登高作業(yè)車的優(yōu)化與改進

崔曉靜 CUI Xiao-jing

（國網(wǎng)太原供電公司，太原 030100）

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，電氣化水平逐步提升，企業(yè)與居民對電力供應(yīng)的依賴性越來越強，對供電公司提升供電可靠性和提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)也提出更高要求。筆者公司下屬10 個供電所，供電所一線員工工作范圍涉及高低壓線路運行維護、隱患排查等重點工作?！案呖兆鳂I(yè)”是一線員工經(jīng)常面臨的作業(yè)環(huán)境。為了提高作業(yè)人員高空作業(yè)安全性及工作效率，本文對公司所屬登高作業(yè)車的工作機構(gòu)進行優(yōu)化和改進，充分保障人員安全。

1 登高作業(yè)車起升機構(gòu)優(yōu)化

1.1 結(jié)構(gòu)特點

登高作業(yè)車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要包括車體、剪叉機構(gòu)、起升油缸以及站人平臺。登高作業(yè)車起升/降落作業(yè)主要由液壓缸驅(qū)動剪叉機構(gòu)實現(xiàn)，液壓缸鉸點的安裝位置不僅決定了作業(yè)車的承載能力，還對整個工作過程中液壓缸受力有著重要的影響。本節(jié)以起升油缸在工作過程中受力最優(yōu)為目標(biāo)對起升油缸鉸點位置進行優(yōu)化。

圖1 高空作業(yè)車示意圖

1.2 建立數(shù)學(xué)模型

升降平臺受力示意圖如圖2 所示，為方便構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和求解，以剪叉機構(gòu)一端鉸點為坐標(biāo)原點O，坐標(biāo)系如圖所示，剪叉機構(gòu)最高位置為初始位置，油缸長度為LAB。各鉸點初始位置坐標(biāo)為：A（x1，y1），B（x2，y2），重心坐標(biāo)為G（x3，y3）。起升油缸向下轉(zhuǎn)動γ 角后，各鉸點坐標(biāo)為A（x1，y1），B1（x2，y2γ），G1（x3，y3γ）。

圖2 升降平臺受力示意圖

設(shè)鉸點B 到坐標(biāo)原點O 的初始轉(zhuǎn)臂：

鉸點B1坐標(biāo)為：

鉸點O 到起升油缸的距離：

重力G1坐標(biāo)為：

登高作業(yè)車在整個截割過程中，運動較為緩慢，且鉸點處潤滑充分，因此忽略工作過程中截割機構(gòu)的慣性力和鉸點處的摩擦力。根據(jù)靜力學(xué)知識[1]，可列起升油缸轉(zhuǎn)動γ角后的力學(xué)方程組：

式中：Fx、Fy為鉸點O 對懸臂段x、y 方向的約束力；F1為俯仰油缸推力；θ 為液壓缸傾角；G1為起升平臺及承載總重。

最終確定目標(biāo)函數(shù)為：

1.3 約束條件

根據(jù)承載要求，起升油缸缸徑為40mm，最小安裝距為620mm，因此液壓缸最小距離LABmin≥620mm；根據(jù)液壓缸的制造要求，要求液壓缸最小長度與最大長度的比值在0.65～0.90 之間[2]，即：

起升油缸鉸點A、B 的可行域，即優(yōu)化鉸點的位置區(qū)域，根據(jù)起升平臺的結(jié)構(gòu)形式、具體布置以及是否干涉來確定。最終確定鉸點A 點和B 點的優(yōu)化區(qū)域分別為：

1.4 粒子群算法求解

粒子群算法是一種迭代求解的多變量優(yōu)化求解方法，其核心機理是利用種群間的信息共享，將空間內(nèi)每一個可能的解視為一個“粒子”，通過“粒子”的移動和迭代，最終確定最優(yōu)解[3]。其主要流程如圖3 所示。

圖3 粒子群算法求解流程

在本文中，求最佳鉸點位置，就是求最佳A、B 的初始位置坐標(biāo)使得起升油缸在整個工作過程中受力最優(yōu)，因此把（x1，y1，x2，y2）作為一個四維變量的粒子，不同的粒子反映了截割機構(gòu)不同的鉸點位置。升降平臺主要參數(shù)為：重力G=5000N，重力初始坐標(biāo)為G（820，6000），設(shè)計轉(zhuǎn)動角0°≤γ≤66°。通過粒子群算法優(yōu)化，優(yōu)化前后的坐標(biāo)位置如表1 所示，油缸受力如圖4 所示。優(yōu)化后起升油缸在整個工作過程最大受力減小14.5%，最小受力減小7.6%，且受力更加平緩，有利于提高油缸使用壽命。

表1 優(yōu)化前后鉸點位置

圖4 起升油缸優(yōu)化前后受力對比

2 登高作業(yè)車站人平臺優(yōu)化

站人平臺為工作人員作業(yè)的場所，一定要保證其結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。結(jié)合實際運用，對站人平臺進行了結(jié)構(gòu)加強和優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計站人平臺長×寬×高：2×1.5×1.3m，滿足人員及所需工件的放置。設(shè)計最大承重400kg，約5個成年男子的體重，并在平臺底部加裝十字隔擋，可將人員和工件分開，提高了工作便利性。

有限元分析在產(chǎn)品設(shè)計及研發(fā)階段得到了廣泛的應(yīng)用。其主要步驟為三維建模、模型處理、導(dǎo)入分析軟件、定義結(jié)構(gòu)材料、網(wǎng)格劃分、添加約束、添加載荷以及后處理等。本文利用有限元軟件對站人平臺模型進行網(wǎng)格化，產(chǎn)生網(wǎng)格數(shù)13654 個，模型及網(wǎng)格化如圖5 和圖6 所示。

圖5 站人平臺示意圖

圖6 站人平臺模型網(wǎng)格化圖

圖7 站人平臺應(yīng)力云圖

圖8 站人平臺變形圖

對模型加載并分析，結(jié)果顯示在載荷作用下，站人平臺最大等效應(yīng)力5.483×103N/m2，遠小于材料的屈服應(yīng)力，最大變形2.261×10-6mm，肉眼不可見，因此站人平臺足夠安全。

3 登高作業(yè)車起升機構(gòu)液壓系統(tǒng)優(yōu)化

剪叉機構(gòu)運行要穩(wěn)定平緩，不能造成人員的不適感。設(shè)計平臺起升時間為5min，系統(tǒng)流量5L/min，額定壓力5MPa。剪叉機構(gòu)同步回路優(yōu)化前采用調(diào)速閥串聯(lián)在液壓缸進油回路，如圖9 所示，該回路雖然能保證流量穩(wěn)定，但其同步精度較低，同步差為5%-10%。優(yōu)化后的回路采用兩個液控單向閥調(diào)節(jié)，如圖10 所示，該回路可實現(xiàn)活塞桿在任意位置的停留且兩活塞往返的速度可通過調(diào)速閥調(diào)節(jié)保持同步，同步性好，同步差為1%-3%。

圖9 剪叉機構(gòu)同步回路優(yōu)化前圖

圖10 剪叉機構(gòu)同步回路優(yōu)化后

4 結(jié)語

文章主要對供電所登高作業(yè)車進行了優(yōu)化和改進，主要包括起升油缸鉸點優(yōu)化，使其在整個過程中受力平穩(wěn)，壽命長；對站人平臺進行了人和工具分離設(shè)計，并加強了結(jié)構(gòu)；對起升機構(gòu)液壓系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，使其運行更平穩(wěn)，通過上述優(yōu)化改進，最大程度保障了登高作業(yè)車的可靠性和作業(yè)人員的安全。