伸缩式高空作业车稳定性分析及优化设计_马江民.pdf

64/2023 年第 12 期伸缩式高空作业车稳定性分析及优化设计马江民1 熊新红1 朱春东1，2 余中全1 张 瑜31 武汉理工大学 武汉 430063 2 随州武汉理工大学工业研究院 随州 441300 3 蓝剑航天空间科技股份有限公司 北京 100176摘 要：高空作业车的稳定性是安全评价的重要指标，直接影响高空作业车整车的整体性能及作业的安全性。针对作业高度为 24 m 的伸缩式高空作业车稳定性状况进行分析，首先通过三维建模软件建立模型，按照国家标准对高空作业车的稳定性试验规定，分别对平面、斜面以及运动过程中进行稳定性分析，根据质心法分析质心和力矩法判断出其在水平状态及斜面情况下稳定性良好。通过建立虚拟样机在动力学仿真中分析其支反力情况，对于出现支反力为 0 的情况，综合分析后对上装部分的车臂厚度进行响应面优化分析，后续通过试验验证了模型的可靠性。优化设计提高了整车的稳定性，同时使得整车质量减少了 79.73 kg，节约了材料。关键词：伸缩式高空作业车；稳定性；响应面；轻量化中图分类号：TH113.2 文献标识码：B 文章编号：1001-0785（2023）12-0064-08Abstract:The stability of aerial platform is an important index of safety evaluation,which directly affects the overall performance of aerial platform and the safety of operation.For the stability analysis of the telescopic aerial platform with the working height of 24 m,firstly,a three-dimensional model was constructed,and the stability analysis of the plane,the inclined plane and the movement process were carried out respectively according to the stability test regulations of the aerial platform in the national standard.The center of mass was analyzed by the centroid method,and the stability was proved to be good in the horizontal state and the inclined plane by the moment method.The virtual prototype was established,and its supporting reaction was analyzed by dynamic simulation.When the supporting reaction was 0,the thickness of the upper arm was optimized by response surface analysis after comprehensive analysis,and then the reliability of the model was verified through tests.The optimized design can improve the stability of the whole platform,reduce its weight by 79.73 kg and save materials.Keywords:telescopic aerial platform;stability;response surface;lightweight0 引言伸缩式高空作业车具有较为广泛的应用前景，其稳定性是目前作为安全评价的一个重要指标，直接影响到高空作业车的整体性能以及作业的安全性。王昭君等1主要对臂架伸展全过程仿真，得到整机质心横向偏离曲线，通过改进变幅伸展顺序提高过程稳定性；吴硕博等2针对剪叉式的作业平台进行仿真验证，利用动静法确定各个部件的瞬时重心位置，并基于稳定系数法对其抗倾覆稳定性进行公式推导，得出了外部载荷与结构自身对整体的稳定性的影响规律；高崇仁等3针对现有的车臂铰点位置进行优化设计，基于响应面法进行多目标优化，弥补了动力学分析和员工舒适度的考虑。基于当前缺乏高空作业车的整体稳定性分析，本文对现有的伸缩式高空作业车进行稳定性分析，可以分析出不同工况下高空作业车是否存在不稳定情况。分别运用质心区域、力矩法以及动力学仿真求支反力等方法对其水平面、斜面以及运动过程中的稳定性进行分析，通过无线应变测量的试验验证了模型的可靠性，后针对在过程中出现的支反力为 0 的情况进行优化设计，提高整车的稳定性，也使得整车更加轻量化，减少了生产成本。马江民，熊新红，朱春东，等.伸缩式高空作业车稳定性分析及优化设计 J.起重运输机械，2023（12）：64-71.引 用 格 式DESIGN CALCULATION设计计算652023 年第 12 期/DESIGN CALCULATION设计计算1 模型结构及仿真过程1.1 建立几何模型本文针对一款伸缩式高空作业车进行设计分析，其实物图如图 1a 所示，根据实物图利用三维建模软件构建的三维模型如图 1b 所示，模型结构主要包括液压支腿、回转平台、底盘、变幅机构以及作业臂等结构。整个作业车的运动状况为：要完成某一高空作业情况，作业时首先液压支腿在液压缸的带动下伸出，通过支腿撑起整车；待整车平衡后变幅机构工作带动作业臂抬起，实现作业臂在工作范围内的起降；达到一定抬起高度即通过危险角度后作业臂靠链条及液压缸的作用伸出；回转平台可实现旋转满足作业车的左右变幅功能，可实现整周旋转运动，通过整车各部件的配合完成高空作业。