4-高位舉升車舉升裝置結(jié)構(gòu)計(jì)算及設(shè)計(jì)摘要：社會(huì)發(fā)展越來(lái)越快，現(xiàn)如今人們對(duì)高位舉升車的使用越來(lái)越頻繁。隨著使用次數(shù)的增多，人們對(duì)高位舉升車的安全性要求變高。越來(lái)越輕和越來(lái)越安全的高位舉升車成為了人們選擇高位舉升車的標(biāo)準(zhǔn)。本次設(shè)計(jì)從以下三方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：強(qiáng)度校核、材料分析選擇、舉升方式分析選擇。強(qiáng)度校核是根據(jù)給定的尺寸計(jì)算所需要的許用強(qiáng)度，可以讓我們知道最低的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。材料分析選擇可以讓我們根據(jù)所需要的目的來(lái)選擇材料。舉升方式分析選擇可以使我們?cè)O(shè)計(jì)的高位舉升車更加安全。經(jīng)過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，我們優(yōu)化了高位舉升車的材料、舉升方式，使高位舉升車在原有的基礎(chǔ)上變得更輕和更安全。本次論文的結(jié)論，可以為以后設(shè)計(jì)高位舉升車提供少許設(shè)計(jì)思路和幫助。關(guān)鍵詞：高位舉升車；舉升裝置；展開(kāi)方式；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)。1引言1.1選題背景、研究目的及意義隨著經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)高空作業(yè)車的需求量越來(lái)越大，而高位舉升車作為高空作業(yè)車的一種，可以將工作人員和裝備舉升到一定高度進(jìn)行作業(yè)，是由起重機(jī)械發(fā)展而來(lái)的[1]。隨著高位舉升車在各領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，人們對(duì)需要進(jìn)行載人的高位舉升車的安全性和可靠性要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他通用起重機(jī)械。高位舉升車作業(yè)平臺(tái)可達(dá)到通常難于或無(wú)法進(jìn)入的高空作業(yè)，極大地?cái)U(kuò)展了人們的工作范圍，提高工作效率，具有安全可靠、節(jié)省勞動(dòng)力和費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。此外高位舉升裝置采用車載或自驅(qū)的方式，具有移動(dòng)方便、工作范圍廣等特點(diǎn)。正因?yàn)楦呶慌e升車的機(jī)動(dòng)、安全、高效率等鮮明優(yōu)點(diǎn)，在建筑行業(yè)、市政維修、消防滅火、電力搶修、果園采摘等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在建筑行業(yè)中，當(dāng)腳手架的作業(yè)量大時(shí)，高空作業(yè)車的費(fèi)用低、耗時(shí)低的優(yōu)勢(shì)尤為突出[2]。另外，根據(jù)國(guó)際高空作業(yè)車機(jī)械專業(yè)雜志《AccessInternational》統(tǒng)計(jì)表明，一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)，高空作業(yè)車的需求量就越大，單位GDP的需求量也應(yīng)越大。但在我國(guó)經(jīng)濟(jì)總量成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體后，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求量卻表現(xiàn)出與經(jīng)濟(jì)規(guī)模極不相符，這說(shuō)明我國(guó)高空作業(yè)車存在著巨大的潛力。此外，伴隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，出現(xiàn)了大量的中高層建筑，高空作業(yè)的需求日益增長(zhǎng)。在后疫情時(shí)代，受到疫情的沖擊，2020年國(guó)內(nèi)高空作業(yè)車銷售數(shù)量也能較2019年的國(guó)內(nèi)高空作業(yè)車銷售數(shù)量正增長(zhǎng)[3]。因此，高空作業(yè)車研究在未來(lái)有著非常廣闊的發(fā)展前景，為本課題的研究也帶來(lái)了重大意義。1.2高位舉升車的研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀高空作業(yè)車是一種重型機(jī)械發(fā)展來(lái)的機(jī)械設(shè)備，對(duì)技術(shù)水平要求較高。我國(guó)高空作業(yè)車的水平整體較歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，整體水平相對(duì)落后[4]。在大型的高空作業(yè)車領(lǐng)域，基本上依賴進(jìn)口高空作業(yè)車。(1)技術(shù)水平較低。目前，我國(guó)在售的高空作業(yè)車型主要是以折疊臂式高空作業(yè)車為主，這種車型的技術(shù)特點(diǎn)是技術(shù)成熟，對(duì)技術(shù)水平要求不高，產(chǎn)品種類比較單一，無(wú)法滿足當(dāng)今對(duì)高空作業(yè)車復(fù)雜的使用環(huán)境。我國(guó)生產(chǎn)技術(shù)難度較高的混合臂式高空作業(yè)車的生產(chǎn)廠家較少，攻克技術(shù)難題的生產(chǎn)廠家更少。但也出現(xiàn)了以杭州鼎力、徐工隨車等高水平的企業(yè)，也生產(chǎn)出了多款混合臂式高空作業(yè)車[5-6]。(2)產(chǎn)品的性能可靠性和安全性較差。在多數(shù)使用中，設(shè)備常出現(xiàn)液壓缸漏油，對(duì)設(shè)備的性能可靠性產(chǎn)生影響。