第1章緒論

1.1引言

高空作業(yè)車是一種用于家庭、裝飾裝修、市政建設、道路橋梁工程等需要高空作業(yè)場

合的機械，主要用來運送作業(yè)人員和工作裝備到指定高度進行作業(yè)的特種車輛，是將高空

作業(yè)裝置安裝在小車底盤上組成的。高空作業(yè)裝置包括作業(yè)臂、其中工作臂、起升機構、

動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)還有操縱裝置等部分組成。現在的高空作業(yè)裝置具有操作

平順、工作穩(wěn)定、自動調速、安全可靠等優(yōu)點，大大提高了高空作業(yè)的工作效率。

高空作業(yè)車是利用小車底盤作為行走機構，具有汽車的行駛通過性能，機動靈活，行

駛速度高，可快速轉移，轉業(yè)到作業(yè)場地后能迅速投入工作，因此被越來越多的應用在工

程建設、工業(yè)安裝、設備檢修、物業(yè)管理、航空、船舶、石化、電力、影視、市政、園林

等許多行業(yè)，是近年來國內發(fā)展最快的產品之一。

高空作業(yè)車大體有折疊臂式、伸縮臂式、垂直升降式、混合臂式等四個系列。作業(yè)高

度也從幾米到幾十米不等。

1.2高空作業(yè)車的概況

1.2.1高空作業(yè)車在國內的現狀和發(fā)展趨勢

我國高空作業(yè)機械生產企業(yè)從七十年代初起步，至今已有30多年的歷史。到目前為

止，國內生產企業(yè)已由當時的七八家發(fā)展到現在的一百余家，截至2009年10月，列入工

信部公告的生產高空作業(yè)車的廠家共40家；生產高空作業(yè)平臺的企業(yè)有100余家；與國

外合資企業(yè)有4家；國外獨資企業(yè)有4家。根據協(xié)會對會員單位不完全統(tǒng)計，我國高空作

業(yè)機械行業(yè)產銷量見表l-lo

我國裝修與高空作業(yè)機械產銷情況統(tǒng)計表

產品名稱產量銷量產值出口數出口額

（臺）（臺）（萬元）（臺）（萬元）

高空作業(yè)20091439142048582672400

車201016385846280802765

高空作業(yè)2009382035702510015889673

平臺2010309429692361420802847

表1-1

截至2009年10月第201批，已列入公告的高空車類產品共265個。產品公告數量前

5位廠家為：杭州愛知34種，沈陽北方交通28種，徐州海倫哲27種，北京凱特17種，

北京三興14種。其中絕緣車48個，普通車220個。220個普通車產品中，折疊臂產品150

個，占68.6%；伸縮臂產品39個，占17.6%；混合臂產品14個，占5.4%；其它17個,

占8.3%?？梢娬郫B臂產品仍是目前國內最主要的產品型式。最近幾年各廠家陸續(xù)開發(fā)生

產伸縮臂產品，公告產品的數量已占到17.6%,說明其發(fā)展迅速，但用戶對伸縮臂的認可

程度，低于廠家預期。混合臂產品結構復雜，技術難度高，公告數量較少，在國內仍處于

起步階段，徐州海倫哲公司是混合臂產品數量最多的廠家，共有6個混合臂產品公告，已

經形成較為完整的系列。

作業(yè)高度情況：所有產品中，30m以上5個，占2.5%；22?30m共13個，占6.5%；

17?21m共66個，占33%；12?16m共102個，占51%；11m以下14個，占7%。所有

產品中12?16m的產品仍占優(yōu)勢，17?21m占的份額也較大。國內高空作業(yè)車產品有以下

特點：

1）大高度產品缺乏，這是目前國產產品和國外產品的最大差距。5個30口以上公告產品為

徐州海倫哲公司的33m和35m,杭州愛知引進德國上裝的35m,北方交通的32m和中聯重

科的30m。

2）折疊臂產品為主，尤其以三節(jié)折疊臂結構為主。

3）伸縮臂產品快速發(fā)展，杭州愛知和徐州海倫哲已經形成了較為齊全的伸縮臂系列，具

有很強的競爭力，北方交通也已經初步形成較為完善的前置伸縮臂和后置伸縮臂兩個系

列。其它有伸縮臂產品的廠家，產品以上裝進口為主。

4）控制系統(tǒng)水平低，使用控制器進行控制的產品很少，目前國內主要骨干企業(yè)在高空作

2

業(yè)車控制上主要依賴國外公司進行配套。

5)多個公司都開發(fā)了進口上裝產品。引進產品以小高度為主，主要是伸縮臂，北方交通

引進了混合臂結構產品。

1.2.2高空作業(yè)車在國外的現狀和發(fā)展趨勢

國外高空作業(yè)機械生產企業(yè)主要集中在歐美和日本等發(fā)達國家，三個地區(qū)的高空作

業(yè)機械產品又各有特點。

1.2.2.1歐洲高空作業(yè)車行業(yè)

