本文是一篇机械论文研究，本文以徐州海伦哲公司的 9m 高空作业车的混合臂架为研究对象，以该产品的混合臂设计研究为目的，通过理论计算与有限元分析结合的方法设计出符合小高度的高空作业车技术参数要求的混合臂架，并对该混合臂架进行了优化设计，得到了一个较好的设计结果。最后根据设计出的混合臂架来完成整车设计，整车经过实车状态参数、作业参数以及稳定性试验。试验结果表明，该 9m 级混合臂架的小型高空作业车符合设计要求。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 课题背景
随着世界经济的迅速发展，城市建设、公路建设及道路运输业的快速发展，人们对汽车专业化、多功能化的要求越来越高，专用汽车的需求量逐年递增，导致专用汽车的发展日新月异，并出现了专业化、轻量化、小型化、智能化、绿色节能等发展趋势[1,2]。其中，高空作业车是一种将人和作业工具送到高空进行作业的专用设备，能够大大提高空中施工人员的工作效率、安全性和舒适性，并降低劳动强度。
作为一种特殊工程车辆，高空作业车的特殊性在：“高安全性”，载人高空作业，需要安全性要求高于其他种类的起重举升车辆；“高适应性”，由于施工环境的不可预知性且复杂多变，因此需要对环境有较高的适应能力；“高效率”，在我国，高空车一般用于抢修作业，并且多为室外或者野外作业，作业环境差，所以要求其具有较高的作业效率[3-5]。随着我国经济的高速发展，高空作业车在我国的使用也越来越广泛[6,7]。表 1-1 为我国高空作业车上牌数据统计表：
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1.2 国内外研究现状
目前小型高空作业车，尤其是国际流行的混合臂架式结构技术欧美国家处于国际领先地位，他们的技术状态已较成熟，产品系列化程度较高。国际上的先进的高空作业车的臂架结构形式均为混合臂结构型式。德国 RUTHMANN 公司 STEIGERK110，一台微卡底盘的小型高空作业车，其结构采用混合臂结构型式，最大作业高度 11m，最大作业半径 6m，平台载荷 200kg，臂架结构为“两节伸缩臂+曲臂”的混合臂架结构[24-26]。
国内小型混合臂高空作业车起步较晚，产品主要还是依赖进口，但进口产品存在周期长、成本高、服务网络不全的缺点。我国仅有少量几个单位能实现了自主研发设计及制造，但是在混合臂架的研究设计方便的技术积累还很薄弱，目前国内拥有完全自主知识的混合臂结构形式高空作业车较少，特别是结构紧凑的小型高空作业车方面更是空白。主要原因：小型混合臂高空作业车使用的多级伸缩混合臂技术仍不成熟，
其应用领域涉及机构和结构的运动学、动力学分析、优化，混合臂采用高强板材料其结构的强度、刚度、局部稳定性优化设计较为复杂，国内加工制造技术相对落后，制造精度不能满足设计要求。
国内小型混合臂高空作业车混合臂架在研究设计过程中还存在如下问题：
(1) 臂架截面简单，板材厚，结构笨重，在一定程度上牺牲了作业性能；
(2) 混合臂过度处的机构复杂，重量大，理论计算存在盲区；
(3) 计算保守，计算方法落后，臂架结构可能不是最好的设计方案；
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2 混合臂架的建模和计算
2.1 高空作业车臂架的截面形式
臂架系统是高空作业车的最主要的承载构件，其机械性能的优劣性不仅仅决定了高空车在高空作业时的稳定性与安全性，而且是影响整车质量以及经济型的一个重要因素，所以对高空作业车臂架系统的研究是是十分有必要的。小型高空车臂架系统主要以混合臂架为主，混合臂架有举升高度高、工作范围大，效率高，结构紧凑等优点，作为高空作业车最主要的工作装置之一，其设计的合理性对高空作业车的性能有着极其重要的影响。
在高空作业车的技术发展主要也是臂架的技术发展，除了按臂架的形式可以分为伸缩臂、折叠臂以及混合臂之外，臂架也就可以按照截面形状分为：四边形、六边形、八边形、镂空、薄壁异形等，现有的起重机臂架的先进技术也逐步被高空作业车技术领域研究使用，如 U 型臂技术[35.36]。同时在高空作业车的臂架材料和加工工艺方面也在不断的进步和创新：如铝合金臂架、单焊缝臂架、型材臂架。臂架技术的进步最终体现在高空作业车技术参数和作业能力的进步上，如作业高度、幅度、载荷不断的增加，稳定性、可靠性不断的提高等。而且，在不断的生产和实践中，人们发现臂架系统的质量对整车的质量有很大的影响，所以在保证臂架强度的同时，轻量化也是臂架系统发展的趋势。降低臂架的质量除了使用新型材料之外，截面优化也可以降低臂架的质量，改善力学性能。臂架的截面形式常见的主要有以下四种，如图 2-1 所示：
