崔曉靜 CUI Xiao-jing

（國網太原供電公司，太原 030100）

0 引言

隨著經濟的快速發(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)質服務也提出更高要求。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)車起升機構優(yōu)化

1.1 結構特點

登高作業(yè)車結構示意圖如圖1 所示，主要包括車體、剪叉機構、起升油缸以及站人平臺。登高作業(yè)車起升/降落作業(yè)主要由液壓缸驅動剪叉機構實現，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 建立數學模型

升降平臺受力示意圖如圖2 所示，為方便構建數學模型和求解，以剪叉機構一端鉸點為坐標原點O，坐標系如圖所示，剪叉機構最高位置為初始位置，油缸長度為LAB。各鉸點初始位置坐標為：A（x1，y1），B（x2，y2），重心坐標為G（x3，y3）。起升油缸向下轉動γ 角后，各鉸點坐標為A（x1，y1），B1（x2，y2γ），G1（x3，y3γ）。

圖2 升降平臺受力示意圖

設鉸點B 到坐標原點O 的初始轉臂：

鉸點B1坐標為：

鉸點O 到起升油缸的距離：

重力G1坐標為：

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的慣性力和鉸點處的摩擦力。根據靜力學知識[1]，可列起升油缸轉動γ角后的力學方程組：

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。

最終確定目標函數為：

1.3 約束條件

根據承載要求，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，根據起升平臺的結構形式、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不同的鉸點位置。升降平臺主要參數為：重力G=5000N，重力初始坐標為G（820，6000），設計轉動角0°≤γ≤66°。通過粒子群算法優(yōu)化，優(yōu)化前后的坐標位置如表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，一定要保證其結構的安全性和可靠性。結合實際運用，對站人平臺進行了結構加強和優(yōu)化設計。設計站人平臺長×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。

有限元分析在產品設計及研發(fā)階段得到了廣泛的應用。其主要步驟為三維建模、模型處理、導入分析軟件、定義結構材料、網格劃分、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格化，產生網格數13654 個，模型及網格化如圖5 和圖6 所示。

圖5 站人平臺示意圖

圖6 站人平臺模型網格化圖

圖7 站人平臺應力云圖

圖8 站人平臺變形圖

對模型加載并分析，結果顯示在載荷作用下，站人平臺最大等效應力5.483×103N/m2，遠小于材料的屈服應力，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)車起升機構液壓系統(tǒng)優(yōu)化

剪叉機構運行要穩(wěn)定平緩，不能造成人員的不適感。設計平臺起升時間為5min，系統(tǒng)流量5L/min，額定壓力5MPa。剪叉機構同步回路優(yōu)化前采用調速閥串聯在液壓缸進油回路，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節(jié)，如圖10 所示，該回路可實現活塞桿在任意位置的停留且兩活塞往返的速度可通過調速閥調節(jié)保持同步，同步性好，同步差為1%-3%。

圖9 剪叉機構同步回路優(yōu)化前圖

圖10 剪叉機構同步回路優(yōu)化后

4 結語

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計，并加強了結構；對起升機構液壓系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，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。