歐洲高空作業(yè)車生產廠家多，歐洲僅意大利已知的就有二十家左右高空作業(yè)車生產

r,德國、法國、英國、芬蘭、丹麥等國也都有很多高空作業(yè)車生產廠，可以說歐洲是

高空作業(yè)車最主要的產地。歐洲產品的結構型式齊全，高空作業(yè)機械按臂架結構可分為

折疊臂、伸縮臂、混合臂等型式，歐洲產品各種結構都有采用，尤其是各種結構的混合

臂產品，美國和日本很少見，而歐洲混合臂產品非常多。歐洲產品作業(yè)高度規(guī)格全，作

業(yè)高度最低在10m左右，最大高度超過100m；北美地區(qū)的產品最大作業(yè)高度基本不超過

70m,日本產品最大作業(yè)高度不超過60mo歐洲高空作業(yè)機械生產歷史長，技術水平高，

因此目前歐洲產品在世界上銷售范圍最為廣泛，中東、東南亞、南美洲等地都是以歐洲

產品為主。從以上幾點可以說明歐洲是高空作業(yè)車最發(fā)達，技術水平最高的地區(qū)。但歐

洲基本上不生產和使用高空絕緣車，目前僅芬蘭博浪濤(Bronto)公司生產大高度高空

絕緣車。歐洲主要高空作業(yè)車生產商如下：

1)Bronto：中文名博浪濤，芬蘭公司，產品為高空作業(yè)車和消防救援車。消防車在

中國具有很高知名度，我國進口的大高度高空作業(yè)車見表1。高空作業(yè)車以大高度為主，

作業(yè)高度23?110m。目前是已知歐洲唯一生產高空絕緣車的廠家，高空絕緣車作業(yè)高度

38?60m。芬蘭博浪濤(Bronto)公司是全球最著名生產大高度高空作業(yè)車的企業(yè)，結構

型式都是二級伸縮臂加多級伸縮折臂結構。

2)Palfinger：奧地利帕爾菲格起重技術有限公司，2008年全球工程機械50強第

31位，主要業(yè)務為隨車起重機，2007年在深圳建立組裝廠一博威格起重設備公司。高空

作業(yè)車業(yè)務包括WUMAG和BISON兩個品牌。BISON高空作業(yè)車規(guī)格從14?61m,WUMAG從

23?102m。目前產品分為：全伸縮臂系列、伸縮臂加飛臂系列、伸縮臂加飛臂、轉臺可回

轉系列、兩級伸縮臂加飛臂系列。

3)MultitelPaglieroSpA：產品有汽車底盤式和蜘蛛式高空平臺，車載式產品作

3

業(yè)高度從13?72m,是意大利最大的高空作業(yè)車生產廠，2008年產量超過1000臺。產品

為三個系列，分別為：鋁合金全伸縮工作臂系列、MX交叉布置混合臂系列、兩級伸縮臂混

合臂系列。

4）Oil&steel：意大利公司，屬于PM集團，成立于1995年，產品有汽車底盤式和蜘

蛛式高空平臺。產品分為四個系列，分別為：全伸縮臂系列、聯動折疊混合臂系列、兩級

伸縮臂混合臂系列、蜘蛛式自行式系列。作業(yè)高度10?70m。

5）Ruthmann：中文名胡特曼，德國公司，生產高空作業(yè)車和蜘蛛式產品，作業(yè)高度

范圍11?102口。產品分為折疊臂系列、伸縮臂加飛臂系列、全伸縮臂系列、二級伸縮臂加

飛臂系列、重型系列、蜘蛛式產品系列。

6）其它廠家:意大利CTE&Bizzocchi、意大利ISOLI。

1.2.2.2北美地區(qū)高空作業(yè)車行業(yè)

北美高空作業(yè)車產品以絕緣型為主，約占總量的65%,這是由于北美地區(qū)的法規(guī)、政

策對多數高空作業(yè)具有絕緣性能要求。世界上最大的三家絕緣型高空作業(yè)車生產企業(yè)集中

在美國，其絕緣式高空作業(yè)車產品在世界上處于領先地位。北美也是高空作業(yè)車（包括絕

緣型和普通型）銷量最大的地區(qū)，和歐洲相比，北美地區(qū)的高空作業(yè)車作業(yè)高度較低，為

保證絕緣性能，北美高空作業(yè)車多采用較為簡單的結構型式，只有低高度產品和低絕緣等

級的產品，使用復雜程度較高的混合臂結構，中等高度產品使用折疊臂結構較多，大高度

產品多使用伸縮臂結構。北美的高空作業(yè)車生產廠家較為集中，美國Terex、Altec、Time

是最大的三家生產廠，其余廠家均規(guī)模較小。北美主要高空作業(yè)車生產商如下：

1）Altec：北美最大的高空作業(yè)車和市政車輛生產商，除絕緣和非絕緣高空車外，還

生產伸縮臂吊車、布纜車、綜合作業(yè)車、絕緣件水沖洗車、林業(yè)機械等。

2）TerexUtilities：北美第二大高空車和市政車輛生產商，產品和Altec類似。

3）TimeManufacturing：北美第三大高空車和市政車輛生產商，產品和Altec、Terex

Utilities相比較為單一，只有高空作業(yè)車類產品，其出口部在丹麥，普通型高空作業(yè)車

產品的生產廠也在丹麥。

4）其它廠家：美國ElliottEquipmentCompany,美國ETI、加拿大Posi-Plus。

1.2.2.3日本高空作業(yè)車行業(yè)

