登高作業(yè)車(chē)的優(yōu)化與改進(jìn)

崔曉靜 CUI Xiao-jing

（國(guó)網(wǎng)太原供電公司，太原 030100）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電氣化水平逐步提升，企業(yè)與居民對(duì)電力供應(yīng)的依賴(lài)性越來(lái)越強(qiáng)，對(duì)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(gè)供電所，供電所一線(xiàn)員工工作范圍涉及高低壓線(xiàn)路運(yùn)行維護(hù)、隱患排查等重點(diǎn)工作。“高空作業(yè)”是一線(xiàn)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(duì)公司所屬登高作業(yè)車(chē)的工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，充分保障人員安全。

1 登高作業(yè)車(chē)起升機(jī)構(gòu)優(yōu)化

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

登高作業(yè)車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要包括車(chē)體、剪叉機(jī)構(gòu)、起升油缸以及站人平臺(tái)。登高作業(yè)車(chē)起升/降落作業(yè)主要由液壓缸驅(qū)動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，液壓缸鉸點(diǎn)的安裝位置不僅決定了作業(yè)車(chē)的承載能力，還對(duì)整個(gè)工作過(guò)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(guò)程中受力最優(yōu)為目標(biāo)對(duì)起升油缸鉸點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 高空作業(yè)車(chē)示意圖

1.2 建立數(shù)學(xué)模型

升降平臺(tái)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(jī)構(gòu)一端鉸點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，坐標(biāo)系如圖所示，剪叉機(jī)構(gòu)最高位置為初始位置，油缸長(zhǎng)度為L(zhǎng)AB。各鉸點(diǎn)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(dòng)γ 角后，各鉸點(diǎn)坐標(biāo)為A（x1，y1），B1（x2，y2γ），G1（x3，y3γ）。

圖2 升降平臺(tái)受力示意圖

設(shè)鉸點(diǎn)B 到坐標(biāo)原點(diǎn)O 的初始轉(zhuǎn)臂：

鉸點(diǎn)B1坐標(biāo)為：

鉸點(diǎn)O 到起升油缸的距離：

重力G1坐標(biāo)為：

登高作業(yè)車(chē)在整個(gè)截割過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)較為緩慢，且鉸點(diǎn)處潤(rùn)滑充分，因此忽略工作過(guò)程中截割機(jī)構(gòu)的慣性力和鉸點(diǎn)處的摩擦力。根據(jù)靜力學(xué)知識(shí)[1]，可列起升油缸轉(zhuǎn)動(dòng)γ角后的力學(xué)方程組：

式中：Fx、Fy為鉸點(diǎn)O 對(duì)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(tái)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(zhǎng)度與最大長(zhǎng)度的比值在0.65～0.90 之間[2]，即：

起升油缸鉸點(diǎn)A、B 的可行域，即優(yōu)化鉸點(diǎn)的位置區(qū)域，根據(jù)起升平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式、具體布置以及是否干涉來(lái)確定。最終確定鉸點(diǎn)A 點(diǎn)和B 點(diǎn)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?jī)?yōu)化求解方法，其核心機(jī)理是利用種群間的信息共享，將空間內(nèi)每一個(gè)可能的解視為一個(gè)“粒子”，通過(guò)“粒子”的移動(dòng)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(diǎn)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(gè)工作過(guò)程中受力最優(yōu)，因此把（x1，y1，x2，y2）作為一個(gè)四維變量的粒子，不同的粒子反映了截割機(jī)構(gòu)不同的鉸點(diǎn)位置。升降平臺(tái)主要參數(shù)為：重力G=5000N，重力初始坐標(biāo)為G（820，6000），設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角0°≤γ≤66°。通過(guò)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(gè)工作過(guò)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(diǎn)位置

圖4 起升油缸優(yōu)化前后受力對(duì)比

2 登高作業(yè)車(chē)站人平臺(tái)優(yōu)化

站人平臺(tái)為工作人員作業(yè)的場(chǎng)所，一定要保證其結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。結(jié)合實(shí)際運(yùn)用，對(duì)站人平臺(tái)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)站人平臺(tái)長(zhǎng)×寬×高：2×1.5×1.3m，滿(mǎn)足人員及所需工件的放置。設(shè)計(jì)最大承重400kg，約5個(gè)成年男子的體重，并在平臺(tái)底部加裝十字隔擋，可將人員和工件分開(kāi)，提高了工作便利性。

有限元分析在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(duì)站人平臺(tái)模型進(jìn)行網(wǎng)格化，產(chǎn)生網(wǎng)格數(shù)13654 個(gè)，模型及網(wǎng)格化如圖5 和圖6 所示。

圖5 站人平臺(tái)示意圖

圖6 站人平臺(tái)模型網(wǎng)格化圖

圖7 站人平臺(tái)應(yīng)力云圖

圖8 站人平臺(tái)變形圖

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

3 登高作業(yè)車(chē)起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)優(yōu)化

剪叉機(jī)構(gòu)運(yùn)行要穩(wěn)定平緩，不能造成人員的不適感。設(shè)計(jì)平臺(tái)起升時(shí)間為5min，系統(tǒng)流量5L/min，額定壓力5MPa。剪叉機(jī)構(gòu)同步回路優(yōu)化前采用調(diào)速閥串聯(lián)在液壓缸進(jìn)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(gè)液控單向閥調(diào)節(jié)，如圖10 所示，該回路可實(shí)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(guò)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(jī)構(gòu)同步回路優(yōu)化前圖

圖10 剪叉機(jī)構(gòu)同步回路優(yōu)化后

4 結(jié)語(yǔ)

文章主要對(duì)供電所登高作業(yè)車(chē)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，主要包括起升油缸鉸點(diǎn)優(yōu)化，使其在整個(gè)過(guò)程中受力平穩(wěn)，壽命長(zhǎng)；對(duì)站人平臺(tái)進(jìn)行了人和工具分離設(shè)計(jì)，并加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)；對(duì)起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其運(yùn)行更平穩(wěn)，通過(guò)上述優(yōu)化改進(jìn)，最大程度保障了登高作業(yè)車(chē)的可靠性和作業(yè)人員的安全。