高空作业平台

高空作业车

0、高空作业车发展概述

高空作业车（Aerial work platform）是运送工作人员和使用器材到达指定的作业高度，进行特种作业的专用车辆。它广泛应用于市政建设、邮电通讯、消防救护、建筑装饰及造船、电力、电信、化工、航空等工业部门。它具有机动灵活，转移迅速，覆盖面广、工作效率高等特点，适用于工作场合不固定的多点面作业，已经成为了独立的专用车辆行业，有着广阔的发展前景。

高空作业车产品的品种和规格繁多，固际知名厂家都有自己的系列产品。目前的设计趋势是扩大作业范围，以满足不同的作业需要，提高操纵性和平稳性，以方便操作和确保使用人员的人身安全。国外高空作业车具有如下特点：1) 控制系统智能化；2) 采用高强度材料和轻质材料，基本以伸缩臂架、折叠加伸缩臂架等结构为主，实现轻量化和小型化；3) 安全装置齐全；4) 做工精良，早期故障率低；5) 应用普遍且成熟，技术标准完善[1]。

目前国际上高空作业车的主要生产厂家有：美国的吉尼公司，JLG公司，法国的HauIotte公司，同本的爱知公司，韩国的水山公司等。目前世界上最高的高空作业车是勃朗涛公刊所研制的HLA1 01，最大作业高度为101m,最大作业幅度为33m。

国内的高空作业行业起步较晚．但发展很快，社会对高空作业车的需求在世不断增多，有专家预测，我国高空作业车将会在未来几年内保持较高的产销增长率．特别是大中城市基础设施建设和维护等方面的需求增长更快。但国内的产品的技术水平相比国外的知名厂家还是有一定的差距，这就需要相关行业人员能够虚心学习，大胆创新，迎头赶上国外先进水平。国内最初的产品受国外引进的影响都是折叠臂式的，主要以中小高度为主。近年来出现了一些直臂式的产品，并在大作业高度上有了一定的突破。比如北京京城重工机械有限责任公司和大连理工大学联合开发的GTBZ系列直臂自行式高空作业车，目前已经进入多个型号的生产阶段。

虽然，我国高空作业平台有了较快的发展，但是目前国内的高空作业平台产品主要集中在车载式、剪叉式、牵引式。自行履带式高空作业平台目前在国内还是空白。自行轮载式平台也只有少数厂家在生产，并且存在产品种类少、臂型结构单一、起升高度低、适应场地能力差等不足之处，因此在功能上与国外先进产品相比还有较大的差距，其主要表现为：(1) 作业高度小、结构庞大；(2) 自动化技术和电子控制技术滞后；(3) 安全性差距大；(4) 应用不广泛如今高空作业平台发展的共同趋势是，在增加作业高度、优化底盘结构、采用先进行走方式、应用现代控制技术等方面下功夫，提升产品档次。涉及到的新技术主要有：高强度材料应用及其加工技术；恶劣环境下使用的可靠性技术；绿色、低碳等环保技术；基于信息化、智能化安全监控的电子控制技术。[2]

1、高空作业平台臂架形式

自行式高空作业车按照结构形式分类，其主要可分为剪式、直臂式、折叠臂式、混合式等。其中混台式是在折叠臂的基础上再加上若干节伸缩臂。。折叠臂式高空作业车采用铰接的方式连接工作臂，作业高度较低，增加臂的数量或长度是加大其作业高度的有效途径，但灵活性和安全性较低。国内高空作业车以折叠

式为主。伸缩臂式高空作业车的工作臂可自由伸缩，工作时伸出加大作业高度，非工作时缩入，灵活性高。混合臂式高空作业车结合折叠臂式高空作业车和伸缩臂式高空作业车的优点，既可铰接，也可伸缩，灵活自如，安全性能也较高，但结构复杂。伸缩臂式和混合臂式在国外高空作业车中得到广泛应用[1]。

曲臂式

直臂式

车载式剪叉式

混合式

2、作业平台调平机构[3]

随着中国的国民经济的旅勃发展，高空作业车的需求量迅速上升高空作业车的升降方式有折亚式、伸编式和混合式等多种形式，作业高度从十几米到几十米不等，高空作业车是一种集电力、通讯、交通、市政、俏防、救援、建筑等各行业进行施工、维护修理等作业的理想设备，其工作平台的调平方式经历了从自重调平到电液调平的发展过程。