日本高空作業(yè)車使用普遍，普通型和絕緣型產品都得到廣泛使用。日本高空作業(yè)車的

作業(yè)高度較低，小巧、靈活是其主要特點。日本高空作業(yè)車生產廠家高度集中，主要是AICHI

（愛知）和多田野。愛知和多田野高空車的產品線都非常齊全，既有普通高空作業(yè)車，又

有絕緣車，同時也生產自行走產品。此外，日立公司生產自行走高空作業(yè)平臺，東急車輛

4

公司生產高空作業(yè)車。日本主要高空作業(yè)車生產商如下:

1）Aichicorporation：日本最大的高空作業(yè)車、自行式高空作業(yè)車和市政車輛生

產商，專業(yè)生產高空作業(yè)車產品，在美國和中國有分公司生產高空作業(yè)車，在歐洲和中國

有分公司生產自行式高空作業(yè)車。愛知公司的高空作業(yè)車在日本占領先地位，日本市場占

有率達70%,電力行業(yè)份額82%,通訊行業(yè)81%,建筑、造船和其它行業(yè)占68%。

2）TadanoLTD：日本著名工程機械公司，主要生產各種汽車起重機，高空作業(yè)車是

其業(yè)務之一，高空作業(yè)車產品線和AICHI相似。

1.2.2.4其它地區(qū)高空作業(yè)車行業(yè)

除以上國家和地區(qū)外，其它地區(qū)高空作業(yè)車生產廠很少。韓國近幾年出現多家高空作

業(yè)平臺生產企業(yè)，除JUNJIN（全進）公司外，其它規(guī)模較小。

1.3高空作業(yè)車的基本組成

高空作業(yè)車正常進行作業(yè)，需要工作機構、金屬結構、動力裝置與控制系統(tǒng)四部分。

這四個部分的組成及其作用分述如下：

1.3.1工作機構

工作機構是為實現高空作業(yè)車不同的運動要求而設置的。高空作業(yè)車一般設有變幅機

構、回轉機構、平衡機構和行走機構。依靠變幅機構和回轉機構實現載人工作斗在兩個水

平和垂直方向的移動；依靠平衡機構實現工作斗和水平面之間的夾角保持不變，依靠行走

機構實現轉移工作場所。

高空作業(yè)車變幅是指改變工作斗到回轉中心軸線之間的距離，這個距離稱為幅度。變

幅機構擴大了高空車的作業(yè)范圍，由垂直上下的直線作業(yè)范圍擴大為一個面的作業(yè)范圍。

高空作業(yè)車變幅機構一般采用液壓油缸變幅。高空作業(yè)車的一部分（一般指上車部分或回

轉部分）相對于另一部分（一般指下車部分或非回轉部分）做相對的旋轉運動稱為回轉。

為實現高空作業(yè)車的回轉運動而設置的機構稱為回轉機構。它是由液壓馬達經減速器將動

力傳遞到回轉小齒輪上，小齒輪既作自轉又作沿著固定在底架上的回轉支承大齒圈公轉，

從而帶動整個上車部分回轉。有了回轉運動，從而使高空作業(yè)車從而作業(yè)范圍又擴大為一

定空間的作業(yè)范圍。高空作業(yè)車在工作臂起伏時，工作斗與水平面夾角必須保持相對穩(wěn)定,

才能保證工作人員正常工作。平衡機構就是為了實現這一功能。對于伸縮臂或混合臂型式

5

的高空作業(yè)車，通常有自重平衡、液壓伺服缸平衡、電液平衡幾種方式。高空作業(yè)車的行

走機構就是通用或專用汽車底盤。

1.3.2金屬結構

工作臂、回轉平臺、副車架（車架大梁，門架、支腿等）金屬結構是高空作業(yè)車的重

要組成部分。高空作業(yè)車的各工作機構的零部件都是安裝或支承在這些金屬結構上的。金

屬結構是高空作業(yè)車的骨架。它承受高空作業(yè)車的自重以及作業(yè)時的各種外載荷。組成高

空作業(yè)車金屬結構的構件較多，其重量通常占整機重量的一半以上，耗鋼量大。因此，高

空作業(yè)車金屬結構的合理優(yōu)化設計，對減輕高空作業(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。

1.3.3動力裝置

動力裝置是高空作業(yè)車的動力源。由于高空作業(yè)車采用汽車底盤作為行走機構，通常

不再另外設置動力源，而是直接采用汽車底盤發(fā)動機作為整車的動力源。高空作業(yè)裝置需

要的功率不大，一般約10-20kw,而載重汽車底盤發(fā)動機的功率根據載重量不同從50kw

一直到150kw以上，且高空作業(yè)裝置工作時不允許底盤行駛，因此底盤發(fā)動機的動力足

以保證高空作業(yè)裝置工作。因為高空作業(yè)裝置需要功率不大，通常高空作業(yè)車采用變速箱

取力方式，通過安裝在底盤變速箱側面的取力器取出發(fā)動機的動力，并驅動液壓油泵向高

空作業(yè)裝置供油。取力系統(tǒng)中還設置控制裝置，在底盤行駛時，取力器沒有輸出，液壓油

泵不工作，需要進行高空作業(yè)時，取力器輸出，油泵工作。

1.3.4控制系統(tǒng)

