王吉忠,孫亞楠,張西龍,塵 帥

(青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,山東 青島 266520)

0 引 言

高空作業(yè)車現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于建筑、園林、消防、造船、機(jī)場(chǎng)等相關(guān)高空操作領(lǐng)域[1]。高空作業(yè)車可以分為垂直升降式、折疊式、直臂式、混合式等4種主要類型[2]。其中,關(guān)于高空作業(yè)車輛最基本的安全性能指標(biāo),便是穩(wěn)定性[3]。在實(shí)際的工程中,高空作業(yè)車在作業(yè)過(guò)程中因失去穩(wěn)定性而發(fā)生事故的情況比比皆是,不僅對(duì)作業(yè)車本身造成損壞[4],也對(duì)工作人員的生命造成巨大威脅。因此,分析作業(yè)車的穩(wěn)定性很有必要。

很多學(xué)者對(duì)高空作業(yè)車的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,并取得了非常有價(jià)值的研究成果。例如,王君文[5]利用公式計(jì)算出了極限位置的路緣石動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)。夏林焱[6]通過(guò)仿真得到了臂架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性曲線,并且分析了臂架的穩(wěn)定性。宋興龍[7]利用ANSYS分析了GTB高空作業(yè)車典型工況下伸縮臂結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析、機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué),并對(duì)伸縮臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。王津[8]對(duì)一款25 m的高空作業(yè)車伸縮臂進(jìn)行了研究,分析了6種典型工況下臂架的應(yīng)力變形分布、危險(xiǎn)部位及穩(wěn)定性,并對(duì)作業(yè)臂進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化,使臂架質(zhì)量減輕了7.8%。

本研究來(lái)源于某公司開(kāi)發(fā)的一種直臂式高空作業(yè)車,首先通過(guò)仿真核驗(yàn)作業(yè)車的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)其不能夠達(dá)到預(yù)期效果,然后提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

筆者選用ADAMS和SolidWorks軟件,建立整車的動(dòng)力學(xué)模型[9-11],根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核,并提高其穩(wěn)定性;利用有限元分析方法[12]對(duì)伸縮臂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能,為之后對(duì)高空作業(yè)車穩(wěn)定性的研究提供參考。

1 高空作業(yè)車結(jié)構(gòu)以及仿真過(guò)程

1.1 作業(yè)車主要結(jié)構(gòu)

直臂式高空作業(yè)車主要由以下幾種部件組成:底盤(pán)、主臂變幅液壓缸、調(diào)平油缸、轉(zhuǎn)臺(tái)、主臂油缸、基本臂、二號(hào)臂、三號(hào)臂、折臂、工作平臺(tái)等。

直臂式高空作業(yè)車主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直臂式高空作業(yè)車主要結(jié)構(gòu)

1.2 仿真過(guò)程

根據(jù)該公司的設(shè)計(jì)圖,筆者在SolidWorks中建立三維模型,并對(duì)模型中的小零件進(jìn)行合并、刪除等操作,對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,可以減少計(jì)算量,但是在后續(xù)仿真過(guò)程中需要適當(dāng)增加質(zhì)量來(lái)保證仿真過(guò)程的準(zhǔn)確性;

筆者以parasolid格式生成xt文件格式,導(dǎo)入到ADAMS中去;然后在ADAMS中,對(duì)各個(gè)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接點(diǎn)設(shè)置運(yùn)動(dòng)副。其中,基本臂和二號(hào)臂、二號(hào)臂和三號(hào)臂之間是平移副,其他全部為轉(zhuǎn)動(dòng)副,它們能夠限制兩個(gè)構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng);之后用虛擬模型樣機(jī)檢驗(yàn)后,系統(tǒng)沒(méi)有多余的約束,就得到了調(diào)試好的模型[13]。

下面介紹直臂式高空作業(yè)車幾種典型的工作狀態(tài):

(1)最大高度作業(yè)工況。該工況下,伸縮臂全部伸展開(kāi),短臂與伸縮臂在一條直線上,且伸縮臂的仰角到達(dá)70°;

(2)最大水平延展作業(yè)工況。該工況下,伸縮臂全部伸展開(kāi),短臂與伸縮臂也在一條直線,且伸縮臂的仰角到達(dá)0°;

(3)最大地下延展高度作業(yè)工況。該工況下伸縮臂組全部伸展開(kāi),短臂與伸縮臂成45°,并且伸縮臂仰角為-10°。

3種工況下作業(yè)車的運(yùn)動(dòng)范圍如圖2所示。

圖2 作業(yè)車3種工況下的運(yùn)動(dòng)范圍

根據(jù)GB/T9465—2008規(guī)定[14],關(guān)于高空作業(yè)車的穩(wěn)定性試驗(yàn)分為以下3種:

(1)水平面上穩(wěn)定。作業(yè)車在水平地面上,平臺(tái)承載1.5倍額定載荷,伸縮機(jī)構(gòu)伸展到整車處于穩(wěn)定性最差的狀態(tài),作業(yè)車能夠保持穩(wěn)定;

(2)斜面上穩(wěn)定。作業(yè)車處于坡度為5°的斜面上,平臺(tái)承載1.25倍額定載荷,作業(yè)車能夠保持穩(wěn)定;

(3)作業(yè)穩(wěn)定性試驗(yàn)。平臺(tái)承載額定載荷,在360°范圍旋轉(zhuǎn),測(cè)量輪胎在受力最不利的情況下的支撐反力,要求任一個(gè)輪胎都不離地。

在穩(wěn)定性分析中,為了結(jié)果準(zhǔn)確,筆者在仿真過(guò)程中考慮了風(fēng)載荷、慣性載荷等,作業(yè)車額定載荷為227 kg。

2 水平面上穩(wěn)定性分析

當(dāng)直臂式高空作業(yè)車在水平面工作時(shí),工作平臺(tái)不斷到達(dá)指定的工作位置,這時(shí)整機(jī)的質(zhì)心位置不斷發(fā)生變化。當(dāng)質(zhì)心的位置落于水平面的投影在安全區(qū)之外時(shí),作業(yè)車就有發(fā)生傾覆的危險(xiǎn)。筆者選用重力法作為研究方法,即穩(wěn)定區(qū)域?yàn)閮奢S之間距離的80%,作業(yè)車在各工況下,整機(jī)質(zhì)心軌跡在水平面上的投影不超過(guò)這個(gè)區(qū)域,即為穩(wěn)定狀態(tài)。

該作業(yè)車經(jīng)過(guò)測(cè)量,前后軸中線之間距離為2 730 mm,兩前輪中軸線之間距離為2 557 mm。筆者選取4個(gè)輪胎圍成區(qū)域的中心點(diǎn)位置為坐標(biāo)原點(diǎn),建立坐標(biāo)系,沿著原點(diǎn)向伸縮臂伸長(zhǎng)方向設(shè)為x軸正方向,垂直x軸向里為y軸正方向,垂直作業(yè)車向上為z軸正方向。

四輪圍成區(qū)域的80%為穩(wěn)定區(qū)域,如圖3所示。

圖3 作業(yè)車的工作穩(wěn)定區(qū)域

為了保持穩(wěn)定性,整機(jī)質(zhì)心橫向偏距的最大值xmax與縱向偏距的最大值ymax必須小于穩(wěn)定區(qū)域的界限值,即:xmax≤1 092 mm,ymax≤1 022.8 mm。在ADAMS仿真成功后,可以直接得到各個(gè)零件的質(zhì)心坐標(biāo)。因?yàn)檎麢C(jī)的質(zhì)心坐標(biāo)無(wú)法直接從ADAMS中得到,所以這里要運(yùn)用系統(tǒng)質(zhì)心求解公式。

質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心C的坐標(biāo)可以表示為:

(1)

式中:M—整機(jī)總質(zhì)量;mi—單個(gè)零件的質(zhì)量;xi—每個(gè)零件在直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

已知質(zhì)心求解公式,筆者編寫(xiě)質(zhì)心求解程序,運(yùn)用該程序可以記錄直臂式高空作業(yè)車在伸縮過(guò)程中,整機(jī)質(zhì)心坐標(biāo)值的變化規(guī)律。具體的編程過(guò)程此處不再多加贅述。

2.1 二維空間下的極限工況分析

筆者設(shè)定作業(yè)車的伸縮臂只在xz平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),伸縮臂不發(fā)生旋轉(zhuǎn),將運(yùn)動(dòng)時(shí)間設(shè)為4個(gè)點(diǎn),其中,0表示最原始作業(yè)車未工作收縮狀態(tài),1表示伸縮臂伸長(zhǎng)到最長(zhǎng)狀態(tài),2表示到達(dá)最大高度工作狀況,3表示最大水平延展作業(yè)工況,4表示到達(dá)最大地下延展高度作業(yè)工況;將整車從作業(yè)平臺(tái)到底盤(pán)輪胎分為8個(gè)部件,首先得到8個(gè)部件的質(zhì)心坐標(biāo)x、y、z隨時(shí)間變化的曲線圖,可以得到結(jié)果為y不隨時(shí)間變化而變化,所以整機(jī)y坐標(biāo)也是常數(shù),即z軸坐標(biāo)向平面投影時(shí),只與x有關(guān),將坐標(biāo)向x軸投影即可;通過(guò)利用整機(jī)質(zhì)心求解程序,得到整機(jī)y坐標(biāo)恒為1.198 5 mm,小于整機(jī)質(zhì)心縱向偏距的最大值1 022.8 mm。

