一種高空維護(hù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

熊 遷 高 東 蘇春洲 譚 寧 張 揚(yáng) 李銀剛 劉 海 倪 衛(wèi)

（1.激光聚變研究中心，綿陽(yáng) 621000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001）

根據(jù)不同的工況條件，工程用起重機(jī)具備不同功能，目前比較常用的高空作業(yè)類設(shè)備都主要具備裝夾、升降和回轉(zhuǎn)等各種機(jī)械功能[1]。高空維護(hù)用起重類設(shè)備逐步向自動(dòng)化和智能化、功能多樣、體積輕便以及操作靈活等方面發(fā)展。國(guó)外市場(chǎng)的高空作業(yè)產(chǎn)品中，歐美的捷爾杰、特雷克斯、阿爾泰克，以及日本的加藤、多田野和愛知等企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品都比較有代表性，體現(xiàn)了當(dāng)前高空作業(yè)類設(shè)備的技術(shù)水平[2]。國(guó)內(nèi)起重高空作業(yè)車的研制起步較晚，但是由于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)大、需求廣，我國(guó)企業(yè)也開發(fā)出較多典型的系列產(chǎn)品，如徐州重工集團(tuán)、三一重工等，其部分產(chǎn)品甚至填補(bǔ)了行業(yè)研究空白[3-5]，為其他產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造提供了較好的研究基礎(chǔ)和應(yīng)用案例。

綜上所述，高空作業(yè)類設(shè)備的主要發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)緊湊性、控制自動(dòng)化、操作便捷性和設(shè)備智能化發(fā)展。針對(duì)某系統(tǒng)特殊工況需求，并借鑒高空作業(yè)類設(shè)備研發(fā)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，筆者設(shè)計(jì)了一種高空維護(hù)設(shè)備，并進(jìn)行相關(guān)分析，制造了設(shè)備樣機(jī)。

1 基本工作流程

工作模擬環(huán)境如圖1所示，要求在距離地面13m的球形腔體內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，球形腔體內(nèi)布置了若干光機(jī)單元模塊，且部分模塊為異性結(jié)構(gòu)，使得內(nèi)部作業(yè)環(huán)境異常復(fù)雜。普通的商用剪式升降車等常規(guī)設(shè)備無(wú)法滿足在球形腔體內(nèi)對(duì)光機(jī)單元模塊進(jìn)行維護(hù)的功能需求，必須要開發(fā)一種針對(duì)此特殊工況要求的高空維護(hù)設(shè)備。按照工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)，高空維護(hù)設(shè)備?？吭诓次?，需要作業(yè)時(shí)由泊位轉(zhuǎn)運(yùn)至工作位置，并進(jìn)行必要支撐。工作人員就位后，高空維護(hù)設(shè)備由主伸縮臂提升，并達(dá)到球形腔體內(nèi)工作位置，隨后再由回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和伸縮工作臺(tái)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)高空維護(hù)設(shè)備前端在球形腔體內(nèi)任意位置可達(dá)，順利開展相關(guān)維護(hù)作業(yè)。作業(yè)完成后，高空維護(hù)設(shè)備各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)自動(dòng)歸零，并轉(zhuǎn)運(yùn)至泊位。

2 總體設(shè)計(jì)方案

高空維護(hù)設(shè)備由底盤結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、垂直液壓缸、垂直伸縮臂、電動(dòng)推桿、水平伸縮臂和工作臺(tái)等模塊組成，如圖2所示。采用底盤結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高空維護(hù)設(shè)備整體移動(dòng)，主伸縮臂的伸縮實(shí)現(xiàn)高空維護(hù)設(shè)備垂直方向提升，伸縮工作臺(tái)的伸縮實(shí)現(xiàn)高空維護(hù)設(shè)備水平方向變幅調(diào)整，回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高空維護(hù)設(shè)備繞垂直方向的旋轉(zhuǎn)，這樣垂直方向提升、水平方向變幅和垂直方向旋轉(zhuǎn)三個(gè)方向復(fù)合運(yùn)動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)高空維護(hù)設(shè)備前端的伸縮工作臺(tái)在球形腔體內(nèi)的任意位置可以到達(dá)。

