組裝式儲液塔內(nèi)壁防腐涂料半自動噴涂機設計含SW三維及12張CAD圖-版本1
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組裝式儲液塔內(nèi)壁防腐涂料半自動噴涂機設計（一）
摘 要
本畢業(yè)設計是設計一種專用于儲液塔內(nèi)壁防腐涂料噴涂工作的組裝式高空作業(yè)設備。
整機分為可移動基架、升降裝置、操作平臺三個部分。本文主要負責組裝式儲液塔內(nèi)壁防腐涂料半自動噴涂機的可移動基架部分，要求設計成可折疊式，使其能進入儲液塔直徑1米的圓形入口，設計思路為：先通過討論確定了半自動噴涂機整機的大致結構；而后，確定了可移動基架的加高方案；然后通過比較確定了支腿的結構方案。
在設計中，先確定了基本結構，再通過設計計算或借鑒經(jīng)驗得出各部件的設計尺寸；而后據(jù)設計尺寸及載荷對軸承和腳輪進行了選型；還簡單地計算了螺旋副的基本尺寸。
計算了支腿的最大支反力，為支腿的設計校核提供了可靠數(shù)據(jù)。校核了壓桿的穩(wěn)定性，和壓桿中銷的強度，確保加高設計的安全性。還校核了支腿橫梁的強度，以及支腿豎桿的強度，防止支腿失效導致整機傾覆。
關鍵詞：半自動；高空作業(yè)平臺 ；可折疊 ；組裝式
I
ABSTRACT
This graduation design is to design an assembly type aerial work equipment that is dedicated to the spraying of anticorrosive paint on the inner wall of a liquid storage tower.
The whole machine is divided into three parts: movable base frame, lifting device and operation platform. This article is mainly responsible for the removable base part of the anti-corrosion coating semi-automatic spraying machine for the assembly-type liquid storage tower . It is required to be designed to be foldable so that it can enter the circular entrance of the tank with a diameter of 1 meter. The design idea is as follows: First, the general structure of the semi-automatic spraying machine is determined through discussion; secondly, the heightening plan for the movable base was determined; At last, the structural design of the legs was determined by comparison.
In the design, the basic structure was determined firstly, and then the design dimensions of each component were obtained through design calculations or lessons learned; then the bearings and casters were selected according to the design size and load. The basic dimensions of the spiral pair are also simply calculated.
The maximum leg reaction force of the leg is calculated and reliable data is provided for the design verification of the leg. Check the stability of the pressure bar and the strength of the pin in the pressure bar to ensure the safety of the heightening design. Also checked the strength of the leg cross member, and the strength of the vertical leg of the leg to prevent the legs from failing and causing the entire machine to overturn.
