本文是一篇機械論文研究，本文以徐州海倫哲公司的 9m 高空作業車的混合臂架為研究對象，以該產品的混合臂設計研究為目的，通過理論計算與有限元分析結合的方法設計出符合小高度的高空作業車技術參數要求的混合臂架，並對該混合臂架進行了優化設計，得到了一個較好的設計結果。最後根據設計出的混合臂架來完成整車設計，整車經過實車狀態參數、作業參數以及穩定性試驗。試驗結果表明，該 9m 級混合臂架的小型高空作業車符合設計要求。
1 緒論
1.1 研究背景及意義
1.1.1 課題背景
隨著世界經濟的迅速發展，城市建設、公路建設及道路運輸業的快速發展，人們對汽車專業化、多功能化的要求越來越高，專用汽車的需求量逐年遞增，導致專用汽車的發展日新月異，並出現了專業化、輕量化、小型化、智能化、綠色節能等發展趨勢[1,2]。其中，高空作業車是一種將人和作業工具送到高空進行作業的專用設備，能夠大大提高空中施工人員的工作效率、安全性和舒適性，並降低勞動強度。
作為一種特殊工程車輛，高空作業車的特殊性在：“高安全性”，載人高空作業，需要安全性要求高於其他種類的起重舉升車輛；“高適應性”，由於施工環境的不可預知性且複雜多變，因此需要對環境有較高的適應能力；“高效率”，在我國，高空車一般用於搶修作業，並且多為室外或者野外作業，作業環境差，所以要求其具有較高的作業效率[3-5]。隨著我國經濟的高速發展，高空作業車在我國的使用也越來越廣泛[6,7]。表 1-1 為我國高空作業車上牌數據統計表：
........................
1.2 國內外研究現狀
目前小型高空作業車，尤其是國際流行的混合臂架式結構技術歐美國家處於國際領先地位，他們的技術狀態已較成熟，產品系列化程度較高。國際上的先進的高空作業車的臂架結構形式均為混合臂結構型式。德國 RUTHMANN 公司 STEIGERK110，一台微卡底盤的小型高空作業車，其結構採用混合臂結構型式，最大作業高度 11m，最大作業半徑 6m，平台載荷 200kg，臂架結構為“兩節伸縮臂+曲臂”的混合臂架結構[24-26]。
國內小型混合臂高空作業車起步較晚，產品主要還是依賴進口，但進口產品存在周期長、成本高、服務網絡不全的缺點。我國僅有少量幾個單位能實現了自主研發設計及製造，但是在混合臂架的研究設計方便的技術積累還很薄弱，目前國內擁有完全自主知識的混合臂結構形式高空作業車較少，特別是結構緊湊的小型高空作業車方面更是空白。主要原因：小型混合臂高空作業車使用的多級伸縮混合臂技術仍不成熟，
其應用領域涉及機構和結構的運動學、動力學分析、優化，混合臂採用高強板材料其結構的強度、剛度、局部穩定性優化設計較為複雜，國內加工製造技術相對落後，製造精度不能滿足設計要求。
國內小型混合臂高空作業車混合臂架在研究設計過程中還存在如下問題：
(1) 臂架截面簡單，板材厚，結構笨重，在一定程度上犧牲了作業性能；
(2) 混合臂過度處的機構複雜，重量大，理論計算存在盲區；
(3) 計算保守，計算方法落後，臂架結構可能不是最好的設計方案；
.........................