高空作業(yè)車控制系統(tǒng)是控制和解決各機構怎樣運動的問題。如動力傳遞的方向，各機

構運動速度的快慢，以及使機構啟動停止等?？刂葡到y(tǒng)包括操縱裝置、執(zhí)行元件和安全裝

置。當今的高空作業(yè)車全部采用電氣液壓操縱，因此控制裝置包括各種液壓操作閥，電控

裝置等，以實現機構的起動、調速、換向、制動和停止。執(zhí)行元件包括變幅用的液壓油缸、

回轉馬達、油泵等，用來推動結構件實現動作。安全裝置包括各種傳感器、行程開關、報

警器、液壓鎖止閥，用來檢測危險工況，保證工作安全。

6

1.4課題背景

本課題以“小型折臂式高空作業(yè)車”為研究對象，對該車的作業(yè)臂結構、液壓系統(tǒng)

進行設計。該型作業(yè)車的作業(yè)臂有上臂、下臂組成，下臂與底座較接，上臂頭部有工作平

臺。上、下臂通過伸縮油缸調節(jié)臂的舉升高度。傳統(tǒng)的力學方法設計是：根據高空作業(yè)的

需要，在滿足升降高度的前提下，進行強度、剛度、穩(wěn)定性的校核，確定截面尺寸。為保

證安全，設計過程中安全系數較大，造成質量偏大，成本增加等問題。在車輛在行駛過程

中，由于臂重較大，產生多起車架斷裂現象。由于伸降臂在作業(yè)時位于十幾米甚至幾十米

的高空，事關人身安全，因此需要有一種較準確的設計計算方法，既能滿足設計要求，又

能減輕臂重，降低成本。

液壓系統(tǒng)設計在高空作業(yè)車的設計里占重要地位，例如起重工件裝置主要由變幅機構

組成，這一機構靠液壓系統(tǒng)驅動，實現作業(yè)要求。液壓系統(tǒng)元件的類型可分為動力元件，

控制元件，執(zhí)行元件，輔助元件等。隨著經濟技術的快速發(fā)展，國內外起重機市場和高空

作業(yè)車市場對這兩種產品的需求越來越大，將產生巨大的社會經濟效益。

本研究課題，將以高空作業(yè)車升降臂結構、液壓系統(tǒng)為主要研究對象，根據作業(yè)高度

和液壓驅動部分進行結構設計，得出一種較為準確的設計方法.

1.5本課題的設計內容及意義

1.5.1本課題主要研究工作

(1)進行大量的調查研究，收集整理資料，根據作業(yè)車的工作特點和受載狀況，制定

作業(yè)臂設計方案和液壓缸的基本參數設計。

(2)根據受載狀況原始數據對作業(yè)臂進行結構設計，作業(yè)臂由上臂、下臂和升降油缸

等組成，設計中要確定上、下臂的長度，油缸較點位置，作業(yè)臂截面尺寸，確定液壓缸類

型和安裝方式，確定液壓缸的主要性能參數和主要尺寸。

(3)在實際計算中對上下臂施加載荷和約束，進行結構強度和剛度分析，確定危險截

面或危險點的應力分布及變形。

(4)根據分析結果，找出支架結構設計和液壓系統(tǒng)中的不合理因素，提出改進方案，

并對改進后的結構和性能進行分析，對兩種分析結果進行比較。畫出作業(yè)臂總裝圖及上下

7

臂零件圖，液壓系統(tǒng)圖以及液壓缸零件圖。

(5)在上述分析研究的基礎上進行總結，得出上、下臂在結構設計、較點位置的確定、

液壓缸類型和安裝方式、液壓缸的主要性能參數和主要尺寸等方面的可靠數據，為同類型

產品的結構設計和改造提供了科學的理論依據。

1.5.2研究本課題的意義

通過本課題的研究，掌握折臂式高空作業(yè)車作業(yè)臂的結構設計理論和分析方法，得

出較為準確的設計方法從而達到優(yōu)化結構、減輕自重、提高可靠性的目的，為研制高空作

業(yè)車奠定基礎。與此同時液壓系統(tǒng)設計在整個高空作業(yè)車的設計里具有重要的意義，它使

整個機器實現自動化。其中安全性等方面的考慮，設計更是減少了故障的發(fā)生，相當程度

上確保運行該高空作業(yè)車的工人的安全。

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第2章總體方案設計

高空作業(yè)車是一種用于家庭、裝飾裝修、市政建設、道路橋梁工程等需要高空作業(yè)

場合的機械，這類產品的品種規(guī)格很多；本設計擬設計一種滿足家庭和裝飾裝修工程使用

的高空作業(yè)車，希望設計的產品外形美觀、體積小、價格低。并且達到以下技術指標：起

升高度為4-10米，最大載重量1000kg,要求起升安全快速，定位準確可靠，操作控制靈活

方便。

2.1選取高空作業(yè)車形式

通過大量分析市場現有產品得知，高空作業(yè)車大體有折疊臂式、伸縮臂式、垂直升降

式、混合臂式等四個系列。其各自有優(yōu)缺點如下：

折臂式能懸伸作業(yè)、跨越一定的障礙或在一處升降可進行多點作業(yè)；平臺載重量大，

可供兩人或做人同時作業(yè)并可搭載一定的設備；升降平臺移動性好，移動場地方便；外形

美觀，適于室內作業(yè)和存放。適用于車站、碼頭、商場、體育場館、小區(qū)物業(yè)、廠礦車間

等大范圍作業(yè)。故其市場保有量大、用戶熟悉、價格低廉、維護簡單等優(yōu)勢仍然成為我國

高空作業(yè)平臺市場主流產品.

