陳勝利

（上海龍澄專業(yè)車輛有限公司，上海201700）

0 引 言

高空作業(yè)車是一種適合于高空搶修、救援、搶險和園林修剪的作業(yè)平臺設(shè)備，具有品種齊全、結(jié)構(gòu)型式多樣、功能豐富等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于電力車和園林等公司進(jìn)行高空作業(yè)?？傮w設(shè)計(jì)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)最重要的環(huán)節(jié)，其參數(shù)選定的好與壞對車輛的總體性能起決定性作用。

SQN5091JGK高空作業(yè)車采用東風(fēng)EQ1120B21改進(jìn)型國Ⅴ底盤，6座位駕駛室，載員多，空間大，乘坐舒適，升降平臺按最大作業(yè)平臺尺寸要求，選擇蘇州紐康特升降平臺，型號為SJG1-4.6，額定載重量為1 t, 主要結(jié)構(gòu)采用了高強(qiáng)度錳鋼成形管焊接而成，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，為增加作業(yè)時的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)四支腿來防止偏心作業(yè)時整車不穩(wěn)定。

1 設(shè)計(jì)輸入

1）整車外形尺寸圖如圖1所示。

圖1 整車外形尺寸圖

2)SQN5091JGK整車主要性能技術(shù)參數(shù)如表1所示。

單臺負(fù)荷可參考文獻(xiàn)[2]。

2 總體計(jì)算

2.1 軸荷計(jì)算

當(dāng)升降平臺處于最低狀態(tài)，且駕駛室乘車人員滿員（6個人,平均質(zhì)量按75 kg計(jì)算），在水平路面上行駛時前后軸所承載的質(zhì)量為前后軸荷。已知條件：底盤前軸荷分配G1=3070 kg，后軸荷分配G2=1890 kg；平臺總成（不包括升降平臺，包括油、水）質(zhì)量G3=1390 kg；平臺總成（不包括升降平臺）水平重心位置如圖2所示，升降平臺質(zhì)量G4=2300 kg；升降平臺水平重心位置圖如圖2所示；從駕駛室乘人位置看，可初步預(yù)設(shè)6 人的平均重心處于前軸軸線正上方，總質(zhì)量為G5=450 kg。

表1 SQN5091JGK整車主要性能技術(shù)參數(shù)表

圖2 升降平臺水平重心位置圖

以前軸為傾翻力矩點(diǎn)，計(jì)算整車重心的水平位置，利用力矩平衡公式：G1×L1+G2·L2+G3·L3+G4·L4+G5·L5=G·L，可得L=(G1·L1+G2·L2+G3·L3+G4·L4+G5·L5)/G=(3070×0+1890×3800+1390×3482+2300×4110+450×0)/9100=2360 mm。

再次利用力矩平衡公式G1·L1=G·L，可算出后軸載荷G1=G·L/L1=9100×2360/3800=5652 kg。那么前軸載荷G2=G-G1=9100-5652=3448 kg。由上述可計(jì)算出前后載荷比為38%：62%。

由上述計(jì)算得出后軸載荷為5652 kg，前軸載荷為3448 kg，前、后軸可分別承載8710 、17 420 kg，滿足參考文獻(xiàn)[3]的要求。

2.2 升降平臺處于最低狀態(tài)時穩(wěn)定性

由于底盤重心高度參數(shù)未知，所以我們目前只能計(jì)算出整車水平位置的重心位置，從載荷計(jì)算過程可以看出升降平臺處于最低狀態(tài)時，整車重心的水平位置為離前輪軸線2360 mm，而軸距為3800 mm，處于前后軸中間偏后位置，正常情況不會傾翻。

2.3 升降平臺處于最高狀態(tài)時穩(wěn)定性

升降平臺處于最高狀態(tài)時，按高空作業(yè)車正確操作規(guī)范原則，應(yīng)該為車輛處于作業(yè)狀態(tài)，前后左右四只腿全伸出，所有駕乘人員離開駕駛室，同時只有當(dāng)升降平臺承受最大載荷且最大載荷處于最危險點(diǎn)時，整車穩(wěn)定性滿足要求，說明此時整車穩(wěn)定，具體狀態(tài)如圖3所示。

以前軸為傾翻力矩點(diǎn)，計(jì)算整車重心的水平位置，利用力矩平衡公式G1·L1+G2·L2+G3·L3+G4·L4+G5·L5=G·L，可得L=(G1·L1+G2·L2+G3·L3+G4·L4+G5·L5)/G=(3070×0+1890×3800+1390×3482+2172×3858+1000×5133)/9522=2681 mm。

