一种高空作业装备的铝合金臂设计制造方法及结构

技术领域

本发明涉及高空作业车机械领域，具体涉及一种高空作业装备的铝合金臂设计制造方法及结构。

背景技术

城市化的发展与机械化进程的息息相关，人们对高空作业类机械领域提出的要求也逐渐变高，高空作业车在城建、桥梁维修等领域广泛使用。其中蓝牌式高空作业车驾驶所需资质要求不高，且在市区内可以自由通行而不受太多限制、运营高空作业工作，然而其尺寸及整车质量在国家标准下会受到一定的限制。若想继续将高空作业车作业幅度继续增大，同时也要将整车质量控制在国家标准以下，就越来越有必要对臂体进行轻量化设计，使得整车质量下降。

现有的高空作业车(简称高空车)臂体截面大部分设计成较为规则的多边形结构(例如四边形、五边形、六边形等)及臂体下部成U型结构等；国家标准对现有蓝牌高空车的整车质量及尺寸有较为严格的限制，当前臂体所使用的板材大多均为钢材，采用拼焊得到完整臂体，板的厚度多采用3-5mm，这样使得臂体的整体质量相对较为笨重。

当前臂体所使用的材料大多为钢材，且采用拼焊得到完整臂体，通常还会在臂体局部焊接加强板，这很可能会导致臂体的焊接变形，同时会使得臂体自身质量增大，而高空车整车质量受到国家强制标准的限制，导致高空车臂体整长受到限制，从而使得作业幅度及高度受到一定的限制。现有的多边形截面及U型等截面在设计上存在一定的缺点，如在滑块区域臂体接触应力值过大，超出材料的屈服强而导致臂体强度破坏或屈曲破坏。工程建设大型化的作业需求，驱动着蓝牌高空车作业参数(作业高度、作业幅度)向大米数发展，受国家强制标准对高空作业装备重量制约，臂体的轻量化设计与制造能力成为产品向高端化发展瓶颈技术。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明目的具体涉及一种高空作业装备的铝合金臂设计制造方法及结构。根据伸缩式臂体的受力特点，设计一种较优的臂体截面形状及尺寸比例，能够保证臂体刚强度要求。由于铝合金材料密度(2.7*E-9t/mm

本发明提供的技术方案如下：

一种高空作业装备的铝合金臂设计制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据最危险工况建模仿真，获得臂体截面大致形状和尺寸，得到臂体最大应力值及位移形变，仿真分析臂体刚强度是否满足要求，如果不满足，继续对臂体截面进行优化设计，直至满足臂体刚强度要求。

进一步的，所述高空作业装备的铝合金臂的截面包括顶部、底部和侧面，所述顶部和侧面采用变厚度设计，所述顶部壁厚根据臂体总宽计算得到，所述侧面和底部臂厚根据臂体总高计算得到。

进一步的，所述底部包括水平区域和倾斜区域，所述倾斜区域与水平区域夹角θ选取150°≤θ≤160°之间。

本发明还提供一种高空作业装备的铝合金臂，由上述方法设计得到。

进一步的，所述高空作业装备的铝合金臂的截面包括顶部、底部和侧面，所述顶部和侧面采用变厚度设计。

进一步的，所述顶部厚度包括第一顶部壁厚t0和第二顶部壁厚t1，所述第二顶部臂厚t1选取区间为0.035b0≤t1≤0.042b0，其中b0为臂体总宽；所述第一顶部臂厚t0选取区间为0.32t1≤t0≤0.50t1；所述第一顶部厚度区域宽度b2选取区间在0.35b0≤b2≤0.42b0。

进一步的，所述侧面厚度包括第一侧面臂厚t2、第二侧面臂厚t3和、第三侧面臂厚t4，所述第一侧面臂厚t2选取区间为0.025h0≤t2≤0.032h0，其中h0为臂体总高；所述第一侧面壁厚区域宽度选取区间为[0.30h0,0.36h0]；所述第二侧面臂厚t3选取区间为0.32t2≤t3≤0.50t2；所述第二侧面壁厚区域宽度选取区间为0.42h0≤h1≤0.54h0；所述第三侧面臂厚t4与第一侧面壁厚t2等厚，其区域宽度区间在[0.16h0，0.22h0]；所述底部臂厚t5与第三侧面臂厚t4等厚。