圖1 工作模擬環(huán)境

圖2 高空維護(hù)設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

3 主要單元模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)方式選擇

3.2 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 底盤結(jié)構(gòu)

3.3 回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高空維護(hù)設(shè)備要求將工作臺(tái)送到球形腔體內(nèi)壁的任意工作位置，因?yàn)榍蛐吻惑w為規(guī)則的幾何體，因此根據(jù)工藝流程分析在工作臺(tái)達(dá)到球形腔體內(nèi)某位置后，其作圓周運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)在球形腔體內(nèi)某緯度工作位置可達(dá)，因此高空維護(hù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)繞垂直方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是必不可少的功能。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，需要在高空維護(hù)設(shè)備的非回轉(zhuǎn)部分的底盤結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)部分之間設(shè)計(jì)一個(gè)傳力系統(tǒng)，即回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)[7]。

回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)齒輪方式實(shí)現(xiàn)高空維護(hù)設(shè)備的正、反方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，這是一個(gè)相對(duì)成熟的結(jié)構(gòu)形式，基本原理是液壓方式驅(qū)動(dòng)外圈齒輪，外圈齒輪系統(tǒng)通過(guò)螺栓緊固在底盤結(jié)構(gòu)上，內(nèi)圈齒輪與回轉(zhuǎn)部分緊固在一起，外圈齒輪與內(nèi)齒圈嚙合，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)回轉(zhuǎn)部分在裝配階段進(jìn)行了齒輪模數(shù)和嚙合的調(diào)節(jié)后，傳動(dòng)效率較高，結(jié)構(gòu)緊湊。為了降低整個(gè)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的高度，回轉(zhuǎn)支撐采取多點(diǎn)球接觸內(nèi)齒式，其主體結(jié)構(gòu)由兩個(gè)環(huán)形支座構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)形式使得整個(gè)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)緊湊，最重要的是可以同時(shí)承受軸向力、徑向力，并承受一定的傾翻力矩。

3.4 垂直伸縮臂設(shè)計(jì)

高空維護(hù)設(shè)備為了對(duì)球形腔體內(nèi)部各個(gè)區(qū)域進(jìn)行維護(hù)作業(yè)，最大工作高度須達(dá)到13m，但是由于工作環(huán)境限制，其非工作時(shí)又需要降低到3.5m以下的高度，才能通過(guò)門洞和轉(zhuǎn)運(yùn)通道。作為高空維護(hù)設(shè)備升級(jí)機(jī)構(gòu)的垂直伸縮臂，就需要采用多節(jié)臂方式實(shí)現(xiàn)?？紤]到底盤結(jié)構(gòu)為液壓驅(qū)動(dòng)方式，為了在一個(gè)系統(tǒng)上采用相似驅(qū)動(dòng)方式，便于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中控制，根據(jù)工作高度分析和設(shè)計(jì)，采用了多級(jí)液壓缸驅(qū)動(dòng)方式分多段實(shí)現(xiàn)垂直方向提升，伸縮臂至少需要六節(jié)以上才可能滿足設(shè)計(jì)要求，垂直伸縮臂結(jié)構(gòu)如圖4所示。伸縮臂與法蘭采用螺栓進(jìn)行緊固，確保提升到最大高度時(shí)，仍然滿足使用要求，其鏈接方式如圖5所示，多級(jí)液壓缸布置在垂直伸縮臂的內(nèi)部，確保了整個(gè)高空維護(hù)設(shè)備外形的美觀，但是所有垂直伸縮臂是相對(duì)密封的，多級(jí)液壓缸內(nèi)部液壓管路相對(duì)較多，可能出現(xiàn)溢流等故障，這在一定程度上降低了設(shè)備的可維護(hù)性。

圖4 垂直伸縮臂

圖5 垂直臂與回轉(zhuǎn)臺(tái)的法蘭連接

3.5 伸縮工作臺(tái)設(shè)計(jì)

