自行式高空作業(yè)平臺(tái)臂架的仿真分析

高旭宏 ，周雪巍 ，徐向陽(yáng) ，王書(shū)翰

（1.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；2.北京汽車(chē)研究總院有限公司 底盤(pán)及動(dòng)力總成集成部，北京 101300；3.航天新長(zhǎng)征電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)有限公司，北京 100176）

1 引言

自行式高空作業(yè)平臺(tái)（亦稱(chēng)“高空車(chē)”）作為一種新型高效的工程機(jī)械，具有自行走能力，廣泛應(yīng)用于船舶、航天、航空、電力、鐵路、建筑、租賃等行業(yè)。美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)自行式高空作業(yè)平臺(tái)的研制始于20世紀(jì)60、70年代，研發(fā)技術(shù)處于領(lǐng)先地位。國(guó)內(nèi)自行式高空作業(yè)平臺(tái)的研制起步較晚，自2000年開(kāi)始，至今有一定規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)約20家[1-2]。高空作業(yè)平臺(tái)是承載人員完成高空作業(yè)的特種車(chē)輛，如按行駛方式可分為車(chē)載式、自行式和拖掛式；如按動(dòng)力源可分為發(fā)動(dòng)機(jī)式、電動(dòng)式和LNG式；如按臂架的結(jié)構(gòu)形式可分為剪叉式、垂直式、直臂式和曲臂式[3]。其中，自行曲臂式高空作業(yè)平臺(tái)的作業(yè)高度基本在（8～18）m，現(xiàn)有最大作業(yè)高度的產(chǎn)品已達(dá)到40m，其臂架的結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)動(dòng)關(guān)系也最為復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外的科研人員對(duì)各類(lèi)型高空車(chē)的臂架做了大量的研究工作。文獻(xiàn)[4]使用有限元法，對(duì)車(chē)載式高空車(chē)的曲臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部穩(wěn)定性的分析；文獻(xiàn)[5]運(yùn)用空間矢量力學(xué)理論，對(duì)車(chē)載高空車(chē)的直臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度分析；文獻(xiàn)[6]使用ADAMS對(duì)車(chē)載高空車(chē)的直臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析；文獻(xiàn)[7]用有限元法對(duì)車(chē)載式高空車(chē)直臂的斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析；文獻(xiàn)[8]用有限元法對(duì)車(chē)載式高空車(chē)直臂承載后發(fā)生的疲勞斷裂現(xiàn)象進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[9]根據(jù)金屬材料的力學(xué)性能和施工焊接質(zhì)量，對(duì)曲臂式高空車(chē)的臂架進(jìn)行了疲勞壽命的估算。

2 結(jié)構(gòu)建模

某曲臂自行式高空作業(yè)平臺(tái)的臂架主要由四連桿、連接座、伸縮臂、折臂、液壓油缸等部件組成，使用Solidworks軟件建立了臂架結(jié)構(gòu)的三維模型，如圖1所示。曲臂結(jié)構(gòu)中的下四連桿與轉(zhuǎn)臺(tái)用銷(xiāo)軸連接，將臂架固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，并可以相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。馬達(dá)連接座與工作平臺(tái)的擺動(dòng)馬達(dá)使用螺栓連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作平臺(tái)內(nèi)操作人員和設(shè)備的承載及支撐。曲臂結(jié)構(gòu)的工作原理如下：（1）舉升油缸②帶動(dòng)下四連桿①和上四連桿④同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)臂架整體的升降功能。（2）變幅油缸⑦實(shí)現(xiàn)對(duì)伸縮臂⑧和與其相連接部件及前端工作平臺(tái)的升降功能。（3）伸縮油缸⑨實(shí)現(xiàn)對(duì)伸縮臂⑧的伸縮功能。（4）調(diào)平油缸⑩和輔助油缸⑥共同實(shí)現(xiàn)對(duì)折臂?和馬達(dá)連接座?及其前端工作平臺(tái)的調(diào)平功能。（5）折臂油缸?實(shí)現(xiàn)對(duì)折臂?的翻轉(zhuǎn)功能。

圖1 曲臂結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Model of the Articulated Booms

3 動(dòng)力學(xué)仿真及分析

3.1 建立仿真模型

將Solidworks中建立的臂架的三維模型，轉(zhuǎn)換成*.x_t格式導(dǎo)入ADAMS中，隨后設(shè)定四連桿、連接座、伸縮臂、折臂、液壓油缸等部件均為剛性體結(jié)構(gòu)，然后在各鉸接點(diǎn)的位置處定義轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副等運(yùn)動(dòng)關(guān)系，接下來(lái)對(duì)各液壓油缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)定義，并按設(shè)計(jì)要求設(shè)定各油缸的動(dòng)作時(shí)間，如圖2、表1所示。

