基于ProE车载式举升平台三维虚拟设计
基于ProE车载式举升平台三维虚拟设计
1 引言
高空作业车是电力、通讯、交通、消防、救援、建筑等行业进行施工、维护修理等作业的理想设备。它是用来运送工作人员和工作设备到指定高度进行工作的特种车辆，是将高空作业装置安装在汽车地盘上组成的。高空作业车装置包括高空作业臂、起重工作臂、起升机构、动力系统、液压系统、电气系统还有操作装置等部分组成。现有的高空作业车装置具有操作平顺、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，具有汽车的行驶通过性能，机动灵活，行驶速度高，可快速移动，转移到作业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、石化、电力、影视、市政、园林等许多行业，是今年来国内发展最快的专用汽车产品之一。
高空作业车按工作臂的型式，有四种基本型式，分别为：垂直升降式、折叠臂式、伸缩臂式和混合臂式。垂直升降式高空作业车的升降机构只能在垂直方向上进行运动。它的主要特点是结构简单，承载能力强，但作业范围小，作业高度低，这种结构型式应用比较少。折叠臂式高空作业车工作臂之间的连接全部采用铰链型式，所以国外又把它叫做铰链式高空作业车。折叠臂高空作业车结构适合于较低高度的车型，如果要加大作业高度，必然要增加臂长或增加工作臂数量，增加臂长会使作业车体积，降低灵活性，增加工作臂数量会造成操作繁琐，安全性降低。伸缩臂式的高空作业车在行驶状态时，工作臂缩回套叠，工作时伸出，可以有效增大作业高度，同时具有工作效率高、操作简单、动作平稳等特点。混合臂式高空作业车工作臂之间既有铰链，也有伸缩，是折叠臂式和伸缩臂式高空作业车的结合，它综合了两种结构型式的优点，工作性能最好。但结构也最为复杂。
目前国内生产的高空作业车几乎全部是折叠臂式的，有更大的市场需求。随着我国国民经济的蓬勃发展，高空作业车的需求量迅速上升，作业高度从十几米到几十米不等，其工作平台的调平经历了从自重调平到电液调平的发展过程。
现在的经济生活中对高空作业车的需求越来越高，本课题的目的是通过对折臂高空作业车的虚拟设计仿真技术研究，设计折臂高空作业车各个结构部分，本设计的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种结构巧妙、新颖的折叠式举升机构，其能够在通道狭小、建筑墙高、空间小的场合下工作，适用于各种形式的建筑。
1.1 高空作业车的概况及其发展方向
欧美及日本等国家在研究高空作业车方面走在前列，技术水平领先。2000年6月20日至15日，由德国产业示范展示公司主办的“世界防灾2000”展会在德国奥格斯堡举行，它每年举行一次，主要展示世界各国的消防设备，可以增进人们对世界未来的防灾设备和技术动态的了解，受到世界各国的普遍重视。高空作业车为主要的消防车设备，在此展览中最为常见。
日本日立建机株式会社集多年经验并采用多项新技术HX99B型履带式高空作业车，安全性好，使用和维修性能好。日本竹中工务店株式会社和昭和飞机工业株式会社共同开发了带联动型悬浮机构的新型高空作业车，克服了工地路况差、障碍物多导致的整车稳定性差和不安全性。
到目前为止，国内生产企业已由七八家发展到一百余家，截至2012年6 月，列入工信部公告的生产高空作业车的厂家共50家；生产高空作业平台的企业有100余家；与国外合资企业有4家；国外独资企业有4家。我国高空作业车产品市场需求一直保持了较快增长。据统计，2005年我国高空作业车产销量为980台,2010年则达到了1870台,收入规模约 9亿元。
总言之高空作业车是近年来发展最快的专用汽车之一。
1.2需求前景及趋势预测
