一种高空维护设备的结构设计与分析

熊 迁 高 东 苏春洲 谭 宁 张 扬 李银刚 刘 海 倪 卫

（1.激光聚变研究中心，绵阳 621000；2.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001）

根据不同的工况条件，工程用起重机具备不同功能，目前比较常用的高空作业类设备都主要具备装夹、升降和回转等各种机械功能[1]。高空维护用起重类设备逐步向自动化和智能化、功能多样、体积轻便以及操作灵活等方面发展。国外市场的高空作业产品中，欧美的捷尔杰、特雷克斯、阿尔泰克，以及日本的加藤、多田野和爱知等企业生产的产品都比较有代表性，体现了当前高空作业类设备的技术水平[2]。国内起重高空作业车的研制起步较晚，但是由于国内市场大、需求广，我国企业也开发出较多典型的系列产品，如徐州重工集团、三一重工等，其部分产品甚至填补了行业研究空白[3-5]，为其他产品的设计和制造提供了较好的研究基础和应用案例。

综上所述，高空作业类设备的主要发展方向是结构紧凑性、控制自动化、操作便捷性和设备智能化发展。针对某系统特殊工况需求，并借鉴高空作业类设备研发技术和经验，笔者设计了一种高空维护设备，并进行相关分析，制造了设备样机。

1 基本工作流程

工作模拟环境如图1所示，要求在距离地面13m的球形腔体内进行作业，球形腔体内布置了若干光机单元模块，且部分模块为异性结构，使得内部作业环境异常复杂。普通的商用剪式升降车等常规设备无法满足在球形腔体内对光机单元模块进行维护的功能需求，必须要开发一种针对此特殊工况要求的高空维护设备。按照工艺规划设计，高空维护设备停靠在泊位，需要作业时由泊位转运至工作位置，并进行必要支撑。工作人员就位后，高空维护设备由主伸缩臂提升，并达到球形腔体内工作位置，随后再由回转结构和伸缩工作台调整，实现高空维护设备前端在球形腔体内任意位置可达，顺利开展相关维护作业。作业完成后，高空维护设备各个运动关节自动归零，并转运至泊位。

2 总体设计方案

高空维护设备由底盘结构、回转结构、垂直液压缸、垂直伸缩臂、电动推杆、水平伸缩臂和工作台等模块组成，如图2所示。采用底盘结构实现高空维护设备整体移动，主伸缩臂的伸缩实现高空维护设备垂直方向提升，伸缩工作台的伸缩实现高空维护设备水平方向变幅调整，回转结构实现高空维护设备绕垂直方向的旋转，这样垂直方向提升、水平方向变幅和垂直方向旋转三个方向复合运动，就可以实现高空维护设备前端的伸缩工作台在球形腔体内的任意位置可以到达。

图1 工作模拟环境

图2 高空维护设备总体结构

3 主要单元模块结构设计

3.1 驱动方式选择

3.2 底盘结构设计

图3 底盘结构

3.3 回转结构设计

高空维护设备要求将工作台送到球形腔体内壁的任意工作位置，因为球形腔体为规则的几何体，因此根据工艺流程分析在工作台达到球形腔体内某位置后，其作圆周运动即可实现在球形腔体内某纬度工作位置可达，因此高空维护设备实现绕垂直方向的回转运动是必不可少的功能。为了实现这一功能，需要在高空维护设备的非回转部分的底盘结构和旋转部分之间设计一个传力系统，即回转支承系统[7]。

回转支承系统采用液压驱动齿轮方式实现高空维护设备的正、反方向的转动，这是一个相对成熟的结构形式，基本原理是液压方式驱动外圈齿轮，外圈齿轮系统通过螺栓紧固在底盘结构上，内圈齿轮与回转部分紧固在一起，外圈齿轮与内齿圈啮合，实现回转运动。整个回转部分在装配阶段进行了齿轮模数和啮合的调节后，传动效率较高，结构紧凑。为了降低整个回转结构的高度，回转支撑采取多点球接触内齿式，其主体结构由两个环形支座构成，这种结构形式使得整个回转结构紧凑，最重要的是可以同时承受轴向力、径向力，并承受一定的倾翻力矩。