在作業(yè)時(shí)，對(duì)控制液壓的液壓閥的控制精度不夠精確，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品性能的不穩(wěn)定性。控制的失效和精度較低，會(huì)導(dǎo)致高空作業(yè)車的不穩(wěn)定，使人員在高空作業(yè)平臺(tái)上的安全性大大降低。1.2.2國(guó)外的研究現(xiàn)狀國(guó)外高空作業(yè)車的特點(diǎn)是技術(shù)水平高、產(chǎn)品種類豐富、舉升高度大、結(jié)構(gòu)種類豐富、功能多樣豐富。國(guó)外高空作業(yè)車體現(xiàn)著高空作業(yè)車的高水平。（1）采用精確的液壓控制技術(shù)[7]。液壓控制中，通過(guò)負(fù)反饋技術(shù)將實(shí)時(shí)的載荷等參數(shù)輸入到控制單元ECU，在通過(guò)ECU對(duì)液壓進(jìn)行精確地控制。通過(guò)精確地控制，可以協(xié)調(diào)各個(gè)系統(tǒng)之間的誤差值，液壓系統(tǒng)按照各液壓缸系統(tǒng)的需求比例將液壓油輸入到各個(gè)系統(tǒng)中去，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同負(fù)載壓力的多個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)進(jìn)行快速和精確的控制，從而解決節(jié)能，調(diào)速和復(fù)合動(dòng)作等問(wèn)題。德國(guó)JanSiebert的新型負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)使壓力損失降低了百分之44[8]。（2）普遍采用高強(qiáng)度的材料。高強(qiáng)度的材料可以增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多樣性，越高強(qiáng)度的材料，所需的質(zhì)量就可以減少，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以在很少的用料下就可以達(dá)到強(qiáng)度要求。一些復(fù)雜的舉升臂的設(shè)計(jì)必須采用高強(qiáng)度的材料，在設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)受力分析和強(qiáng)度校核，計(jì)算得出的強(qiáng)度是一般材料所不能提供的，必須采用高強(qiáng)度材料。例如：胡德曼已研制出新型軌道臂架技術(shù)和圓形截面臂架技術(shù)，并分別在RUTH-MANNSTEIGERT470和T580得到成功應(yīng)用，該臂架采用高強(qiáng)度鋼制做而成，設(shè)計(jì)成彎曲的外形，并且具有最輕量化化的重量。更輕量化的重量，使得車輛更加的穩(wěn)定和安全[9-10]。1.3發(fā)展趨勢(shì)（1）臂架的輕量化設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)更加輕的臂架，可以通提升高空作業(yè)車的最大舉升高度。通過(guò)更換臂架的材料、結(jié)構(gòu)形式來(lái)減輕重量，可以在保證安全性的基礎(chǔ)上，提高經(jīng)濟(jì)效益，用更少的材料，設(shè)計(jì)出強(qiáng)度更高的臂架[11]。在日本的高空作業(yè)車設(shè)計(jì)中，因地形限制，高空作業(yè)車的發(fā)展向著小巧、靈活性更高發(fā)展，作業(yè)高度也較小[12]。（2）更加注重安全性能?，F(xiàn)如今，高空作業(yè)車的作業(yè)高度越來(lái)越大，人們對(duì)高空作業(yè)車的安全性能也尤其重視?，F(xiàn)實(shí)生活中，高空作業(yè)車常因?yàn)椴僮鞑划?dāng)、安全性能差導(dǎo)致車輛發(fā)生傾翻事故，如何設(shè)計(jì)出更加安全的高空作業(yè)車，成為各國(guó)生產(chǎn)企業(yè)的共同目標(biāo)[13]。1.4設(shè)計(jì)內(nèi)容及方法此次將基于安全性與可靠性對(duì)高位舉升車進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的市場(chǎng)常用車型進(jìn)行調(diào)研來(lái)選取合適的性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品性能，提高高位舉升車的穩(wěn)定性來(lái)提高安全性。通過(guò)應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件ADAMS來(lái)對(duì)臂架的伸展穩(wěn)定性進(jìn)行穩(wěn)定性分析，通過(guò)應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)臂架進(jìn)行受力分析，最終選取在滿足高位舉升車強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等方面的性能參數(shù)，設(shè)計(jì)出更輕量和更安全的高位舉升車[14]。2舉升裝置的尺寸參數(shù)2.1舉升裝置運(yùn)動(dòng)軌跡舉升裝置示意圖如圖2.1所示，有四個(gè)主要桿件，分別為AB桿、B`C`桿、CD桿，和機(jī)架DH桿。兩個(gè)輔助主要桿件運(yùn)動(dòng)的輔助平行桿，分別為A`B`桿和C`D`桿。兩個(gè)液壓桿，為=1\*ROMANI、=2\*ROMANII液壓缸桿件。四個(gè)液壓桿鉸接點(diǎn)，為E、F、G、H點(diǎn)。其余鉸接點(diǎn)為各桿件鉸接點(diǎn)。本次運(yùn)動(dòng)軌跡分析為兩種運(yùn)動(dòng)軌跡。第一種運(yùn)動(dòng)軌跡為同步展開(kāi)運(yùn)動(dòng)軌跡，這種展開(kāi)方式運(yùn)動(dòng)軌跡為，從初始狀態(tài)開(kāi)始，液壓缸桿=1\*ROMANI和液壓缸桿=2\*ROMANII同時(shí)液壓展開(kāi)，在展開(kāi)DC桿時(shí)也要保證DH桿和B`C`桿始終平行，DC桿展開(kāi)結(jié)束，在展開(kāi)AB桿。