Key Words：semi-automatic； Aerial work platform； Collapsible ；Assembly type
II
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 設計工作的理論意義和應用價值 1
1.2 噴涂機的應用背景 1
1.3 大型罐內(nèi)專用高架作業(yè)平臺的國內(nèi)外應用及發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.4 專用高空作業(yè)平臺發(fā)展趨勢 4
2 方案設計論證 5
2.1半自動噴涂機整體結構設計 5
2.2 可移動基架的方案設計 6
3 可移動基架關鍵部件的設計 9
3.1 底板基本尺寸 9
3.2 鉸支架的設計計算 11
3.3 支腿的設計計算 11
4 強度與穩(wěn)定性校核 18
4.1 壓桿的穩(wěn)定性校核 18
4.2 支腿橫梁的強度校核 21
4.3 壓桿上銷的強度校核 25
5 結 論 27
附錄1：外文翻譯 29
附錄2：外文原文 37
致 謝 45
組裝式儲液塔內(nèi)壁防腐涂料半自動噴涂機設計（一）
1 緒論
組裝式儲液塔內(nèi)壁防腐涂料半自動噴涂機是用于儲液塔內(nèi)壁防腐涂料的噴涂工作的專用設備。在我國還是大多靠工人用腳手架或吊裝用機械設備在儲液塔內(nèi)部上下移動并進行噴涂工作，這些設備的用料多、安裝時間長、可移動性差、費時費力，所以本文設計了一種專用于儲液塔內(nèi)壁防腐涂料噴涂工作的組裝式高空作業(yè)設備。高空作業(yè)平臺（aerial work platform），是指用來運送人員、工具和材料到指定位置進行工作的設備，包括帶控制器的工作平臺、伸展機構和底盤[1]。本章就高空作業(yè)平臺的基本發(fā)展情況進行了簡單介紹。
1.1 設計工作的理論意義和應用價值
組裝式儲液塔內(nèi)壁防腐涂料半自動噴涂機是用于儲液塔內(nèi)壁防腐涂料的噴涂工作的專用設備。今朝，大型儲液塔的主要使用范圍包括油田、油庫、煉油廠等工業(yè)，用于貯存包含原油等石油化工產(chǎn)品。因為石油及其衍生產(chǎn)品屬于易燃易爆物品，對它的存放要求較高需要隔離靜電以防產(chǎn)生燃燒爆炸，造成嚴重的事故。其次，儲液塔內(nèi)儲存的液體大都會帶有腐蝕性，會對儲液塔造成腐蝕穿孔，產(chǎn)生環(huán)境污染等危害，可能給我們帶來巨大的損失。所以，對與大型儲液塔的內(nèi)壁進行噴涂保護是必不可少的。
在我國還是大多靠工人用腳手架或吊裝用機械設備在儲液塔內(nèi)部上下移動并進行噴涂工作，這些設備的材料用量大、安裝周期長、可移動性差、費時費力，而且大型儲液塔的入口是直徑大約1m的圓形入口，這使得一般的高空作業(yè)裝置不能用于其內(nèi)壁防腐涂料的噴涂工作，所以本文設計了一種專用于儲液塔內(nèi)壁防腐涂料噴涂工作的組裝式高空作業(yè)設備，該設備能夠以各組裝部分分別運送發(fā)到儲液塔內(nèi)部，在4個小時以內(nèi)組裝完畢，投入使用中；且該設備能根據(jù)施工者的需求移動，不需要重復組裝搭建，效率有提高，成本低，且降低了工人的勞動強度。
1.2 噴涂機的應用背景
噴涂機是采用噴涂技術的專用涂裝裝置，原理是控制氣流瞬間推動配氣換向機構換向，從而使氣動馬達的活塞桿作連續(xù)不變的往復運動。噴涂機具有很強的吸力，它能改變涂料的噴射壓力，在很短的時間內(nèi)為涂料加壓，加壓后的涂料通過管道輸送到噴涂機構中，由于涂料本身自帶的巨大壓力，能夠在短時間內(nèi)從噴口噴出，均勻地附著在噴涂物體的表面。噴涂機的主要機構包括噴槍、供料裝置、霧化發(fā)生源。廣泛地應用于汽車制造、家具、航空航天、鞋業(yè)等行業(yè)中。
在汽車制造行業(yè)中，在國外，20 世紀 60 年代末，挪威 Trallfa 公司發(fā)明了歷史上第 1 臺噴涂機器人，隨著時間的推移，國外機器人噴涂技術已相當成熟[2]。而在國內(nèi)，對噴涂機器人的研究起步相對來說較晚，于 1990 年前后，北京機械工業(yè)自動化研究所機器人中心才開始了對噴涂機器人的研究。國內(nèi)研發(fā)噴涂機器人都是在國外研究的基礎上進行的，在研究過程中還研發(fā)了很多相關技術。在今天，噴涂機器人已經(jīng)是我國需求最多的機器人之一，而我國在這方面相對落后，目前來看，我國大部分都是采用的國外的噴涂機器人，有的照搬國外的生產(chǎn)線，還存在維修，保養(yǎng)等問題，影響噴涂的發(fā)展[2]。
