城市化建设的飞速发展，城市的高层建筑群越来越多，对适合于此类建筑物施工的高空作业车设备需求量与日俱增。作业臂是高空作业平台出租的重要承载部件之一，也是整机结构强度相对薄弱的部分，其力学性能对机械的正常运转有直接影响，为了保证工作人员高空作业时的人身安全，其作业臂有着严格的设计要求。

　　1. 绪论

　　高空作业车要适应高层建筑的恶劣环境，因为工人们的安全必须被保证，工人们必须带着安全感工作。结构件的设计和强度必须进行校验以提高好的工作条件。借助于一种经验设计方法，我们必须通过理论的方法研究出一种解决问题的工具。

　　1.1 课题的研究背景与意义

　　工程机械广泛应用于经济建设的各部门，在整个经济发展中占有十分重要的地位。近年来，工程机械发展迅速，特别是随着高科技的广泛应用，带动了整个工业的迅猛发展，设计上的优化、仿真，使大型工程机械有了更广阔的发展空间。

　　高空作业车是一种用来运送工作人员和工作器材到达指定高度进行作业的工程机械。由于它具有机动灵活、操作简单、安全可靠等特点，因此被广泛地用于大型场馆、桥梁、港口海岸的检护等方面，有着广阔的发展前景。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相比有一定的差距，主要表现为技术含量低、结构笨重、作业时稳定性能差等。

　　通过本课题的研究掌握高空作业车作业臂的结构设计理论和方法，从而实现较大的作业高度与幅度，提高使用的可靠性，为研制高空作业车工作臂奠定基础，这具有现实的重要意义。

　　1.2 课题国内外的发展状况

　　高空作业车在世界上已有几十年的发展历史，现已成为一个完整的专用产品研发、生产体系。如德国的TIRRE，意大利的RICO、芬兰的BRONTO，英国的COLES等，且它们各有侧重，COLES侧重于车在高空作业平台，BRONTO侧重于高空消防车系列。高空作业车发展到现在，其作业高度已达到72m，作业车的可靠性、安全性、舒适性、操作方便和简单的直接性等方面都有较大的提高。

　　国内高空作业机械发展刚刚起步，只有十几年时间的发展历史，虽然起步晚较迟缓，经过商空作业机械制造企业的生产发展，已逐步形成走向稳定发展的轨道。但国内生产制造的高空作业车同国外同类型高空作业机械产品相比有一定差距，主要表现为技术含量低、大型的较少、结构笨重、作业时微动性能差等问题 在开发研制设计过程中，应采取有效措施、试验研究，逐项加以解决，以缩小差距。我国基础设施建设领域的持续高速发展，使市场对各种高空作业平台的需求量大增。而由于大胆尝试体制和机制创新，国内高空作业平台企业的内生动力与竞争力不断增强，市场开拓能力明显增强，多元化的经营方式使市场成交量不断增加。

　　1.3 限元法原理与应用

　　有限元法的基本思想，是将弹性连续体划分成有限个单元体，并认为相邻单元之间仅在有限个节点上相互连接。根据物体珠几何形状、载荷特征、边界约束特征等，单元有各种类型。节点一般都在单元边界上，节点的位移分量是作业结构的基本未知量，这样组成有限元集合体，并在引进等效节点力及节点约束条件。由于节点数目有限，就成为具有有限自由度的有限元计算模型，它代替了原来具有无限自由度的连续体，也就是有限元离散化。在此基础上，对每一单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数来近似模拟其位移分量的分布规律，即选择位移模式，再通过虚功原理（或变分原理或其它方法）求得每个单元的平衡方程，就是建立单元节点力与节点之间的关系。最后，把所有单元的这种特性关系，按照保持节点位移连续和节点力平衡的方式集合起来，就可以得到整个物体的平衡方程组，引入边界约束条件后解此方程就求得节点位移，并计算出各单元应力。

　　2. 高空作业车作业臂的结构与设计

　　2.1 作业臂结构特点及工作原理

　　伸缩式吊臂采用操作液压缸来实现变幅，作用在吊臂上的载荷主要有起升载荷、自重、回转惯性力以及风载荷等。吊臂的伸缩方式主要有三种：顺序伸缩、独立伸缩和同步伸缩。吊臂的结构形式如图2-1所示。

　　1—伸缩液压缸 2—支撑滑块 3—变幅液压缸 4—基本臂 5—第2节臂 6—第3节臂伸缩臂由伸缩臂油缸控制，不工作时伸缩臂回缩至基本臂内部；起重作业时，伸缩臂根据需要的起重幅度和起升高度进行伸缩。伸缩臂根部通过销轴与伸缩臂油缸铰接，伸缩臂和基本臂间有滑块，以保证伸缩臂能平稳运动。伸缩臂与油缸、基本臂根部和回转平台也通过水平销轴铰接。

　　2.2 作业臂的截面分类

　　在科学研究和工程实践中，随着钢材性能的不断提高，工程师可以采取优化作业臂截面结构来减轻作业臂的重量，为此对作业臂的截面形式作了许多探讨，归纳起来主要有四边形截面、五边形截面、六边形截面、八边形截面以及椭圆形截面等不同的截面形式。因此研究采用何种截面形式能使作业臂的自重较小，结构性能提高，材料利用更充分，是伸缩式吊臂优化设计的主要方向之一。常见的作业臂截面形式如图2-2所示。

　　四边形剖面大多由上盖板、下盖板、腹板联接，工艺简单，优点突出，抗弯强度好，抗扭刚强度好等，当前高空作业车作业臂大多采用此截面。然而这种截面缺点明显，材料的承载能力不能充分发挥出来，并且各作业臂间要想很好地传递扭矩和横向力需设附加支撑，较差的稳定性体现出来，这就需要设置纵向筋在隔板上且要保持一定距离，或者安装斜向筋在腹板的外侧，以达到作业臂抗屈曲能力的提升。五边形剖面的下盖板和腹板板的宽度较实际小，这样作业臂局部的抗失稳能力的到提高。在四角处均有前后滑块支撑，这样结构的横向力和扭矩都能更好地传递，伸缩臂各板之间局部弯曲不再产生，因此这种截面的伸缩作业臂机械性能能更大的发挥出来，目前在我国，五边形的作业臂应用较多。

　　3. 结论

　　通过本文的研究，掌握高空作业车作业臂的结构设计理论和分析方法，得出较为准确的设计方法从而达到优化结构、减轻自重、提高可靠性的目的，为研制高空作业车奠定基础。