随着我国国民经济的快速发展以及国家对安全生产、文明施工、电网安全的日益重视，我国高空作业车产品应用领域正从传统的市政、电力行业向石化、通信、灾害救援等行业领域拓展，未来随着高空作业车租赁业务的发展，我国高空作业的应用领域将向物业装修、酒店、高速铁路、比赛场馆等行业领域拓展、渗透。而高空作业车的传统应用领域电力、路灯、园林等行业的应用也将得到进一步深化。
以电力行业为例，我国中等城市电力公司平均只拥有高空作业车5-8 台，大量的县级电力公司只有1-2 台，西部及贫困地区则很少配备甚至没有配备，这与满足其正常需求尚有明显差距。作为专用高空作业平台，高空作业车由于其能显著提高劳动生产效率，有效降低劳动强度和安全事故率，在西方经济发达国家已成为装备制造业中的重要施工设备。
总体上看，发达国家高空作业车行业技术和市场均已比较成熟，典型产品具有高空作业、抢险、救援等功能，作业平台最大载荷可达500Kg，最大作业高度已达120多米，具有多种安全保护措施，适应在各种场地作业。作为专用高空作业平台，高空作业车由于其能显著提高劳动生产效率，有效降低劳动强度和安全事故率，在西方经济发达国家已成为装备制造业中的重要施工设备。未来10年内,高空作业车销量将迎来大幅增长,到2020年,对高空作业车的年需求预计将达到12000台,产值达70亿元,行业十年内销量复合增长率将达到20.43%。
1.3 本课题背景及设计内容
随着城市规模和经济建设的发展，对高空作业车的需求越来越高。在繁华的商业街、密集的工矿企业，大中型高空作业车已不能较好地满足实战要求，而这些地方发生的火灾事故多种多样且呈上升趋势。因此，急需一种体积小、反应快、机动灵活、具备多功能的小型作业车。而且从市场调查的情况来看，这种高空作业车的需求量逐年增加。
本课题的目的是通过对折臂高空作业车的虚拟设计仿真技术研究，通过三维软件虚拟设计折臂高空作业车举升机构各个结构部分，以及整体车型的分配方案，来满足现有高空作业车产品注重的行驶性能和驾驭性能。
2 高空作业车组成结构
高空作业车不工作时如图1所示，该高空作业车利用液压缸、液压马达实现高空作业平台到达指定位置，并通过电液调平机构使工作平台始终处于水平位置。基座的旋转机构总成是由液压马达，旋转轴承和旋转大齿轮组成，其中大齿轮是固定的，液压马达与基座固定在一起，通过液压马达在大齿轮上的运动实现基座旋转，这个旋转是360°无间断的旋转，保证工作空间的连续性。
本设计在传统液压举升结构系统的基础上，在起重臂和基座之间加上了平行四边形的举升机构，利用平行四边形对边始终平行不变的特性，实现举升操作，这一设计使得高空作业车的举升高度大为提升，可以克服一些工作死角。对于高空作业车工作平台工作平台的调平问题，本设计采用最新的电液调平原理，设计了如图1所示的调平机构，通过放置于载人平台1的测水平感应装置，判断载人平台此时倾斜的角度，电液调平机构产生电压输出到液压系统，来控制载人平台调平液压缸2的动作，从而实时保证载人平台处于水平位置。
1—工作平台（载人平台）；2—载人平台调平液压缸；3—工作折叠臂；4—举升辅臂；5—平行机构主臂；6—平行举升臂；7—基座；8—主臂；9—液压马达；10—三角支撑杆；11—基座回旋机构总成
图1 高空作业车装配总图
高空作业车的最大举升高度的工作状态如图2所示，可以看到在加入平行四边形举升机构之后，使传统的举升臂举升机构的举升高度大为增加，载人平台通过电液调平机构始终保持在水平位置，来保证工作人员的安全。
整个举升机构的液压系统操作箱位于载人平台1上，操作箱里有每个液压缸的动作操作杆，操作人员可以根据自己的工作需要随时调整载人平台的工作高度和工作位置。回转机构由液压马达、回转减速机以及回转大齿轮、回转支承等组成。举升机构进行回转时，工作人员操作回转机构的操作杆，使回转液压马达输出动力，通过回转减速机减速后带动小齿轮随着基座大齿轮旋转，小齿轮与回转支承的齿圈啮合，由于回转支承的齿圈与车体是刚性连接的，而基座与回转减速机是刚性连接，因此回转减速机随之带动基座进行回转的动作。