（a）高空作业车实物图 1.变幅机构 2.作业臂 3.支腿 3 4.支腿 4 5.回转平台 6.底盘 7.支腿 1 8.支腿 2（b）高空作业车三维模型图 1 伸缩式高空作业车结构1.2 仿真过程将建立的三维模型导入 ADAMS 中进行动力学仿真分析，在 ADAMS 中对整体零部件进行合并等操作以减少计算量，对作业臂末端处施加恒定竖直向下的载荷代替吊篮及工作人员的质量；在底盘某等效点处施加竖直向下的载荷代替整车其余部分的质量；支腿处、液压缸处施加移动副、变幅液压缸及回转平台均施加转动副、各个作业臂之间用移动副代替链条及液压缸。整个仿真过程中，首先将支腿全部伸出使得整车处于平衡状态，随后变幅机构通过移动副伸出带动作业臂抬起，随后通过各节臂之间的移动副移动使得作业臂完全伸出达到最大作业高度，待作业臂伸出之后通过回转平台的旋转副使得上装部分进行旋转。2 稳定性分析2.1 稳定性试验设计针对此款高空作业车稳定性分析，结合 GB/T 94652018高空作业车规定4，高空作业车的稳定性试验分析有以下 3 种：1）处于水平时 作业车承载 1.5 倍额定载荷，伸缩臂伸缩到稳定性最不利的状态，此时保持稳定。2）处于斜面时 作业车承载 1.25 倍载荷，整车在坡度为 5的斜面上，对其整车进行调整，使其能够保持稳定。3）处于作业过程时 在整个旋转范围内，在最不利稳定的情况下，所有支腿的支反力仍然大于 0。此款高空作业车最大作业载荷为 200 kg，故后续在高空作业车上施加 200 kg 的载荷进行仿真分析。2.2 水平面稳定水平面稳定要求高空作业车在车臂完全伸出旋转至任意角度时作业车能保持稳定。因此，采用重力法分析其旋转各种角度下的稳定性，绘制出作业车的工作区域及稳定区域如图 2 所示，图中虚线框为 4 个支腿所围成的工作区域，虚线框的 4 个顶点分别为 4 个支腿的支点，实线框所围成的面积为虚线框面积的 80%，为整车的稳定区域。当作业车整体的质心在作业过程中始终处于稳定区域内时，作业车保持稳定，否则就有发生倾覆的可能。66/2023 年第 12 期 图 2 作业车的稳定区域根据质心求解公式，质点系质心坐标可以表示为 11niiiniim xxm=11niiiniim yym=（1）式中：mi为单个零件的质量，xi为每个零件在直角坐标系中的 x 坐标，yi为每个零件在直角坐标系中的 y坐标。动力学中求得各部件的质心位置后运用质心求解公式解出整体的质心坐标。在动力学仿真的过程中求出各个部件的质心曲线从而得出整体的质心曲线，可以看出质心曲线在稳定区域内，在水平面内保持稳定。整车的工作区域为长 3 650 mm，宽 2 320 mm 的矩形面积，其稳定区域为工作区域的 80%，所以其质心的范围在-1 460 mm x 1 460 mm，-928 mm y 928 mm；绘制出的质心曲线如图 3 所示。图 3 质心坐标曲线由图 3 可知，在整个运动过程中，x、y 坐标都在稳定区域之内，故在水平面时稳定性较强。2.3 斜面稳定性根据 GB/T38112008起重机设计规范设定高空作业车在坡度为 5的斜坡上，此时承载 1.25 倍的额定载荷；运用力矩法5进行分析，稳定力矩由自重载荷产生，倾覆力矩由除自重载荷外其他载荷产生。倾覆力矩的代数和小于稳定力矩的代数和，此时作业车能够保持稳定。作业车的受力分析如图 4 所示，分为作业车在前后作业以及左右作业 2 种情况：G1为下车部分质量，G2为上装部分质量，PQ为额定载荷，为倾斜角。（a）前后方向作业车受力图（b）左右方向作业车受力图图 4 作业车受力图稳定力矩（前后方向）为1111222(cossin)+(cossinMG LHGLH=-)（2）倾覆力矩（前后方向）为2222Q33(sin+cos)+1.25(sincos)MG HLP HL=+（3）DESIGN CALCULATION设计计算672023 年第 12 期/DESIGN CALCULATION设计计算稳定力矩（左右方向）为111222(cossin)+(cossin)MG LHG LH=1-（4）倾覆力矩（左右方向）为 2222Q33(sin+cos)+1.25(sincos)MGHLP HL=+2222Q33(sin+cos)+1.25(sincos)MGHLP HL=+（5）式 中：G1=30 475.452 N，G2=13 575.548 N，PQ=1 960 N，=5，L1=3 034 mm，L2=139 mm，L3=14 260 mm，H1=823.5 mm，H2=9 376 mm，H3=22 340 mm，L1=2 205 mm，L2=1430 mm，L3=14 725 mm，H1=823.5 mm，H2=9 376 mm，H3=21 540 mm。将式（2）式（5）中的数据带入，可计算得出 M1=8.07104 Nm，M2=5.25104 Nm；M1=7.3104 Nm，M2=7.07104 Nm；M1 M2，M1 M2，稳定力矩倾覆力矩恒定成立，故在斜面处仍然能够保证高空作业车的整体稳定性。2.4 动力学稳定动力学稳定需要高空作业车在承载额定载荷，在工作范围内旋转，所有的支腿的支反力不能出现小于等于 0 的情况。对高空作业车模型建立虚拟样机，导入ADAMS 软件中进行动力学求解，将腿部支撑与地面设置为接触，得出其各支腿在整个运动过程中支反力的情况6如图 5 所示。图中支反力 1 支反力 4 分别反映为支腿 1 支腿 4 的支反力情况。图 6 为作业车的 4 个支腿在整个工作过程中支反力情况，在整个运动的过程中支腿的支反力出现了部分支反力为 0 的点，这些支反力为 0 的情况影响了整车的稳定性，需要优化整车结构体提升稳定性。（a）（b）（c）（d）图 6 各支腿支反力68/2023 年第 12 期3 优化设计为