剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)雙輪坑洞試驗(yàn)分析計(jì)算

（三一帕爾菲格特種車輛裝備有限公司，江蘇 南通 226000）

剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)是一種能夠在高空作業(yè)的工程車輛，如圖1 所示，由底盤、叉架和平臺(tái)3 部分構(gòu)成，具有移動(dòng)靈活、升降快速和安全可靠等特點(diǎn)，在建筑施工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用空間。高空作業(yè)平臺(tái)的應(yīng)用可以保障施工人員安全，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提升工作效率。

圖1 剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

為了保障操作員在平臺(tái)上作業(yè)的安全，要求平臺(tái)在升起狀態(tài)下前進(jìn)時(shí)，當(dāng)車輪遇到障礙物或陷入坑洞作業(yè)平臺(tái)不會(huì)傾翻，因此需要在產(chǎn)品的開發(fā)階段對(duì)整車的穩(wěn)定性進(jìn)行分析、計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證。GB 25849-2010《移動(dòng)式升降工作平臺(tái)設(shè)計(jì)計(jì)算、安全要求和測(cè)試方法》和EN 280-2010《Mobile elevating work platforms Design calculations-Stability criteria-Construction-Safety-Examinations and tests》對(duì)整車的穩(wěn)定性方面做了要求和規(guī)定，給出了路緣石試驗(yàn)的計(jì)算方法，以及對(duì)坑洼行駛做了相關(guān)要求，但對(duì)于驅(qū)動(dòng)輪陷入坑洞的計(jì)算等內(nèi)容未有相關(guān)的詳細(xì)描述。本文根據(jù)剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)的開發(fā)和設(shè)計(jì)需要，提出了一種當(dāng)作業(yè)平臺(tái)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)陷入坑洞時(shí)的穩(wěn)定性預(yù)判斷方法，以供在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)檢驗(yàn)。

1 雙輪坑洞試驗(yàn)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)所測(cè)試載荷按照額定載荷均布位于規(guī)定測(cè)試情況下會(huì)產(chǎn)生最大傾翻力矩的工作平臺(tái)的半邊，即將額定人員質(zhì)量與額定延伸平臺(tái)工具質(zhì)量載荷均集中放置于延升平臺(tái)的最前端，基本平臺(tái)額定工具質(zhì)量載荷集中放置在基本平臺(tái)最前端，此為最危險(xiǎn)工況。轉(zhuǎn)向輪與機(jī)身方向平行以最大允許速度v前行，遇到坑洞時(shí)保持向前的行駛速度，直至前輪（驅(qū)動(dòng)輪）陷入坑洞，此時(shí)，整車的支撐換由坑洞保護(hù)板前端和后輪提供，如圖2所示（圖中黑塊代表載荷）。進(jìn)入坑洞瞬間，整車重心下降，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，動(dòng)能瞬間增加，車輛繞保護(hù)板前端向前后的晃動(dòng)加劇，此后動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為勢(shì)能后，若整車重心會(huì)越過(guò)傾翻線，則車輛向前傾翻，反之車輛只會(huì)晃動(dòng)，待這部分能量耗盡后能夠保持穩(wěn)定，而不會(huì)發(fā)生傾翻。

圖2 雙輪坑洞試驗(yàn)

2 雙輪坑洞穩(wěn)定性計(jì)算

進(jìn)入坑洞前后作業(yè)平臺(tái)的狀態(tài)如圖3 所示，整車的質(zhì)量m，前后輪距L，車輪半徑R，后輪中心到保護(hù)板前端距離s，前輪中心到保護(hù)板前端的水平距離d，坑洞保護(hù)板離地面距離h。進(jìn)入坑洞以前：重心高度為H，重心到傾翻線的距離為l，保持轉(zhuǎn)向輪與機(jī)身方向平行以速度v在水平地面上向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)作業(yè)平臺(tái)的動(dòng)能

進(jìn)入坑洞時(shí)，支撐點(diǎn)由前輪換為坑洞保護(hù)板前端，此時(shí)底座的幾何關(guān)系如圖4 所示，車身整體繞后輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度

其中：

此時(shí)忽略作業(yè)平臺(tái)由狀態(tài)變化所引起的變形，整車重心相對(duì)于后輪的位置保持不變，則重心繞后輪中心旋轉(zhuǎn)θ，如圖5 所示，可得重心下降的高度

其中：

作業(yè)平臺(tái)進(jìn)入坑洞后，所獲得的最大動(dòng)能為

在此之后作業(yè)平臺(tái)開始繞保護(hù)板支點(diǎn)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，此過(guò)程將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，如圖6 所示，要使作業(yè)平臺(tái)越過(guò)傾翻線，則需要增加的勢(shì)能為

其中：

Δ為重心上升的高度，Δ=-(H-δ)

ε為雙輪進(jìn)坑后重心與傾翻線的距離

ε=[（l-d)-（H-h)tanθ]cosθ

雙輪坑洞的穩(wěn)定性條件為

Ekmax-Ep＜0 穩(wěn)定

Ekmax-Ep=0 臨界點(diǎn)

Ekmax-Ep＞0 傾翻

圖3 進(jìn)入坑洞前后作業(yè)平臺(tái)狀態(tài)

圖4 底座角度變化的幾何關(guān)系

圖5 整車重心變化

圖6 重心升高量

3 雙輪坑洞穩(wěn)定性的試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)雙輪坑洞的穩(wěn)定性計(jì)算過(guò)程的推導(dǎo)過(guò)程，將對(duì)應(yīng)的關(guān)系做成數(shù)據(jù)表，可以根據(jù)已知的條件輸入，快速對(duì)雙輪坑洞的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)判，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。在試驗(yàn)前變更直至能夠滿足穩(wěn)定性條件，并具有適當(dāng)?shù)陌踩嗔亢笤龠M(jìn)行坑洞試驗(yàn)，以最大程度降低資源消耗和提高試驗(yàn)的成功率。

某系列剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖7 所示，根據(jù)不同的載荷工況，得到不同的重心坐標(biāo)，（其余輸入與樣機(jī)對(duì)應(yīng)不隨工況改變）輸入到表格中，可得穩(wěn)定性情況的預(yù)判結(jié)果，表1 給出了最終的試驗(yàn)參數(shù)，在試驗(yàn)中我們對(duì)保護(hù)板離地高度h進(jìn)行了不同取值的驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)對(duì)樣機(jī)在不同工況下的測(cè)試，作業(yè)平臺(tái)的高度對(duì)應(yīng)于重心高度，載荷放置位置與延伸平臺(tái)的伸出情況對(duì)應(yīng)于重心到傾翻線的距離，其余參數(shù)樣機(jī)制造完成則保持不變，所得的試驗(yàn)穩(wěn)定與失穩(wěn)情況與預(yù)判結(jié)果基本一致。此法簡(jiǎn)捷有效，能夠較為準(zhǔn)確地對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)判斷。

表1 雙輪坑洞的穩(wěn)定性計(jì)算

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

4 結(jié)論

為提高剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)的安全性與穩(wěn)定性，本文根據(jù)開發(fā)和設(shè)計(jì)需要，提出了一種當(dāng)作業(yè)平臺(tái)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)陷入坑洞時(shí)的穩(wěn)定性判斷方法，以方便在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)此方法能夠?qū)υ囼?yàn)結(jié)果做出較為準(zhǔn)確的預(yù)判斷。