进一步的，所述顶部和侧面外侧设置有多个加强筋，所述加强筋的截面为半圆形。

进一步的，顶部加强筋的半径r3与第一顶部臂厚t0相等；相邻的两顶部加强筋间隔为38～42mm；侧面加强筋的半径r2与第二侧面臂厚t3相等；相邻的两侧面加强筋间隔为34～36mm；所述顶部两端加强筋的半径r1与第一侧面壁厚t2相等。

本发明还提供一种高空作业装备，包括上述的铝合金臂。

有益效果

本发明采用新型铝合金作为臂体材料，使得臂有较好的刚强度特性，并且降低了臂体单位长度的质量。

本发明采用加筋式异型铝合金臂体截面设计，进一步实现结构轻量化，能够在整车不超重的情况下，臂体做的更长，提高了蓝牌高空作业车的极限作业高度。

使用具有本发明所提出的截面形状的铝合金臂体结构，承载能力提高，总重下降。顶部、两侧及角点处进行了加固处理，提升了臂体结构刚度及抗屈曲能力。

本发明采用可调节设计截面作为新型铝合金臂体截面，提高了新型铝合金臂体结构灵活性与实用性，可根据不同工况实现截面调整，在保证作业安全性的条件下为高空作业车臂体截面使用上提供了更多的选择性。

本发明实现截面设计可调整性，可以根据臂体不同部位进行实际微调，实现了臂体使用过程中的实际适应性。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本发明三维简图；

图3是本发明臂体截面的主视图；

图4是新型铝合金臂体截面形状及关键参数。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明专利进行详细说明。

实施例1

一种高空作业装备的铝合金臂设计制造方法，包括以下步骤：

根据最危险工况建模仿真，通过多次的有限元建模仿真对比分析，不断尝试各尺寸之间的关系对臂体整体刚度与抗弯截面的影响，获得臂体截面大致形状和尺寸，得到臂体最大应力值及位移形变，仿真分析臂体刚强度是否满足要求，即在实际作业工况下臂体的应力水平低于材料屈服强度的1.5倍，如果不满足，继续对臂体截面进行优化设计，直至满足臂体刚强度要求。

进一步的，所述高空作业装备的铝合金臂的截面包括顶部、底部和侧面，所述顶部和侧面采用变厚度设计，所述顶部壁厚根据臂体总宽计算得到，所述侧面和底部臂厚根据臂体总高计算得到。

进一步的，所述底部包括水平区域和倾斜区域，所述倾斜区域与水平区域夹角θ选取150°≤θ≤160°之间。

一种高空作业装备的铝合金臂，由上述方法设计得到。

所述高空作业装备的铝合金臂的截面包括顶部、底部和侧面，所述顶部和侧面采用变厚度设计，所述顶部厚度包括第一顶部壁厚t0和第二顶部壁厚t1，所述第二顶部臂厚t1选取区间为0.035b0≤t1≤0.042b0，其中b0为臂体总宽；所述第一顶部臂厚t0选取区间为0.32t1≤t0≤0.50t1；所述第一顶部厚度区域宽度b2选取区间在0.35b0≤b2≤0.42b0；所述侧面厚度包括第一侧面臂厚t2、第二侧面臂厚t3和、第三侧面臂厚t4，所述第一侧面臂厚t2选取区间为0.025h0≤t2≤0.032h0，其中h0为臂体总高；所述第一侧面壁厚区域宽度选取区间为[0.30h0,0.36h0]；所述第二侧面臂厚t3选取区间为0.32t2≤t3≤0.50t2；所述第二侧面壁厚区域宽度选取区间为0.42h0≤h1≤0.54h0；所述第三侧面臂厚t4与第一侧面壁厚t2等厚，其区域宽度区间在[0.16h0，0.22h0]；所述底部包括水平区域和倾斜区域，所述底部臂厚t5与第三侧面臂厚t4等厚，所述水平区域宽度b1为0.21b0≤b1≤0.32b0，所述倾斜区域与水平区域夹角θ选取150°≤θ≤160°之间。

所述顶部和侧面外侧设置有多个加强筋，所述加强筋的截面为半圆形；所述顶部加强筋的半径r3与第一顶部臂厚t0相等；相邻的两顶部加强筋间隔为38～42mm；所述侧面加强筋的半径r2与第二侧面臂厚t3相等；相邻的两侧面加强筋间隔为34～36mm；所述顶部两端加强筋的半径r1与第一侧面壁厚t2相等。

