GKC20型高空作业车作业臂有限元分析

摘要：为确保高空作业时高空作业车作业臂安全、可靠，本文使用三维软件对高空作业车作业臂进行分析，找到了最大应力工作状态，并对上臂进行有限元结构强度分析，得出了构件在无焊接缺陷和有焊接缺陷两种情况下的应力分布规律。

关键词：高空作业车 作业臂 三维设计 有限元

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引言

高空作业车是一种用来运送工作人员和工作器材到达指定高度进行作业的工程机械，被广泛用于高层建筑的装饰、清洁与维护、供电及城市交通设施的安装与检修、影视作品的拍摄与现场直播、高空险境的脱困救生等方面。为了确保高空作业人员的人身安全，高空作业车的作业臂应具有更高的安全性和可靠性。然而长期以来，高空作业车作业臂的设计都是采用传统的力学计算方法，计算复杂，设计周期长，计算精度低，采用有限元分析方法则可以有效地解决这些问题[1]。

本文以GKC20型高空作业车为研究对象，利用三维软件，建立作业臂三维模型，并分析其结构强度，得出构件应力分布情况，为设计和改造提供理论依据。

1.作业臂结构

GKC20型高空作业车采用折叠式工作臂结构，工作装置为液压驱动，360°全回转。其组成由高空作业臂和起重工作臂两部分，如图1所示。高空作业臂包括上臂2和下臂1，上臂头部有工作平台6。行驶状态时，2节工作臂折叠在一起；进行高空作业时，2节工作臂分别由上下臂油缸4举升伸展至一定角度。上臂和下臂间通过水平销轴铰接。起重工作臂由基本臂1和伸缩臂3组成。高空作业时下臂兼做起重基本臂。伸缩臂由伸缩臂油缸5控制，不工作时伸缩臂回缩至基本臂内部；起重作业时，伸缩臂根据需要的起重幅度和起升高度进行伸缩。伸缩臂根部通过销轴与伸缩臂油缸铰接，伸缩臂和基本臂间有滑块，以保证伸缩臂能平稳运动。伸缩臂与油缸、基本臂根部和回转平台也通过水平销轴铰接。

1.基本臂（下臂） 2.上臂 3.仲缩臂 4.上臂油缸 5.伸缩臂油缸 6.工作台

2.作业工况分析

高空作业车需根据不同作业高度和起重量调整作业状态，高空作业时有以下5种典型工况[2]：

工况1 高空作业最大作业幅度

工况2 基本臂水平最大吊重

工况3 基本臂倾斜75°最大吊重

工况4 全升臂水平最大吊重

工况5 全升臂倾斜75°最大吊重

实际作业中，由于上臂体体身端部与两侧的板材在部分处没有焊接或者加强筋板与围板没有施焊，极易引起上臂体体身端部板材断裂，从而导致事故发生。因此上臂的强度直接影响了工作臂的可靠性。

3.静力学分析

根据设计图纸提供的结构尺寸，建立三维实体模型并对工作臂的动作进行运动学模拟仿真，得出仿真曲线如图2所示。由该曲线可以得出上臂的最大应力出现在小臂完全展开，上臂刚要抬起时（图3）。

4.上臂有限元分析

分别在无焊接缺陷和存在焊接缺陷两种情况下使用相同的载荷条件对高空作业车上臂进行应力分析，分析结果如图4-7所示。

分析表明：无焊接缺陷时上臂端部板与轴套附近的连接处受到的应力最大（639MPa），超出材料HQ60的屈服强度（600MPa），当外载作用于此处时，此处易发生变形，影响整体强度；有焊接缺陷时上臂腹板与上臂箱体的连接处受到的应力最大（2482MPa），远远超出材料HQ60的屈服强度（600MPa），此时上臂强度下降，将会使围板从焊缝处瞬间撕裂下来，导致上臂与下臂脱落，造成事故的发生。

结论

本文分析了高空作业车的作业工况，利用三维软件对GKC20型高空作业车作业臂上臂在有焊接缺陷和无焊接缺陷两种情况下进行有限元强度校核，得出了上臂在两种状态下的应力分布情况，该分析结果为高空作业车作业臂的结构优化设计奠定了基础，在设计时应对分析中的高应力区加以特别关注。

参考文献

[1] 张华，肖小芬.高空作业车作业装置的优化设计[J].城建机械设备，1993（1）：18～22

[2] 王津. 自行式高空作业车作业臂有限元分析与优化设计[D].西安：长安大学硕士学位论文，2009.5

通讯作者：乔春蓉（1972-），女，汉族，副教授，主要从事机械制图、CAD与仿真方面的教学和研究。