臂架式高空作业平台设计开题报告(134)

臂架式高空作业平台设计

1、课题来源

高空作业平台产品在国民经济中所占比例较小，尚没有明确划分产业分类，尽管还缺乏国际性的品牌，但已经形成了种类齐全的高空作业平台产业格局。于2008年，“十一五”国家科技支撑计划《无脚手架安装作业技术装备与产业化开发》重点项目的实施，极大提升了高空作业平台行业的影响力。同时，工业厂房的钢结构化，“十二五”发展规划，向海洋进军的路线，造船和海洋工装行业将进一步快速发展，都将大力推动高空作业平台的发展。[2][3]

随着中国人口红利的减弱和通胀的加剧，加之人民币的不断升值，劳动力资源的成本会越来越高。在国家大力号召企业转型的背景下，带动、促进了高空作业平台市场的快速发展，同时还能够大幅改善施工作业的安全性，并促进施工工艺和租赁市场的进步与成熟，这些特质也就是吸引如此多企业入局的根本原因。[4]

随着高空作业的增多，对高空作业的舒适性和安全性的要求越来越高。本课题要求运用机械原理和液压传动技术设计一种臂架式高空作业平台，以满足行业发展的需要。

本课题研究主要是针对高空作业平台的整体结构及液压系统，进行一次设计演练，采用ANSYS等软件，对结构的静态和动态受力情况进行分析，利用其结果指导实际设计。对液压系统进行简单的计算，选择相关元器件，进而对动力进行匹配。

本设计采用设备：10米高空作业平台的基本结构参数如下： （1）、平台最大高度（米） 10； （2）、平台额定载荷 （kg） 215； （3）、平台尺寸（米） 1.2×0.6；

[1]

2、研究目的和意义

高空作业平台作为施工工程中较新颖而安全的输运设备，其计算方法和分析手段同样是不容忽视的。但是传统的计算方法和分析手段由于受限于理论和手段的匮乏，相对简单，计算结果精度较差等一系列弊病的存在。同时减轻臂架重量，用于更大的外伸范围，以及臂架在展开后，平衡性的控制方面与国外产品差距还很大。针对于此，我们有必要对臂架部分及整体结构做受力分析，确定设计高空作业平台结构形式，即载重及受冲击载荷后，底盘抗倾覆力矩，及臂架在相应转角及伸缩的极限长度，以满足高处施工的安全要求，同时使制造和使用的成本最低，达到使用价值与经济效益的合理优化，实现性价比的最大优化。

对于本课题的研究，要求我们掌握并且熟练应用专业知识，掌握高空作业平台的结构特征和工作原理，并且学会运用ANSYS有限元分析软件对其进行受力分析，并根据分析结果对其进行优化，达到了解高空作业平台和掌握ANSYS有限元分析的目的。

3 、国内外研究现状和发展趋势

3.1、高空作业平台结构及工作原理

高空作业平台是用来运送操作人员和工作设备到指定高度进行作业的特种车辆，其应具有较高的工作可靠性、平稳性和安全性。

高空作业平台主要由发动机、电气设备、底盘（车架）、工作装置及其操作等四部分组成。其工作系统具体包括以下几部分：发动机室、底盘（车架）、转台、前后车桥、前后车轮组、车桥操作装置、上部操作装置、下部操作装置、变幅缸、臂架、作业自动调平缸、作业台、平衡配重等。[5]

高空作业平台的工作原理比较简单，就是将柴油机的动力，带动液压泵，驱动前轮液压马达、转向油缸、变幅油缸、伸缩油缸和调平油缸。变幅油缸的动作使臂架摇摆，伸缩油缸驱动伸缩臂的进出，自调平油缸使作业平台始终保持水平。

臂架式高空作业平台具有以下一些特点：

1）、作业区域大、作业范围大，能胜任一些复杂的工作环境。设置探照灯、手动工具等可用于高空工程施工作业。

2）、结构复杂，对设计水平要求较高（CAD/CAE在设计中紧密结合应用）。 3）、安全性和可靠性高。为了确保作业人员的生命安全，高空作业车上设置有诸多安全限位保护措施、应急动力源及应急机械操作装置，其上的安全保护系统可以充分保证车辆救援工作的安全。

