1 绪 论
1.1概述
高空作业机械是在工程起重机械基础上发展起来的高空作业设备，广泛应用在建筑、消防等行业。随着我国经济建设的不断发展，对高空作业车的需求越开越多，要求工作范围也越来越广泛。
目前，国内外高空作业车朝着多品种、系列化、小批量方向发展。尽管就汽车市场而言，高空作业车在今天甚至是在今后很长一段时间不可能占有太大的市场，但是，正因为高空作业车其独特的作用，它在工程建设中起着越来越重要的作用，其辐射范围也越来越大，邮电通讯、市政建设、消防救护、建筑装饰、高空摄影以及造船、石油、化工、航空等行业都将活跃着它的身影。
折叠臂式高空作业汽车提高了机械化程度，减少了劳动消耗，降低了成本，缩短了工作时间，提高了工作效率并且以满足各种特殊需要。
经调研发现，目前，高空作业车具有一定需求市场，但生产厂家相对较少，主要在于其结构较为复杂，因此难以形成批量生产，为使高空作业车能够完善其结构和性能，提高高空作业车的功能，形成小批量生产。本设计重点对高空作业车主要工作装置所采用的各种方案进行比较分析，分别列出各方案的优劣点，以便选择最合适方案。
1.2高空作业车的定义、组成及功用
高空作业汽车是用来运送工作人员和使用器材到达指定现场并进行作业的专用汽车。
高空作业汽车除底盘部分外，为实现高空作业功能，还有动力传动装置、工作装置、安全装置及液压系统等。
高空作业车是用来运送工作人员和工作装备到指定高度进行作业的特种车辆，是将折叠臂式高空作业装置安装在汽车底盘上组成的。折叠臂式高空作业装置包括工作臂、回转平台、副车架、工作斗、液压系统和操纵装置等。现在的折叠臂式高空作业装置具有操作平顺、工作稳定、自动调速、安全可靠等优点，大大提高了折叠臂式空中作业的工作效率。高空作业车是利用汽车底盘作为行走机构，具有汽车的形势通过性能，机动灵活，行驶速度高，可快速转移，转移到工作场地后能迅速投入工作，因此被越来越多的应用在工程建设、工业安装、设备检修、物业管理、航空、船舶、石
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化、电力、影视、市政、园林等许多行业，是近几年来国内发展最快的专用汽车产品之一[4,5]。
1.3国内外高空作业车的发展概况
国外折叠臂式高空作业机械发展迅速，技术水平不断提高。工业发达国家一般都有专门的跨国公司和集团主营和兼营高空作业机械，如美国GROVE公司（格鲁夫）和GENIE（吉尼公司）、英国COLES公司、SI-MON公司（西蒙）、意大利RICO（利高）、芬兰BRONTO公司（波浪涛公司）、日本的多田野和爱知株式会社等[6]。
中国高空作业机械生产企业从20世纪70年代起步，至今已有30多年的历史。到目前为止，国内高空机械生产企业已由当时的7、8家发展到100余家，其中与合资或合作的企业有4家。行业几个骨干企业通过近几年的技术改造，其生产规模不断扩大，都形成了各具特色的产品系列，企业的各项主要经济指标逐步上升，经济效益也逐年提高，基本能满足国内外市场大中小型高空作业机械的需要，并有部分产品出口。
根据协会对会员单位初步统计，2005年中国高空作业平台的产量1734台，出口150台；2006年为1890台，出口290台。2005年高空作业车的产量为672台，出口20台；2006年为778台，出口69台。高空作业机械工业总产值初步统计为2005年26822万元，2006年32600万元。2007年上半年产量产值、出口量就接近2006年的全年总数。虽然这些年国内高空作业机械发展很快，但是产品的技术水平相比国外的知名企业还有一定得差距，毕竟我们是处于起步阶段，开发的产品大多还停留在模仿阶段，几乎所有产品或多或少的留有国外产品的影子甚至是全盘照搬。
我国从80年代开始抚顺起重机总厂、武汉起重机总厂、四川度岩机械厂、四川长江起重机械有限责任公司、杭州园林机械厂、北京攀尼高空作业车有限公司、徐州重型机械厂等开始着手研制高空作业车和登高平台消防车，投放市场。抚顺起重机械总厂生产的CDZ32型登高平台消防车已出口泰国。四川长江起重机有限责任公司研制的QZC5120JGKS25型高空作业车是最近推向市场的一种新产品。该产品采用现代设计手段设计，填补了国内25m伸缩臂式高空作业车的空白[7]。
尽管我国在高空作业车设计制造上取得了一些成绩，但是国内生产制造的高空作业机械同国外同类型高空作业机械产品相比仍有一定差距，主要表现为技术含量低、大型的较结构笨重、作业时未动性能差等问题。在开发研制过程中，应采取有效措施、实验研究，逐项加以解决，以缩小差距。同时对目前存在的技术关键，有待于组织力量攻关解决，其关键是电液比例操纵、微动性能问题，支腿调平技术问题，数显微机自动程序控制以及机电一体化问题等[8,9]。
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目前，高空作业车的发展动向是实现“六化”、“三性”，以提高折叠臂式高空作业机械的适用性。
“六化”：即液压化、最优化（采用计算机辅助设计）、轻量化（采用高强度材料、减轻构建重量）、机电液一体化（如安全保护、报警装置等）、通用化、系列化。