第二種運(yùn)動(dòng)軌跡為順序展開(kāi)運(yùn)動(dòng)軌跡，這種展開(kāi)運(yùn)動(dòng)軌跡為，從初始狀態(tài)開(kāi)始，液壓缸桿=1\*ROMANI先展開(kāi)DC桿，待DC桿展開(kāi)結(jié)束，再接著展開(kāi)液壓缸桿=2\*ROMANII來(lái)展開(kāi)AB桿。圖2.1舉升裝置示意圖2.2舉升裝置桿件尺寸如圖2.2所示，初步擬定AB桿長(zhǎng)2969mm、BC桿長(zhǎng)2100mm、CD桿長(zhǎng)2969mm、機(jī)架DO長(zhǎng)2100mm。AB桿與BC桿極限位置夾角為150度，BC桿與CD桿極限位置夾角為150度。圖2.2舉升裝置展開(kāi)極限位置圖由舉升裝置極限位置圖推算出各桿件的理論最小高度與理論最大高度、理論最大角度與理論最小角度，如表2.1、2.2所示。表2.1理論長(zhǎng)度參數(shù)單位：mm最小高度最大高度整體長(zhǎng)ABBCCDDO2100934236002969210029692100表2.2理論角度參數(shù)名稱最大值最小值A(chǔ)B與BC的角度150°45°CD與OD的角度150°45°在表2.1中的參數(shù)為理論尺寸，沒(méi)有考慮到實(shí)際加工過(guò)程的鉸接打孔。所以在實(shí)際加工中，必須要考慮到這部分的加工誤差。理論參數(shù)是考慮兩軸孔圓心之間的距離，考慮到預(yù)留用來(lái)加工的參數(shù)為實(shí)際參數(shù)。表2.3既為各桿件的實(shí)際參數(shù)，預(yù)留的加工尺寸為80mm。表2.3實(shí)際長(zhǎng)度參數(shù)單位：mm31293129312931292180在生產(chǎn)產(chǎn)品前確定擬定材料，初步擬定結(jié)構(gòu)鋼作為各桿件的材料，結(jié)構(gòu)鋼的密度為7850kg/m^3,拉伸屈服強(qiáng)度：2.5E+08pa,抗壓屈服強(qiáng)度：2.5E+08pa，抗拉極限強(qiáng)度：4.6E+08pa。各桿截面尺寸參數(shù)見(jiàn)表2.4。表2.4各桿件截面參數(shù)名稱基本尺寸截面面積F理論質(zhì)量Gkg/m慣性矩截面模數(shù)長(zhǎng)寬厚AB170100630.96025.9681201.671519.395141.373103.879A`B`9060411.3608.918125.57465.91827.90521.973B`C`190150957.96045.4992976.4572047.129313.31127.295CD190100843.84034.4142028.217723.913213.496144.783C`D`705048.9607.03459.50234.63817.00113.885DO2101501068.00053.3804145.6672427.667394.825323.689根據(jù)表2.3與表2.4計(jì)算出各桿件的重量。桿AB重量：桿A`B`重量：桿B`C`重量：桿CD重量：桿C`D`重量：機(jī)架DO重量：根據(jù)各節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.3。計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的基本參數(shù)的表2.5。圖2.3各節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖表2.5各節(jié)點(diǎn)的基本參數(shù)長(zhǎng)度ABBE`EE`BCBB`FF`CDF`DGG`DOOG`DD`mm29696801252100200135296968014521002802002.3舉升裝置的動(dòng)力傳動(dòng)裝置高位舉升車的動(dòng)力源類型有內(nèi)燃機(jī)和電力兩種。內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力源是依靠燃料的熱能通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，電力動(dòng)力源是依靠電能通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。傳動(dòng)裝置類型有機(jī)械傳動(dòng)和電力傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)三種。機(jī)械傳動(dòng)的特點(diǎn)是傳動(dòng)路線長(zhǎng)，且機(jī)構(gòu)復(fù)雜，但造價(jià)便宜。電力傳動(dòng)具有無(wú)級(jí)變速、精確、反應(yīng)快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)高昂。液壓傳動(dòng)具有無(wú)級(jí)變速、操作穩(wěn)定、大推力、大扭矩、造價(jià)適中等特點(diǎn)。根據(jù)動(dòng)力源和傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)，我們選取市面上大部分高位舉升車所采用的內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源，選取液壓傳動(dòng)作為傳動(dòng)裝置。內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源，可以使用車輛本身的動(dòng)力源，不需要額外添加蓄電池作為動(dòng)力源，減少了車輛的空間，也優(yōu)化了空間布局。液壓傳動(dòng)作為傳動(dòng)裝置，它相比于機(jī)械傳動(dòng)，省去了較為復(fù)雜的傳動(dòng)路線，也具備電力傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速的特點(diǎn)，且造價(jià)合適，技術(shù)成熟。2.4本章小結(jié)本章節(jié)主要是針對(duì)舉升裝置的各桿件進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)。