1、目 录引言 .31 选 题背景 .41.1 问题的提出.41.2 研究现状.41.3 设计的技术要求及指标.41.3.1 我们的研究内容：41.3.2 我们预期达成的成果52 机构 选型 .62.1 设计方案的提出.62.2 设计方案的确定 .83 尺度 综合 113.1 机构关键尺寸计算113.2 机构关键尺寸优化 134 受力 分析 144.1 机构动态静力描述144.2 机构动态静力变化曲线描述155 机 构建模 .165.1 机构运动简图及尺寸标注165.2 机构关键构件建模过程195.2.1 车架建模.195.2.2 车座建模.255.2.3 其余关键零件建模展示.285.2.4 标
2、准零件建模如下：.345.3 机构总体装配过程365.3.1 装配过程.365.3.2 创建爆炸视图 436 机构 仿真 486.1 SolidWorks 机构仿真 .486.1.1 机构仿真配置 486.1.2 机构仿真过程描述 486.1.3 仿真参数测量及分析 566.2 Adams 机构仿真 666.2.1 机构仿真配置 6616.2.2 机构仿真过程描述 666.2.3 仿真参数测量及分析 716.2.4 仿真中存在的不足.737 有 限元分析 747.1 载物台有限元分析747.1.1 载物台的设置过程.747.1.2 分析报表内容 777.1.3 材料优化改进 807.2 支撑架
3、静应力分析 817.2.1 支撑架的参数设置过程 817.2.2 修改后的结构应力分析.847.3 整车有限元分析868 设 计总结 969 收获及体会 9710 致谢 .9811 参考文献 992引言在国家的生产建设中，大型的工程机械是不能缺少的技术设备，它在城市建设、交通运输、农田水利、广告摄影、能源开发和国防建设等多个方面都发挥着至关重要的作用。高空作业车即是用来运送工作人员和工作设备到达指定高度进行作业的一种大型工程机械设备。由于其本身拥有的降低劳动强度、提高工作效率、节省劳动力和费用的优势，在多个领域扮演着重要的角色，有着广阔的发展前景。高空作业车作为一种工程车辆，其特殊性在于：一是
4、载人高空作业，其作业安全性要求比一般工程车辆高，即所谓“高安全性” ；二是施工场所环境的“非结构性” ，即其工作环境不可预知并且多变，因此要求对环境具有“高适应性” ；三是其经常用于抢修作业，并且多为室外或野外作业，作业环境条件差，所以要求其具有作业的“高效率” 。我国高空作业车行业起步较晚， 自 20 世纪 60 年代开始研制，70 年代才推出商业化机样，随着经济的发展和技术的进步，高空作业车在国内的需求日益增多。国内一些厂商开始把高空作业车单独作为一个模块进行了研究，形成了一批知名企业，但与外国相比，仍有一定的差距。本次课程设计综合运用了机械原理、机械设计等课程所学知识，参考现有产品及相关
5、资料，设计一个简单的高空作业车，并利用 SolidWorks，Adams 等软件进行三维模型的制作、机构简图的绘制及零件渲染和运动仿真。31 选题背景1.1 问题的提出高空作业车是指用来运送工作人员和工作设备到达指定高度进行作业的一种大型工程机械设备，是一种先进的登高作业方式。随着我国的经济建设的飞速发展，城市中的高层和超高层建筑不断涌现，高空作业和消防任务也日益突出，高空作业车由于其本身拥有的降低劳动强度、提高工作效率、节省劳动力和费用的优势，在多个领域扮演着重要的角色，有着广阔的发展前景。但由于我国此行业起步较晚，发展时间短暂，因此相比于一些重工业发达的国家，产品不够成熟，市场也不够广泛，
6、迫切需要重视和发展。1.2 研究现状高空作业车，其发展与国民经济的发展水平密切相关，据国外高空作业机械专业媒体杂志Access International统计，经济越发达，需求量越大，并且单位 GDP需求量也越大。与发达国家和地区相比，我国不仅单位 GDP 需求量小，而且单位 GDP需求量与 GDP 的比例也低，这说明高空作业车的市场需求量既与经济规模有关，又与经济发达程度有关，这也恰恰表明高空作业车在我国有非常广阔的发展前景。我国高空作业车行业起步较晚，自 20 世纪 60 年代开始研制，70 年代才推出商业化机样，随着经济的发展和技术的进步，高空作业车在国内的需求日益增多，逐渐引入国外高新
7、技术及其产品，但与外国相比，仍有一定的差距。目前我国高空作业车年销售量在 2 千台左右，产品技术水平差距较大，产品结构单一。市场销售、使用及保有量最大的车型还是折叠臂式，其他型式如伸缩臂式和混 合臂式占有的比重还很小，最大作业高度只有 3 5 m。相对来说，国外产品技术成熟，市场广泛，平台的载荷最大可以达到 500kg，作业高度也早已超过 110m，具有多种安全保护措施，作业场地适应能力较强。1.3 设计的技术要求及指标1.3.1 我们的研究内容：（1） 运动的实现4整个机构整体的运动分析、运动臂运动分析、摇臂尺寸的优化选择。（2） 运动臂受力分析 作业车整车受力分析、运动臂静力力分析和动力分