再次利用力矩平衡公式G3·L3=G·L，可算出單后支腿載荷G3=G·L/(2L3)=1486 kg，那么單前支腿載荷G4=3339 kg。

綜合上述計(jì)算可得，此狀態(tài)下整車重心的水平位置為：與后軸中心線水平距離為940 mm，與前支腿水平距離為1001 mm，與后支腿水平距離為2246 mm，總體重心處于兩支腿中間偏前位置，在傾翻點(diǎn)以內(nèi)，滿足穩(wěn)定性要求。

圖3 升降平臺處于最高位置圖

3 液壓系統(tǒng)計(jì)算

3.1 液壓原理圖（如圖4）

3.2 支腿油缸和升降油缸校核

已知條件：系統(tǒng)額定壓力P=11 MPa；支腿油缸缸徑D=63 mm，所以單個支腿油缸的最大支撐力F=P·S=P·(3.14D2/4)=11×1000000×3.14×0.063×0.063/4=34272 N≈3.43 t。

由于升降平臺為整體外購，其中包含升降油缸，而外購廠家要求系統(tǒng)額定壓力只要達(dá)到11 MPa即能滿足其性能要求，所以我們在此不再另做計(jì)算。

從升降平臺處于最高狀態(tài)時穩(wěn)定性的計(jì)算可知，單支腿油缸的最大載荷為3339 kg（約3.34 t），而單支腿油缸在額定載荷下最大的承載力可達(dá)3.43 t（大于最大載荷），并且在正常作業(yè)時前后輪為不完全離地，應(yīng)能承載部分載荷，因此支腿油缸和升降油缸滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 主泵和主閥校核

已知條件：初步選定主泵為合肥長源CB-E50；排量為ΔP=50 mL/r，轉(zhuǎn)速為600～3000 r/min；主閥型號為上海強(qiáng)田DCV40/5；流量為40 L/min；發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速n=750 r/min；變速箱一擋速比i1=0.875；取力器速比i2=1.22；總機(jī)械效率0.98。

從高空作業(yè)的規(guī)范操作流程上看，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于怠速狀態(tài)、變速箱接一擋時進(jìn)行相關(guān)檢修操作，從上面已知條件可算出此狀態(tài)下泵的流量V=ΔP·r=ΔP·n·i1·i2·0.98=50×750×0.875×1.22×0.98=39230.6 mL≈39.2 L。由計(jì)算可以看出，在怠速情況下主泵與主閥基本匹配,所以主泵與主閥滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 升降平臺起升速度及時間計(jì)算

已知條件：升降油缸缸徑D=100 mm；升降平臺從最低上升到最高，升降平臺垂直升高S1=4.5 m；油缸行程L=1369 mm。

所以升降油缸總供油量為V=2S·L=2×3.14D2L/4=2×3.14×1×1×13.69/4=21.49 L。

按主泵每分鐘供油39.2 L、總效率0.95的情況計(jì)算，起升總時間t=V×60/(39.2×0.95)=34.6 s，升降速度為v=S1/t=4.6/34.6=0.133 m/s。

由于高空作業(yè)車國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定起升速度不大于0.5 m/s，按理論計(jì)算所得升降速度為v=0.133 m/s＜0.5 m/s，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 支腿支座銷軸校核

支腿油缸安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

銷軸軸體材料采用45鋼，其屈服應(yīng)力為σ=360 MPa。根據(jù)參考文獻(xiàn) [4]的表25，可以得到銷軸軸體的彎曲容許應(yīng)力f=360/1.48=240 MPa，抗剪容許應(yīng)力fv=0.6×240=144 MPa，承壓容許應(yīng)力fc=1.4×240=336 MPa，銷軸軸體可按簡支梁計(jì)算，擬用直徑D=35 mm的銷軸體。

計(jì)算作用力F=34.272 kN（垂直于銷軸），最大彎矩MX=F·L/4=34.272×0.114/4=0.977 kN·m，彎曲應(yīng)力σ1=MX/WX=0.977×106/4207.1=232.2 MPa＜f=240 MPa，剪應(yīng)力τmax=4V/3A=23.75 MPa ＜fv=144 MPa。

經(jīng)以上計(jì)算校核，采用材質(zhì)為45鋼、直徑D=35 mm的銷軸體能滿足規(guī)范要求。

圖5 支腿油缸安裝結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié) 語

從本文計(jì)算過程可以得出，整車總體布置對各工況的穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用，關(guān)鍵零部件的選擇是整車性能是否滿足要求的關(guān)鍵性因素，如果布置合理，整車軸荷就分布均勻，行駛穩(wěn)定性就越好；如果泵、閥、油缸及銷軸材料選擇合適，車輛就運(yùn)行時就越平穩(wěn)，使用壽命就越長。