初步選定桿件材料為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，調(diào)研現(xiàn)在市場(chǎng)上的主要車型來(lái)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)某叽鐓?shù)，使用AutoCAD繪圖軟件對(duì)各桿件繪制出舉升裝置的結(jié)構(gòu)圖和極限位置圖等。通過(guò)設(shè)定截面的尺寸，計(jì)算截面的慣性矩和截面參數(shù)，這都是強(qiáng)度校核所需要的參數(shù)。計(jì)算各桿件的質(zhì)量，為受力分析做好計(jì)算準(zhǔn)備。選取內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源，液壓傳動(dòng)作為傳動(dòng)裝置。3舉升裝置的受力分析3.1舉升AB桿受力分析由表2.5與圖2.3知，現(xiàn)對(duì)AB桿水平時(shí)與極限位置時(shí)進(jìn)行受力分析。3.1.1舉升AB桿水平時(shí)受力分析AB桿受力分析圖為圖3.4：圖3.4AB桿水平受力示意圖運(yùn)用理論力學(xué)知識(shí)，由表2.4知，AB桿的重量為81.254KG，根據(jù)任務(wù)書(shū)中的吊斗載荷166KG，又因?yàn)檫^(guò)量計(jì)算，故以吊斗載荷200KG計(jì)算，計(jì)算是以g=9.8N/kg，計(jì)算精度為小數(shù)點(diǎn)后三位。由靜力學(xué)知識(shí)，現(xiàn)對(duì)B點(diǎn)求矩,以圖2.4中為正方向。解得：3.1.2舉升AB桿極限位置時(shí)受力分析AB桿受力分析如圖3.5。圖3.5AB桿極限位置受力分析受力方向如圖3.5，首先對(duì)A`B`桿進(jìn)行受力分析。由CAD制圖軟件等比例制圖，測(cè)量出Fe與AB桿的夾角為20°。則，。對(duì)B`點(diǎn)求矩：計(jì)算出：對(duì)A`點(diǎn)求矩：計(jì)算出：在對(duì)A`A桿受力分析。由于A`A桿只受垂直方向的力，則F`a`x于F`a`y的合力沿A`A桿，故。，計(jì)算出,則在對(duì)AB桿受力分析，對(duì)B點(diǎn)求矩：計(jì)算出計(jì)算出,。3.2舉升B`C`桿受力分析3.2.1當(dāng)AB桿在極限位置時(shí)B`C`桿受力分析其余桿件都在極限位置，對(duì)B`C`桿受力分析，B`C`桿受力分析為圖3.6。圖3.6B`C`桿受力分析（AB桿極限位置）由AB桿極限位置知，,,對(duì)B`C`桿受力分析，對(duì)C點(diǎn)求矩：解得又∵，求解得：,3.2.2當(dāng)AB桿在水平位置時(shí)B`C`桿受力分析其余桿件在極限位置，對(duì)B`C`桿受力分析，B`C`桿受力分析為圖3.7。圖3.7AB桿水平B`C`桿受力分析圖由3.1知，，,，對(duì)C點(diǎn)求矩，靜力學(xué)平衡方程知：求得,。3.3舉升CD桿受力分析由3.1知，桿件水平時(shí)，液壓桿承受的力最大，所以當(dāng)AB桿和CD桿水平時(shí)，此種狀態(tài)下為CD桿的承受狀態(tài)最極限。故以此種狀態(tài)進(jìn)行受力分析，如圖3.8。圖3.8極限狀態(tài)CD桿受力分析圖由3.1知，，,，首先對(duì)B`C`桿受力分析，對(duì)C點(diǎn)求矩，運(yùn)用靜力學(xué)平衡方程：計(jì)算得：，。在對(duì)CD桿隔離受力分析，受力圖如圖3.9。,,,，。對(duì)D點(diǎn)求矩，CD桿靜力學(xué)平衡方程：解得，。圖3.9CD桿與DO桿受力分析3.4舉升DO桿受力分析對(duì)此時(shí)狀態(tài)的DO桿受力分析，如圖3.9所示。由3.3知：，，。對(duì)O點(diǎn)進(jìn)行求矩，運(yùn)用靜力學(xué)平衡方程：解得：，,。3.5本章小結(jié)本章節(jié)主要是針對(duì)舉升裝置的各桿件進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)、理論力學(xué)受力分析。初步選定桿件材料為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，使用AutoCAD繪圖軟件對(duì)各桿件進(jìn)行了1:1繪圖。再使用用繪圖軟件繪制出各桿件的受力分析圖，運(yùn)用理論力學(xué)的平面靜力學(xué)平衡方程對(duì)各桿件進(jìn)行力學(xué)分析，計(jì)算出大小方向未知的力。最后為強(qiáng)度計(jì)算與分析作計(jì)算準(zhǔn)備[15]。4舉升裝置的強(qiáng)度校核4.1舉升AB桿強(qiáng)度校核桿AB水平時(shí)，液壓桿受力比極限位置時(shí)要大。所以AB桿對(duì)水平時(shí)分析。由3.1.1知AB桿受力情況，畫(huà)出AB桿的剪力圖4.1和彎矩圖4.2。∵彎矩的數(shù)值是剪力的積分的數(shù)值，∴彎矩為：圖4.1AB桿水平時(shí)剪力圖圖4.2AB桿水平時(shí)彎矩圖由表2.4知，AB桿的截面模數(shù)為：對(duì)X軸慣性矩為：對(duì)稱軸以下面積對(duì)中性軸的靜矩為：則由公式計(jì)算出最大彎曲應(yīng)力為：（4.1）則最大彎曲切應(yīng)力為：（4.2）最大彎曲應(yīng)力與最大彎曲切應(yīng)力都符合強(qiáng)度要求。故AB桿符合強(qiáng)度要求。4.2舉升A`B`桿強(qiáng)度校核4.2.1舉升AB桿在水平位置時(shí)A`B`桿強(qiáng)度校核認(rèn)為A`B`無(wú)軸向力，則最大的剪力為A`B`桿重力的一半。,則AB桿水平時(shí)的A`B`桿剪力圖為圖4.3，A`B`桿彎矩圖為4.4。最大彎矩在A`B`中點(diǎn)圖4.3AB桿水平時(shí)A`B`桿剪力圖圖4.4AB桿水平時(shí)A`B`桿彎矩圖由表2.4知，A`B`桿的截面模數(shù)：對(duì)X軸慣性矩為：截面面積矩為：公式計(jì)算出最大彎曲應(yīng)力為：則最大彎曲切應(yīng)力為：故A`B`桿符合強(qiáng)度要求。4.2.2舉升AB在桿極限位置時(shí)A`B`桿強(qiáng)度校核A`B`桿的剪力圖如圖4.5。