8、析、单个运动构件的动力分析。（3） 动力输入及能量传递整个高空作业车的运动效率、 运动臂动力传递方式选择、增大效率的方式选择。（4） 人机设计标准人机工程学设计、安全性能设计、有限元分析。（5） 运动臂材料的选择构件材料的选取、外形美观设计等。1.3.2 我们预期达成的成果（1） 运用 SolidWorks 绘制高空作业车各零件的零件图、以及装配图。（2） 查阅相关文献并结合机械原理所学对机构的参数进行分析，并进行运动分析。（3） 学习 adams 运动分析软件进行运动仿真。（4） 确定高空作业车的一些基本参数，比如尺寸、材料等。（5） 整理编写机械设计说明书52 机构选型 2.1 设计方案的
9、提出我们分析了高空作业车的各个分类图 2.1.1 各种高空作业车对其运动规律进行了初步的分析，得出以下四种结构示意图：表 2.1 结构示意图类别 结构示意图 说明6剪切式 多组交叉连杆框架铰接成剪形。一般是通过装在连杆框架间的液压缸的伸缩来改变连杆交叉的角度，从而改变举升机构的升降高度。这种垂直升降的剪式举升机构，能完成较低高度的作业，工作平稳，作业平稳，作业平台较大，被广泛地用于飞机、船舶制造、室内维修、清洁电车线路维修等作业场地。但是，这种作业车越障能力差、工作范围小。伸缩臂式 由多节套装、可伸缩的箱型臂构成的。包括基本臂、伸缩臂和液压缸等，在其末端装有作业斗或其他作业装置，有变幅液压缸和
10、伸缩液压缸，以实现臂架的变幅和伸缩。伸缩臂节数依据高空作业车的最大作业高度而异，由于伸缩臂式举升机构可获得较大的作业高度和变幅，因此，被广泛地用于各种高空作业车上。但是，这种作业车的越障能力差7曲臂式 曲臂式高空作业车能悬伸作业、跨越一定的障碍或在一处升降可进行多点作业;平台载重量大，可供两人或多人同时作业并可搭载一定的设备;升降平台移动性好，转移场地方便;外型美观，适于室内外作业和存放。适用于车站、码头、商场、体育场馆、小区物业、厂矿车间等大范围作业。混合臂式 伸缩臂式和铰接式的结合，充分结合了两种作业车的优点，解决了原有的作业车功能单一的问题，既可以在室内进行维护作业又可以在室外进行拆装作
11、业，减少了工作车的数量工作性能最好，但相对来说最为复杂。如表 2.1 说明所示，各类高空作业车各有优缺点，剪切式作业车越障能力差、工作范围小；伸缩臂式作业车越障能力差；而混合臂式对染工作性能做好，但其结构相对来说最为复杂。因此，在性能与条件的权衡下，经过讨论，我们得到如下图所示初步方案：8图 2.1.2 机构示意图（初步方案）2.2 设计方案的确定改进方案机构简图如图 2.2.1 所示9图 2.2.1 结构示意图（改进方案）在此方案中所用机构如表 2.2 所示：表 2.2 所用机构所用机构机构示意图 说明连杆机构利用液压缸的驱动进行运动10液压利用液压原理，把液压能转换为机械能，为系统提供动力
12、再经过一些细节上的改进后，得到最终设计方案，如下图所示：图 2.2.2 最终设计方案（附录有大图）113 尺度综合3.1 机构关键尺寸计算我们的一些尺寸由 1:87 的模型多次测量之后再经过在网上的查询得到，然后利用机械原理所学知识进行相关尺寸坐标的计算，如下所示：图 3.1 最终方案结构示意图如图 3.1 所示，设 O 点坐标为（ ） ，建立直角坐标系。以下将对各点静止时,0xy刻坐标进行分析：（1） 求 C 点坐标：对于 C 点，设液压缸 1 长度为 （可变） ， ，则可ocl 1COX列出方程组 10sincoclyx（2） 求 B 点坐标：同理，,对于 B 点，有 ，其中，22BCCB
13、COOlyx2180,COll12（3） 求 D 点坐标：由几何关系，可列出方程 ,其中，221CDDCDBlyxy=43502Cl（4） 求 E、F 点坐标：由几何关系 ,其中，已知DFFEFEDDlyxly22=562， =1310， =994DElFlEl（5） 求 A 坐标: 设液压缸 2 长度为 ，有 ,其中已AEl22AEAEAFFlyx知 =3090Fl（6） 求 G 坐标，求法同 D,利用几何关系，可列出方程组，其中， =3700221GFGFGAlyxyGFl（7） 求 坐标:同上，有 ,其中， =3000I221IGIGIGAII lyxIGl（8） 求 H 坐标:设液压缸