2.1、利用平台自重的调平机构

利用平台自重调平是出现最早、结构最简单的一种工作平台调平方式，其原理见图1，平台的重心在作业平台1与臂杆3连接的转动铰点2的正下方，且靠近底部，利用工作平台和载荷的重力作用使平台无论如何升降都能自动保持水平状态。该方法结构简单、重量轻、调整维修方便、成本低，但易晃动，特别是当操作人员在平台中的位置变动时，平台产生摇动，操作人员有不安全的感觉，因此在平台达到作业位置后要使用锁紧机构防止摇动，操作起来比较麻烦，只在工作高度较低、技术性能低的作业车上使用，现在已较少采用。

2.2、行四连杆调平机构

平行四连杆调平机构由一组或多组平行四边形连杆机构组成，原理见图2，调平机构一端与工作平台4相连，另一端与回转台1连接，上平行四边形3和下平行四边形2相连处的短边固联在一起，利用平行四边形在变形过程中两组对边始终分别保持平行的原理，无论折叠臂如何升降，工作平台始终保持水平状态。其调平过程是连续的，具有调平可靠、同步眭好的特点。且在实际应用中折叠臂本身可以作为平行四边形的一个边，因此结构比较简单，主要用在折叠臂式高空作业车上。缺点是平行四连杆机构只能在臂杆外侧布置，结构不紧凑，由于平行四连杆的限制，臂杆之间的工作角度范围小于180。

2.3、链条链轮式调平机构

链条链轮式调平机构是由平行四连杆调平机构演变而来的，原理见图3，链轮3固定在工作平台2上，链轮6固定在回转台1上，4和5都是双联链．轮，所有链轮齿数和齿形参数均相同，链轮之间绕有链条。由于链轮3和6分别固定在工作平台和回转台上，当臂杆变幅时，链条强制带动工作平台作相应的反方向角度变化，无论臂杆如何升降都能保证平台处于水平状态。

链条链轮式调平机构比平行四连杆调平机构的工作角度更大，臂杆之间的工作角度范围大于180。，且链条、链轮可以安装在臂杆内部，结构紧凑，易于安装、调整和维护。

根据实际需要，可以用平行四连杆和链条链轮组成混合式调平机构，布置更加灵活，如图4所示，链轮4与上平行四边形3的短边固联在一起，在臂杆的升降过程中，工作平台始终保持水平。

2.4、静液压调平机构

静液压调平也称为液压伺服液压缸调平，如图5所示，主体部分由两只结构尺寸完全相同的调平液压缸I和调平液压缸Ⅱ组成。两根液压缸的无杆腔与无杆腔相

连，有杆腔与有杆腔相连，能保证一只液压缸伸长(缩短)一定长度，另一只液压缸缩短(伸长)相同的长度。调平液压缸I连接在回转台1与臂杆2之间，调平液压缸Ⅱ连接在臂杆2与工作平台3之间。当臂杆变幅时，调平液压缸I长度发生改变，与工作平台相连的调平液压缸Ⅱ发生相反方向的长度改变。调平液压缸I伸长一段距离，／ABC增加；调平液压缸Ⅱ缩短相同的距离，厶4’B’C’减少。合理设计AABC和△A’B 7c 7的边长，厶4’B’C 7减少的角度约等于／_ABC增加的角度，从而使工作平台保持水平。两只调平液压缸组成闭环系统，不受外部系统的影响，为防止密封和接头处泄漏影响工作平台的调平性能，需在系统中安装补油装置。这种调平机构具有结构简单、成本低、精度高的特点，适用于伸缩臂式高空作业车。但存在滞后现象，且滞后现象随着高度的增加而更加明显。

1．回转台2．臂杆3．工作平台4．调平液压缸I 5．有杆腔连接油路6．无杆腔连

接油路7调平液压缸Ⅱ

2.5、电液调平机构

电液调平的基本工作原理是通过安装在工作平台上的水平传感器来感知平台的状态，并产生一个相应的电流，控制调平液压缸的动作，最终使平台保持水平状态。电液调平机构又分为电液自动调平和电液比例调平。