伸縮臂式高空作業(yè)車實現了輕量化和外形尺寸小型化（相同作業(yè)高度比較）.并以其作

業(yè)效率、操作簡單、安全性好等優(yōu)勢得到快速發(fā)展，作業(yè)高度在18?28m之間的將成為高空

作業(yè)平臺的主力產品。

垂直升降式高空作業(yè)車的升降機只能在垂直方向上下運動。它的主要特點是結構簡

單，承載能力強，但作業(yè)范圍小，作業(yè)高度低，這種結構形式應用比較少。

混合臂式高空作業(yè)車既有折臂式跨越障礙能力，又有伸縮臂式操作簡單，作業(yè)效率高

的優(yōu)點，在特殊領域和大高度上具有務必優(yōu)勢，但由于該型式車技術復雜、制造工藝要求

高、成本高等缺點，普及程度要低于伸縮臂式高空作業(yè)車。

由于本次設計的要求載重量大，作業(yè)范圍和用途較廣，經分析比較之后，選用折臂式。

9

2.2移動方式及動力源和傳動方式的確定

然而按其移動方式，高空作業(yè)車還有拖車式、手推式、自行式等。手推式高空作業(yè)車,

雖然體積較小，結構簡單，成本較低，但是由于用的是人力，故存在一定的不方便之處，

比如，如果作業(yè)人員在高空作業(yè)過程中想換地方，就需要另外一個人在下面推，才能使作

業(yè)車行駛，所以不推薦手推式。而自行式行動速度緩慢，不便于廣范圍的行走和操作。又

根據本次設計的需求，決定采用拖車式移動方式。

市場上有許多品牌的汽車式底盤，根據設計需求以及市場供應情況和綜合參數考慮,

最終決定選用東風小霸王品牌的底盤。其主要技術參數如下表2-1所示：

底盤型號東風EQ1042NI4DJ3A

工作高度(M)8-10

整車尺寸(長寬高mm)4800x2050x2045

總質量(kg)4498

額定載質量(kg)1700

整備質量(kg)2408

車輛參數接近角/離去角(mm)23/15

前懸/后懸(mm)962/1726

燃汕種類柴油

百公里油耗(L)9

最高車速90

型號4100QBZL/CY4100ZLQ

排量/功率(kw)3298/70,3707/70（95馬力）

發(fā)動機參數

生產廠家昆明云內動力股份有限公司/東風朝陽柴油機有限責任公司

型式直列四缸柴油機

驅動型式4x2

軸距(mm)25000

輪距(前/后)1510/1883

前橋描述1.5T

底盤說明

后橋描述3.0T

轉向器說明雙輻條式方向盤，循環(huán)球式轉向器

變速箱描述五個前進檔，?個倒檔，機械傳動，軟軸拉絲式操縱。

離合器描述單片、干式膜片彈簧離合器

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制動系統(tǒng)說明液壓制動系列，鼓式；選裝氣制動。

駕駛室平頭雙排座

鋼板彈簧片數（前/后）5/8+4,6/8+4,8/9+5

輪胎規(guī)格6.50-16,7.00-16

空調選裝

高空作業(yè)車工作高度8-10m

專用性能參數工作斗額定載荷1000kg

工作斗容納人數5人

表2-1

由于是高空作業(yè)，并綜合考慮其承載能力，本設計決定采用液壓傳動形式。主要運用

電機帶動液壓泵，然后用液壓泵帶動液壓缸，用以實現作業(yè)任務所需。

因為液壓傳動與機械傳動、電氣傳動相比有以下主要優(yōu)點：

①在同等功率情況下，液壓執(zhí)行元件體積小、重量輕、結構緊湊。

②液壓傳動的各種元件，可根據需要方便、靈活的來布置。

③液壓裝置工作比較平穩(wěn)，由于重量輕、慣性小、反應快，液壓裝置易于實

現快速啟動、制動和頻繁的換向。

④操縱控制方便，可實現大范圍的無級調速，還可在運行的過程中進行調速。

⑤一般采用礦物油為工作介質，相對運動面可自行潤滑，使用壽命長。

⑥容易實現直線運動。

通過對高空作業(yè)車形式的確定、移動方式的選取、動力源的選擇以及傳動形式的確定,

本設計的高空作業(yè)車的大體框架結構已經確立，本產品的設計名稱也可以設定為：折臂式

拖車式高空作業(yè)車。整車外形示意圖如圖2-1所示：

圖2-1

11

2.3結構組成

高空作業(yè)車主要由高空作業(yè)臂、作業(yè)平臺、起升機構、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系

統(tǒng)等六部分組成：

1）高空作業(yè)工作臂

高空作業(yè)工作臂包括上臂和下臂。行駛狀態(tài)時，兩節(jié)工作臂折疊在一起，進行高空作

業(yè)時，兩節(jié)工作臂分別由上下臂油缸舉升伸展至一定角度，將工作人員送至工作位置。上

臂和下臂、下臂和轉臺較接處設有專門的滑動軸承,保證工作臂轉動時阻力小,運動平穩(wěn)。

2）工作平臺

工作平臺的作用是將高空作業(yè)人員和必要的工具送至空中，并作為工作人員空中作業(yè)