高空作业车的动力系统来源于底盘的发动机，其动力由传动机构从底盘变速箱输出。取力器和变速箱之间的动力传递由机械式操纵系统控制，平时取力器与变速箱取力齿轮处于断开状态，当进行高空作业时，操作拉杆使取力器的滑移齿轮与变速箱的输出取力齿轮啮合，取力器输出轴带动油泵工作，从而将发动机的机械能转为液压能，为系统提供动力，液压油传递的液压能在机械传动配合液压缸、液压马达和液压泵是非常常见的一种利用能源的方式。
高空作业车的整个电力系统包括示廓灯、警示灯、照明灯等灯具，便于夜间其他人员识别和对无关人员的安全警示作用。
图2 高空作业车最大举升高度
3 高空作业车的主要结构设计
以下就高空作业车举升平台的主要结构以及工作过程中的功能进行分析。本次所有的机构设计均在Pro/E中完成，因此下面主要讲解如何在Pro/E中，完成本次高空作业车主要结构的设计。
3.1 基座旋转机构部分
表1 高空作业车基座旋转机构主要结构
序号 名称
1 大齿轮固定基座
2 旋转机构齿轮护罩
3 基座固定螺栓
4 基座大齿轮旋转轴承总成
5 基座固定板
6 举升机构基座
7 举升臂固定销钉总成
8 旋转液压马达固定板
9 旋转液压马达
10 液压马达小齿轮
11 固定大齿轮
如图3所示，基座旋转机构主要结构主要由大齿轮固定基座、旋转机构齿轮护罩、基座固定螺栓、基座大齿轮旋转轴承总成、基座固定板、举升机构基座、举升臂固定销钉总成、旋转液压马达固定板、旋转液压马达、液压马达小齿轮、固定大齿轮等结构组成，各个机构协调作用，保证举升机构不仅可以到达指定的高度，而且可以进行360°的自由旋转，使整个机构在高空作业车固定不移动的情况下，也可以使作业平台随意到达旋转半径以内的工作位置。
1 引言
高空作业车是电力、通讯、交通、消防、救援、建筑等行业进行施工、维护修理等作业的理想设备。它是用来运送工作人员和工作设备到指定高度进行工作的特种车辆，是将高空作业装置安装在汽车地盘上组成的。高空作业车装置包括高空作业臂、起重工作臂、起升机构、动力系统、液压系统、电气系统还有操作装置等部分组成。现有的高空作业车装置具有操作平顺、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，具有汽车的行驶通过性能，机动灵活，行驶速度高，可快速移动，转移到作业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、石化、电力、影视、市政、园林等许多行业，是今年来国内发展最快的专用汽车产品之一。
高空作业车按工作臂的型式，有四种基本型式，分别为：垂直升降式、折叠臂式、伸缩臂式和混合臂式。垂直升降式高空作业车的升降机构只能在垂直方向上进行运动。它的主要特点是结构简单，承载能力强，但作业范围小，作业高度低，这种结构型式应用比较少。折叠臂式高空作业车工作臂之间的连接全部采用铰链型式，所以国外又把它叫做铰链式高空作业车。折叠臂高空作业车结构适合于较低高度的车型，如果要加大作业高度，必然要增加臂长或增加工作臂数量，增加臂长会使作业车体积，降低灵活性，增加工作臂数量会造成操作繁琐，安全性降低。伸缩臂式的高空作业车在行驶状态时，工作臂缩回套叠，工作时伸出，可以有效增大作业高度，同时具有工作效率高、操作简单、动作平稳等特点。混合臂式高空作业车工作臂之间既有铰链，也有伸缩，是折叠臂式和伸缩臂式高空作业车的结合，它综合了两种结构型式的优点，工作性能最好。但结构也最为复杂。
目前国内生产的高空作业车几乎全部是折叠臂式的，有更大的市场需求。随着我国国民经济的蓬勃发展，高空作业车的需求量迅速上升，作业高度从十几米到几十米不等，其工作平台的调平经历了从自重调平到电液调平的发展过程。
