折叠式高空作业车的稳定性分析

折叠式高空作业车的稳定性分析 折叠式高空作业车的稳定性分析 折叠式高空作业车的稳定性分析 王富亮,熊静琪,刘亚超,经迎龙 (电子科技大学机械电子学院) 摘要:高空作业车超载严重时会发生倾翻事故,不仅会损坏作业车本身,而且会危及操作者和周围行 人的生命安全.对折叠式高空作业车在静止状态和正常工作状态下的整车稳定性进行分析,并对转台的安装 位置,作业车支腿的横向跨距及作业臂的质量等3个参数对作业车整车稳定性的影响进行分析.分析结果表 明,该3个参数对作业车静态稳定性影响极大,且下作业臂的紧急制动对作业车动态稳定性危害最大. 关键词:折叠式高空作业车;静态稳定性;动态稳定性;倾翻 折叠式高空作业广泛用于园林,建筑,消防,造 船等行业.由于种种原因,如人为的操作失误或者 恶劣的自然条件等因素,高空作业车会出现不稳定 的现象,严重时甚至会发生倾翻事故,这不仅会损 坏作业车本身而且会危及操作者和周围行人的生 命安全.因此,在进行高空作业车整车设计时,对整 车稳定性进行分析是非常必要的.GB/T9465— 2008~1规定,作业车的整车稳定性用作业车静止和 正常作业时,在其不发生倾翻的情况下,作业平台 所能承载的最大载荷来描述.该最大载荷越大,则 作业车的稳定性越好.许多学者对重型作业臂式液 压机车的倾翻稳定性作过研究[2-5].AndreasRaucht6~ 对起重机的倾翻稳定性进行了分析,但是他只分析 了起重机静态整车稳定性,对起重机作业时吊臂的 各种动作没有分析.本文对某两节臂式折叠式高空 作业车进行整车稳定性分析. 如图1所示,两节臂式折叠式高空作业车由底 盘,转台,变幅液压缸,下作业臂,上作业臂及作业 平台等部分组成.作业车两侧各有两条支腿,可支 撑在坚固的水平面上以提高作业车的稳定性.转台 可以顺时针或逆时针旋转360..两个变幅液压缸用 于实现上下作业臂的升降操作.在不影响作业车稳 定性分析的前提下,为了方便计算,本文对作业车 系统作如下假定: 图1折叠式高空作业车 (1)下作业臂变幅液压缸和上作业臂变幅液压 缸的质量与作业臂相比质量很小,忽略不计. (2)作业车上,下作业臂,支腿,轮胎等都具有 足够的刚度,不考虑作业车的柔性. (3)作业车作业时,用4条支腿作支撑,而所有 轮胎都完全离开地面. (4)上,下作业臂为匀质杆状结构,其质心在各 臂的几何中心位置. (5)将工作平台及其载荷看作一个集中载荷固 结在上作业臂末端. 作者简介:王富亮(1985一),男,在读硕士,研究方向:折叠式高空作业车稳定性及残 留振动的研究. 一 23— 1折叠式高空作业车受力分析模型 折叠式作业车的受力分析简化模型如图2所 示,表1为进行本文分析时所采用的高空作业车模 型结构参数. 当作业车处于静止状态时,造成作业车发生倾 翻的外力主要来自于车体各组成结构部分的重力. 当作用于车体尾部两条支腿()上的反作用力消 失时,此时车体将沿前部两条支腿(D—D)向车头倾 车头 主视图 车尾 口 . b/:一 二,r一一,, 翻.本文称支腿连线D—D为前倾翻线,支腿连线— 为后倾翻线,支腿连线C—C和一日为左,右倾翻 线嘲,可能造成作业车倾翻的力称为倾翻力(作用点 位于4条倾翻线以外的力),而对作业车稳定有利 的力称为稳定力(作用点位于4条倾翻线以内的 力). 从图2可以看出,作业车底盘重力及转盘重力 在前面提到的4条倾翻线之内,有利于作业车的稳 定性,属于稳定力,而上,下作业臂及载荷(含作业 平台)重力会因其位置变化而变化,所以有可能是 '倾翻 mD r] Z 俯视图 图2折叠式高空作业车的受力分析简化模型 表1高空作业车的结构参数 后视图 参数数值说明 矾30kg底盘质量,质心位于n点 m20.5kg转台质量,质心位于C点 32.5kg下作业臂质量,质心位于下作业臂几何中心d点 /n42.7上作业臂质量,质心位于上作业臂几何中心g点 ,nn待求作业平台及载荷的总质量,质心位于P点 Z】lm前后支腿之间的纵向跨距 .