最大剪切力比AB桿水平時(shí)要小，所以此時(shí)的A`B`桿最大彎曲應(yīng)力和最大彎曲切應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。圖4.5AB桿極限位置時(shí)A`B`的剪力圖4.3舉升B`C`桿強(qiáng)度校核因?yàn)锽`C`桿始終鉛錘于地面，所以B`C`桿上的所有彎矩都是從AB桿上獲得的。由此推出在桿AB水平時(shí)，桿B`C`上所受的彎矩最大，所以最大的彎曲應(yīng)力在AB桿水平時(shí)。所以對(duì)AB桿水平時(shí)的B`C`桿分析。AB桿水平時(shí)B`C`桿的剪力圖為圖4.6，彎矩圖為圖4.7。圖4.6AB桿水平時(shí)BC`桿剪力圖圖4.7AB桿水平時(shí)BC`桿彎矩圖由表2.4知，B`C`桿的截面模數(shù)：對(duì)X軸慣性矩為：對(duì)稱軸以下面積對(duì)中性軸的靜矩為：則由公式計(jì)算出最大彎曲應(yīng)力為：則最大彎曲切應(yīng)力為：最大彎曲應(yīng)力與最大彎曲切應(yīng)力都符合強(qiáng)度要求。故B`C`桿符合強(qiáng)度要求。4.4舉升CD桿強(qiáng)度校核當(dāng)AB桿和CD桿平行時(shí)，此時(shí)CD桿所受到的彎矩是最大的，此時(shí)CD桿的剪力圖為圖4.8，此時(shí)CD桿的彎矩圖如圖4.9。圖4.8CD桿剪力圖圖4.9CD桿彎矩圖由表2.4知，CD桿的截面模數(shù)為：對(duì)X軸慣性矩為：對(duì)稱軸以下面積對(duì)中性軸的靜矩為：則由公式計(jì)算出最大彎曲應(yīng)力為：則最大彎曲切應(yīng)力為：最大彎曲應(yīng)力與最大彎曲切應(yīng)力都符合強(qiáng)度要求。故CD桿符合強(qiáng)度要求。由3.3知，因?yàn)镃`D`強(qiáng)度一定滿足，故不再進(jìn)行強(qiáng)度分析。4.5舉升DO桿強(qiáng)度校核由3.4知，此時(shí)CD桿是極限狀態(tài)，當(dāng)AB桿和CD桿平行時(shí)，此時(shí)機(jī)架DO桿所受到的彎矩是最大的，此時(shí)機(jī)架DO桿的剪力圖為圖4.10，此時(shí)機(jī)架DO桿的彎矩圖如圖4.11。圖4.10AB桿和CD桿都平行時(shí)DO桿剪力圖圖4.11AB桿和CD桿都平行時(shí)DO桿彎矩圖由表2.4知，CD桿的截面模數(shù)為：對(duì)X軸慣性矩為：對(duì)稱軸以下面積對(duì)中性軸的靜矩為：則由公式計(jì)算出最大彎曲應(yīng)力為：則最大彎曲切應(yīng)力為：最大彎曲應(yīng)力與最大彎曲切應(yīng)力都符合強(qiáng)度要求。故機(jī)架DO桿符合強(qiáng)度要求。4.6銷的直徑選取為使方便設(shè)計(jì)和安裝，所有的軸孔和銷都使用統(tǒng)一規(guī)格的直徑，根據(jù)銷軸最小直徑公式知，公式中為剪力，各桿件中最大的剪力為,許用切應(yīng)力為。d（4.3）故設(shè)計(jì)之初設(shè)計(jì)的直徑30mm軸孔符合要求，且余量充足，大大滿足要求，所以選擇：4.7本章小結(jié)本章節(jié)主要是針對(duì)舉升裝置的材料力學(xué)強(qiáng)度分析。根據(jù)上階段求出的力對(duì)桿件進(jìn)行剪力和彎矩分析，首先繪制出各桿件的剪力圖，又因?yàn)闂U件的彎矩圖大小時(shí)剪力圖的積分大小，求出彎矩圖，根據(jù)最大彎曲應(yīng)力和最大彎曲切應(yīng)力的公式，求出最大彎曲應(yīng)力和最大彎曲切應(yīng)力是否符合許用強(qiáng)度。根據(jù)前面的計(jì)算，運(yùn)用最小軸孔直徑公式，計(jì)算出最小軸直徑為18mm,根據(jù)軸的標(biāo)準(zhǔn)直徑的選擇，20mm的軸直徑余量太少，所以選擇30mm的直徑。所以高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材料強(qiáng)度符合，故選擇高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材料為桿件的材料。觀察每個(gè)桿的彎矩圖發(fā)現(xiàn)AB桿和CD桿和機(jī)架DO桿初始或者最后的彎矩?cái)?shù)值不等于0，這是因?yàn)檫@些桿存在不屬于X軸的彎矩，我們主要分析的是桿件X軸上的彎矩，不考慮突出的部分如EE`、FF`、GG`桿的力矩[16]。5舉升裝置輕量化分析5.1桿件模型的建立CATIA是一種建模軟件，首先根據(jù)第二章的桿件尺寸，使用CATIA對(duì)各個(gè)桿件單獨(dú)建立模型，最后對(duì)各個(gè)桿件進(jìn)行裝配。最終裝配的形式以AB桿和CD桿都平行的形式進(jìn)行裝配，此時(shí)的狀態(tài)是極限狀態(tài)。第二章的各桿件的連接處尚未作連接處理，實(shí)際的連接處應(yīng)當(dāng)預(yù)留出一定的空間進(jìn)行連接和允許進(jìn)行一定的動(dòng)作，B`C`桿上下段開(kāi)槽520mm，板厚度不變，機(jī)架DO上端開(kāi)槽520mm，板的厚度也不變。由于液壓桿是變化長(zhǎng)度的，又因?yàn)槲覀兎治龅腁B桿和CD桿都平行的狀態(tài)，所以此時(shí)的液壓桿長(zhǎng)度需要計(jì)算，計(jì)算得AB桿和BC桿的液壓桿長(zhǎng)度為2064.128mm,CD桿和機(jī)架DO的液壓桿長(zhǎng)度為1745.350mm，液壓桿半徑取40mm。所以在實(shí)際建模時(shí)，應(yīng)當(dāng)建立可以滿足實(shí)際運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的模型。舉升裝置整體裝配圖如圖3.1。圖3.1舉升裝置CATIA建模裝配圖5.2有限元模型建立本次有限元分析采用的軟件是ANSYS，將CATIA的裝配模型導(dǎo)入ANSYS。本次使用的ANSYS版本為19.2，若直接以CATIA_V5的格式導(dǎo)入ANSYS中，會(huì)出現(xiàn)不兼容現(xiàn)象，通常使用格式轉(zhuǎn)化軟件將CATIA格式轉(zhuǎn)化成igs格式，間接導(dǎo)入ANSYS中的模型。