的場所。本機的工作平臺采用鋼管焊接框架結構，周圍設有護欄，護欄開有側門，方便人

員進入，平臺底版采用防滑的花紋鋁板，平臺周圍下都有護欄，防止工具或其他物品掉落。

3）動力系統(tǒng)

本機的動力源為底盤交流電機。其驅動效率高、有良好的調速性能、可遠距離控制，

啟動、制動、反向調速都易控制，且功率范圍廣。本機由電機帶動泵，把機械能變?yōu)橐簤?/p>

油的壓力能，然后通過泵向油缸供油，從而將液壓油的壓力能轉變?yōu)樗璧臋C械能。

4）液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)采用定量齒輪泵供油，系統(tǒng)工作壓力為8MPa,油路中設有安全溢流閥，保證

系統(tǒng)安全。液壓系統(tǒng)通過三位四通電磁換向閥對舉升油缸供油，輸出流量與負荷變化無關,

可使系統(tǒng)達到穩(wěn)定的工作速度，并且能夠實現無級調速。

5）電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)包括示廓燈、警示燈、照明燈（可選件）等燈具、上限位系統(tǒng)、下限位系統(tǒng)、

上下車互鎖系統(tǒng)、蜂鳴器、吊籃控制箱等部分。

12

第3章高空作業(yè)車變幅機構設計

變幅機構的結構示意圖3-1：

圖3T

3.1材料的選擇

金屬結構是指由扎制的型鋼和鋼板作為基本元件，按照一定的結構組成規(guī)則用栓接、

斜接或焊接的方法連接起來，用于承受一定的載荷。為保證高空作業(yè)車能在工作環(huán)境惡劣、

載荷變化復雜、不允許產生塑性變形和人為的不文明操作等因素下能安全、可靠地工作對

其金屬結構規(guī)定如下計算原則：

（1）金屬結構工作級別按結構件中的應力狀態(tài)（名義應力譜系數）和應力循環(huán)次數（應力

循環(huán)等級）分為A1-A8八級。

（2）金屬結構計算應采用許用應力法。（許用正應力和許用切應力）

13

(3)金屬結構應進行強度、剛度和穩(wěn)定性計算，并滿足其規(guī)定的要求。

(4)金屬結構應按三類載荷情況進行疲勞強度、剛度和穩(wěn)定性計算。

第I類一一按正常工作時的等效載荷進行疲勞強度計算。對A6—A8工作級別的起重結構

必須進行疲勞強度計算，對A1--A5工作級別的起重機結構，一般可不進行

此項計算。

第H類一一按工作時的最大的載荷進行強度和穩(wěn)定性計算。

第田類--按非工作時的最大載荷或工作時的特殊載荷進行強度和穩(wěn)定性的驗算。

(5)對三類載荷情況分別規(guī)定了不同的許用應力。

表3-1許用應力計算公式

拉伸、壓縮、彎曲、

載荷組合種類安全系數剪切許用應力

許用應力

「OS回=察

組合Inl=l.5[o1]TI=——

1.5

ITTOS

組合nnil=L33[Rolll=——[T]II=

1.33一V3

組合innIII=l.15[o]III=巨

1.15J3

注：表中屈服點os應按選取的鋼材厚度取不同的值

由此確定作業(yè)臂的材料：根據選材原則及規(guī)定，主要選用Q235鋼板，其主要特點是機

械強度、韌性和塑性，以及加工等綜合方面的性能好，價格較低。鋼板的厚度t=4mm。其

屈服強度是：CJS=235Mpa.

由于工作時應按最大的載荷進行強度和穩(wěn)定性計算--結構應按第二類載荷情況進行

疲勞強度、強度和穩(wěn)定性計算。

所以由表IT可得安全系數是：nll=l.33

Q235鋼板的屈服強度是：OS=235MPa

os235./“Me

許用正應力是：［O］H=一=----=176.69MPa

1.331.33

許用切應力是：［印1=嗎工=臂華=102.1MPa

石V3

14

3.2.計算上、下臂的長度

如圖3-3所示作業(yè)臂的仰角是指上臂與水平線之間的夾角用字母。來表示，它可從0°

到80°,為便于對吊臂端部進行操作，仰角?？蔀?3。，作業(yè)臂實際作業(yè)時通常在30。?75。

范圍內。設計時仰角取75°,在圖3-3中NA8”=75°,N”BC=75°,起升高度AC=8.5m。

上臂:L1=AB

下臂:L2=BC

則由三角關系有：ABsin75°+BCsin75°=8.5

即：(L1+L2)sin75°=8.5

Ll+L2=8.5/sin75°

Ll+L2=8.21m式⑶1)

由于上臂的頭部有工作臺，所以在上臂頭部應留有一定的余量裝工作平臺,

故上臂長必須大于下臂長即：L1〉L2式(3.2)

