂式高空作業平臺折疊臂變幅和調平機構的機械結構設計曾經存在的誤區進行了糾正。總的來說，高空作業平臺液壓平動機構在運動過程中出現誤差主要有以下原因：①變幅系統理論運動軌跡與實際運動軌跡的差異；②液壓系統的運動特性與實際運動軌跡之間的差異；③由于管路長度產生的沿程損失。

大跨度曲臂式高空作業平臺的完成對于大型建筑，大型飛機以及大型艦船的維護和建造有著重要的意義。

配制濃度為60%的淀粉乳放置在多槽臺上，波長為λ=1.47 ?，采集時間為1 s。以水的衍射圖作為背景，對背景進行歸一化和扣除。得到范圍為 0.0015 ?-1＜q＜0.15 ?-1的衍射圖樣。q=4πsinθ/λ，2θ為衍射角，λ為X射線波長。SAXS圖線得到的是相對峰強度I關于衍射矢量q的函數。而q與片層周期厚度dBragg的關系為：dBragg=2π/q。片層結構的相關參數可利用公式（1）[26]進行計算：

大跨度曲臂式高空作業平臺的完成其意義不僅僅可以豐富中國高空作業平臺制造企業所沒有的產品線，同時對于未來以液壓系統所操控的步履式移動平臺的設計有著更加深刻的指導意義。

[1] 朱來福．對變幅系統真實運動軌跡的計算[J]．建筑機械化，2015，(7):56-59.

[2] 朱來福．高空作業平臺伸縮臂變幅及調平機構的配合分析[J]．建筑機械化，2015，(9)：42-45．

（編輯 賈澤輝）

Design and research of aerial working platform folding arm amplitude leveling mechanism

ZHU Lai-fu

TH112.1;TH137

B

1001-1366(2015)11-0052-04

2015-01-26