自行式高空作業(yè)平臺臂架的仿真分析

高旭宏 ，周雪巍 ，徐向陽 ，王書翰

（1.北京航空航天大學 交通科學與工程學院，北京 100191；2.北京汽車研究總院有限公司 底盤及動力總成集成部，北京 101300；3.航天新長征電動汽車技術(shù)有限公司，北京 100176）

1 引言

自行式高空作業(yè)平臺（亦稱“高空車”）作為一種新型高效的工程機械，具有自行走能力，廣泛應用于船舶、航天、航空、電力、鐵路、建筑、租賃等行業(yè)。美國、歐洲、日本等發(fā)達國家對自行式高空作業(yè)平臺的研制始于20世紀60、70年代，研發(fā)技術(shù)處于領(lǐng)先地位。國內(nèi)自行式高空作業(yè)平臺的研制起步較晚，自2000年開始，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)平臺是承載人員完成高空作業(yè)的特種車輛，如按行駛方式可分為車載式、自行式和拖掛式；如按動力源可分為發(fā)動機式、電動式和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)品已達到40m，其臂架的結(jié)構(gòu)組成和運動關(guān)系也最為復雜。國內(nèi)外的科研人員對各類型高空車的臂架做了大量的研究工作。文獻[4]使用有限元法，對車載式高空車的曲臂結(jié)構(gòu)進行了局部穩(wěn)定性的分析；文獻[5]運用空間矢量力學理論，對車載高空車的直臂結(jié)構(gòu)進行了強度分析；文獻[6]使用ADAMS對車載高空車的直臂結(jié)構(gòu)進行了運動仿真分析；文獻[7]用有限元法對車載式高空車直臂的斷面結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化分析；文獻[8]用有限元法對車載式高空車直臂承載后發(fā)生的疲勞斷裂現(xiàn)象進行了分析；文獻[9]根據(jù)金屬材料的力學性能和施工焊接質(zhì)量，對曲臂式高空車的臂架進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)臺用銷軸連接，將臂架固定在轉(zhuǎn)臺上，并可以相對轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)。馬達連接座與工作平臺的擺動馬達使用螺栓連接，實現(xiàn)對工作平臺內(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帶動下四連桿①和上四連桿④同步運動，實現(xiàn)對臂架整體的升降功能。（2）變幅油缸⑦實現(xiàn)對伸縮臂⑧和與其相連接部件及前端工作平臺的升降功能。（3）伸縮油缸⑨實現(xiàn)對伸縮臂⑧的伸縮功能。（4）調(diào)平油缸⑩和輔助油缸⑥共同實現(xiàn)對折臂?和馬達連接座?及其前端工作平臺的調(diào)平功能。（5）折臂油缸?實現(xiàn)對折臂?的翻轉(zhuǎn)功能。

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

3 動力學仿真及分析

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)，然后在各鉸接點的位置處定義轉(zhuǎn)動副或移動副等運動關(guān)系，接下來對各液壓油缸進行驅(qū)動定義，并按設(shè)計要求設(shè)定各油缸的動作時間，如圖2、表1所示。

圖2 曲臂動力學模型Fig.2 Dynamic Model of the Articulated Booms

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

3.2 仿真結(jié)果及分析

為了后續(xù)試驗測試的可操作性，計算時采用加倍靜載荷的方法來替代運動部件的動載荷、風載荷和手操作力等附加載荷的影響[10]，所以在工作平臺內(nèi)施加300kg載荷（即額定載荷200kg的1.5倍）。在ADAMS中對各液壓油缸進行驅(qū)動設(shè)置，帶動臂架各部件依次動作，實現(xiàn)全行程的動態(tài)運動仿真。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動到最大行程；接下來變幅油缸運動到最大行程，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，工作平臺也回到了最低的工作位置。整個臂架在液壓油缸的驅(qū)動下，共用時690s完成了全程運動，在ADAMS中提取出各液壓油缸受力狀態(tài)的動態(tài)特性曲線，如圖3所示。從圖3中的仿真計算結(jié)果，可以看出：（1）舉升油缸在運動過程中，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基本一致，當折臂處于最低工作位置時，承載力均達到了最大值89012N。（3）變幅油缸當伸縮臂處于水平最遠位置時，承載力達到最大值67125N，其他工作狀態(tài)均變小。（4）折臂在全程翻轉(zhuǎn)的過程中，折臂油缸承載力的變化范圍不大，當折臂處于水平狀態(tài)時，折臂油缸承載力達到了最大值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，但伸縮過程中載荷的變化范圍仍較小，其中負值表示伸縮油缸處于受拉承載狀態(tài)。通過ADAMS對臂架進行全運動過程的動態(tài)仿真，不僅可以得到各油缸壓力變化的特性曲線，還可以提取到任意鉸接點處的載荷特性曲線，這些計算結(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 液壓油缸的動態(tài)特性曲線Fig.3 Dynamic Characteristic Curves of Hydraulic Cylinders

4 結(jié)構(gòu)性能計算及分析

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

表2 伸縮臂各鉸點的載荷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 伸縮臂應力結(jié)果Fig.5 Stress Results of the Telescopic Boom

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

5 實物測試

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)平臺的樣機，如圖7所示。為檢驗臂架的承載性能，對臂架進行了過載測試，油缸壓力測試和臂架結(jié)構(gòu)應力測試。其中，對于過載測試，在工作平臺內(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試了臂架的動態(tài)穩(wěn)定性。按照ADAMS對臂架仿真分析過程的動作順序，使用了STAUFF/PPC-PAD壓力測試儀，對各液壓油缸進行了全行程的壓力測試，得到了各液壓油缸壓力的動態(tài)變化曲線。根據(jù)ANSYS對臂架結(jié)構(gòu)性能分析的結(jié)果，在臂架上共選取了16個測點，每個測點處均粘貼了三相應變片（采用60°的貼片方式），在額載和過載工況下對臂架的結(jié)構(gòu)性能進行了測試，以上場地試驗的部分環(huán)節(jié)，如圖8所示。

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

圖8 場地試驗Fig.8 Field Tests

經(jīng)過場地試驗的測試，全面檢驗了臂架的運動功能和結(jié)構(gòu)性能，在300kg過載條件下的應力測試結(jié)果表明：伸縮臂套接部位編號6的測點處（即對應仿真計算的最大應力點位置）的最大應力為317MPa，而編號13的測點處（即對應仿真計算的奇異點位置）的實際應力值僅為207MPa，均低于仿真計算的數(shù)值。所以，在300kg的過載工況下，臂架結(jié)構(gòu)性能的安全系數(shù)已達到了2.16（即685/317），完全滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)論

（1）通過ADAMS和ANSYS對曲臂高空車的臂架進行了聯(lián)合仿真計算，快速完成了臂架的動力學特性和結(jié)構(gòu)性能的分析，準確地確定了臂架的設(shè)計結(jié)構(gòu)。（2）通過場地試驗，全面測試了臂架的作業(yè)功能和結(jié)構(gòu)性能，在1.5倍過載工況下的安全系數(shù)為2.16，滿足設(shè)計要求。（3）基于ADAMS和ANSYS聯(lián)合仿真的設(shè)計方法，與臂架傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，研發(fā)周期縮短了近2/3，工作效率顯著提高，可為其他專用車輛的臂架設(shè)計提供參考。

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