在航空航天領域中也有應用，在固體火箭發(fā)動機裝藥前，必須通過某種工藝在發(fā)動機殼體內(nèi)壁附上一層襯層，襯層的質量是十分重要的，它關系到發(fā)動機能否正常工作；自動噴涂機就是將混合好的漿狀物料經(jīng)加壓霧化后均勻地噴涂到發(fā)動機的內(nèi)表面，得到厚度均勻且質量可靠的襯層[3]。
而在另一個需要大量運用噴涂技術的行業(yè)——造船業(yè)中，自動噴涂機的使用并不普及。在船體涂裝上，幾乎每個主要造船廠仍然采用手工噴漆工藝[4]。
1.3 大型罐內(nèi)專用高架作業(yè)平臺的國內(nèi)外應用及發(fā)展現(xiàn)狀
本文設計一種專用于儲液塔內(nèi)壁防腐涂料噴涂工作的組裝式高空作業(yè)設備，是一個專用的高空作業(yè)平臺。高空作業(yè)平臺工作裝置工作環(huán)境的好壞，關系到工人的安全和設備的正常運行，因此對工作裝置的性能進行研究是十分必要的[5]。
高空作業(yè)平臺是指用來運送人員、工具和材料到指定位置進行工作的設備，包括帶控制器的工作平臺、伸展機構和底盤，它融合了液壓傳動、電氣控制和通訊報警等多科學技術，其特點是作業(yè)頻率低、負荷小，操作簡單、靈活，并具有可靠的安全性、平穩(wěn)性和微調性[6]。高空作業(yè)機械廣泛用于建筑物外墻表面的裝飾、清洗和維護、絕緣架線和維修、消防救援及大型物體（船舶、飛機）維護檢查、路燈維修、機械化施工作業(yè)等[7]。作業(yè)效率和安全性好是高空作業(yè)平臺最鮮明的特色。隨著社會的高速前進和經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市建設進程的加快，不斷涌現(xiàn)的大型建筑物，市政電力部門等各種養(yǎng)護，城市消防，港口，造船等行業(yè)都離不開高空作業(yè)設備[8]。
1.3.1 國外應用及發(fā)展現(xiàn)狀
歐美等發(fā)達國家和地區(qū)，高空作業(yè)車發(fā)展起步較早，從20世紀20年代就開始研制，已有近百年的發(fā)展歷史[9]。這些車輛包括一個擴展臂、工作平臺、液壓動力單元、安裝在發(fā)動機上的上部框架和底架[10]。國外高空作業(yè)產(chǎn)品具有更高的技術水平、更大的作業(yè)高度、豐富多樣的功能、多種結構型式、齊全的規(guī)格?？傮w上看，技術和市場均已很成熟，典型產(chǎn)品具有高空作業(yè)、搶險、救援、消防等功能，作業(yè)平臺最大載荷可達500kg，最大作業(yè)高度已經(jīng)超過100m，具有各種安全保護措施，適應在各種場地作業(yè)[9]。
高空作業(yè)車的主要制造商歐洲以RUTHMANN、BRONTO、CTE、OIL&STEEL等廠家為代表，美國以TEREX、ALTEC、TIME等廠家為代表，日本以AICHI、TADANO等為代表[9]。其產(chǎn)品主要特點有：
（1）控制系統(tǒng)普遍智能化；
（2）普遍采用高強度材料和輕質金屬材料；
（3）安全保護裝置十分齊全；
（4）做工精良；
（5）應用十分成熟。
發(fā)達國家?guī)缀踉谒懈呖兆鳂I(yè)領域均普遍使用高空作業(yè)車，銷售以代理和租賃為主，歐美等地區(qū)年需求量均在1萬到2萬臺，同時已經(jīng)形成了完善的技術標準、行業(yè)協(xié)會組織及其培訓體系[9]。
1.3.2 國內(nèi)應用及發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)高空作業(yè)平臺才有近半個世紀的發(fā)展歷史，自20世紀60年代開始研制、70年代才推出商業(yè)化樣機，隨著改革開放的深入，逐漸引入國外高新技術及其產(chǎn)品，高空作業(yè)機械在我國得到了較快的發(fā)展,開始在市政、園林、電力等行業(yè)推廣使用[8]。盡管在近幾年高空作業(yè)機械的發(fā)展態(tài)勢十分迅猛，也還是存在國內(nèi)企業(yè)發(fā)展不平衡，產(chǎn)品形式過于單調等缺點，仍就處在行業(yè)發(fā)展的上升期。限制這一行業(yè)發(fā)展的主要因素是大高度復雜截面混合臂架技術、安全技術、智能化高效控制技術、可靠性等，缺乏前瞻性研究，缺少向更大高度發(fā)展的技術支撐[9]。