3.4 垂直伸缩臂设计

高空维护设备为了对球形腔体内部各个区域进行维护作业，最大工作高度须达到13m，但是由于工作环境限制，其非工作时又需要降低到3.5m以下的高度，才能通过门洞和转运通道。作为高空维护设备升级机构的垂直伸缩臂，就需要采用多节臂方式实现。考虑到底盘结构为液压驱动方式，为了在一个系统上采用相似驱动方式，便于驱动系统实现集中控制，根据工作高度分析和设计，采用了多级液压缸驱动方式分多段实现垂直方向提升，伸缩臂至少需要六节以上才可能满足设计要求，垂直伸缩臂结构如图4所示。伸缩臂与法兰采用螺栓进行紧固，确保提升到最大高度时，仍然满足使用要求，其链接方式如图5所示，多级液压缸布置在垂直伸缩臂的内部，确保了整个高空维护设备外形的美观，但是所有垂直伸缩臂是相对密封的，多级液压缸内部液压管路相对较多，可能出现溢流等故障，这在一定程度上降低了设备的可维护性。

图4 垂直伸缩臂

图5 垂直臂与回转台的法兰连接

3.5 伸缩工作台设计

高空维护设备的工作台采用伸缩式工作台。球形腔内具有较高的洁净度要求，这就要求整个设备在工作过程中不能带来新的污染源，需要对工作平台的材料选择、表面光洁度处理、运动关节润滑以及驱动方式等因素进行综合考虑。根据相关洁净设计规范，选用了不锈钢和铝合金为主体的材料，表面采用电镀抛光方式进行处理，设计要求在进行装配之前对零部件进行高压喷淋或者超声波清洗，零部件达到设计洁净度要求后才能进行后续装配。对于运动副，一般情况不添加润滑油，对于必须要添加的位置，需要选用洁净室专用低挥发性润滑油进行适当润滑。根据工艺需求，工作台需要实现伸缩，实现在球形腔体内的变幅运动，人们需要采用电动方式进行驱动。为了使结构紧凑，也采用了伸缩方式，确保工作台变幅范围满足设计要求，如图6所示。此外，为了保障工作人员在工作台上的安全，按照安全相关要求，设置了栏杆等辅助结构。

图6 伸缩工作台

4 高空维护设备受力分析

在已经建立的有限元系统模型的基础上，对高空维护设备进行受力分析，将三维模型直接转化为力学分析模型，静力学分析模型如图7所示。设模型的节点数为n，在工作台最远端施加工作载荷大小为F，方向为Y方向的节点集中载荷，分析时支腿与地面设置为全接触方式，即作为全约束的固定支撑点。

图7 高空维护设备静力学分析模型

经过静力学计算后，高空维护设备模型最大等效应力发生在水平工作台第二节伸缩臂与其基本臂搭接处，大小为212MPa，小于许用应力，且有足够的安全余量，满足强度条件设计要求，如图8所示。高空维护设备最大变形位移出现在水平伸缩工作台最前端，最大值为42.55mm，仅为整体工作高度的0.3%，满足设计规范中的刚度要求，如图9所示。

图8 球形腔内内部维护设备整车应力云图

图9 高空维护设备整车变形云图

在后期计算中，分别获取底盘结构四个支腿底面的节点的支反力之和，底盘车架四个支腿底面节点的垂直反力之和均为正，支腿最大支反力为8774.9N。高空维护设备的等效应力均小于材料的许用应力，满足强度要求；系统最远端的最大变形满足设计规范中的刚度条件要求，且具有足够的抗倾翻力矩的安全余量，满足高空维护设备抗倾翻稳定性要求。

5 结论

本文设计了一种高空维护设备整机，分析了其主要驱动方式、底盘结构、回转结构、垂直伸缩臂和伸缩工作台等主要单元模块，完成了高空维护设备的技术方案。同时，基于ANSYS平台，对高空维护设备进行了静力学的有限元分析，在最大工作幅度条件下施加了最大负载，分析计算结果表明，最大变形满足设计规范中的刚度和强度要求。该高空维护设备满足某系统球形腔体维护作业要求，对相关设备的完善、设计及优化具有一定的借鉴意义。

[1]滕儒民，王忠元，王鑫.随车起重机产品发展状况及技术发展趋势（下）[J].建设机械技术与管理，2013，（2）：87-92.

[2]王遐.解读国内外随车起重机行业概况[J].建筑机械，2006，（3）：18-19.

[3]曹龙龙.高空作业车臂架结构设计分析及优化[D].秦皇岛：燕山大学，2014：7.

[4]郭佳.混合臂式高空作业车的结构设计及分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013：15.

[5]王滕.桥式架线高空作业车的研究与应用[J].中国建设教育，2015，（2）：59-60.

[6]吴斐文，张海荣.电力驱动型式及应用的最新趋势[J].船舶，2002，（4）：45-51.

[7]顾迪民.工程起重机[M].北京：中国建筑工业出版社，1987：95-96.