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2.2 混合臂架的工作原理
混合臂架一般由一级折叠臂、二级伸缩臂两部分组成。其中，一级折叠臂的变幅主要通过一级变幅油缸来实现变幅，二级伸缩臂通过二级变幅油缸来实现变幅，通过伸缩臂内的伸缩油缸来实现伸缩功能，而转台回转可以实现上车的回转运动，如图2-2 所示。
考虑到微卡底盘的小型化与轻量化，混合臂架结构的布置如下：
一级折叠臂与转台铰接并与变幅油缸连接，二级伸缩臂布置在一级折叠臂的左侧，与托架连接。这种将一级折叠臂、二级伸缩臂并排布置的方法可以充分的利用车辆宽度方向的空间，从而可以降低整车高度。
其中，一级折叠臂包括一级折叠臂架、一级折叠臂连杆两部分。一级折叠臂架与一级折叠臂连杆长度相同、且平行设置于一级折叠臂连杆的上方，一级折叠臂架和一级折叠臂连杆的一端分别铰接连接于转台、另一端铰接连接于所述的臂架连接件。因此，一级折叠臂架、一级折叠臂连杆、臂架和连杆在转台上的铰接点之间的虚拟连杆、以及臂架和连杆在臂架连接件上的铰接点之间的虚拟连杆共同组成四连杆机构，四连杆机构的作用是使臂架连接件与转台上两个铰点连成的直线一直保持水平；一级折叠臂变幅油缸一端铰接连接于转台、另一端铰接连接于一级折叠臂架；
........................
3 高空作业车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 小高度高空作业车混合臂架的优化设计...................................27
4.1 优化设计概述...............................27
4.2 高空作业车臂架优化设计...........................28
5 小型高空作业车工程应用设计......................................36
5.1 整车设计.....................................36
5.2 稳定性计算...............................45
5 小型高空作业车工程应用设计
5.1 整车设计
5.1.1 总体结构及布置
整车外形及总体布置见图 5-1
GKH9 选用庆铃 QL1030UGDRB 的底盘。该车型采用混合臂结构，铝合金工作平台，转台可 360°连续回转，无支腿。同时臂架、转台、副车架等主要结构件根据承载情况进一步优化，减轻质量，保证安全性。在支腿、走台骨架和走台底板充分利用底盘原件，简化结构，减轻重量。由于整车行驶时，载质量大部分分布在后桥，为了提高行驶时的安全可靠性，后桥采用了底盘厂提供的加厚板簧。
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6 结论与展望
6.1 结论
小高度轻量化的高空作业车是随着市场轻量化与多样化趋势而需求的产品。本文以徐州海伦哲公司的 9m 高空作业车的混合臂架为研究对象，以该产品的混合臂设计研究为目的，通过理论计算与有限元分析结合的方法设计出符合小高度的高空作业车技术参数要求的混合臂架，并对该混合臂架进行了优化设计，得到了一个较好的设计结果。最后根据设计出的混合臂架来完成整车设计，整车经过实车状态参数、作业参数以及稳定性试验。试验结果表明，该 9m 级混合臂架的小型高空作业车符合设计要求。具体结论如下：
(1) 简要的介绍了臂架的种类形式并比较了不同截面形式的优劣性。对本文选取的混合臂架系统的组成部分和工作原理进行了详细的阐述。基于传统的理论力学和材料力学对混合臂架进行了总体方案设计，并基于静力学对混合臂架的强度进行了计算，计算结果满足强度要求。最后利用三维软件建立了混合臂架的数值模型。
(2) 利用ANSYS Workbench 对混合臂架的整体进行了有限元求解计算，对混合臂架在最恶劣工况下的强度、刚度进行了详细分析，分析结果与理论计算结果吻合较好，且结果表明，初步设计的混合臂架的强度与刚度均满足设计要求。
(3) 通过控制参数变量截面宽度、截面高度，折弯半径以及板厚大小进行多目标优化分析，保证臂架长度保持不变，经过有限元大量的迭代计算，最后得到三组较优解的参数，应力、应变以及质量结果均得到了优化，尤其是降重方面，最大降重 26.3kg。通过该优化设计方法，不仅能确定各输入参数对输出参数的影响趋势和程度，也能根据设置的目标限定给出最符合要求的最优解，减少了产品设计周期，提高了产品可靠性。