首先，從結構形式上，我國的高空作業(yè)平臺目前主要以剪叉式、套筒油缸式等為主，大高度和特殊高空作業(yè)平臺國內(nèi)還存在空白，仍然是以進口為主，如高空絕緣作業(yè)車、蜘蛛式高空作業(yè)平臺等；其次，從行走方式上，我國高空作業(yè)平臺的行走方式以車載式或牽引式較多，這極大地限制了其作業(yè)機動靈活性、場地適應性及空間通過性，隨著居民家庭生活的不斷豐富，結構小巧緊湊的自行式將會受到更多的青睞；最后，從底盤驅動方式上，目前主要有發(fā)動機驅動、電機驅動、液壓馬達驅動，為了響應國家無污染、零排放、節(jié)能環(huán)保的政策，電機驅動將會是今后的發(fā)展趨勢。從長遠來看，利用太陽能經(jīng)過轉化后驅動電機進行工作也有可能性[6]。
與國外相比較，國內(nèi)的仍然存在不小的差距。比如能耗較高、產(chǎn)品尺寸不夠緊湊等缺點。國外高空作業(yè)機械普遍使用新型高強度合金材料，使得整車的結構更加緊湊，而國內(nèi)許多廠商為了達到降低成本的目的，較多的使用Q235，Q345等材料，使得整車的尺寸都較同外相似機型大。例如，國外作業(yè)高度在26米左右的高空作業(yè)平臺整車質量在16噸左右，最大收藏長度為11.1米，配備50kw左右發(fā)動機，國內(nèi)相近機型整車質量達18噸，收藏長度接近12米，所配發(fā)動機功率超過60kw[8]。
1.4 專用高空作業(yè)平臺發(fā)展趨勢
（1）向特殊高空作業(yè)平臺、大高度方向發(fā)展，如越野式、蜘蛛式、混合臂式及履帶式；
（2）車載式或牽引式逐漸發(fā)展成結構小巧緊湊的自行式；
（3）驅動方式向無污染、零排放、節(jié)能減排的電機驅動發(fā)展；此外，利用太陽能轉化來驅動電機也是今后努力的一個方向[6]。
2 方案設計論證
本章討論本設計的整體方案的設計及論證，本文總體設計一種專用于儲液塔內(nèi)壁防腐涂料噴涂工作的組裝式高空作業(yè)設備，分成三個部分：可移動基架、升降裝置、頂端工作平臺（包括噴槍座）。本文負責其中的可移動基架及其輔助裝置的設計。
據(jù)設計要求，需設計一種專用于儲液塔內(nèi)壁防腐涂料噴涂工作的組裝式高空作業(yè)設備，該設備能夠以各組裝部分分別運送到儲液塔內(nèi)部，途徑一個直徑1m的圓形入口，在4個小時以內(nèi)組裝完畢，投入使用中；且該設備能根據(jù)施工者的需求移動，不需要重復組裝搭建。
三人分別設計一個部分，每人將各自部分設計成可以單獨進入儲液塔罐體內(nèi)部的大小，分別運送到儲液塔內(nèi)，然后在內(nèi)部拼接，各部分都以一塊板為接觸面，分別用螺栓連接起來，構成一個整體。如圖2.1所示：
圖2.1 半自動噴涂機整體結構示意圖
2.1半自動噴涂機整體結構設計
經(jīng)過設計論證，決定了本設計的基本方案：頂端工作平臺會設計一個噴槍座，用于噴涂；一把椅子，是工作人員的操作位置；以及保護工作人員的安全的四面護欄，包括一扇門，用于進出。升降裝置經(jīng)多方面比較確定為剪叉式升降裝置，用液壓驅動，因需求高度較高，故需要兩段剪叉式合并起來，合并后可上升的最大高度為7.2m；液壓采用液壓快速接口，方便組裝和拆卸?？梢苿踊艿脑O計有4個支腿用于保持整機的穩(wěn)定平衡，且支腿做成收放式，在不用時收回，緊貼下支撐板，不占用橫向空間；又因為塔罐高度達10m，所以最大起升高度應達到8.5m，故可移動基架需具有1m多的高度，用以補足液壓升降裝置高度方面的不足，這里采用鉸鏈裝置，在閑置狀態(tài)時折疊放置，在工作狀態(tài)會將上下兩板對齊，用斜支撐桿固定，使基架具有1m的額外高度；在可移動上，本文采用了兩個萬向輪和兩個行走輪的安裝方式，以提供移動及轉向能力。
2.2 可移動基架的方案設計
本文主要負責組裝式儲液塔內(nèi)壁防腐涂料半自動噴涂機設計中的可移動基架部分的設計。這一部分的設計又分為幾個方面：
2.2.1 加高方案設計與論證
因為兩段剪叉式合并起來后可上升的最大高度為7.2m，最大起升高度應達到8.5m，還相差1m多，故可移動基架需具有1m的額外高度，用以補足液壓升降裝置高度方面的不足。
在設計加高方案時，考慮了下面幾種方案：1. 使用柱塞缸升降，來實現(xiàn)需要的額外高度，如圖2.2所示；2. 采用絲杠傳動方式，類似于千斤頂?shù)墓ぷ髟?，來實現(xiàn)升高至需要高度，如圖2.3所示；3.采用鉸接方式，將上下兩塊板之間用6根桿鉸接保證平行，在閑置時可收緊，且可滿足額定截面大小以保證能運送進儲液塔內(nèi)，工作時用另外4根斜向支撐桿固定。
圖2.2 柱塞式示意圖 圖2.3 絲杠升降機構