14、 3 的长度为 (可变)，则有Hl,其中， =87022HGHGHII lyxlyIl（9） 求 坐标:设液压缸 4 的长度为 (可变)，则有JJ,其中， =3260222JHJHJ III lyxJIl（10） 求 K 坐标: ,其中 =7260221KIIKIKIJlyxKIl（11） 求 M 坐标:设液压缸 5 的长度为 （可变） ，有M13221MKKMIlyxy（12） 求 L 坐标: 同上，有 , 其中 =1090 221LMLMIJJ lyxLl（13） 求 N 坐标:设液压缸 6 的长度为 由几何关系，有Nl22190MNNMLlyxy3.2 机构关键尺寸优化我们的机构中大量使
15、用了连杆和液压系统，为保证正常工作，需要使各连杆机构的长度能做到既满足实际使用需求又能互相高效率配合，避免不必要的互相影响，同时也要考虑到液压系统带来的额外影响，综合考虑之后对尺寸进行优化处理。优化的最终结果如上文所示，在这里不再单独进行解释。 最终的尺寸是经过多次修改确定下来的,确定与优化都是在装配时进行过多次修改，详见后文装配环节，另外在有限元分析中也会出现各种干涉，对非必要干涉可以忽略，但大部分要修正尺寸以满足分析仿真要求，从而求出最优解。144 受力分析4.1 机构动态静力描述图 4.1 静力受力图如上图所示，由系统的静力受力示意图可知，各转动副处有沿连杆方向的力，液压系统提供沿其径向
16、的驱动力。下面将对工作时的情形为例进行静力分析：设 L、N 中点为 ,则由上述所得数据，可知 点坐标为 ，OO2,LNLyx假设一个质量为 m（单位为 KG）的工作人员站在工作台上，在液压系统未工作时，可估算出此时 点所受扭矩： 22 OOyxmgLGT另外还有各连杆、各液压系统的重力及各处的摩擦力，具体见有限元分析，在此不再进行一一描述。154.2 机构动态静力变化曲线描述我们在有限元章节中对各部分构件的静力学进行了详细的研究，机构动态静力变化图表具体见有限元分析。5 机构建模5.1 机构运动简图及尺寸标注机构运动简图主要运用 Microsoft Visio2010 绘制，生成 vsd 文件
17、，运用Microsoft Visio2010 打开，具体属性如下16图 5.1.1 运动简图文件属性绘制过程如下：1.新建工程，选择部件和工程模板图 5.1.2 新建工程172.选择合适的绘图工具，并绘制草绘简图图 5.1.3 草图绘制3.绘制尺寸及其尺寸数据的编辑，并添加文字说明图 5.1.4 绘制、编辑尺寸并文字说明184.最终完成并保存 图 5.1.5 最终所得机构运动简图19图 5.1.6 保存机构简图5.2 机构关键构件建模过程零件的三维建模主要是运用三维建模软件 Solid Works 绘制，由于零件比较多，主要选取部分关键部件的零件进行介绍，另外也详见经典建模过程的绘制视频载物台
18、。5.2.1 车架建模使用 SolidWorks 进行车架建模，首先进行整体的空间布置构思，进行零件的绘制步骤分析，然后绘制底盘草图20图 5.2.1 绘制地盘草图绘制好草图后进行凸台拉伸操作。图 5.2.2 拉伸21添加车架其他特征，以配合轮胎使用，具体如下图。首先选定好基准面，绘制拉伸草图。图 5.2.3 绘制拉伸草图编辑拉伸特征数据22图 5.2.4 编辑拉伸特征数据进行镜像编辑，如下图：图 5.2.5 镜像编辑然后继续添加其他特征，进行底部抽壳工作，如下图所示：图 5.2.6 添加其他特征并底部抽壳23绘制耳朵特征编辑，并镜像，如下图。图 5.2.7 绘制耳朵特性并镜像添加车架与车座的
19、配合部位的特征，如下图图 5.2.8 添加车架车座配合部位特征24绘制拉伸切除特征以配合轮胎，如下图所示。图 5.2.9 绘制拉伸切除特征以配合轮胎最终绘制效果如下图所示图 5.2.10 最终绘制效果255.2.2 车座建模首先绘制整体的拉伸特征供后面进行切除特征，如下图所示图 5.2.11 绘制整体的拉伸特征然后进行拉伸切除特征编辑并进行圆角特征编辑，如下图所示。图 5.2.12 拉伸切除特征并编辑圆角26进行拉伸切除特征编辑，做出可供支撑架运动的空间，如下图所示：图 5.2.13 拉伸切除特征编辑进行车底部抽壳工作，并且切除不必要的部分，如下图所示。图 5.2.14 车底部抽壳并切除不必要的部分27然后进行倒圆角编辑，如下图所示。图 5.2.15 进行倒圆角编辑最终效果如下图。图 5.2.16 最终效果285.2.3 其余关键零件建模展示 车架底部支撑建模如下图：图 5.2.16 车架底部支撑建模底部框架建模如图所示：图 5.2.17 底部框架建模29载物台配合小部件如图所示：图 5.2.18 载物台配合小部件液压缸组件如下图所示：图 5.2.19 液压缸组件