2 混合臂架的建模和計算
2.1 高空作業車臂架的截面形式
臂架系統是高空作業車的最主要的承載構件，其機械性能的優劣性不僅僅決定了高空車在高空作業時的穩定性與安全性，而且是影響整車質量以及經濟型的一個重要因素，所以對高空作業車臂架系統的研究是是十分有必要的。小型高空車臂架系統主要以混合臂架為主，混合臂架有舉升高度高、工作範圍大，效率高，結構緊湊等優點，作為高空作業車最主要的工作裝置之一，其設計的合理性對高空作業車的性能有著極其重要的影響。
在高空作業車的技術發展主要也是臂架的技術發展，除了按臂架的形式可以分為伸縮臂、摺疊臂以及混合臂之外，臂架也就可以按照截面形狀分為：四邊形、六邊形、八邊形、鏤空、薄壁異形等，現有的起重機臂架的先進技術也逐步被高空作業車技術領域研究使用，如 U 型臂技術[35.36]。同時在高空作業車的臂架材料和加工工藝方面也在不斷的進步和創新：如鋁合金臂架、單焊縫臂架、型材臂架。臂架技術的進步最終體現在高空作業車技術參數和作業能力的進步上，如作業高度、幅度、載荷不斷的增加，穩定性、可靠性不斷的提高等。而且，在不斷的生產和實踐中，人們發現臂架系統的質量對整車的質量有很大的影響，所以在保證臂架強度的同時，輕量化也是臂架系統發展的趨勢。降低臂架的質量除了使用新型材料之外，截面優化也可以降低臂架的質量，改善力學性能。臂架的截面形式常見的主要有以下四種，如圖 2-1 所示：
...........................
2.2 混合臂架的工作原理
混合臂架一般由一級摺疊臂、二級伸縮臂兩部分組成。其中，一級摺疊臂的變幅主要通過一級變幅油缸來實現變幅，二級伸縮臂通過二級變幅油缸來實現變幅，通過伸縮臂內的伸縮油缸來實現伸縮功能，而轉台迴轉可以實現上車的迴轉運動，如圖2-2 所示。
考慮到微卡底盤的小型化與輕量化，混合臂架結構的布置如下：
一級摺疊臂與轉台鉸接並與變幅油缸連接，二級伸縮臂布置在一級摺疊臂的左側，與托架連接。這種將一級摺疊臂、二級伸縮臂並排布置的方法可以充分的利用車輛寬度方向的空間，從而可以降低整車高度。
其中，一級摺疊臂包括一級摺疊臂架、一級摺疊臂連杆兩部分。一級摺疊臂架與一級摺疊臂連杆長度相同、且平行設置於一級摺疊臂連杆的上方，一級摺疊臂架和一級摺疊臂連杆的一端分別鉸接連接於轉台、另一端鉸接連接於所述的臂架連接件。因此，一級摺疊臂架、一級摺疊臂連杆、臂架和連杆在轉台上的鉸接點之間的虛擬連杆、以及臂架和連杆在臂架連接件上的鉸接點之間的虛擬連杆共同組成四連杆機構，四連杆機構的作用是使臂架連接件與轉台上兩個鉸點連成的直線一直保持水平；一級摺疊臂變幅油缸一端鉸接連接於轉台、另一端鉸接連接於一級摺疊臂架；
........................
3 高空作業車混合臂架的有限元分析.................................19
3.1 有限元法概述............................................19
3.2 混合臂架的有限元分析.................................19
4 小高度高空作業車混合臂架的優化設計...................................27
4.1 優化設計概述...............................27
4.2 高空作業車臂架優化設計...........................28
5 小型高空作業車工程應用設計......................................36
5.1 整車設計.....................................36
5.2 穩定性計算...............................45
5 小型高空作業車工程應用設計
5.1 整車設計
5.1.1 總體結構及布置
整車外形及總體布置見圖 5-1
GKH9 選用慶鈴 QL1030UGDRB 的底盤。該車型採用混合臂結構，鋁合金工作平台，轉台可 360°連續迴轉，無支腿。同時臂架、轉台、副車架等主要結構件根據承載情況進一步優化，減輕質量，保證安全性。在支腿、走台骨架和走台底板充分利用底盤原件，簡化結構，減輕重量。由於整車行駛時，載質量大部分分布在後橋，為了提高行駛時的安全可靠性，後橋採用了底盤廠提供的加厚板簧。
..........................