点到b点的距离,b为4条支腿围成区域的几何 Z20.3m中心 O-35mC点在底盘的投影到b点的距离 0.55nl左右支腿之间的横向跨距 Z51.6m下作业臂的长度 如1.7m上作业臂的长度 日O-25m支腿的高度 O.05m转台旋转中心距车体的高度 一 24一 底盘和转台的质心位置是固定的,其重力 在底盘平面上的投影均在倾翻线之内,即 ?,,?,为正距离. 根据式(1)可以列出作业臂位于某一 位置时,作业车前,后,左,右的力矩平衡 方程并计算出%的值,取m.的最小值作 为作业臂位于某位置时所能承载的最大 载荷. 折叠式高空作业车在垂直面内的运 动范围:下作业臂相对于转台:=0.,60.; 上作业臂相对于下作业臂:2=0.,150.;转 台相对于底盘的旋转:/3=o.,+360.. 图3所示为作业臂处于3种不同位 置时,作业车最大载荷的极坐标曲线.极 角表示作业臂及转台的旋转角度卢,为 0.表示作业臂位于车头正前方;极径代表 作业车作业平台所能承载的最大载荷值. 由图3可以看出,当上下作业臂的角度处 于01=0.,02=150.时,作业车所能承载的最 大载荷值比另外两种常见作业臂的位置 状况小,此时作业臂处于极限伸展状态, 为作业车最危险工况,此种工况下高空作 业车的稳定性最差. 12 1O 套s 铺6 4 2 0 2 90旋转角度口,(.) 图3作业臂的不同位置对作业车最大载荷的影响 设作业车的最大允许载荷为l0kg,这里的最大 允许载荷是指作业车结构设计所允许的最大载荷. 图3中,在/3=0.,90.,180.,270.处出现了局部最小 值,说明当作业臂位于车体的前后及左右两侧时, 作业车的稳定性较差,特别是在车体的左右两侧, 出现了全局最小值,此时车体的稳定性最差,如01= 0.,02=150.时,作业车能承受的最大载荷全局最小 值只为最大允许载荷的5.4%. 2作业车结构参数对整车稳定性的影响 为保证分析结果与实际情况相同,使作业车模 型与实际作业车相似,所有结构参数均按实际车体 的比例缩放选取. 2.1转台位置对作业车静态稳定性的影响 转台的安装位置由,参量决定,z,越大,转台位 置离后支腿支撑点的距离越近.选取2两种不同值 计算作业车最大载荷,如图4所示. 从图4可以看出,转台旋转中心在车体前后方 向上位置的改变不影响作业车的侧向稳定性.当作 业臂处于车体前后的一定角度范围内时,其所能承 受的最大载荷值发生了明显的变化.z由0.50m减 小到0.35m,作业车正前方的最大载荷减少了 43%;后端的最大载荷增加了1%,即转台位置愈靠 近前支腿支撑点,作业车前端的稳定性愈差,并有 可能使作业车最大载荷出现全局最小值,但对车体 后端的稳定性有利. 90旋转角度JB,(.) 2700 1=0.;.2=150. 图4转台的位置对最大载荷的影响 车头 2.2支腿横向跨距对作业车静态稳定性的影响 从图3可以看出,作业车处于最危险工况时, 其最大载荷的全局最小值出现在/3=90.或270.处, 而支腿横向跨距(由图2中的f参量决定)直接影 响作业车各个力的侧向力臂,所以支腿横向跨距厶 对侧向稳定性有重要影响. 图5是两种不同尺寸的横向跨距所对应的作 业车最大载荷.支腿横向跨距f4由0.50m增大到 0.55m,增大了10%,其车体两侧的最大载荷增大了 59%.图5表明增大支腿横向跨距对作业车侧向稳 定性有极大的益处. 90 旋转角度卢,(.) Ol=O.;02=150. 