高空維護(hù)設(shè)備的工作臺(tái)采用伸縮式工作臺(tái)。球形腔內(nèi)具有較高的潔凈度要求，這就要求整個(gè)設(shè)備在工作過(guò)程中不能帶來(lái)新的污染源，需要對(duì)工作平臺(tái)的材料選擇、表面光潔度處理、運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)潤(rùn)滑以及驅(qū)動(dòng)方式等因素進(jìn)行綜合考慮。根據(jù)相關(guān)潔凈設(shè)計(jì)規(guī)范，選用了不銹鋼和鋁合金為主體的材料，表面采用電鍍拋光方式進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)要求在進(jìn)行裝配之前對(duì)零部件進(jìn)行高壓噴淋或者超聲波清洗，零部件達(dá)到設(shè)計(jì)潔凈度要求后才能進(jìn)行后續(xù)裝配。對(duì)于運(yùn)動(dòng)副，一般情況不添加潤(rùn)滑油，對(duì)于必須要添加的位置，需要選用潔凈室專用低揮發(fā)性潤(rùn)滑油進(jìn)行適當(dāng)潤(rùn)滑。根據(jù)工藝需求，工作臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)伸縮，實(shí)現(xiàn)在球形腔體內(nèi)的變幅運(yùn)動(dòng)，人們需要采用電動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。為了使結(jié)構(gòu)緊湊，也采用了伸縮方式，確保工作臺(tái)變幅范圍滿足設(shè)計(jì)要求，如圖6所示。此外，為了保障工作人員在工作臺(tái)上的安全，按照安全相關(guān)要求，設(shè)置了欄桿等輔助結(jié)構(gòu)。

圖6 伸縮工作臺(tái)

4 高空維護(hù)設(shè)備受力分析

在已經(jīng)建立的有限元系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)高空維護(hù)設(shè)備進(jìn)行受力分析，將三維模型直接轉(zhuǎn)化為力學(xué)分析模型，靜力學(xué)分析模型如圖7所示。設(shè)模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為n，在工作臺(tái)最遠(yuǎn)端施加工作載荷大小為F，方向?yàn)閅方向的節(jié)點(diǎn)集中載荷，分析時(shí)支腿與地面設(shè)置為全接觸方式，即作為全約束的固定支撐點(diǎn)。

圖7 高空維護(hù)設(shè)備靜力學(xué)分析模型

經(jīng)過(guò)靜力學(xué)計(jì)算后，高空維護(hù)設(shè)備模型最大等效應(yīng)力發(fā)生在水平工作臺(tái)第二節(jié)伸縮臂與其基本臂搭接處，大小為212MPa，小于許用應(yīng)力，且有足夠的安全余量，滿足強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)要求，如圖8所示。高空維護(hù)設(shè)備最大變形位移出現(xiàn)在水平伸縮工作臺(tái)最前端，最大值為42.55mm，僅為整體工作高度的0.3%，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中的剛度要求，如圖9所示。

圖8 球形腔內(nèi)內(nèi)部維護(hù)設(shè)備整車應(yīng)力云圖

圖9 高空維護(hù)設(shè)備整車變形云圖

在后期計(jì)算中，分別獲取底盤結(jié)構(gòu)四個(gè)支腿底面的節(jié)點(diǎn)的支反力之和，底盤車架四個(gè)支腿底面節(jié)點(diǎn)的垂直反力之和均為正，支腿最大支反力為8774.9N。高空維護(hù)設(shè)備的等效應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求；系統(tǒng)最遠(yuǎn)端的最大變形滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中的剛度條件要求，且具有足夠的抗傾翻力矩的安全余量，滿足高空維護(hù)設(shè)備抗傾翻穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種高空維護(hù)設(shè)備整機(jī)，分析了其主要驅(qū)動(dòng)方式、底盤結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、垂直伸縮臂和伸縮工作臺(tái)等主要單元模塊，完成了高空維護(hù)設(shè)備的技術(shù)方案。同時(shí)，基于ANSYS平臺(tái)，對(duì)高空維護(hù)設(shè)備進(jìn)行了靜力學(xué)的有限元分析，在最大工作幅度條件下施加了最大負(fù)載，分析計(jì)算結(jié)果表明，最大變形滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中的剛度和強(qiáng)度要求。該高空維護(hù)設(shè)備滿足某系統(tǒng)球形腔體維護(hù)作業(yè)要求，對(duì)相關(guān)設(shè)備的完善、設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有一定的借鑒意義。

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