6 結論與展望
6.1 結論
小高度輕量化的高空作業車是隨著市場輕量化與多樣化趨勢而需求的產品。本文以徐州海倫哲公司的 9m 高空作業車的混合臂架為研究對象，以該產品的混合臂設計研究為目的，通過理論計算與有限元分析結合的方法設計出符合小高度的高空作業車技術參數要求的混合臂架，並對該混合臂架進行了優化設計，得到了一個較好的設計結果。最後根據設計出的混合臂架來完成整車設計，整車經過實車狀態參數、作業參數以及穩定性試驗。試驗結果表明，該 9m 級混合臂架的小型高空作業車符合設計要求。具體結論如下：
(1) 簡要的介紹了臂架的種類形式並比較了不同截面形式的優劣性。對本文選取的混合臂架系統的組成部分和工作原理進行了詳細的闡述。基於傳統的理論力學和材料力學對混合臂架進行了總體方案設計，並基於靜力學對混合臂架的強度進行了計算，計算結果滿足強度要求。最後利用三維軟體建立了混合臂架的數值模型。
(2) 利用ANSYS Workbench 對混合臂架的整體進行了有限元求解計算，對混合臂架在最惡劣工況下的強度、剛度進行了詳細分析，分析結果與理論計算結果吻合較好，且結果表明，初步設計的混合臂架的強度與剛度均滿足設計要求。
(3) 通過控制參數變量截面寬度、截面高度，折彎半徑以及板厚大小進行多目標優化分析，保證臂架長度保持不變，經過有限元大量的疊代計算，最後得到三組較優解的參數，應力、應變以及質量結果均得到了優化，尤其是降重方面，最大降重 26.3kg。通過該優化設計方法，不僅能確定各輸入參數對輸出參數的影響趨勢和程度，也能根據設置的目標限定給出最符合要求的最優解，減少了產品設計周期，提高了產品可靠性。
(4) 對整車的其他結構進行了配套設計，設計出的整車進行了實車狀態試驗、作業參數試驗以及穩定性試驗。試驗結果表明，該 9m 級混合臂架的小型高空作業車符合設計要求。
參考文獻（略）
1 緒論
1.1 研究背景及意義
1.1.1 課題背景
隨著世界經濟的迅速發展，城市建設、公路建設及道路運輸業的快速發展，人們對汽車專業化、多功能化的要求越來越高，專用汽車的需求量逐年遞增，導致專用汽車的發展日新月異，並出現了專業化、輕量化、小型化、智能化、綠色節能等發展趨勢[1,2]。其中，高空作業車是一種將人和作業工具送到高空進行作業的專用設備，能夠大大提高空中施工人員的工作效率、安全性和舒適性，並降低勞動強度。
作為一種特殊工程車輛，高空作業車的特殊性在：“高安全性”，載人高空作業，需要安全性要求高於其他種類的起重舉升車輛；“高適應性”，由於施工環境的不可預知性且複雜多變，因此需要對環境有較高的適應能力；“高效率”，在我國，高空車一般用於搶修作業，並且多為室外或者野外作業，作業環境差，所以要求其具有較高的作業效率[3-5]。隨著我國經濟的高速發展，高空作業車在我國的使用也越來越廣泛[6,7]。表 1-1 為我國高空作業車上牌數據統計表：
........................