4）、机动灵活，转场方便。高空作业车采用汽车底盘，其机动灵活，通过性好，来去自如。可在公路上可快速行驶，转场方便，能够应对消防险情的紧急快速反应要求。

3.2 、国内外高空作业平台现状对比

国内情况：我国高空作业机械的生产于上世纪 70 年代初开始起步，根据中国工程机械工业协会对会员单位不完全统计，销量上高空作业平台2007、2008、2009、2010年销售量分别为3318、4045、3 820、3074台；2008年比2007年增加了727台，增长率为20.92%；受金融危机影响，高空作业平台2009年销量比2008年减少了225台，2010年又比2009年减少了726台[6]，主要原因是国内产品出口明显减少，而国内销量仍然出现了增长势头。行业一些骨干企业通过近几年的技术改造，生产规模不断扩大，形成了有各自特色的系列产品，各项经济指标逐步上升，经济效益也逐年提高。国内高空作业平台行业近年来取

得了较好的发展，主要表现在以下几个方面：

(1)产品性能提高。我国高空作业机械行业的一些骨干企业利用自已的技术和设备优势，通过学习、引进和消化国外先进技术开发了许多新产品，其产品的技术水平和产品质量都不断提高，达到和接近了国际同类产品的水平，推动了高空作业机械行业的技术进步，在国内市场中竞争力强、市场销路好，产量增加较快。

(2)产品市场占有率进一步扩大。一些企业利用自身的优势，在原有产品的基础上增加品种和更新一些基础部件，不断加大新产品的开发力度，走企业横向联合多种经营的综合开发道路，不但使企业自身的生产和销售步入了良性循环轨道，还带动了附属企业和国内相关产品的销售发展

(3)新产品的开发推动了行业技术，利用自己的技术优势和设备优势，开发了许多本行业产品，推动了行业技术的进步。[7]

国外情况：发达国家由于其城市化进程完成早，城市建设作业机械品种规格繁多，已形成一个非常大的行业，并且成立了国际标准化组织(TC214)，正致力于扩大作业范围，满足不同作业的需要。工业发达国家，一般都有专门的跨国公司和集团主营和兼营高空作业机械，如美国 JLG 公司、GROVE 公司(格鲁夫)、SIMON 公司 (西蒙 )、芬兰 BRONTO 公司 (博浪涛 )、日本的多田野和爱知株式会社等。为了满足实际工程的需要，高空作业平台的作业高度越来越高，随之作业半径也越来越大，如西蒙公司 S600 高度已达 62m，芬兰 BRONTO 公司产品最高已达 72m，高空作业平台的控制系统均采用微机进行操作，自动化程度不断提高。如 GENIE(吉尼公司)的自行直臂式高空作业平台、自行曲臂式高空作业平台、自行剪型高空作业平台，由于采用自动化控制，高空作业的微动性能好，定位也越来越准确。2008 年杭州市公安消防局从芬兰进口一辆 101 米高世界最高用于消防灭火的高空作业平台，其操作很方便系统很智能，上升下降十分平稳，这辆车采用电脑控制，在车底部可以操作，在登高台上也能操作，比较方便，这辆车还特别智能，比如风速超过 12.5 米/秒或遇到路面不平整等危险情况时，电脑将限制曲臂往上(外)升，只能往回缩，以保证救援人员的安全。[8] [9]

20世纪末，高空作业车国外巨头陆续进入中国；2008年开始，又纷纷在华设厂，加大投资。显而易见，外企业普遍看好未来中国高空作业车市场。[10]

在我国，高空作业平台的应用领域已在逐渐扩展，但与发达国家相比使用的范围还比较窄，使用比较多的有路灯、交警、园林等行业，而在高空作业平台大有发展前途的电力、电信及有线电视系统使用较少。这主要是现有高空作业平台的性能及技术参数还不能完全满足三大系统使用的要求。我国船舶行业对轮胎液控自行式高空作业平台的需求量很大；建筑行业对履带自行式高空作业平台也将会产生需

求；室内装饰、维修、清洗行业大量需要电机自行式的高空作业平台。目前国内能生产液控自行式的厂家只有一二家，且产品质量不过关，因此造、修船行业大多数用的是进口产品。国内生产制造的高空作业平台同国外同类型产品相比仍有较大差距，主要表现为技术含量低、结构笨重、大型的较少、整机可靠性差、产品比较传统、作业时微动性能差、创新力不强、自动化技术与电子控制技术应用落后等问题。

[11] [12]

目前国内高空作业平台生产厂家主要有：京城重工、徐州海伦哲、北京建研机械科技、杭州爱知、北方交通、星邦重工、鼎力机械、孚曼机械、运想重工、徐工集团、山推机械等，产品已基本形成系列化，能满足国内不同的施工要求。[13]