x與z的關(guān)系如圖4所示。

圖4 二維空間下的整機(jī)質(zhì)心變化曲線

經(jīng)過(guò)仿真得到最大的x值為1 023.57 mm,小于規(guī)定的整機(jī)質(zhì)心橫向偏距的最大值1 092 mm,所以可以得到結(jié)論,此種直臂式高空作業(yè)車在該作業(yè)順序下是穩(wěn)定的。

2.2 三維空間下的極限工況分析

設(shè)定作業(yè)車的伸縮臂在xyz三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng),伸縮臂向y軸正方向旋轉(zhuǎn)90°。同理,筆者將時(shí)間設(shè)為4個(gè)點(diǎn),其中,0表示初始位置作業(yè)車未工作自然收縮狀態(tài),1表示作業(yè)車伸縮臂邊伸長(zhǎng)至最長(zhǎng)狀態(tài)邊向y軸正方向旋轉(zhuǎn)90°,2表示伸縮臂以最長(zhǎng)伸長(zhǎng)量在yoz平面達(dá)到最大高度工作狀態(tài),3表示伸縮臂以最長(zhǎng)伸長(zhǎng)量在yoz平面到達(dá)最大水平延展作業(yè)工況,4表示伸縮臂以最長(zhǎng)伸長(zhǎng)量在yoz平面到達(dá)最大地下延展工作狀況;運(yùn)用ADAMS軟件,同樣得到8個(gè)部件的質(zhì)心坐標(biāo)x、y、z隨時(shí)間變化的曲線圖,可以得到結(jié)果,即在時(shí)間1之后,各個(gè)部件的質(zhì)心坐標(biāo)在x軸分量為常量,而整機(jī)質(zhì)心軌跡在水平面上的投影與z軸無(wú)關(guān),只考慮x、y兩個(gè)方向的坐標(biāo)即可。

通過(guò)利用整機(jī)質(zhì)心求解程序,得到了x、y、z的關(guān)系如圖5所示。

圖5 三維空間下的整機(jī)質(zhì)心變化曲線

通過(guò)仿真得出數(shù)據(jù),x方向最大的坐標(biāo)為441.836 mm,小于規(guī)定的整機(jī)質(zhì)心橫向偏距的最大值1 092 mm,y方向最大的坐標(biāo)為1 002.91 mm,小于規(guī)定的整機(jī)縱向偏距的最大值1 022.8 mm,所以可以得出結(jié)論,此種直臂式高空作業(yè)車在此作業(yè)順序下為穩(wěn)定的。

同理可得,當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為180°、270°和360°時(shí),與上述兩種情況相同,文中不再贅述。

3 斜面上穩(wěn)定性分析

高空作業(yè)車處于坡度為5°的斜面上,平臺(tái)承載1.25倍額定載荷,這時(shí)需要考慮伸縮臂工作時(shí)產(chǎn)生的慣性力,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,筆者附加伸縮臂水平慣性力的效果[15，16]。

水平慣性力PH按照工作平臺(tái)與鉛垂線夾角α所引起的水平方向分力計(jì)算,α取最大值,用PQ來(lái)表示工作載荷,慣性力PH=PQtanα;

將4個(gè)輪胎處理成均與地面接觸,作業(yè)車做俯仰動(dòng)作,伸縮臂從最大地下延展工況到最大高度作業(yè)工況的全過(guò)程,分別測(cè)量地面對(duì)輪胎的支撐反力,如圖6所示。

從圖6中可以看到,支撐反力大部分時(shí)間為0,此時(shí)高空作業(yè)車輪胎與地面接觸力為0,發(fā)生傾覆的可能性較大[17],作業(yè)車非常不穩(wěn)定。

圖6 斜面上4個(gè)輪胎的支撐反力

4 作業(yè)穩(wěn)定性試驗(yàn)

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定,平臺(tái)承載額定載荷,在360°范圍旋轉(zhuǎn),測(cè)量輪胎在受力最不利的情況下的支撐反力,要求任一個(gè)輪胎都不離地。

仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 作業(yè)穩(wěn)定性試驗(yàn)4個(gè)輪胎的支撐反力

該結(jié)果與斜面上所得結(jié)果相似,支撐反力大部分時(shí)間為0,由此可以得出結(jié)論,該作業(yè)車穩(wěn)定性存在較大問(wèn)題,需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)以提高其穩(wěn)定性。

5 優(yōu)化及結(jié)果分析

5.1 增加配重

為了改善作業(yè)車的穩(wěn)定性,筆者決定適當(dāng)增加作業(yè)車的配重。參考其它同類型的高空作業(yè)車、整車總質(zhì)量,以及考慮到輪胎的承重能力,筆者將配重質(zhì)量定為8 200 kg。

優(yōu)化后的模型如圖8所示。

圖8 帶有配重的作業(yè)車模型

筆者對(duì)優(yōu)化后的模型重新進(jìn)行仿真,發(fā)現(xiàn)斜面上4個(gè)輪胎的支反力仍有少數(shù)為0的情況,考慮到實(shí)際情況,將配重質(zhì)量增加1 000 kg,得到前后對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

圖9 增加配重質(zhì)量前后對(duì)比圖

圖9結(jié)果證明,適當(dāng)增加配重質(zhì)量對(duì)改善作業(yè)車穩(wěn)定性有一定的作用,但仍存在局部為0的點(diǎn),需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

5.2 伸縮臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

考慮到伸縮臂結(jié)構(gòu)對(duì)高空作業(yè)車穩(wěn)定性影響較大,筆者對(duì)伸縮臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,應(yīng)用Abaqus軟件,基于變密度法對(duì)其臂架結(jié)構(gòu)的材料分布進(jìn)行優(yōu)化[18]。

筆者首先對(duì)模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化,去掉一些孔、圓角等對(duì)整體優(yōu)化影響不大的小特征,對(duì)三節(jié)臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并創(chuàng)建拓?fù)鋬?yōu)化模型,以應(yīng)變能和體積作為設(shè)計(jì)響應(yīng),最小應(yīng)變能作為目標(biāo)函數(shù),不大于70%體積作為約束條件,計(jì)算模型經(jīng)過(guò)49次迭代,體積約束逐漸逼近初始體積的70%之下,并達(dá)到了收斂,證明優(yōu)化切實(shí)有效。

最終優(yōu)化結(jié)果如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后三節(jié)伸縮臂應(yīng)力和變形情況

圖10中,優(yōu)化后基本臂最大應(yīng)力約為65 MPa,變形約為11 mm;二號(hào)臂應(yīng)力為約72 MPa,變形量為14 mm;三號(hào)臂應(yīng)力約為66 MPa,應(yīng)變約為12 mm。由此可見(jiàn),以上結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求[19],且降低了約30%的自重。

筆者將優(yōu)化后的模型重新導(dǎo)入ADAMS中,得到4個(gè)輪胎的支撐反力對(duì)比圖,如圖11所示。

圖11 拓?fù)鋬?yōu)化前后對(duì)比圖

根據(jù)仿真結(jié)果,4個(gè)輪胎中最小的支撐反力是1 300 N,由于圖中比例尺的選取較大,因此1 300 N的力看起來(lái)數(shù)值為0,但實(shí)際上在極限工況下,仍然有較大的安全容量。

伸縮臂輕量化使整車質(zhì)量進(jìn)一步減少,輪胎與地面接觸有所改善,極大地增加了作業(yè)車的穩(wěn)定性,在實(shí)際生產(chǎn)中是一種可行的方法[20]。

6 結(jié)束語(yǔ)

某公司開(kāi)發(fā)的一種新型直臂式高空作業(yè)車存在穩(wěn)定性問(wèn)題,本研究運(yùn)用SolidWorks、ADAMS軟件對(duì)高空作業(yè)車進(jìn)行了建模和仿真分析,利用有限元分析方法對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化,提高了高空作業(yè)車的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明:

(1)增加9 200 kg配重后,作業(yè)車穩(wěn)定性有了極大的提高,但局部仍存在失穩(wěn);

(2)對(duì)伸縮臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化后,體積減少到原來(lái)的70%,穩(wěn)定性也大幅提高。

該方法被證明是切實(shí)有效的。在后續(xù)研究中,筆者將致力于把作業(yè)車的形狀和質(zhì)量變得更小，同時(shí)讓作業(yè)車的承載能力更強(qiáng)、作業(yè)幅度更大、智能化升級(jí)。