现在的经济生活中对高空作业车的需求越来越高，本课题的目的是通过对折臂高空作业车的虚拟设计仿真技术研究，设计折臂高空作业车各个结构部分，本设计的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种结构巧妙、新颖的折叠式举升机构，其能够在通道狭小、建筑墙高、空间小的场合下工作，适用于各种形式的建筑。
1.1 高空作业车的概况及其发展方向
欧美及日本等国家在研究高空作业车方面走在前列，技术水平领先。2000年6月20日至15日，由德国产业示范展示公司主办的“世界防灾2000”展会在德国奥格斯堡举行，它每年举行一次，主要展示世界各国的消防设备，可以增进人们对世界未来的防灾设备和技术动态的了解，受到世界各国的普遍重视。高空作业车为主要的消防车设备，在此展览中最为常见。
日本日立建机株式会社集多年经验并采用多项新技术HX99B型履带式高空作业车，安全性好，使用和维修性能好。日本竹中工务店株式会社和昭和飞机工业株式会社共同开发了带联动型悬浮机构的新型高空作业车，克服了工地路况差、障碍物多导致的整车稳定性差和不安全性。
到目前为止，国内生产企业已由七八家发展到一百余家，截至2012年6 月，列入工信部公告的生产高空作业车的厂家共50家；生产高空作业平台的企业有100余家；与国外合资企业有4家；国外独资企业有4家。我国高空作业车产品市场需求一直保持了较快增长。据统计，2005年我国高空作业车产销量为980台,2010年则达到了1870台,收入规模约 9亿元。
总言之高空作业车是近年来发展最快的专用汽车之一。
1.2需求前景及趋势预测
随着我国国民经济的快速发展以及国家对安全生产、文明施工、电网安全的日益重视，我国高空作业车产品应用领域正从传统的市政、电力行业向石化、通信、灾害救援等行业领域拓展，未来随着高空作业车租赁业务的发展，我国高空作业的应用领域将向物业装修、酒店、高速铁路、比赛场馆等行业领域拓展、渗透。而高空作业车的传统应用领域电力、路灯、园林等行业的应用也将得到进一步深化。
以电力行业为例，我国中等城市电力公司平均只拥有高空作业车5-8 台，大量的县级电力公司只有1-2 台，西部及贫困地区则很少配备甚至没有配备，这与满足其正常需求尚有明显差距。作为专用高空作业平台，高空作业车由于其能显著提高劳动生产效率，有效降低劳动强度和安全事故率，在西方经济发达国家已成为装备制造业中的重要施工设备。
总体上看，发达国家高空作业车行业技术和市场均已比较成熟，典型产品具有高空作业、抢险、救援等功能，作业平台最大载荷可达500Kg，最大作业高度已达120多米，具有多种安全保护措施，适应在各种场地作业。作为专用高空作业平台，高空作业车由于其能显著提高劳动生产效率，有效降低劳动强度和安全事故率，在西方经济发达国家已成为装备制造业中的重要施工设备。未来10年内,高空作业车销量将迎来大幅增长,到2020年,对高空作业车的年需求预计将达到12000台,产值达70亿元,行业十年内销量复合增长率将达到20.43%。
1.3 本课题背景及设计内容
随着城市规模和经济建设的发展，对高空作业车的需求越来越高。在繁华的商业街、密集的工矿企业，大中型高空作业车已不能较好地满足实战要求，而这些地方发生的火灾事故多种多样且呈上升趋势。因此，急需一种体积小、反应快、机动灵活、具备多功能的小型作业车。而且从市场调查的情况来看，这种高空作业车的需求量逐年增加。
本课题的目的是通过对折臂高空作业车的虚拟设计仿真技术研究，通过三维软件虚拟设计折臂高空作业车举升机构各个结构部分，以及整体车型的分配方案，来满足现有高空作业车产品注重的行驶性能和驾驭性能。
2 高空作业车组成结构