打開(kāi)靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，將igs格式模型導(dǎo)入。在材料庫(kù)中勾選Structuralsteel、Aluminiumalloy材料，由第二章知結(jié)構(gòu)鋼的密度為7850kg/m^3,拉伸屈服強(qiáng)度：2.5E+08pa,抗壓屈服強(qiáng)度：2.5E+08pa，抗拉極限強(qiáng)度：4.6E+08pa。根據(jù)ANSYS材料庫(kù)，鋁合金的密度為2770kg/m^3,拉伸屈服強(qiáng)度：2.8E+08pa,抗壓屈服強(qiáng)度：2.8E+08pa，抗拉極限強(qiáng)度：3.1E+08pa。網(wǎng)格劃分采用適度形式。5.3力與約束的添加與設(shè)置機(jī)架DO是固定在移動(dòng)平臺(tái)上的，所以機(jī)架與平臺(tái)是固定約束，固定約束如圖3.2。根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)中包括舉升平臺(tái)的質(zhì)量和被舉升物體的質(zhì)量之和為200kg，故在模型的頂端施加一個(gè)大小為的力，施加力如圖3.3。本次有限元分析考慮重力，故添加重力加速度載荷。圖3.2固定約束 圖3.3施加力5.4形變分析在選取材料和劃分網(wǎng)格、施加載荷和約束后，選取對(duì)模型進(jìn)行整體位移云圖TotalDeformation分析。首先對(duì)我們初步選定的結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行整體位移云圖分析，分析的位移云圖如圖3.4。圖3.4選材結(jié)構(gòu)鋼整體位移圖分析結(jié)構(gòu)鋼整體形變?cè)茍D。根據(jù)計(jì)算，選材結(jié)構(gòu)鋼的情況下，材料的強(qiáng)度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)足夠本次舉升裝置的設(shè)計(jì)的，故不同的最終目的，選擇不同的材料。如果以輕量化為目的，則選擇密度較低的材料，但這種材料的強(qiáng)度不能低，而且也要滿足第二章的強(qiáng)度校核。本次輕量化的材料選擇的是鋁合金，選擇鋁合金的理由是因?yàn)殇X合金的密度大約是結(jié)構(gòu)鋼密度的三分之一，十分輕便，大多數(shù)輕量化的材料都選擇鋁合金，如飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料就選擇鋁合金為機(jī)身。將材料庫(kù)中的材料選擇鋁合金，在相同的網(wǎng)格劃分下，將所有的零件材料改為鋁合金，分析鋁合金的整體形變?cè)茍D。鋁合金形變?cè)茍D為圖3.5。圖3.5選材鋁合金整體位移圖分析兩種材料的形變量，結(jié)構(gòu)鋼密度大，整體形變量最大位置在舉升平臺(tái)上，最大形變量為7.597毫米。鋁合金的密度小，整體形變量也位于舉升平臺(tái)上，最大形變量為21.434毫米。5.5結(jié)果對(duì)比由3.4的形變分析知，鋁合金的形變大于結(jié)構(gòu)鋼，這是不可避免的。但是鋁合金的拉伸屈服強(qiáng)度和抗壓屈服強(qiáng)度都是大于結(jié)構(gòu)鋼的，而且結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)所需要的最大強(qiáng)度，所以在改變材料的情況下，鋁合金的強(qiáng)度校核是滿足本次設(shè)計(jì)的，也滿足輕量化的目的。如果舉升裝置的材料選擇鋁合金作為材料，計(jì)算可以減輕多少的重量。由第二章知，以結(jié)構(gòu)鋼為材料的總質(zhì)量為：則以鋁合金為材料的總質(zhì)量為：則減重率為：減重率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于百分之五十的，但是整體最大形變量只是比結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)增加了13.837毫米。在舉升高度的精度上，結(jié)構(gòu)鋼的最大形變量為7.597毫米，只占最大舉升高度的，鋁合金的最大形變量為21.434毫米，只占最大舉升高度的，基本上兩種材料的形變量對(duì)舉升高度的精度不產(chǎn)生影響，可以忽略不計(jì)。5.6本章小結(jié)所以在選取材料上，對(duì)最終整體的質(zhì)量、形變量、強(qiáng)度上都有不同的影響。我們可以根據(jù)設(shè)計(jì)的目的，選擇不同的材料。如果對(duì)輕量化有要求，本次設(shè)計(jì)的材料選擇鋁合金也是可以的，對(duì)前面的強(qiáng)度分析也不會(huì)產(chǎn)生影響。6舉升裝置穩(wěn)定性分析6.1舉升裝置模型的建立本次分析采用ADAMS軟件即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析。首先本次的目的是主要分析整個(gè)舉升裝置在舉升過(guò)程中，整體質(zhì)心的變化，所以忽略裝置的形狀，只考慮質(zhì)心的位移和物體的重量，假設(shè)結(jié)構(gòu)是剛體，不會(huì)發(fā)生形變。所以在軟件內(nèi)部建立簡(jiǎn)易的模型就能滿足本次分析的需要了。簡(jiǎn)易的模型將實(shí)體模型簡(jiǎn)化為四個(gè)連桿相連，將機(jī)架DO桿固定在地面，各個(gè)桿之間的連接采取旋轉(zhuǎn)副連接。輸入每個(gè)桿的質(zhì)量，因?yàn)锳B桿和A`B`桿的質(zhì)心和CD桿和C`D`桿的質(zhì)心在X軸的位置處于同一位置，所以將AB桿和A`B`桿簡(jiǎn)化為一個(gè)桿，質(zhì)量為141.062kg，B`C`桿的質(zhì)量為121.027kg，CD桿與C`D`桿的質(zhì)量為151.699kg，機(jī)架DO桿質(zhì)量為116.368kg。最終的模型如圖4.1。圖4.1ADAMS四桿模型6.2展開(kāi)的運(yùn)動(dòng)方式展開(kāi)的過(guò)程是從初始位置到最終的最大高度位置，分析這一過(guò)程的質(zhì)點(diǎn)系的質(zhì)心變化。初始位置如圖4.2，最大高度位置如圖4.3。