轮式蜘蛛型高空作业平台底盘设计与有限元分析

论文摘要

依托“十一五”国家科技计划支撑项目《高大空间建筑工程安装维护设备技术与产业化开发》（项目编号：2008BAJ09806）。该项目旨在研发一种新式蜘蛛型高空作业平台,用于体育馆、机场、酒店等高大空间结构的安装、维护等作业。轮式底盘和蜘蛛型支腿是该高空作业平台的2个重要部件,合理的参数选择、结构设计和准确的受力分析与计算,对研发适合通过狭窄通道、重量轻、稳定性高的用于室内作业轮式底盘非常重要。在对国外同类产品技术研究的基础上,结合本课题的设计要求,确定了高空作业平台的主要技术参数,完成了轮式底盘和蜘蛛型支腿的结构设计、行走装置的牵引性能和主要工作动作时间的计算。结果表明：设计参数选择合理,技术性能先进,底盘与支腿结构设计适合室内作业工况。在工作状态下,从支腿反力和作业稳定系数2个方面研究整机稳定性。在额定载荷作用下,工作篮在1人区和2人区的最大工作幅度边界上工作时,对支腿反力随主臂提升角、上车回转角度、支腿摆开角度以及主臂伸缩量的变化进行了研究和计算。结果表明：整机在正常工作区域内（θ=46°）,支反力值均大于0,符合国标GB/T9465-2008支腿反力大于0的整机稳定性要求。根据国际标准ISO16368：2003E,以支爪中心连线为倾翻线,工作篮在1人区和2人区的最大工作幅度边界上工作时,对整机作业稳定性进行了研究和计算。结果表明：在正常工作区域内（支腿摆角θ=46°）,作业稳定性系数均大于1。对支腿反力小于0和作业稳定性系数小于1的特殊工作区域,可以通过电控来限制工作篮进入该区域工作,满足整机工作稳定性要求。根据支腿反力计算结果,确定了轮式车架与蜘蛛支腿受力的典型工况。运用ANSYS有限元分析软件,完成了对轮式车架和蜘蛛支腿的建模和结构静强度分析计算,获得了完整的变形与应力分布。结果表明：两者强度满足要求,结构设计合理。根据能量等效的方法,完成臂架部分的等效质量与等效刚度计算。根据等效结果,建立动力学模型,对主臂在变幅平面内的提升启动和下降制动2种典型工况进行瞬态动力学分析,得到臂架端部和车架的动态响应。比较动力学与静力学分析结果,得到了该高空作业平台设计中动载系数的取值不应小于1.11。依据结构静强度分析的计算结果,以体积最小为目标函数,对下支腿和发动机机座进行优化设计,得到了相对较好的设计结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高空作业机械发展现状
• 1.2.1 国内高空作业机械发展现状
• 1.2.2 国外高空作业机械发展现状
• 1.2.3 高空作业机械发展动向
• 1.3 课题的研究背景
• 1.4 课题研究内容与方法
• 第二章 主要技术参数选择和结构设计
• 2.1 整机主要技术参数的确定
• 2.1.1 总体构造
• 2.1.2 主要技术参数的确定
• 2.1.3 设计产品工作范围的确定
• 2.2 轮式行走装置设计
• 2.2.1 轮式行走装置结构确定
• 2.2.2 轮式行走装置各部分设计
• 2.3 轮式行走装置牵引性能计算
• 2.3.1 发动机的选型计算
• 2.3.2 行走马达的选型计算
• 2.3.3 泵的选型计算
• 2.3.4 电动机的选型计算
• 2.3.5 电动机泵的选型计算
• 2.4 蜘蛛支腿设计
• 2.5 回转支承选型与计算
• 2.6 本章小结
• 第三章 稳定性分析
• 3.1 重心计算
• 3.1.1 上车合重心计算
• 3.1.2 下车合重心计算
• 3.2 支腿反力计算
• 3.2.1 支腿反力计算公式的推导
• 3.2.2 结果处理与分析
• 3.3 稳定性计算
• 3.3.1 稳定性系数
• 3.3.2 载荷确定
• 3.3.3 结果处理与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 轮式车架静动态有限元分析
• 4.1 有限元方法
• 4.1.1 有限元方法概述
• 4.1.2 ANSYS有限元软件简介
• 4.2 轮式车架结构静力学分析
• 4.3 蜘蛛支腿结构静力学分析
• 4.4 轮式车架动态有限元分析
• 4.4.1 模型对象的确定
• eq计算'>4.4.2 伸缩臂等效质量m_eq计算
• eq计算'>4.4.3 伸缩臂等效刚度K_eq计算
• 4.4.4 建立动态有限元模型
• 4.4.5 约束与载荷处理
• 4.4.6 结果处理与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 部件的结构优化
• 5.1 优化设计概念
• 5.2 下支腿结构优化设计
• 5.3 发动机机座的结构优化设计
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