圖2 曲臂動(dòng)力學(xué)模型Fig.2 Dynamic Model of the Articulated Booms

表1 關(guān)鍵鉸接點(diǎn)設(shè)置Tab.1 The Key Articulated Joint Set

3.2 仿真結(jié)果及分析

為了后續(xù)試驗(yàn)測(cè)試的可操作性，計(jì)算時(shí)采用加倍靜載荷的方法來(lái)替代運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)載荷、風(fēng)載荷和手操作力等附加載荷的影響[10]，所以在工作平臺(tái)內(nèi)施加300kg載荷（即額定載荷200kg的1.5倍）。在ADAMS中對(duì)各液壓油缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)置，帶動(dòng)臂架各部件依次動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)全行程的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真。首先，折臂油缸將折臂翻轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，伸縮臂再伸出至最大行程；隨后變幅油缸將伸縮臂調(diào)整至水平狀態(tài)，舉升油缸從初始位置運(yùn)動(dòng)到最大行程；接下來(lái)變幅油缸運(yùn)動(dòng)到最大行程，折臂油缸再將折臂翻轉(zhuǎn)至最大角度，這樣工作平臺(tái)處于了最高的工作位置。而后，伸縮油缸、舉升油缸和變幅油缸依次縮回或降低至初始位置，折臂油缸再將折臂翻轉(zhuǎn)至最低位置，工作平臺(tái)也回到了最低的工作位置。整個(gè)臂架在液壓油缸的驅(qū)動(dòng)下，共用時(shí)690s完成了全程運(yùn)動(dòng)，在ADAMS中提取出各液壓油缸受力狀態(tài)的動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)，如圖3所示。從圖3中的仿真計(jì)算結(jié)果，可以看出：（1）舉升油缸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因兩端鉸接位置也在不斷地發(fā)生變化，使臂架整體的質(zhì)心位置變化并不大，最大承載力為89305N，且承載變化比較平穩(wěn)。（2）因采用了液壓調(diào)平的控制方式，調(diào)平油缸和輔助油缸承載變化趨勢(shì)基本一致，當(dāng)折臂處于最低工作位置時(shí)，承載力均達(dá)到了最大值89012N。（3）變幅油缸當(dāng)伸縮臂處于水平最遠(yuǎn)位置時(shí)，承載力達(dá)到最大值67125N，其他工作狀態(tài)均變小。（4）折臂在全程翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中，折臂油缸承載力的變化范圍不大，當(dāng)折臂處于水平狀態(tài)時(shí)，折臂油缸承載力達(dá)到了最大值23050N。（5）伸縮油缸需要克服的摩擦力比較小，隨著變幅油缸的舉升，承載力略有增大，但伸縮過(guò)程中載荷的變化范圍仍較小，其中負(fù)值表示伸縮油缸處于受拉承載狀態(tài)。通過(guò)ADAMS對(duì)臂架進(jìn)行全運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真，不僅可以得到各油缸壓力變化的特性曲線(xiàn)，還可以提取到任意鉸接點(diǎn)處的載荷特性曲線(xiàn)，這些計(jì)算結(jié)果可直接輸入ANSYS中，為臂架結(jié)構(gòu)性能的分析提供了完整的載荷輸入條件。

圖3 液壓油缸的動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)Fig.3 Dynamic Characteristic Curves of Hydraulic Cylinders