3、伸缩臂架原理

3.1绳排系统

绳排系统在中国已经应用的比较成熟，也是一种历史比较悠久的技术。此技

术的优点是臂长变化容易、工作臂长种类多、可以带载伸缩、实用性很强，缺点是自重重、对整机稳定性的影响较大。现在在100吨以下的起重机上应用的比较广泛，其原理如图，就是简单的滑轮原理。对于四节臂以上起重臂的伸缩机构又分为以下两种：多缸或多级缸加一级绳排、单缸或多缸加两级绳排。DEMAG和TADANO部分产品采用第一种伸缩机构，这种伸缩机构的特点是最末一节伸缩臂采用钢丝绳伸缩，其它伸缩臂采用多级缸或多个单级缸或多级缸和单级缸套用等方式直接用液压缸伸缩。因而最末伸缩臂的截面变化较大，其它臂节截面的变化较小。在过去，徐重、浦沅、长起跟随LIEBHERR技术多年，普遍使用第二种伸缩机构，使用单缸或双缸加绳排实现四节或五节臂的伸缩。这种伸缩方式在国内最先进，但解决五节臂以上起重臂的伸缩难度很大。北起、泰起、锦重等厂家采用第一种伸缩机构（多个单级缸加一级绳排），但由于技术落后，第二缸、第三缸的进回油依靠软管卷筒输送。现在，大多数5节臂的起重机使用的是双缸双绳排的技术，一般为第2节臂独立伸缩，第3.4.5节臂同步伸缩；4节臂的一般单缸双绳排为2.3.4节同步伸缩。其局限性在于最末一、二节伸缩臂采用钢丝绳伸缩，其它伸缩臂用油缸伸缩，因而最末伸缩臂的截面变化较大，大大降低了起重机在大幅度下的起重性能；同时，对于大吨位的起重机，对钢丝绳的要求也非常高，符合要求钢丝绳非常难加工。虽然有些日本企业有将绳排技术发展到6节甚至更多，但是对于中大吨位起重机，一般企业还是优先考虑单缸插销技术。

3.2.单缸插销系统

单缸插销式伸缩臂技术是典型的机、电、液一体化系统.以较典型的德国利勃海尔为例，作为伸缩臂伸缩的执行机构，主要由1．伸缩缸、2．拔销机构、3．缸销等组成，为保证伸缩臂伸缩过程的安全性、可靠性，该机构采用内置式互锁系统即在伸缩油缸上装的弹簧驱动缸销销定伸缩臂后，才机械释放该节臂和其他节臂的连接。该方式确保某一节伸缩臂和伸缩油缸互相锁定后才能释放该节臂和其它节臂的联接。利勃海尔将拔销装置置于伸缩机构上方，其优点是结构简单，自锁性强，便于实现；格鲁夫GROVE、德马格（DEMAG）、多田野（TADANO&FAUN）将拔销装置置于伸缩机构两侧，结构布置上比较困难，对加工、装配精度要求高，插拔销难度相对较大。缸销则都布置在伸缩机构的侧方。单缸伸缩机构要求动作灵活、可靠性高、响应速度快、互锁性好，否则，很难实现吊臂的可靠伸缩。此技术采用单缸、互锁的缸销和臂销、精确测长电子技术，优点是重量最轻，对整

机稳定性的影响最小，但技术难度大、成本较高、臂长种类少、伸缩时间长、臂长变化时麻烦。现在，徐重和浦沅等国内企业也成功研制出了此项技术，采用的是和LIEBHERR相似的拔销装置置于伸缩机构上方的形式。由于此技术对于电液的要求较高，尤其是在自动伸缩的PLC控制和伸缩系统的液压回路的设计上，国内企业的技术还不是太成熟，可靠性还不是太高，还有较长的路去走。

4、折叠臂架连杆机构[4]

混凝土泵车的臂架系统一般由4 ～7 节臂架和其相邻的连杆机构组成，图所示为5 节臂架系统完全水平展开的情况。臂架之间的连杆机构皆为平面连杆机构，一般采用液压油缸驱动。臂架系统相当于一个巨型机械手臂，由5 个自由度为1 的平面闭式链通过臂架串联成一个自由度为5 的平面开式链机构［1］。臂架系统的最大优点是动作灵活，在其工作范围内( 除臂架完全伸长的情况外) 臂架末端在某一点上工作时，臂架系统有无穷种姿态可以实现。实现这一点需要臂架之间的转角要很大，一般要求转角超过180°，有的甚至超过270°。臂架之间的连杆机构一般根据空间限制、转角需求选用不同类型的连杆机构。