3.3、国产高空作业平台与国际先进水平的比较

近几年，国外工程机械行业以信息技术为先导，在发动机燃料燃烧与电控、液压控制系统、自动操纵、可视化驾驶、精确定位与作业、故障诊断与监控、节能与环保等方面进行了大量的研究，开发出许多新结构（或系统）和新产品，提高了工程机械的科技含量。

1）动力电子控制／管理系统，根据传动装置及液压系统的工作状态，自动调节发动机输出功率，以满足不同作业工况的需要，提高燃料的经济性。

2）发动机自动控制系统，当行走机械处于非作业工况时，自动降低发动机转速，减少燃料消耗及发动机噪音。

3）关键信息显示管理系统，采用网络通讯技术，在办公室的控制中心实时监控设备的作业状态，据此向操作者提供基于文字提示的精确的故障诊断信息。

4）负载感应变速系统，根据负载状态，自动调节车速及发动机飞轮扭矩，实现高速、小扭矩或低速、大扭矩的动力输出。

5）计算机故障诊断系统，通过控制面板上的指示灯、听觉与视觉相结合的报警信号，提醒操作者可能潜在的故障隐患。这样，操作者只管全神贯注地工作而无需不断查看仪表读数。

6）负载自动稳定器，将一对钢膜氮气蓄能器安装在前车架中，与工作装置液压系统联通。当作业或低速行驶时，系统自动断开；当车速超过设计值时，由电子速度开关控制的电磁阀自动开启，蓄能器吸收工作装置液压系统的振动与冲击载荷，提高了操作的稳定性、安全性和舒适性。

7）计算机监控管理系统，连续监控管理产品的数十项性能指标参数，在遇到突发或紧急情况时，很容易通过液晶仪表显示、听觉与视觉相结合发出警信号，提醒操作人员注意。

8）自动称量系统，自动称量并显示载荷的净质量，超过设定值时，将限制其它误动作发生。[14] [15]

国外先进产品的发展趋势集中体现在广泛应用微电子技术与信息技术上；采用单一吸声材料、噪声抑制方法等消除或降低机器噪音；通过不断改进电喷装置，进一步降低柴油发动机的尾气排放量；研制无污染、经济型、环保型的动力装置；提高液压元件、传感元件和控制元件的可靠性与灵敏性，提高整机的机—电—信一体化水平；在控制系统方面，广泛采用电子监控和自动报警系统、载荷自动称量装置等。在产品的电子化与信息化问题上，行业企业需要做不懈的努力。今后几年我国高空作业平台行业的主导产品将向自动化、智能化、信息化，向成套化、系统化和规模化、系列化发展。[16] [17]

参 考 文 献

[1] 陈建平.对我国高空作业平台产业发展的思考.建筑机械化2010（09），35-37

[2] 王超.工程机械行业十二五发展机会及趋势.工程建设，2011年6月43期，58-60 [3] 黎程.科技在国家“十二五”规划中的战略定位.创新科技，2011.11 [4] Maria Hadlow.租赁业的高空作业平台.建设机械.2009.4下半月.52-53 [5] 罗振辉等. 高空作业车.哈尔滨工程大学出版社,2010

[6] 朱苛娄. 高空作业车运动学仿真与控制.大连理工大学硕士论文，2011年5月

[7] 柏红专,罗亮平.国内高空作业机械行业现状及发展方向[J].建筑机械 ,2006(08):54-56 [8] 宋兴龙．基于ANSYS的高空作业平台的有限元分析．南京林业大学硕士论文，2009 [9] 编辑部.下一片蓝海.今日工程机械，2011（15）：50-61 [10] Maria Hadlow.两全其美.建筑机械，2010（10下）:50-51

[11] 张华.我国高空作业机械标准现状和发展综述. CONSTRUCTION MECHANIZATION. 2010(09) [12] JG/T5101-1998臂架式高空作业平台.建设部行业标准

[13] 林雪. 箱型伸缩臂滑块的接触分析及规律研究.大连理工大学硕士论文,2011年5月 [14] 陈绍蕃.钢结构设计.中国建筑工业出版社，2003 [15] 张质文.起重机设计手册.中国铁道出版社，1998

[16] Saeed Moavenl.有限元分析-ANSYS理论与应用（三）,电子工业出版社，2008 [17] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析.人民交通出版社，2007