考慮到前兩種方案的結構太過復雜，且需要更多的動力來支持上支撐板升起到需求高度，需要額外的控制系統(tǒng)，成本過高。相比與前兩種方案而言，第三種方案更適合于本次設計，故采用第三種方案。如圖2.4所示：
圖2.4 加高方案示意圖
2.2.2 支腿方案設計論證
高架作業(yè)平臺的支腿，是安裝在車架上的可收放或折疊的支撐結構，是高空作業(yè)車的重要組成部分。它的作用是在不增加高架作業(yè)平臺的寬度的前提下，在高架作業(yè)平臺工作時能提供較大的支撐跨度，在不影響高架作業(yè)平臺的機動性的前提下，提高其作業(yè)穩(wěn)定性。支腿分為手動和液壓操縱的兩類。在本設計中，根據(jù)實際情況，選擇簡單有效的手動操縱類。對于手動操縱初步設計了兩種方案：
1、采用滑道式，將支腿放置在滑道上，用滑道實現(xiàn)支腿的收回與放出，在工作時滑到左極限位置并固定，如右圖2.5所示；在閑置時支腿收回至右極限位置并固定，就不會占用橫向空間，可以讓整個可移動基架通過直徑1m的圓形入口進入塔罐內(nèi)部。
圖2.5 滑道收放式示意圖
2、 采用旋轉方式，將支腿做成可旋轉式，在固定在下支撐板上，通過彈簧銷與定位孔的方式定位支腿的兩個極限位置：一是工作狀態(tài)，支腿與板之間成90度夾角，用以保持裝置的穩(wěn)定，防止傾倒；二是收回狀態(tài)，支腿與板之間靠在一起，縮小橫向寬度，讓整個可移動基架通過直徑1m的圓形入口進入塔罐內(nèi)部，如圖2.6所示。
圖2.6 鉸接式支腿示意圖
最后，經(jīng)綜合考慮，選擇了第2種方案，旋轉式。且在支腿的豎直方向上的位置調節(jié)采用了螺旋式的方法，類似于千斤頂?shù)慕Y構，使用梯形螺紋，用手輪手動調節(jié)支腿在豎直方向上的小幅度位移，方便快捷，簡單有效。
3 可移動基架關鍵部件的設計
3.1 底板基本尺寸
據(jù)本設計實際情況，要求能從直徑1m的圓孔中進入塔罐內(nèi)部，故本設計設定基架的基本尺寸為800×1800mm。底架由4個輪子連接，可以方便平臺的移動；還焊有與基架上支撐板固定的斜支撐桿的耳座，如圖3.1所示。
圖3.1 底板平面圖
3.3.1 底部腳輪的選取
可移動基架底部安裝有兩個萬向輪及兩個固定輪，本文中萬向輪選用重型-206剎車方式為五金邊剎超韌聚氨酯（PU）腳輪，型號為7260121-206，其具體參數(shù)如表3.1所示。其萬向輪的結構如圖3.2所示。
表3.1 萬向腳輪的具體參數(shù)
本文中固定輪選用重型-306平面鐵芯聚氨酯（PU）輪，型號為7360110-306，其具體參數(shù)如表3.2所示。其固定輪的結構如圖3.3所示。
表3.2 固定輪的具體參數(shù)
圖3.2 萬向輪 圖3.3 固定輪
經(jīng)查機械設計手冊知，小車輪的承重重量的計算可采用如下公式：
T=E+ZM （3.1）
式中：T——每只腳輪承載的重量；
E——運輸工具的重量；
Z——待移動物體的重量；
M——輪子有效承載數(shù)量。
考慮位置、重量分布不均，存在操作反力等因素，估計半自動噴涂機的總重量為900kg，待移動物體（即工作人員）的重量為100kg。代入公式3.1可得：
T=E+ZM=900kg+100kg4
=250kg
通過比較可知，萬向輪額定承重360kg及固定輪的額定承重400kg都大于腳輪的實際承重250kg，所以選取的腳輪符合本設計的要求。
3.2 鉸支架的設計計算
本次設計的可移動基架的上下兩塊板之間是用6跟桿鉸支在一起的，需要設計計算桿的截面積。
這6根豎直桿承載豎直方向上的載荷，即上面兩部分（剪叉式升降裝置和噴槍座）的重力以及工作人員的重力，還有上支撐板的重力。預估頂端工作平臺的重量為200kg，中間的升降裝置的重量大致為400kg，整機重量為900kg，工作人員的重量按80kg算，取安全系數(shù)為1.25，則為100kg。
參照已有例子，先設定桿的截面為 50×30mm 的矩形。
3.3 支腿的設計計算
3.3.1 支腿跨距的確定
高架作業(yè)平臺的支腿一般是前后各兩個，并向兩側展開，如圖3.4所示。要適當選定支腿的橫向跨距，其選定標準是作業(yè)平臺在受到最大傾覆力矩的時候，整個高架作業(yè)平臺的穩(wěn)定性要符合規(guī)定的要求。
圖3.4 高空作業(yè)平臺的支腿跨距
支腿橫向跨距的最小值應保證高空作業(yè)平臺在工作時的穩(wěn)定性，即全部載荷加自重的重心落在支腿支點構成的傾覆邊以內(nèi)，并使繞左右傾覆邊AB或DC的穩(wěn)定力矩大于傾覆力矩[11]。