5、折叠臂架的折叠方式[5]

旋转折叠式布料臂架，不同型号泵车，因为臂架总长的不同、臂架折叠方式的不同以及整车布局的限制，相应各节臂长度及转角区域均有所不同。为确保臂架结构紧凑以及每节臂的运动都具有优化的布料作业区域等，不同布料臂架折叠型式的选择是其重要的决定因素之一。

布料臂架型式如按卷折方式分，一般分两种基本型：

(1)向内卷折式，又称回折式，字母表示为“R”型；

(2)向外折叠式，字母表示为“Z”型。

布料臂架型式如按大臂支点位置分，分为：上支点式及下支点式。上支点式指大臂即第一节臂架在上面，其余臂节均折叠在下面；下支点式指大臂即第一节臂架支撑在下面，其余臂节均折叠在上面。

如图2所示，布料臂架有多种型式的组合：上支点式“R”形，上支点式“Z”形，下支点式“R”形以及下支点式“Z”形。另如臂架卷折为“R”与“Z”形组合，则又有上支点式“RZ”形及下支点式“RZ”形的组合。

从结构型式分析，上支点式或下支点式臂架，主要是由臂节长度和满足整机布局的要求决定。作为特种车辆，对泵车外形尺寸有整机总长度、总宽度及总高度的限制。因为下支点式可以将上面臂节延伸至驾驶室顶部，对于过长臂架的泵车，显然下支点式较上支点式更能有效、合理的利用纵向空间，减少臂节数，降低成本，并缩短了整机长度；其缺点是整机重心偏高。而上支点式，其下折式的臂架有效地利用了高度方向的空间，整机重心低，运输行驶更为平稳；更适宜于中小型的臂架。

对于R形及Z形臂架，如图3所示，因z形各臂节可同时动作，其展开速度快，且更容易通过狭窄的空间，接近到布料区域；而R形各臂节必须逐一打开，其展开需要的空间更大些。

若从臂节间的变幅油缸布局及连杆机构工作原理来看(如图4所示)，相比，R 形臂架为油缸大腔进油展臂作业，要求工作油压较低，其有效布料作业范围大；而Z形臂架非工况时油缸杆外露，易磨损，且展臂作业为有杆腔进油，举伸力稍小，·需要较高的系统油压来完成作业转角。相比连杆机构，R形臂架的更为紧凑，连接形式简单，自重轻，且需要油缸行程小。而Z形臂架连杆尺寸较长，需要油缸行程长，并需要对更多的局部做结构加强；其优点是臂节间刚性好，在布料作业时臂架相对平稳，抖动小。

此外，大臂即第一节臂，有双油缸及单油缸两种支撑方式。相比，因为双油缸的同步JI生要求，需要增加控制阀等，相对成本要高；但双油缸支撑比单油缸支撑更加稳定可靠。

6、拟研究的过程

1、选定臂架结构：主要包括臂架的长度及节数、臂架的折叠方式（考虑臂节打开的时间及所需的空间）、臂架的组合形式（考虑采用曲臂直臂的混合型通过分析比较确定曲臂几节，直臂几节）等。

2、分析机构的工作空间（拟采用D-H法建立臂架简图的运动学方程通过matlab分析臂架的工作空间）

3、动力学分析（拟采用solidworks建立臂架的模型再用adams对其进行动力学仿真）

4、臂架结构的优化

参考文献

[1] 黄桂芬, 陈铭年. 我国高空作业车研究进展综述[J]. 机电技术, 2012(01): 2-5

[2] 陈华波. 高空作业平台上车的虚拟样机与结构分析[D]. [湖南大学]. 2011

[3] 胡元. 高空作业车工作平台调平机构[J]. 工程机械, 2006(12): 34-36+2

[4] 郭承志, 缪雄辉, 李建涛, et al. 混凝土泵车臂架连杆机构创新设计[J]. 机械研究与应用,

2012(05): 97-100

[5] 苏武, 许智慧. 泵车支腿及布料臂架型式分析[J]. 建设机械技术与管理, 2003(03): 8-10