图5支腿横向跨距对最大载荷的影响 车头 — 一 25— ?汹谚确蝴哦llll00潦旗?00嘲嘲姻疆 2.3作业臂质量对作业车静态稳定性的影响 作业臂的质量对整车稳定性的影响比较复杂, 作业臂处于不同的_T作位置,其重力对前,后,左, 右4条倾翻线的力矩或为稳定力矩(当重力为稳定 力时)或为倾翻力矩(当重力为倾翻力时). 仍对最危险T况=0.,02=150.进行分析,即分 别改变下作业臂质量m和上作业臂质量m的值, 计算其对应的最大载荷值,如图6和图7所示. 从图6和图7可以看出,上,下作业臂质量对 作业车的最大载荷均有较大的影响.图6中,下作 业臂质量m,由2.5kg减小到1.5kg,减小了40%, 作业车前,后两端的最大载荷没有明显的变化,而 对作业车两侧的影响较大,特别是作业臂处于= 90旋转角度/3/(.) 2700 1=0.;.2=150. 图6不同下作业臂质量对最大载荷的影响 90旋转角度卢/o) 27O0 1=0.;D2=150. 图7不同上作业臂质量对最大载荷的影响 , 26— 90.或270.位置时,其最大载荷增大了约40%. 在图7中,上作业臂质量m4由2.7kg减小到 1.7kg,也减小了40%,但是作业车四周的最大载荷 却均发生了明显的变化.其中变化最明显的位置发 生在作业臂处于/3=90.或270.位置时,最大载荷值 增大了136%,其次,在作业臂处于/3=o.位置时,最 大载荷值增大了58%.虽然作业臂处于/3=90.或 270.位置时最大载荷比/3=o.时增加的幅度大,但是 全局最大载荷的最小值仍发生在/3=90.或270.处. 这是因为只是上作业臂的质量发生了变化,其力臂 并没有发生变化,所以最大载荷的最小值仍发生在 力臂最小处即/3=90.或270.处. 3正常作业状态时的整车稳定性分析 国家标准GB/T9465--2008~lj规定作业车在坚 固的水平面上,支腿外伸,平台承载额定载荷,伸展 机构伸展到对整车稳定性最不利状态时紧急制动, 此时任一个支腿不应离地.根据达朗贝尔原理,作 业臂作业时紧急制动和随转台旋转时,作业臂及载 荷都会产生惯性力,相比较紧急制动时作业臂及载 荷的制动惯性力而言,旋转惯性力作用在水平面, 其对作业车的稳定性的影响可以忽略不计. 下作业臂及载荷的制动惯性力如图8所示'r】, r.为上作业臂质心和载荷质心的旋转半径;为下 作业臂急停加速度;图9为上作业臂紧急制动时的 受力分析简图,Od为上作业臂急停加速度. 图10和图11所示分别为作业车下作业臂和 上作业臂紧急制动时对最大载荷的影响.图l0中 设作业车下作业臂急停加速度最大值为0.5rad/s; 为便于比较,图11中的上作业臂急停加速度最大 值也同样设为0.5rad/s. 从图10可以看出,由于下作业臂急停惯性力, 导致作业车最大载荷在整车的全局最不稳定处(: 90.或270.)减小了57%,车体前端局部最小值(= 0.)减小了32%,/3=90.或270.仍是作业车全局最不 稳定的部分. 从图11可以看出,上作业臂紧急制动时对最 大载荷的影响没有下作业臂紧急制动时明显,其原 因是当只考虑上作业臂运动时,下作业臂和车体都 处于静止状态,不受惯性力的影响;而下作业臂运 动时,虽然上下作业臂之间没有相对运动,但是相 对车体,上下作业臂一起运动,所以下作业臂紧急 ?每卿?00每孽掷械l0_lllll—砌目嘲嚼i 一m 一 m皂lE ,,g 图8下作业臂紧急制动时受力分析示意图 车尾 卅1g 图9上作业臂紧急制动时受力分析示意图 90旋转角度』9/o) 27O01=0.;02=150. 车头 — 图10下作业臂紧急制动对最大载荷的影响 制动,上下作业臂都会产生惯性力.