圖4.2展開(kāi)初始位置圖4.3展開(kāi)終止位置6.2.1同步展開(kāi)同步展開(kāi)為AB桿和CD桿旋轉(zhuǎn)的角速度相同，同時(shí)運(yùn)作。因?yàn)槠胶鈼UA`B`桿和C`D`桿的存在B`C`桿始終與機(jī)架DO桿平行，始終垂直于地面。各個(gè)桿構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律已經(jīng)確定，故對(duì)建立的模型施加驅(qū)動(dòng)。由圖4.2展開(kāi)初始位置和圖4.3展開(kāi)終止位置知，AB桿相對(duì)BC桿從135度旋轉(zhuǎn)到45度，B`C`桿相對(duì)CD桿從135度旋轉(zhuǎn)到45度，CD桿相對(duì)機(jī)架DO桿從135度旋轉(zhuǎn)到45度。本次展開(kāi)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間設(shè)計(jì)為100秒500步。所以每個(gè)驅(qū)動(dòng)的時(shí)間函數(shù)采用STEP函數(shù)。AB桿與BC桿之間的驅(qū)動(dòng)時(shí)間函數(shù)為B`C`桿與CD桿之間的驅(qū)動(dòng)時(shí)間函數(shù)為CD桿與機(jī)架DO桿之間的驅(qū)動(dòng)時(shí)間函數(shù)為將時(shí)間函數(shù)輸入到驅(qū)動(dòng)中，驗(yàn)證函數(shù)的正確性，最終應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)中。6.2.2順序展開(kāi)順序展開(kāi)為AB桿和CD桿旋轉(zhuǎn)的角速度相同，但是每個(gè)展開(kāi)的時(shí)間段是不同的。因?yàn)槠胶鈼UA`B`桿和C`D`桿的存在B`C`桿始終與機(jī)架DO桿平行，始終垂直于地面。各個(gè)桿構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律已經(jīng)確定，故對(duì)建立的模型施加驅(qū)動(dòng)。由圖4.2展開(kāi)初始位置和圖4.3展開(kāi)終止位置知，AB桿相對(duì)BC桿從135度旋轉(zhuǎn)到45度，展開(kāi)時(shí)間段為50-100秒。B`C`桿相對(duì)CD桿從135度旋轉(zhuǎn)到45度，展開(kāi)時(shí)間段為0-50秒。CD桿相對(duì)機(jī)架DO桿從135度旋轉(zhuǎn)到45度，展開(kāi)的時(shí)間段為0-50秒。本次展開(kāi)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間設(shè)計(jì)為100秒500步。所以每個(gè)驅(qū)動(dòng)的時(shí)間函數(shù)采用STEP函數(shù)。AB桿與BC桿之間的驅(qū)動(dòng)時(shí)間函數(shù)為B`C`桿與CD桿之間的驅(qū)動(dòng)時(shí)間函數(shù)為CD桿與機(jī)架DO桿之間的驅(qū)動(dòng)時(shí)間函數(shù)為將時(shí)間函數(shù)輸入到驅(qū)動(dòng)中，驗(yàn)證函數(shù)的正確性，最終應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)中。6.3仿真分析因?yàn)槊袷降脑?，部件命名將地面模型命名為part1，機(jī)架DO桿命名為part2，CD桿命名為part3，B`C`桿命名為part4，AB桿命名為part5。本次仿真運(yùn)行是測(cè)量整個(gè)舉升裝置質(zhì)點(diǎn)系的質(zhì)心位移變化。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心位移的變化，來(lái)判斷舉升裝置的穩(wěn)定性。因?yàn)橘|(zhì)心的變化會(huì)導(dǎo)致舉升裝置重心的變化，重心偏離的越大，對(duì)舉升的平臺(tái)的強(qiáng)度要求就越大，高位舉升車的車身就越不穩(wěn)定。6.3.1同步展開(kāi)仿真分析首先在測(cè)量中導(dǎo)入四個(gè)桿件的X軸的質(zhì)心位移，但是在后處理中所展現(xiàn)出來(lái)的測(cè)量圖只有各個(gè)桿件的質(zhì)心位移圖。四個(gè)位移圖合并為一張圖為圖4.4。圖4.4同步展開(kāi)的各桿件X軸位移圖這樣的位移圖不是我們所需要的，我們需要的是質(zhì)點(diǎn)系的質(zhì)心的位移圖，根據(jù)理論力學(xué)質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心方程可以知道質(zhì)點(diǎn)系的質(zhì)心。質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心方程為：ADAMS軟件設(shè)計(jì)探索中可以創(chuàng)建新的測(cè)量函數(shù)，我們可以根據(jù)質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心方程來(lái)編寫(xiě)函數(shù)。首先創(chuàng)建新的測(cè)量函數(shù)，選擇測(cè)量長(zhǎng)度，導(dǎo)入根據(jù)方程來(lái)編寫(xiě)的函數(shù)。編寫(xiě)的函數(shù)為：進(jìn)入后處理中，選擇導(dǎo)入新建的測(cè)量曲線，新建測(cè)量曲線為圖4.5。圖4.5同步展開(kāi)的質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心X軸位移圖6.3.2順序展開(kāi)仿真分析首先在測(cè)量中導(dǎo)入四個(gè)桿件的X軸的質(zhì)心位移，四個(gè)桿件位移圖合并為一張圖為圖4.6。重復(fù)4.3.1中的操作，更改驅(qū)動(dòng)函數(shù)，順序展開(kāi)的質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心X軸位移圖為4.7。