(4) 对整车的其他结构进行了配套设计，设计出的整车进行了实车状态试验、作业参数试验以及稳定性试验。试验结果表明，该 9m 级混合臂架的小型高空作业车符合设计要求。
参考文献（略）
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 课题背景
随着世界经济的迅速发展，城市建设、公路建设及道路运输业的快速发展，人们对汽车专业化、多功能化的要求越来越高，专用汽车的需求量逐年递增，导致专用汽车的发展日新月异，并出现了专业化、轻量化、小型化、智能化、绿色节能等发展趋势[1,2]。其中，高空作业车是一种将人和作业工具送到高空进行作业的专用设备，能够大大提高空中施工人员的工作效率、安全性和舒适性，并降低劳动强度。
作为一种特殊工程车辆，高空作业车的特殊性在：“高安全性”，载人高空作业，需要安全性要求高于其他种类的起重举升车辆；“高适应性”，由于施工环境的不可预知性且复杂多变，因此需要对环境有较高的适应能力；“高效率”，在我国，高空车一般用于抢修作业，并且多为室外或者野外作业，作业环境差，所以要求其具有较高的作业效率[3-5]。随着我国经济的高速发展，高空作业车在我国的使用也越来越广泛[6,7]。表 1-1 为我国高空作业车上牌数据统计表：
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1.2 国内外研究现状
目前小型高空作业车，尤其是国际流行的混合臂架式结构技术欧美国家处于国际领先地位，他们的技术状态已较成熟，产品系列化程度较高。国际上的先进的高空作业车的臂架结构形式均为混合臂结构型式。德国 RUTHMANN 公司 STEIGERK110，一台微卡底盘的小型高空作业车，其结构采用混合臂结构型式，最大作业高度 11m，最大作业半径 6m，平台载荷 200kg，臂架结构为“两节伸缩臂+曲臂”的混合臂架结构[24-26]。
国内小型混合臂高空作业车起步较晚，产品主要还是依赖进口，但进口产品存在周期长、成本高、服务网络不全的缺点。我国仅有少量几个单位能实现了自主研发设计及制造，但是在混合臂架的研究设计方便的技术积累还很薄弱，目前国内拥有完全自主知识的混合臂结构形式高空作业车较少，特别是结构紧凑的小型高空作业车方面更是空白。主要原因：小型混合臂高空作业车使用的多级伸缩混合臂技术仍不成熟，
其应用领域涉及机构和结构的运动学、动力学分析、优化，混合臂采用高强板材料其结构的强度、刚度、局部稳定性优化设计较为复杂，国内加工制造技术相对落后，制造精度不能满足设计要求。
国内小型混合臂高空作业车混合臂架在研究设计过程中还存在如下问题：
(1) 臂架截面简单，板材厚，结构笨重，在一定程度上牺牲了作业性能；
(2) 混合臂过度处的机构复杂，重量大，理论计算存在盲区；
(3) 计算保守，计算方法落后，臂架结构可能不是最好的设计方案；
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2 混合臂架的建模和计算
2.1 高空作业车臂架的截面形式
臂架系统是高空作业车的最主要的承载构件，其机械性能的优劣性不仅仅决定了高空车在高空作业时的稳定性与安全性，而且是影响整车质量以及经济型的一个重要因素，所以对高空作业车臂架系统的研究是是十分有必要的。小型高空车臂架系统主要以混合臂架为主，混合臂架有举升高度高、工作范围大，效率高，结构紧凑等优点，作为高空作业车最主要的工作装置之一，其设计的合理性对高空作业车的性能有着极其重要的影响。
在高空作业车的技术发展主要也是臂架的技术发展，除了按臂架的形式可以分为伸缩臂、折叠臂以及混合臂之外，臂架也就可以按照截面形状分为：四边形、六边形、八边形、镂空、薄壁异形等，现有的起重机臂架的先进技术也逐步被高空作业车技术领域研究使用，如 U 型臂技术[35.36]。同时在高空作业车的臂架材料和加工工艺方面也在不断的进步和创新：如铝合金臂架、单焊缝臂架、型材臂架。臂架技术的进步最终体现在高空作业车技术参数和作业能力的进步上，如作业高度、幅度、载荷不断的增加，稳定性、可靠性不断的提高等。而且，在不断的生产和实践中，人们发现臂架系统的质量对整车的质量有很大的影响，所以在保证臂架强度的同时，轻量化也是臂架系统发展的趋势。降低臂架的质量除了使用新型材料之外，截面优化也可以降低臂架的质量，改善力学性能。臂架的截面形式常见的主要有以下四种，如图 2-1 所示：
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2.2 混合臂架的工作原理