整機受自重力，高架作業(yè)平臺的自重力主要由頂部操作平臺、工作人員、液壓升降機構、可移動基架的重力組成，其方向豎直向下。合力作用點由各部件的重力對X、Y軸取矩后可得。因為本機采用剪叉式升降機構，且無伸出工作平臺范圍的操作，所以本機的工作重心可近似為整機的閑置時的重心。重心高度的計算位置是平臺升至最大高度狀態(tài)的位置。由于塔罐內(nèi)壁面積很大，噴涂工作不可能在一個位置完成，所以高架作業(yè)平臺在工作中會頻繁移動，且支腿是手動調節(jié)的，每一次變換工作位置，就必須重新調平一次底架。在此過程中會存在誤差，使整機重心在X、Y方向上產(chǎn)生偏移，從而影響整機的穩(wěn)定性。其偏移量以底架水平誤差為1%計算。則1/2支腿橫跨距a應滿足:
a≥G1+QL1+G2L2G1+G2+Gb+Q (3.2)
a≥2000+1000×85+4000×452000+4000+3000+1000
a≥43.5mm
取a=700mm。
式中：G1——頂部作業(yè)平臺重力，N；
G2——升降機構重力，N；
Gb——底架重力，N；
Q ——作業(yè)平臺標定載荷，N；
L1——頂部作業(yè)平臺重心偏移量，mm；
L2——升降機構重心偏移量，mm。
應上述要求，支腿跨距初步設定為2a=1300mm。
3.3.2 支腿支反力的計算
假設基架是絕對剛體，在載荷的作用下4個支腿的支承點始終保持在同一個平面上。
圖3.5 四支腿受力情況
高空作業(yè)平臺由A、B、C、D四個點支撐，如圖3.5所示，底架形心位于O點，底板水平方向誤差為1%，導致上面部分的面心一直沿M軸分布，頂部工作平臺的重心位于P點，投影在P'點，OP'與X軸的夾角為α，M軸與OP'的夾角為β，可假定升降機構對底架的力總和成一個作用于升降機構重心的力。設定頂部工作平臺的重心與O點的距離，即OP長度為R；升降機構重心到O點的距離為r。則四個支腿上的壓力為：
FA=14Gt-Mcosαb-sinαa
FB=14Gt+Mcosαb+sinαa
FC=14Gt+Mcosαb-sinαa
FD=14Gt-Mcosαb+sinαa
(3.3)
且其中有：
Gt=G1+G2+Gb+Q
M=G1+QRcosβ+G2?rcosβ+F?Rsinβ
(3.4)
(3.5)
式中：Gt ——總重力，包括整機重力加上標定載荷（即工作人員重力），N；
G1——頂部作業(yè)平臺重力，N；
G2——升降機構重力，N；
Gb——底架重力，N；
Q ——作業(yè)平臺標定載荷，N；
M ——上面兩部分自重在底架平面的力矩，N?m；
R ——頂部工作平臺的重心與O點（底板形心）的距離，即OP長度；
r ——升降機構重心到O點的距離；
a ——支腿重心到O點在X軸方向上的距離；
b ——支腿重心到O點在Y軸方向上的距離；
F ——水平力，作用點為工作平臺底平面位置，N。
水平力F是由作用在高空作業(yè)平臺上的風力和操作力綜合作用生成的力。但基于本機實際工作環(huán)境為儲液塔罐內(nèi)部，風力對水平力的影響可以忽略不計。這里采用在行業(yè)中較為普遍的一種等效的水平力計算方法，即大小為標定載荷的15%，作用點為工作平臺底平面形心位置，考慮最不利情況，方向為易傾翻方向。水平力造成的傾覆力矩占總傾覆力矩的很大比例，計算時需足夠重視。
代入F=1000×15%=150N，可得：
Gt=2000+4000+3000+1000=10000
M=2000+1000×8×1100+4000×4.5×1100
+150×8×9999100
M=1619.94
求最大支反力，則取α為0度時有最大值：FA=1410000-1619.94×10.7
FB=1410000+1619.94×10.7
FC=1410000+1619.94×10.7
FD=1410000-1619.94×10.7
求得結果為：
FA=1921.45N
FB=3078.55N
FC=3078.55N
FD=1921.45N
所以最大支反力為3078.55N。
3.3.3 支腿中軸承的選型
在本設計中，支腿是可旋轉式的，要保證支腿轉動的靈活性，軸承是其中一個非常重要的部分。本設計選用滾動軸承，常用軸承大致分為以下幾類，如下表3.3所示：
表3.3 常用滾動軸承的類型、主要性能和特點
軸承的選用基本使用以下標準：
軸承安裝的有效空間；軸承的承載能力；軸承的速度特性；摩擦特性；調心性；運轉精度；振動噪聲特性；工作性能比較等。
因為本設計中的軸承需要同時承受徑向力和軸向力，可以選用角接觸球軸承和圓錐滾子軸承。軸承的選定是在軸的結構設計基本確定后進行的；因此，軸承安裝處的軸頸尺寸和安裝空間是已知的，在軸頸尺寸較小時，選用滾子軸承。在本設計中，軸頸已經(jīng)設計完成，尺寸為?30mm。在本設計中，軸承是安裝在支腿上的，支腿只是在高空作業(yè)平臺工作時提供輔助支承，固定住的，因此，不需要考慮速度特性，運轉精度等因素。
綜合考慮，選擇了角接觸球軸承。