圖4.6順序展開(kāi)的各桿件X軸位移圖圖4.7順序展開(kāi)的質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心位移圖6.4穩(wěn)定性分析查閱相關(guān)資料，根據(jù)重力法原則，平臺(tái)從平臺(tái)幾何中心展開(kāi)的以平臺(tái)中心為幾何中心的矩形面積為百分之八十的時(shí)候，此時(shí)的矩形區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定區(qū)域。質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心只要在這一區(qū)域，則認(rèn)為舉升裝置展開(kāi)過(guò)程穩(wěn)定。我們可以根據(jù)分析的質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心位移來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)際平臺(tái)的大小和舉升車的支點(diǎn)圍成的面積。圖4.8JX1083TK26型的底盤(pán)參數(shù)查看同步展開(kāi)的質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心X軸位移圖和順序展開(kāi)的質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心位移圖，了解到同步展開(kāi)的質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心在50秒時(shí)質(zhì)心位移最大為1500毫米，順序展開(kāi)的質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心在25秒時(shí)質(zhì)心位移最大為1613.152毫米。查閱一款在售的進(jìn)口高空作業(yè)車，本車品牌為湖北潤(rùn)力，采用的的底盤(pán)型號(hào)為JX1083TK26。這種型號(hào)的底盤(pán)參數(shù)為圖4.8。底盤(pán)的軸距為3815毫米，最小的輪距為1640毫米底盤(pán)覆蓋的面積為：平方毫米首先求解穩(wěn)定區(qū)域的面積的長(zhǎng)和寬，穩(wěn)定區(qū)域的位置如圖4.9。圖4.9穩(wěn)定區(qū)域位置設(shè)空白區(qū)域的厚度為X，穩(wěn)定面積為底盤(pán)面積的百分之八十，則穩(wěn)定面積應(yīng)為平方毫米。則求解方程為使用求根計(jì)算器求得,由黑色穩(wěn)定區(qū)域的面積為百分之八十知，應(yīng)該取。則此時(shí)穩(wěn)定區(qū)域的半長(zhǎng)為：毫米半寬為：毫米由圖4.5和圖4.7知，同步展開(kāi)的最大質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心X軸偏移量為1500毫米，順序展開(kāi)的最大質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心X軸偏移量為1613.152毫米。兩種展開(kāi)方式的最大偏移量均小于半長(zhǎng)，故兩種展開(kāi)的方式均在黑色的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，兩種展開(kāi)方式都是可以采用并且穩(wěn)定的。在兩種舉升方式都可以的方式下選擇更好的舉升方式，我們可以選擇更細(xì)化的積分方式，對(duì)兩種展開(kāi)方式的質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心的偏移曲線進(jìn)行積分，積分值更小的，說(shuō)明質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心整個(gè)過(guò)程的便宜變化量更小，說(shuō)明質(zhì)心變化更小，能說(shuō)明舉升裝置更加穩(wěn)定。故對(duì)這兩種展開(kāi)方式的質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心偏移曲線進(jìn)行積分。同步展開(kāi)的積分圖為圖4.10，順序展開(kāi)的積分圖為圖4.11。圖4.10同步展開(kāi)質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)點(diǎn)X軸位移偏移量曲線積分圖4.11順序展開(kāi)質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)點(diǎn)X軸位移偏移量曲線積分同步展開(kāi)的曲線積分值為1.2816E+05，順序展開(kāi)的曲線積分值為1.166E+05。所以順序展開(kāi)的方式更加穩(wěn)定。6.5本章小結(jié)本章節(jié)的仿真分析結(jié)果表明，順序展開(kāi)比同步展開(kāi)要更穩(wěn)定。我們?cè)谶x擇高空作業(yè)車的車軸長(zhǎng)度和輪距的長(zhǎng)度可以根據(jù)穩(wěn)定區(qū)域計(jì)算得出穩(wěn)定區(qū)域的長(zhǎng)和寬來(lái)選擇。我們可以根據(jù)舉升裝置計(jì)算得來(lái)的X軸最大偏移量來(lái)確定車軸長(zhǎng)，也可以根據(jù)Y軸的最大偏移量來(lái)確定輪距長(zhǎng)。我們也可以根據(jù)車軸和輪距來(lái)選擇舉升裝置的最大偏移量。結(jié)論通過(guò)本次論文，我使用大學(xué)所學(xué)的AutoCAD、CATIA對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了繪制二維平面圖和三維模型，并且加深了使用軟件的熟練程度。本次論文主要是針對(duì)小高度的高空作業(yè)車設(shè)計(jì)，參考了前人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行了改動(dòng)。我所設(shè)計(jì)的高空作業(yè)車，最大舉升高度為9.342米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)初定的6.6米，設(shè)計(jì)的最大舉升質(zhì)量為200千克（含舉升