1.2 國內外研究現狀
目前小型高空作業車，尤其是國際流行的混合臂架式結構技術歐美國家處於國際領先地位，他們的技術狀態已較成熟，產品系列化程度較高。國際上的先進的高空作業車的臂架結構形式均為混合臂結構型式。德國 RUTHMANN 公司 STEIGERK110，一台微卡底盤的小型高空作業車，其結構採用混合臂結構型式，最大作業高度 11m，最大作業半徑 6m，平台載荷 200kg，臂架結構為“兩節伸縮臂+曲臂”的混合臂架結構[24-26]。
國內小型混合臂高空作業車起步較晚，產品主要還是依賴進口，但進口產品存在周期長、成本高、服務網絡不全的缺點。我國僅有少量幾個單位能實現了自主研發設計及製造，但是在混合臂架的研究設計方便的技術積累還很薄弱，目前國內擁有完全自主知識的混合臂結構形式高空作業車較少，特別是結構緊湊的小型高空作業車方面更是空白。主要原因：小型混合臂高空作業車使用的多級伸縮混合臂技術仍不成熟，
其應用領域涉及機構和結構的運動學、動力學分析、優化，混合臂採用高強板材料其結構的強度、剛度、局部穩定性優化設計較為複雜，國內加工製造技術相對落後，製造精度不能滿足設計要求。
國內小型混合臂高空作業車混合臂架在研究設計過程中還存在如下問題：
(1) 臂架截面簡單，板材厚，結構笨重，在一定程度上犧牲了作業性能；
(2) 混合臂過度處的機構複雜，重量大，理論計算存在盲區；
(3) 計算保守，計算方法落後，臂架結構可能不是最好的設計方案；
.........................
2 混合臂架的建模和計算
2.1 高空作業車臂架的截面形式
臂架系統是高空作業車的最主要的承載構件，其機械性能的優劣性不僅僅決定了高空車在高空作業時的穩定性與安全性，而且是影響整車質量以及經濟型的一個重要因素，所以對高空作業車臂架系統的研究是是十分有必要的。小型高空車臂架系統主要以混合臂架為主，混合臂架有舉升高度高、工作範圍大，效率高，結構緊湊等優點，作為高空作業車最主要的工作裝置之一，其設計的合理性對高空作業車的性能有著極其重要的影響。
在高空作業車的技術發展主要也是臂架的技術發展，除了按臂架的形式可以分為伸縮臂、摺疊臂以及混合臂之外，臂架也就可以按照截面形狀分為：四邊形、六邊形、八邊形、鏤空、薄壁異形等，現有的起重機臂架的先進技術也逐步被高空作業車技術領域研究使用，如 U 型臂技術[35.36]。同時在高空作業車的臂架材料和加工工藝方面也在不斷的進步和創新：如鋁合金臂架、單焊縫臂架、型材臂架。臂架技術的進步最終體現在高空作業車技術參數和作業能力的進步上，如作業高度、幅度、載荷不斷的增加，穩定性、可靠性不斷的提高等。而且，在不斷的生產和實踐中，人們發現臂架系統的質量對整車的質量有很大的影響，所以在保證臂架強度的同時，輕量化也是臂架系統發展的趨勢。降低臂架的質量除了使用新型材料之外，截面優化也可以降低臂架的質量，改善力學性能。臂架的截面形式常見的主要有以下四種，如圖 2-1 所示：
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2.2 混合臂架的工作原理
混合臂架一般由一級摺疊臂、二級伸縮臂兩部分組成。其中，一級摺疊臂的變幅主要通過一級變幅油缸來實現變幅，二級伸縮臂通過二級變幅油缸來實現變幅，通過伸縮臂內的伸縮油缸來實現伸縮功能，而轉台迴轉可以實現上車的迴轉運動，如圖2-2 所示。
考慮到微卡底盤的小型化與輕量化，混合臂架結構的布置如下：
一級摺疊臂與轉台鉸接並與變幅油缸連接，二級伸縮臂布置在一級摺疊臂的左側，與托架連接。這種將一級摺疊臂、二級伸縮臂並排布置的方法可以充分的利用車輛寬度方向的空間，從而可以降低整車高度。
其中，一級摺疊臂包括一級摺疊臂架、一級摺疊臂連杆兩部分。一級摺疊臂架與一級摺疊臂連杆長度相同、且平行設置於一級摺疊臂連杆的上方，一級摺疊臂架和一級摺疊臂連杆的一端分別鉸接連接於轉台、另一端鉸接連接於所述的臂架連接件。因此，一級摺疊臂架、一級摺疊臂連杆、臂架和連杆在轉台上的鉸接點之間的虛擬連杆、以及臂架和連杆在臂架連接件上的鉸接點之間的虛擬連杆共同組成四連杆機構，四連杆機構的作用是使臂架連接件與轉台上兩個鉸點連成的直線一直保持水平；一級摺疊臂變幅油缸一端鉸接連接於轉台、另一端鉸接連接於一級摺疊臂架；