混合臂架一般由一级折叠臂、二级伸缩臂两部分组成。其中，一级折叠臂的变幅主要通过一级变幅油缸来实现变幅，二级伸缩臂通过二级变幅油缸来实现变幅，通过伸缩臂内的伸缩油缸来实现伸缩功能，而转台回转可以实现上车的回转运动，如图2-2 所示。
考虑到微卡底盘的小型化与轻量化，混合臂架结构的布置如下：
一级折叠臂与转台铰接并与变幅油缸连接，二级伸缩臂布置在一级折叠臂的左侧，与托架连接。这种将一级折叠臂、二级伸缩臂并排布置的方法可以充分的利用车辆宽度方向的空间，从而可以降低整车高度。
其中，一级折叠臂包括一级折叠臂架、一级折叠臂连杆两部分。一级折叠臂架与一级折叠臂连杆长度相同、且平行设置于一级折叠臂连杆的上方，一级折叠臂架和一级折叠臂连杆的一端分别铰接连接于转台、另一端铰接连接于所述的臂架连接件。因此，一级折叠臂架、一级折叠臂连杆、臂架和连杆在转台上的铰接点之间的虚拟连杆、以及臂架和连杆在臂架连接件上的铰接点之间的虚拟连杆共同组成四连杆机构，四连杆机构的作用是使臂架连接件与转台上两个铰点连成的直线一直保持水平；一级折叠臂变幅油缸一端铰接连接于转台、另一端铰接连接于一级折叠臂架；
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3 高空作业车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 小高度高空作业车混合臂架的优化设计...................................27
4.1 优化设计概述...............................27
4.2 高空作业车臂架优化设计...........................28
5 小型高空作业车工程应用设计......................................36
5.1 整车设计.....................................36
5.2 稳定性计算...............................45
5 小型高空作业车工程应用设计
5.1 整车设计
5.1.1 总体结构及布置
整车外形及总体布置见图 5-1
GKH9 选用庆铃 QL1030UGDRB 的底盘。该车型采用混合臂结构，铝合金工作平台，转台可 360°连续回转，无支腿。同时臂架、转台、副车架等主要结构件根据承载情况进一步优化，减轻质量，保证安全性。在支腿、走台骨架和走台底板充分利用底盘原件，简化结构，减轻重量。由于整车行驶时，载质量大部分分布在后桥，为了提高行驶时的安全可靠性，后桥采用了底盘厂提供的加厚板簧。
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6 结论与展望
6.1 结论
小高度轻量化的高空作业车是随着市场轻量化与多样化趋势而需求的产品。本文以徐州海伦哲公司的 9m 高空作业车的混合臂架为研究对象，以该产品的混合臂设计研究为目的，通过理论计算与有限元分析结合的方法设计出符合小高度的高空作业车技术参数要求的混合臂架，并对该混合臂架进行了优化设计，得到了一个较好的设计结果。最后根据设计出的混合臂架来完成整车设计，整车经过实车状态参数、作业参数以及稳定性试验。试验结果表明，该 9m 级混合臂架的小型高空作业车符合设计要求。具体结论如下：
(1) 简要的介绍了臂架的种类形式并比较了不同截面形式的优劣性。对本文选取的混合臂架系统的组成部分和工作原理进行了详细的阐述。基于传统的理论力学和材料力学对混合臂架进行了总体方案设计，并基于静力学对混合臂架的强度进行了计算，计算结果满足强度要求。最后利用三维软件建立了混合臂架的数值模型。
(2) 利用ANSYS Workbench 对混合臂架的整体进行了有限元求解计算，对混合臂架在最恶劣工况下的强度、刚度进行了详细分析，分析结果与理论计算结果吻合较好，且结果表明，初步设计的混合臂架的强度与刚度均满足设计要求。
(3) 通过控制参数变量截面宽度、截面高度，折弯半径以及板厚大小进行多目标优化分析，保证臂架长度保持不变，经过有限元大量的迭代计算，最后得到三组较优解的参数，应力、应变以及质量结果均得到了优化，尤其是降重方面，最大降重 26.3kg。通过该优化设计方法，不仅能确定各输入参数对输出参数的影响趋势和程度，也能根据设置的目标限定给出最符合要求的最优解，减少了产品设计周期，提高了产品可靠性。
(4) 对整车的其他结构进行了配套设计，设计出的整车进行了实车状态试验、作业参数试验以及稳定性试验。试验结果表明，该 9m 级混合臂架的小型高空作业车符合设计要求。
参考文献（略）
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