由式3.1和式3.2可以取上臂Ll=4.20m,下臂L2=4.01m

圖3-2作業(yè)臂最大仰角

3.3確定油缸鉉點的位置

EF是上臂油缸，GH是下臂油缸。

15

H=8.5m

圖3-3油缸工作欽點

3.3.1確定上臂油缸錢點的位置

取BE=300mmBF=500mm

則由三角關系可得：EF2=BE2+BF2-2BEBFcos150°

=3002+5002-2x300x500xcos150°

=599807.6mm

即EF=774mm

3.3.2確定下臂油缸較點的位置

取HC=350mm,CG=450mm,ZHCG=75°

由三角關系可得：HG2=3502+4502-2x350x450xcos75°

=243472mm

即HG=493mm

3.4上臂截面尺寸的確定

3.4.1對上臂進行受力分析

圖3-4所示是上臂工作到水平位置時的受力圖,此時上臂受到的力最大

16

FlF=9.8KN

300mm3900mm

B*.....----------------A

口E

F2

彎矩M

Mmax

x

圖3-4上臂彎距圖

可列公式：^MB=0

則：F2x300=9.8x3900

F2=127.4KN

又由工廠=0可得：Fl+F=F2

Fl=127.4-9.8=117.6KN

如上圖所示的彎矩圖：則可得最大彎矩是Mmax=9.8x3.9=38.22KN.m

而梁所需的截面系數，W=M/[O]

38.22KN.m=21.6x10-5m3

176.69MPa

再將求出來的梁所需的截面系數W值代入式(3.4)。

3.4.2計算上臂截面尺寸

(1)上臂梁高h的確定

17

圖3-5梁的截面圖

按強度條件:式(3.3)

式中W--------梁所需的截面系數，W^M/[a];

M一梁的最大彎矩;

[O]------------所用鋼材的許用應力;

6、60一一鋼板的厚度，設計時鋼板的厚度一樣6=60=4mm

因6=60則上式可簡化為：h=8|電

式(3.4)

因此把計算所得的截面系數w=21.6x10-5加和6=4xl0-3m

可得上臂高h=0普

|0.6x21.6xl0-5

=------------=1180O〃A?/"

V4x10

(2)上臂梁寬b的確定

I4

圖3-6上臂的截面結構圖

18

如圖所示：6=4mm

則：=〃-26=180—8=172〃〃〃

按整體穩(wěn)定性條件：b>-h

3

按局部穩(wěn)定條件：Q235鋼/?<606

即：-/?</?<606

3

—X180mm<b<60x4mm

3

60mm<b<240mm

則取：b=150mm

由圖可得：勿=〃+2。=150+8+158〃加

3.4.3對上臂進行強度校核

上臂梁的尺寸確定后應對其進行強度、鋼度和整體穩(wěn)定性效核,不滿足時應進行修

改。

正應力校核靜強度效核公式：正應力4司式（3.5）

F----------梁所受的力（N）

A----------截面積（m2）

切應力T=式（3.6）

8/zL」

Fs----------梁所受的剪力（N）

6----------鋼板厚度（m）

Iz---------梁對Z軸的慣性矩（相）

19

FlF=9.8KN

300mm3900mm

A

F2

圖3-7上臂剪力圖

在截面BE所受的正應力是：ol=—<[o]式（3.7）

A

梁的截面積是：A=hb\-h\b

=0.18X0.158-0.172X0.15

=2.64x10-3/

nWiFlU7.6X103]]

則：ol=——=--------=44.5MPa<\<5\

A2.64x10-3LJ

在截面AE所受的正應力是：o2=—<[o]式（3.8）

A

Ec/9.8X103c1

貝ij:。2=—=-------=3.7MPa<[ro]

A2.64x10-r3

在截面BE所受的切應力應是：tl=到2

式（3.9）

8/z

計算Z軸慣性矩Iz:

20

bl

圖3-8上臂的慣性矩圖

如圖所示建立坐標系：

矩形對Z軸的慣性矩是：Iz=—

12

則慣性矩：Iz=Izl-Iz2

所以此題的慣性矩為：/力=町=158、180=59x10-5/

1212

/z2=^l=150-xl72=48xlQ_5ffl4

1212

Zz=/zl-/z2=5.9xl0-5-4.8xl0_5=l.lxl0-5w4

(2)把Fsl=117.6KN和/z=Llxl0r“切應力效核公式：

則：切應力是Tl=-------=-------------------——=0.21MPtz<T

8/z8xl.lxl0-5L1

在截面AD上所受的切應力是：T2=^-<[T]式(3.10)

oiZ

把Fs2=9.8KN和/z=1.1x10-5/代入式(2.10)

P2629.8X103X0.0042

則:切應力是己=心-=0.017MP?<[T]

8/z8X1.1X10-5

所以上臂的正應力和切應力符合要求。

(3)對上臂進行整體穩(wěn)定性驗算

箱型組合梁通常剛度很大，若梁的高寬之比///W3,則梁的整體穩(wěn)定性不需驗算。

所以///b=180/150=1.2<3則不需要整體穩(wěn)定性不需驗算。

從以上對上臂的驗算可得上臂尺寸的選擇符合要求。

21

3.5下臂截面尺寸的確定

3.5.1對下臂進行受力分析

圖3-9所示是下臂工作到水平位置時,此時下臂受力最大，由此來計算梁的受力情況。

把上圖分解后計算各個力的大小力

圖3T0上臂受力圖

計算上臂的自重FG

鋼板每平方米面積的理論質量,不同厚度的鋼板(密度為7.85)的每平方米理論質量按

下列公式計算：

G=bxpkgInr式(3.11)