查閱《機械設計手冊.第3卷》王文斌主編、機械工業(yè)出版社，得角接觸球軸承的基本尺寸與數(shù)據(jù)如下表：
表3.4 角接觸球軸承基本參數(shù)
綜合設計要求，軸頸尺寸等，最終選擇型號為GB/T 292-1994 7006AC。查表得其基本額定載荷Cr=14.5 KN，而軸承承受的最大靜載荷為3100N左右，遠小于額定載荷，所以符合標準。
3.3.3 支腿中滑動螺旋副的設計計算
本文在支腿的上下調節(jié)上采用了滑動螺旋副的結構，這里選用梯形螺紋，如圖3.4所示，于是需要對螺旋副進行基本的設計。因為本設計中的支腿是用于防止高架作業(yè)平臺傾覆的，對支腿主軸的直徑有著相當?shù)膹姸纫?，初步設計為直徑?40mm。螺旋副的設計在此基礎上進行，其公稱直徑d=40mm，查參考文獻[21]可得，螺距p=7。據(jù)參考文獻[21]中附表7-3，可得：
內(nèi)外螺紋中徑：
D2=d2=d-p2=40-3.5=36.5mm
內(nèi)螺紋小徑：
D1=d-p=40-7=33mm
外螺紋小徑：
d3=d-2h3=40-8=32mm
螺母高度：
H=φd2
查表得φ在1.2~1.5之間，取φ=1.5，則有：
H=1.5×40=60 mm
螺紋牙底寬度，對于梯形螺紋有：
b=0.65p=0.65×7=4.55mm
在螺旋副的螺紋升角ψ的選擇上，因為需要自鎖，一般使ψ≤4°30'，這里取ψ=3°的梯形螺紋。
4 強度與穩(wěn)定性校核
4.1 壓桿的穩(wěn)定性校核
當細長桿件受壓的時候，假設壓力的作用線與桿件的軸線重合，當壓力逐漸增加，但小于某一極限值，桿件一直保持直線形狀的平衡，即使用微小的側向干擾力使其暫時發(fā)生輕微彎曲（圖4.1a），干擾力解除后，它仍將恢復直線形狀（圖4.1b）；但當壓力逐漸增加到某一極限值時，壓桿的直線平衡會變得不穩(wěn)定，將轉變?yōu)榍€形狀的平衡；這時如再用微小的側向干擾力使其發(fā)生輕微彎曲，干擾力解除后，它將保持曲線形狀的平衡，不能恢復原有的直線形狀（圖4.1c）[12]。上述壓力的極限值稱為臨界壓力或臨界力，記為Fcr。這就是失穩(wěn)現(xiàn)象。
圖4.1 壓桿受力情況
桿件發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象后，增加微小的壓力就會顯著增大彎曲變形，桿件已經(jīng)喪失了承載能力。這是失穩(wěn)造成的失效，可以導致整臺機器或結構的損壞。所以壓桿的穩(wěn)定性校核很有必要。
本設計的加高結構如圖2.1所示，6根豎直桿承擔主要的重力載荷，與上下兩板之間都是鉸接在一起的，所以可以認定壓桿的約束條件為兩端鉸支。計算臨界壓力的公式為：
Fcr=π2EIμl2 （4.1）
式中：I——慣性矩；
l——桿長；
E——彈性模量；
μ——長度因數(shù)。
壓桿的截面為50×30 mm的矩形，求壓桿截面的慣性矩：
圖4.2 橫截面對Y軸和Z軸的慣性矩
對Y軸和Z軸的慣性矩的公式分別為為：
Iy=bh312 （4.2）
Iz=hb312 （4.3）
上文中設計壓桿的截面形狀為40×25mm的矩形，則b=25mm=2.5cm，h=40mm=4cm，則求得其對Z軸的慣性矩為：
Iy=3×5312=31.25 cm4
Iz=5×3312=11.25 cm4
橫截面的慣性半徑的公式為：
i=IminA （4.4）
取其中較小值求出壓桿橫截面的慣性半徑為：
i=IminA=11.255×3
=0.866cm
求柔度λ的公式為：
λ=μli （4.5）
在設計中，6根豎直桿的長度為950 mm，即95 cm；因壓桿兩端鉸支，所以長度因數(shù)μ=1。求得柔度為：
λ=1×950.866=109.7
壓桿柔度的極限值為λ1，計算λ1的公式為：
λ1=πEσp （4.6）
選用壓桿的材料為Q235鋼，E=206 GPa，σp=200 MPa，于是求得極限值λ1為：
λ1=π206×109Pa200×106Pa
≈100
對比λ和λ1：
λ=109.7≥λ1=100
所以該壓桿屬于大柔度桿，可以用歐拉公式計算臨界壓力；
Fcr=π2EIμl2 （4.7）
=π2×206×109×11.25×10-81×0.952
=2534.4 N
桿上的工作壓力F為：
F=50006=833.3 N
工作安全因數(shù)n為：
n=2534.4833.3
=3.04
查得穩(wěn)定安全因數(shù)為nst=3~5，所以壓桿滿足穩(wěn)定要求。
4.2 支腿橫梁的強度校核
根據(jù)計算，其最大的支腿反力為3078.55 N，橫向跨距為1400mm，分析其受力，可以簡單表示為下圖：
圖4.3 支腿受力分析圖