4 結(jié)構(gòu)性能計(jì)算及分析

從ADAMS的仿真計(jì)算的結(jié)果中提取液壓油缸和相關(guān)鉸接點(diǎn)的承載數(shù)值后，作為校核臂架中各部件結(jié)構(gòu)性能的輸入條件。鑒于篇幅限制，僅重點(diǎn)介紹伸縮臂結(jié)構(gòu)性能的分析過(guò)程及結(jié)果。制造臂架的材料選用國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼板HG785，其屈服極限大于685Mpa。為了對(duì)伸縮臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析，首先取鉸點(diǎn)D處承載的最大值，并在同狀態(tài)下取鉸點(diǎn)C和E的載荷值；其次取B處承載的最大值；M點(diǎn)作為約束點(diǎn)，不用取值。這樣提取的載荷值，可以模擬實(shí)際工況中出現(xiàn)的最大承載狀態(tài)，同時(shí)將伸縮臂的兩節(jié)臂體剛化為一個(gè)整體導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元分析，不考慮滑塊和伸縮缸帶來(lái)的伸縮臂間的內(nèi)力[11]，各鉸接點(diǎn)處提取的載荷值圖，如表2所示。仿真計(jì)算的過(guò)程和結(jié)果圖，如圖4～圖6所示。對(duì)伸縮臂仿真計(jì)算后，從得到的應(yīng)力云圖可以看出：（1）圖5中顯示伸縮臂整體應(yīng)力大部分低于200MPa，應(yīng)力較大值的區(qū)域集中在兩節(jié)臂體的套接部位。（2）圖6（a）中最大應(yīng)力為484MPa，位于約束位置，屬于奇異點(diǎn)，可以將其剔除[12]；圖6（b）中最大應(yīng)力區(qū)域分布在臂體套接處尼龍塊的接觸部位，最大應(yīng)力值363MPa。

表2 伸縮臂各鉸點(diǎn)的載荷Tab.2 The Articulated Joint Load of the Telescopic Boom

圖4 伸縮臂有限元模型Fig.4 FEM Model of the Telescopic Boom

圖5 伸縮臂應(yīng)力結(jié)果Fig.5 Stress Results of the Telescopic Boom

圖6 局部應(yīng)力結(jié)果Fig.6 Local Stress Results

5 實(shí)物測(cè)試

使用ADAMS和ANSYS的聯(lián)合仿真的分析方法，已研制的某曲臂自行式高空作業(yè)平臺(tái)的樣機(jī)，如圖7所示。為檢驗(yàn)臂架的承載性能，對(duì)臂架進(jìn)行了過(guò)載測(cè)試，油缸壓力測(cè)試和臂架結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試。其中，對(duì)于過(guò)載測(cè)試，在工作平臺(tái)內(nèi)施加300kg載荷（即額定載荷200kg的1.5倍），而后在不同的工況下測(cè)試了臂架的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。按照ADAMS對(duì)臂架仿真分析過(guò)程的動(dòng)作順序，使用了STAUFF/PPC-PAD壓力測(cè)試儀，對(duì)各液壓油缸進(jìn)行了全行程的壓力測(cè)試，得到了各液壓油缸壓力的動(dòng)態(tài)變化曲線(xiàn)。根據(jù)ANSYS對(duì)臂架結(jié)構(gòu)性能分析的結(jié)果，在臂架上共選取了16個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)處均粘貼了三相應(yīng)變片（采用60°的貼片方式），在額載和過(guò)載工況下對(duì)臂架的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了測(cè)試，以上場(chǎng)地試驗(yàn)的部分環(huán)節(jié)，如圖8所示。

圖7 曲臂高空作業(yè)平臺(tái)Fig.7 Articulated Aerial Work Platform

圖8 場(chǎng)地試驗(yàn)Fig.8 Field Tests

經(jīng)過(guò)場(chǎng)地試驗(yàn)的測(cè)試，全面檢驗(yàn)了臂架的運(yùn)動(dòng)功能和結(jié)構(gòu)性能，在300kg過(guò)載條件下的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明：伸縮臂套接部位編號(hào)6的測(cè)點(diǎn)處（即對(duì)應(yīng)仿真計(jì)算的最大應(yīng)力點(diǎn)位置）的最大應(yīng)力為317MPa，而編號(hào)13的測(cè)點(diǎn)處（即對(duì)應(yīng)仿真計(jì)算的奇異點(diǎn)位置）的實(shí)際應(yīng)力值僅為207MPa，均低于仿真計(jì)算的數(shù)值。所以，在300kg的過(guò)載工況下，臂架結(jié)構(gòu)性能的安全系數(shù)已達(dá)到了2.16（即685/317），完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

（1）通過(guò)ADAMS和ANSYS對(duì)曲臂高空車(chē)的臂架進(jìn)行了聯(lián)合仿真計(jì)算，快速完成了臂架的動(dòng)力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)性能的分析，準(zhǔn)確地確定了臂架的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。（2）通過(guò)場(chǎng)地試驗(yàn)，全面測(cè)試了臂架的作業(yè)功能和結(jié)構(gòu)性能，在1.5倍過(guò)載工況下的安全系數(shù)為2.16，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。（3）基于ADAMS和ANSYS聯(lián)合仿真的設(shè)計(jì)方法，與臂架傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，研發(fā)周期縮短了近2/3，工作效率顯著提高，可為其他專(zhuān)用車(chē)輛的臂架設(shè)計(jì)提供參考。

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