因此,考虑作业 臂的紧急制动对作业车稳定性的影响时,应该重点 考虑下作业臂紧急制动对作业车稳定性的影响. 枢 辅 斗< 蟥 车尾 90旋转角度口/o) 27OO t=O.;D2=150. 车头 — 图1l上作业臂紧急制动对最大载荷的影晌 4结论 本文对折叠式高空作业车在静止和正常工作 一 27— 状态下的整车稳定性进行了分析和仿真,特别分析 了作业车处于最不利工况时,转台的位置,支腿横 向跨距,作业臂的质量对作业车静态稳定性的影 响.结果表明:转台安装位置愈靠近车体前端,对作 业车前端的稳定性越不利,严重时会使得作业车前 端最大载荷出现全局最小值;支腿横向跨距对作业 车的全局稳定性有重大影响;作业臂的质量越大对 作业车的整车稳定性越不利;当作业车正常作业 时,应避免作业臂的紧急制动操作,特别是下作业 臂的紧急制动对作业车动态整车稳定性危害最大. 参考文献 【1]GB/T9465--2008高空作业车[S]. 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[6】AndreasRauch.StabilityAnalysisOfMobileBoomCranes 【DI.GeorgeW.WoodruffSchoolofMechanicalEngineer- ing,2008. 通信地址:成都市高新区(西区)西源大道2006号电子科 技大学(清水河校区)机械电子工程学院2008208010班 (611731)(收稿日期:2010—09—16) 专用反循环钻头孔底流场模拟试验器的研制 刘建林,殷琨 (1.煤炭科学研究总院西安研究院;2.吉林大学建设工程学院) 一'''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''', :摘要:大直径专用反循环钻头体积大,流体通道结构复杂,加工难度大,生产成本高, 其结构设计与: :改进需要有客观,可靠的试验作为依据,为此研究设计了专用反循环钻头孔 底流场模拟试验器.作为 基础试验平台,试验器流道结构与钻头实际工作时的情形基本相同;钻头模型分体 式结构设计增强了试验 操作的灵活性;通过测量体积流量和压力直观对比评价反循环形成效果.试验结果 表明试验器能够真实模: :拟反循环钻头孔底流体流动,对指导大直径反循环钻头研制具有重要意义.详细 介绍该试验器的设计思: :想,结构原理,测试功能及部分试验测试结果.: ^t''''tt''''IltI'''Ittlt'lt''I''''''Itt''I't'''''''It''I'ttI'I'III'''IIll''tt' 关键词:专用反循环钻头;子L底流场;试验器 专用反循环钻头是实施贯通式潜孑L锤全孑L反 循环钻进工艺的关键部件,它是基于多喷嘴引射器 原理设计而成的ll1,具有双重作用:1)它与常规空 气锤钻头一样,是直接破碎孔底岩石不断取得进尺 的碎岩工具;2)它还是控制流体介质进入钻具中 心通道形成稳定反循环的功能元件.经过深入的理 论研究和生产实践中不断改进完善,目前已研制成 功多种用于地质勘探,水文水井钻凿等领域的不同 类型专用反循环钻头.随着贯通式潜孔锤,配套机 具和全孔反循环钻进工艺的不断发展,完善,贯通 式潜孔锤全孔反循环钻进技术得到了越来越广泛 的应用】,取得了良好效果,其明显的技术优势使 得该技术的应用领域不断拓宽.常规空气锤钻井技 术的成功应用为气动潜孔凿岩工具的发展和使用 提供了广阔空间,贯通式潜孔锤作为一类具有特 殊结构形式的潜孔凿岩工具,在油气勘探开发气体 钻井领域具有广阔的应用前景.在此研发工作中非 常关键的一个环节,就是设计出适应该领域的,性 作者简介:刘建林(1981一)男,内蒙古赤峰人,博士,研究方向:钻探工艺技术. , 28—