“三性”：可靠性、安全性和舒适性。
综上所述，在目前的高空作业车的生产水平上，改进高空作业车的工作性能，开发研制机动灵活、技术含量高、安全可靠的高空作业机械具有重大意义。
2 高空作业车总体方案分析
高空作业车主要由动力传动装置、工作装置（支腿机构、举升机构、回转机构、作业平台及调平机构）和液压系统等组成。
本章主要对高空作业车的各个机构的方案进行分析。
2.1动力传动装置设计与分析
2.1.1设计要求
动力传动装置包括折叠臂式高空作业汽车各工作装置的动力传动部分，其设计要求如下：
(1)对作业功能，在规定的载荷范围内，不论载荷大小，要求动力传动装置具有稳定的工作转速；
(2)在同一工作循环内，工作装置的回转机构、举升机构等是正向和逆向运动交替进行的，因此要求能适应运动方向的不断改变；
(3)在工作过程中，各工作装置的工作速度应能随作业进度及时调整，且调速范围大，如举升机构需要有很低的微动速度。
2.1.2动力传动装置类型
1、内燃机——机械传动
这种传动方式仅在用途单一的高空作业汽车上使用，如用于电力设施维修的垂直升降式高空作业汽车多采用这种形式。动力源为汽车发动机，动力经变速器传出后，还要经分动器、离合器、减速器、卷扬机、滑轮以及钢丝绳等传递到工作装置，传动路线长，结构较复杂。
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2、电力——机械传动
这种传动方式是利用外接电源或车载电源（蓄电池），通过电动机将电能转换成机械能，再经机械传动装置将动力传递到各工作装置。由于电动机具有逆转性和在较大转速范围内实现无级调速等特点，并且各机构可由独立的电机驱动，简化了传动和操纵机构，而且噪声小、污染少，适用在外接电源方便或流动性不大的场地作业。
3、内燃机——电力传动
这种传动方式的路线是汽车发动机 → 发电机 → 电动机，然后带动各工作装置运转。其优点是利用直流电动机的优良工作特性，使高空作业汽车获得良好的作业性能，但这些传动装置质量较大，价格昂贵。
4、内燃机——液压传动
大部分折叠臂式高空作业汽车都采用这种工作方式，它可充分利用液压传动的优点，简化传动结构，并且易于实现无级调速和运动方向的变换，传动平稳、操作简单、方便、省力、能防止过载。
综上所述，通过以上各种动力传动装置的结构、经济性、适用范围以及操作性能等多方面性能的分析，将动力传动装置选定为内燃机——液压传动这种形式。
2.1.3举升机构
举升机构的作用是实现作业平台的升降和变幅，其结构型式有交叉剪刀式、套筒式、伸缩臂式和折叠臂式。
1、交叉剪刀式举升机构
交叉剪刀式举升机构是按交叉布置，铰接成剪刀型的连杆框架结构。当改变连杆交叉的角度时即实现升降运动，如图2-1（c）所示。连杆交叉角度的改变，可通过液压油缸活塞杆的伸缩或钢丝绳的收放来实现。这种举升机构能完成较低高度的作业，工作平稳，作业平台较大，被广泛的应用于飞机、船舶制造、室内维修、清洁电车线路维修等作业场地。但是，这种作业车越障能力差、工作范围小。
2、套筒式举升机构 套筒式举升机构通过多节套筒的伸缩完成升降运动，如图2-1(d)所示。驱动方式也可采用液压传动或钢丝绳滑轮传动，这种垂直升降式举升机构作业高度有限，工作范围小，但作业车平台较大，且支撑稳定。
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(a) 伸缩式 (b) 折叠式 (c) 交叉剪式 (d) 套筒式
图2-1 高空作业车的结构简图
3、伸缩臂式举升机构
伸缩臂式举升机构由多节套装、可伸缩的箱型臂构成，如图2-1（a）所示。它包括基本臂和伸缩臂两部分。伸缩臂可为一节或多节，各节间装有液压缸。液压缸工作时，各节臂在液压缸活塞杆的推动下可沿导向元件（滑块）上、下滑动，从而改变臂架的长度。整个臂架系统支承在液压缸底部的铰支座和变幅液压缸的两端。通过变幅液压缸活塞杆的伸缩实现臂架摆动，从而达到变幅与升降的目的。这种型式的臂架其最大作业高度可达60～80米。由于伸缩臂式举升机构可获得较大的作业高度和变幅，因此，被广泛的应用于各种高空作业汽车上。但是，这种作业车的越障能力差。
4、折叠臂式举升机构
折叠臂式举升机构由多节箱形臂折叠而成，如图2-1（b）所示。这种型式一般采用2～3节折叠臂组成。其折叠的方式可分为上折式和下折式两种。各节臂的折叠和展开运动由各节间液压缸完成。这种型式的举升机构可完成一定高度和幅度的作业，另外，下折式还可完成地平面以下的空间作业，扩大了折叠臂式高空作业汽车的作业范围。由于折叠臂式举升机构具有灵活多样、适应性好、越障能力强等优点，所以，应用非常广泛[11]。
综上所述，由于折叠臂式举升机构比交叉剪刀式和套筒式的工作范围大、越障能力好，且折叠式举升机构比伸缩臂式举升机构来说具有灵活多样、适应性好、越障能力强等优点。所以高空作业车的举升机构选定为折叠式举升机构，其折叠臂数目为两个，如图2-1(b)所示。
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