高空作业车不工作时如图1所示，该高空作业车利用液压缸、液压马达实现高空作业平台到达指定位置，并通过电液调平机构使工作平台始终处于水平位置。基座的旋转机构总成是由液压马达，旋转轴承和旋转大齿轮组成，其中大齿轮是固定的，液压马达与基座固定在一起，通过液压马达在大齿轮上的运动实现基座旋转，这个旋转是360°无间断的旋转，保证工作空间的连续性。
本设计在传统液压举升结构系统的基础上，在起重臂和基座之间加上了平行四边形的举升机构，利用平行四边形对边始终平行不变的特性，实现举升操作，这一设计使得高空作业车的举升高度大为提升，可以克服一些工作死角。对于高空作业车工作平台工作平台的调平问题，本设计采用最新的电液调平原理，设计了如图1所示的调平机构，通过放置于载人平台1的测水平感应装置，判断载人平台此时倾斜的角度，电液调平机构产生电压输出到液压系统，来控制载人平台调平液压缸2的动作，从而实时保证载人平台处于水平位置。
1—工作平台（载人平台）；2—载人平台调平液压缸；3—工作折叠臂；4—举升辅臂；5—平行机构主臂；6—平行举升臂；7—基座；8—主臂；9—液压马达；10—三角支撑杆；11—基座回旋机构总成
图1 高空作业车装配总图
高空作业车的最大举升高度的工作状态如图2所示，可以看到在加入平行四边形举升机构之后，使传统的举升臂举升机构的举升高度大为增加，载人平台通过电液调平机构始终保持在水平位置，来保证工作人员的安全。
整个举升机构的液压系统操作箱位于载人平台1上，操作箱里有每个液压缸的动作操作杆，操作人员可以根据自己的工作需要随时调整载人平台的工作高度和工作位置。回转机构由液压马达、回转减速机以及回转大齿轮、回转支承等组成。举升机构进行回转时，工作人员操作回转机构的操作杆，使回转液压马达输出动力，通过回转减速机减速后带动小齿轮随着基座大齿轮旋转，小齿轮与回转支承的齿圈啮合，由于回转支承的齿圈与车体是刚性连接的，而基座与回转减速机是刚性连接，因此回转减速机随之带动基座进行回转的动作。
高空作业车的动力系统来源于底盘的发动机，其动力由传动机构从底盘变速箱输出。取力器和变速箱之间的动力传递由机械式操纵系统控制，平时取力器与变速箱取力齿轮处于断开状态，当进行高空作业时，操作拉杆使取力器的滑移齿轮与变速箱的输出取力齿轮啮合，取力器输出轴带动油泵工作，从而将发动机的机械能转为液压能，为系统提供动力，液压油传递的液压能在机械传动配合液压缸、液压马达和液压泵是非常常见的一种利用能源的方式。
高空作业车的整个电力系统包括示廓灯、警示灯、照明灯等灯具，便于夜间其他人员识别和对无关人员的安全警示作用。
图2 高空作业车最大举升高度
3 高空作业车的主要结构设计
以下就高空作业车举升平台的主要结构以及工作过程中的功能进行分析。本次所有的机构设计均在Pro/E中完成，因此下面主要讲解如何在Pro/E中，完成本次高空作业车主要结构的设计。
3.1 基座旋转机构部分
表1 高空作业车基座旋转机构主要结构
序号 名称
1 大齿轮固定基座
2 旋转机构齿轮护罩
3 基座固定螺栓
4 基座大齿轮旋转轴承总成
5 基座固定板
6 举升机构基座
7 举升臂固定销钉总成
8 旋转液压马达固定板
9 旋转液压马达
10 液压马达小齿轮
11 固定大齿轮
如图3所示，基座旋转机构主要结构主要由大齿轮固定基座、旋转机构齿轮护罩、基座固定螺栓、基座大齿轮旋转轴承总成、基座固定板、举升机构基座、举升臂固定销钉总成、旋转液压马达固定板、旋转液压马达、液压马达小齿轮、固定大齿轮等结构组成，各个机构协调作用，保证举升机构不仅可以到达指定的高度，而且可以进行360°的自由旋转，使整个机构在高空作业车固定不移动的情况下，也可以使作业平台随意到达旋转半径以内的工作位置。
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