式中G——給定鋼板厚度下的每平方米重量,kg/m

(7----鋼板厚度cr=4mm

22

p-------鋼板密度7.85

所以MG=4.2x0.004x7.85=0.13Zg(M=Li=4.2m)

所以自重是：EG=0.13x9.8=L27KN

由上圖可得：￡尸=0

即：&=PG+F=1.27+9.8=1L07KN

對下臂進行受力分析如下圖

FcFg

450mm3560mm

B

GF

彎矩MAvWFR，

Mmax=39.41KNm

x

圖3-11下臂的彎距圖

FB'=-FB=11.07KN即力FB，與力FB大小相等方向相反。

￡MC=0

F1?X450=FB'X3560

所以Fg=356°義11?°7=92.56KN

450

小=0

所以Fc=92.56-11.07=81.49KN

如上圖所示的彎矩圖：則可得最大彎矩是Mmax=11.07x3560=39.41KM〃

而梁所需的截面系數，W=Mmax/[o]

=39——3

6.69MPa

23

3.5.2計算下臂的截面尺寸

再將求出來的梁所需的截面系數W值代入式⑶2）

可得h=/0-6Wma^

0.6x2.2x107

=1SQmm

4x10'1

圖3T2下臂的截面圖

如圖所示：6=4mm（和上臂的厚度一樣）

則：Al=/i-26=180-8=172mm

按整體穩(wěn)定性條件：h>-h

3

按局部穩(wěn)定條件：Q235鋼Z?<606

即：-h<b<605

3

—X1SOmm<b<60x4mm

3

60mm<b<240mm

可取：b=150mm

由圖可得：。1=/?+26=150+8=158加”

3.5.3對下臂進行正應力校核

下臂梁的截面尺寸確定后應對其進行強度、鋼度和整體穩(wěn)定性,不滿足時應進行修改。

其計算方法和計算公式和上臂一樣，計算公式是式⑶5）和式⑶6）o

24

(1)效核正應力

剪力Fs

Fc=81.49KN

圖3T3下臂的剪力圖

在截面CG上所受的正應力是：ol=—<[a]式(3.12)

A

梁的截面積是：A-hb\-h\b

=0.18x0.158-0.172x0.15

=2.64x10m2

,Fc81.49xl(P「1

則：ol=—=------------r=30.87A/Pa<[<51

A2.64x10-3L1

在截面AD上所受的正應力是：o2=—<[o]式(3.13)

A

11.07X103

則:=4.2MPa<[o]

工-2.64x10-3

(2)效核切應力

在截面BD上所受的切應力應是：Tl=號3引t]

式(3.14)

計算Z軸慣性矩Iz:

25

bl

圖3T4慣性矩圖

如圖所示建立坐標系，見圖3T4慣性矩圖

矩形對Z軸的慣性矩是：IzJ—

12

則慣性矩：Iz=Izl-Iz2

所以此題的慣性矩為：Iz\=—=158-18°3=7.6x10-5/

1212

一=幽=1503x172=4,8x10*4

1212

Iz=Iz\-Iz2=7.6x10-5-4.8X10-5=2.8xl0-5w4

把FsC=81.49KN和/z=2.8x10-5/切應力效核公式：

,加盧大曰.Feb281.49X105X0.0042八八八〈。入川(i

則mi：切應力是Tl=----=-------------；——=0.0058MPa<T

8/z8x2.8x10-5LJ

在截面AD上所受的切應力是：T2=上也<[T]

式(3.15)

8/zL」

把=l1.07KN和/z=2.8x10-5機4代入式(3.⑸

Ffi'5211.07x103x0.0042

則：切應力是T2==0.079MPa<[T]

8/z8x2.8x107

所以下臂的正應力和切應力符合要求。

(3)對下臂進行整體穩(wěn)定性驗算

箱型組合梁通常剛度很大，若梁的高寬之比〃(圖3-12),則梁的整體穩(wěn)定性不需

驗算。所以%，=180/150=1.2<3則不需要整體穩(wěn)定性不需驗算。從以上對下臂的驗算可

得上臂尺寸的選擇符合要求。

26

3.6連接處銷軸尺寸的確定

確定銷軸的基本參數：公稱直徑d,總長度/

根據高空作業(yè)車上下臂的結構可以確定其尺寸，按《機械設計手冊2》表6.3-61銷軸

（摘自GB/T882—2000），選定d=50mm,總長度Z=200mm,材料為35鋼、熱處理硬度28~38HRC、

表面氧化處理的A型銷軸。

確定其相關尺寸：應max=70mm,A（公稱）=7根m，dy=10mm,r=l.5mm,c=5mm

27

第4章液壓系統(tǒng)設計

4.1簡介

液壓系統(tǒng)的設計理論和方法目前還不夠完善。比如液壓系統(tǒng)的組成，當前主要采用經

驗設計的方法，也即靠設計人員熟練掌握液壓元件、回路知識和運用實踐經驗，在分析現

有回路和系統(tǒng)的基礎上，進行比較、綜合，組成所需的液壓系統(tǒng)。此外，隨著電子技術的

迅猛發(fā)展，運用邏輯代數進行液壓系統(tǒng)設計也逐漸變?yōu)榭赡?，其具體方法還有待技術的發(fā)

展和實踐探索。

1、明確設計要求

設計要求是進行每項工程