实施例2

本发明整体结构设计的过程如图1所示，包括以下步骤：

(1)首先要根据臂体作业工况来确定臂体长、宽、高以及臂厚，图3给出了臂体截面形式，每一节臂体通过设计的模具将铝合金材料挤压成型，使其为单一整体结构。通过设计要求将臂体相关位置进行加半圆形筋，两侧各设几处加固点位以及顶部设计几处加固点位，对于实际臂体加工，需要根据各项尺寸进行微调，为保证新型铝合金臂体结构安全性能，各项尺寸之间存在相应的比例关系范围，从而在实现臂体的轻量化的基础上，保证臂体在使用过程中的安全性能。

(2)铝合金臂体截面相关尺寸：顶部及两侧使用变厚度设计，顶部厚度采用第一顶部壁厚t0和第二顶部壁厚t1，两侧壁厚分别采用第一侧面臂厚t2、第二侧面臂厚t3和第三侧面臂厚t4，底部均选用t5厚度，臂体截面总高为h0，臂体截面总高为b0；底部水平宽度为b1，顶部加半圆形筋区域设计总长为b2，侧面加半圆形筋区域设计总高h1；底部倾斜段与水平段的夹角θ，加强筋半径分别为第一加强筋半径r1、第二加强筋半径r2及第三加强筋半径r3，其具体形式见图4所示。

(3)图4给出臂体截面设计样图，在臂体角点位置进行加固，根据设计要求采用半圆形筋对臂体进行加固能最大化提升臂体刚强度、抗屈曲能力以及美观性能。

本发明具体涉及一种高空作业车新型铝合金臂结构设计，其臂体主要通过模具对铝合金材料挤压成型形成单一整体结构，根据臂体受力特点，对其顶部及侧面均有相应的半圆形加强筋设计，使得臂体拥有较好的刚强度特性及抗屈曲能力。

所述臂体顶部臂厚为t1设计区域，其厚度与臂体总宽b0存在一定依附关系，根据作业工况最大荷载，进行仿真计算，得到第二顶部臂厚t1最佳选取区间在0.035b0≤t1≤0.042b0，其设计区域宽度为臂体总宽度b0去除顶部t0设计区域宽度b2；顶部臂体厚度为t0设计区域的宽度为b2，第一顶部臂厚t0选取区间在0.32t1≤t0≤0.50t1，其设计区域宽度b2选取区间在0.35b0≤b2≤0.42b0。

所述臂体侧面臂厚为t2设计区域，其厚度与臂体总高h0存在一定依附关系，第一侧面臂厚t2最佳选取区间在0.025h0≤t2≤0.032h0，其设计区域宽度区间在[0.30h0,0.36h0]；侧面臂体厚度为t3设计区域的宽度为h1，其第二侧面臂厚t3选取区间在0.32t2≤t3≤0.50t2，其设计区域宽度h1选取区间0.42h0≤h1≤0.54h0；第三侧面臂厚t4最佳选取区间与第一侧面壁厚t2等厚，其设计区域宽度区间在[0.16h0，0.22h0]。

所述臂体底部臂厚设计均为t5，其厚度选取与第三侧面臂厚t4等厚，底部水平设计区域宽度b1为0.21b0≤b1≤0.32b0，倾斜设计区域与底部水平区域夹角θ选取150°≤θ≤160°之间。所述臂体在臂体长度方向，可以根据实际情况对截面进行微调，提高关键部位臂体结构稳定性。

所述臂体顶部设计区域厚度为t0宽度为b2内，半圆形加强筋的半径r3与第一顶部臂厚t0相等，半圆形筋的数量与设计区域宽度b2相关，相邻的两加强筋间隔约为38～42mm，可根据实际情况进行调整。臂体侧面设计区域厚度为t3宽度为h1内，半圆形加强筋的半径r2与第二侧面臂厚t3相等，半圆形筋的数量与设计区域宽度h1相关，加强筋的数量为H1/5，向上取整数。两加强筋间隔约为34～36mm，可根据实际情况进行调整。臂体顶部两角点处半圆形加强筋的半径r1与第一侧面壁厚t2相等。

所述臂体截面关键结构尺寸选择可根据臂体实际工况进行选取，获得臂体截面整体尺寸，可根据臂体最恶劣工况下所承受最大荷载进行臂体厚度上下线及设计区域上下限选择。