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3 高空作業車混合臂架的有限元分析.................................19
3.1 有限元法概述............................................19
3.2 混合臂架的有限元分析.................................19
4 小高度高空作業車混合臂架的優化設計...................................27
4.1 優化設計概述...............................27
4.2 高空作業車臂架優化設計...........................28
5 小型高空作業車工程應用設計......................................36
5.1 整車設計.....................................36
5.2 穩定性計算...............................45
5 小型高空作業車工程應用設計
5.1 整車設計
5.1.1 總體結構及布置
整車外形及總體布置見圖 5-1
GKH9 選用慶鈴 QL1030UGDRB 的底盤。該車型採用混合臂結構，鋁合金工作平台，轉台可 360°連續迴轉，無支腿。同時臂架、轉台、副車架等主要結構件根據承載情況進一步優化，減輕質量，保證安全性。在支腿、走台骨架和走台底板充分利用底盤原件，簡化結構，減輕重量。由於整車行駛時，載質量大部分分布在後橋，為了提高行駛時的安全可靠性，後橋採用了底盤廠提供的加厚板簧。
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6 結論與展望
6.1 結論
小高度輕量化的高空作業車是隨著市場輕量化與多樣化趨勢而需求的產品。本文以徐州海倫哲公司的 9m 高空作業車的混合臂架為研究對象，以該產品的混合臂設計研究為目的，通過理論計算與有限元分析結合的方法設計出符合小高度的高空作業車技術參數要求的混合臂架，並對該混合臂架進行了優化設計，得到了一個較好的設計結果。最後根據設計出的混合臂架來完成整車設計，整車經過實車狀態參數、作業參數以及穩定性試驗。試驗結果表明，該 9m 級混合臂架的小型高空作業車符合設計要求。具體結論如下：
(1) 簡要的介紹了臂架的種類形式並比較了不同截面形式的優劣性。對本文選取的混合臂架系統的組成部分和工作原理進行了詳細的闡述。基於傳統的理論力學和材料力學對混合臂架進行了總體方案設計，並基於靜力學對混合臂架的強度進行了計算，計算結果滿足強度要求。最後利用三維軟體建立了混合臂架的數值模型。
(2) 利用ANSYS Workbench 對混合臂架的整體進行了有限元求解計算，對混合臂架在最惡劣工況下的強度、剛度進行了詳細分析，分析結果與理論計算結果吻合較好，且結果表明，初步設計的混合臂架的強度與剛度均滿足設計要求。
(3) 通過控制參數變量截面寬度、截面高度，折彎半徑以及板厚大小進行多目標優化分析，保證臂架長度保持不變，經過有限元大量的疊代計算，最後得到三組較優解的參數，應力、應變以及質量結果均得到了優化，尤其是降重方面，最大降重 26.3kg。通過該優化設計方法，不僅能確定各輸入參數對輸出參數的影響趨勢和程度，也能根據設置的目標限定給出最符合要求的最優解，減少了產品設計周期，提高了產品可靠性。
(4) 對整車的其他結構進行了配套設計，設計出的整車進行了實車狀態試驗、作業參數試驗以及穩定性試驗。試驗結果表明，該 9m 級混合臂架的小型高空作業車符合設計要求。
參考文獻（略）
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