4、研究的主要内容及设计成果的应用价值

4.1、主要研究内容

1）、熟悉高空作业平台的工作原理与设计思路。

2）、分析比较，选择合理方案。

3）、运用机械原理、理论力学进行运动学分析。 4）、利用结构力学，进行臂架具体计算和验算。 5）、针对高空作业平台重要结构部件进行CAD建模。

6）、找出臂架、底盘等几处重点连接部位，并了解和掌握设计原理、结构形式以及他在整个体系中所处的地位和作用。

7）、学有余力，深入了解液压的相关知识，并能够应用于此次毕业设计。 8）、使用ANSYS分析软件对模型进行有限元分析，对高空作业平台进行适当有限元简化，在对模型施加载荷的情况下，分析它在使用情况下对整机的力学特性的影响，及重要机构部件的受力特性。

9）、根据分析结果，分析它在实际设计制造中合理的结构。

4.2、技术路线

根据设计要求，了解高空作业平台工作原理及结构 分析比较、选择合理方案 结构力学分析 运动学分析 反馈 确定结构形式 出图

4.3、设计成果的应用价值

国内高空作业平台飞速发展，其中臂架类起重技术发展目标将使起重臂伸得更快、吊的更高、吊重更大。混合臂式的高空作业平台其多节悬臂伸出总长度一般在十米以上，在各种复杂的工况下工作，其工作臂要完成各种动作，除了机器本身的自重和作用反力之外，还有吊栏中传来的冲击载荷以及运动载荷，要保证这种大型机器的正常工作，各构件的强度以及工作稳定性成为首要关心的问题。与一般的起重运输机械相比，高空作业平台虽然载重量要小得多，但作为高空载人作业设备，应具有更高的安全性和可靠性，因此，有必要不断深入地探讨计算机建模、计算与仿真方法，将 CAD、CAE技术应用于设计中，提高设计计算与实际情况的符合度，提高预测对象工作能力的准确性，提高国内高空作业平台自主设计开发技术水平。

5、工作的主要阶段、进度

为了更好的完成本设计的所有成果，现将所有工作分为以下几个阶段，时间进度严格按照下表进行。

表1-3毕业设计进度安排表 起止日期 2011年11月25日至2012年5月25日 要求完成的内容及质量 完成课题的起止总时间 2011年11月24日 下达任务书，学习毕业设计（论文）要求及有关规定。 阅读关于高空作业平台的参考资料及文献，整理收集2011年11月26日至 资料，完成开题报告（含文献综述）和外文翻译，学2012年2月13日 2012年2月13日至2月24日 2012年2月27日至3月10日 2012年3月11日至3月31日 习ANSYS软件；掌握高空作业平台的具体结构和工作原理。 毕业实习，撰写实习报告 进一步学习ANSYS软件，基本掌握ANSYS建模方法，学会应用软件进行受力分析；进一步学习关于高空作业平台的相关知识。 根据初步模型方案来确定高空作业平台的参数，对其进行设计计算，并校核。同时完成对高空作业平台三维结构的建模。

2012年4月1日至4月22日 2012年4月23日至5月13日 2012年5月14日至5月25日 2012年5月26日至6月1日 2012年6月4日至6月7日 对建模的高空作业平台模型进行受力分析，并进行分析检测，解决分析过程中出现的各种问题，并不断优化，达到合理设计与受力分析的优化。 整理资料，撰写、修改毕业论文。 整理毕业设计（论文）资料，完善并提交成果. 教师批阅、评阅毕业设计（论文）成果。 毕业答辩

6、最终目标及完成时间

通过机械原理、机械设计相关方面的知识，完成一台结构合理、用料经济、工作平顺的高空作业平台。

完成时间：2012年5月25日。

7、现有条件及必须采取的措施

现有PRO/E、ANSYS、AUTOCAD等软件，利用网络搜寻的高空作业平台的资料和起重机设计理念等指导，可以完成对高空作业平台结构的合理设计，对整机和重要结构受力分析，进一步研究与优化。高空作业平台为轻型的施工设备，结构强度较高，工况较多，有限元建模时需要对高空作业平台臂架进行适当的简化处理，同时在设计中必须采取现场观摩与理论结合的措施，对高空作业平台进行基于ANSYS的受力分析。

8、协助单位及要解决的主要问题

本课题的完成应解决高空作业平台有限元分析优化设计的技术问题，同时，需要得到三峡大学机械与材料学院施工机械研究所等单位的大力支持和帮助。

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