根據(jù)設計尺寸得： a=400 mm
b=300 mm
則 總長：
L=a+b=700 mm
由受力分析可知，b點的受力為最大支反力：
Fb=3078.55 N
要求F和Fa，
由靜力平衡方程：
MB=0 （4.8）
得出：
Fa×L=F×b
又知，在Y方向上受力平衡，所以有：
F=Fa+Fb
聯(lián)立上面幾個公式，可解出：
Fa=Fb×ba=3078.55×300400
=2308.91 N
又有：
F=Fa+Fb
=3078.55+2308.55
=5387.46 N
綜上：
F=5387.46 NFa=2308.91 N Fb=3078.55 N
其剪力和彎矩如圖4.4和圖4.5所示：
圖4.4 剪力圖
圖4.5 彎矩圖
由上圖可知，梁的最大彎矩在截面C上，截面C為危險截面：
Mmax=F×a×bL=5387.46×0.4×0.30.7
=923.56 N?m
截面C的截面形狀如圖所示：
圖4.6 截面示意圖
根據(jù)圖4.6確定截面形心位置，設上面的矩形面積為A1，下面的矩形面積為A2，且各自形心位置與y軸和z軸交點的距離為Z1和Z2：
A1=80mm×21mm
=1680mm2
Z1=10mm+212mm
=20.5mm
A2=30mm×10mm
=300mm2
Z2=102mm=5mm
所以有：
Z=A1?Z1+A2?Z2A1+A2 （4.9）
=1680×20.5+300×51680+300
=18.15mm
如圖4.6所示，yc軸是截面的形心軸，據(jù)平行移軸公式，有：
Iyc1=Iy+a2A1 （4.10）
=0.08×0.021312m4+0.0205-0.018152×0.08×0.021m4
=7.10178×10-8m4
Iyc2=Iy+b2A2 （4.11）
=0.03×0.01312+0.005-0.018152×0.03×0.01m4
=5.437675×10-8m4
Iyc=Iyc1+Iyc2
=7.10178×10-8+5.437675×10-8
=1.25×10-7m4
因為截面上的最大彎矩為923.56 N?m，有：
σmax=Mmax×ZmaxIyc （4.12）
=923.56 N?m×0.01815m1.25×10-7m4
=133.68 MPa
考慮到該橫梁在設計中需要與支腿上其他零件焊接在一起，首先考慮焊接性相對較好的35號鋼，其屈服強度極限為：
σs=315 MPa
查得安全系數(shù)為：
n=2
則有：
σ=σsn
=315 MPa2=157.5 MPa
σ=157.5 MPaσmax=133.68MPa
σmax≤σ
故選用45鋼能滿足條件，符合設計要求。
4.3 支腿桿的強度校核
上文中計算了支腿的最大支反力為3078.55 N，支腿桿的設計尺寸為直徑40mm的圓，選用材料為45鋼，查閱《機械設計手冊.第1卷》王文斌主編、機械工業(yè)出版社，得45鋼的屈服強度極限為σs=355 MPa，則有
σ=FNA
=3078.552π×4022
=1.225 MPa
查得其安全因數(shù)n=3.5，其許用應力為：
σ=σsns=3553.5=101.4 MPa
比較得：
σ=1.225 MPa≤σ=101.4 MPa
所以強度符合要求。
4.3 壓桿上銷的強度校核
在本設計中，壓桿與可移動基架的上下兩板之間是鉸接在一起的，于是需要校核其中的銷的強度。其受力如圖4.7所示。
插銷的強度計算公式如下：
τ=4Ftπd2z ≤τ （4.13）
式中：Ft ——橫向力（N）
z——銷的數(shù)量
d——銷的直徑（mm）
τ——銷的許用切應力（MPa）
圖4.7 銷受力示意圖
整機上面兩部分的重力加上標定載荷即為橫向力Ft，有：
Ft=G1+G2+Q
=2000+4000+1000
=7000 N
將數(shù)據(jù)代入式4.13中，得：
τ=4×7000π×202×6
=3.71 MPa
插銷的材料為35鋼，其名義極限切應力為85 MPa，取安全系數(shù)n=2，則有：
τ=τmaxn
=852MPa
=42.5 MPa
比較得：
τ=3.71MPa≤τ=42.5 MPa
所以插銷滿足強度要求。
5 結 論
本文設計的組裝式儲液塔內(nèi)壁防腐涂料半自動噴涂機是一種用于塔罐內(nèi)壁防腐涂料噴涂的專用高架作業(yè)平臺，立足于國內(nèi)相關產(chǎn)品的空白。本文是負責設計該組裝式半自動噴涂機的可移動基架部分，在設計上借鑒了其他相似產(chǎn)品的經(jīng)驗，結合了其他設計，產(chǎn)品應用于專用塔罐內(nèi)噴涂領域當中。
在本文的設計過程中，先是通過大量收集資料，分析了噴涂機及專用塔內(nèi)高架作業(yè)平臺的國內(nèi)外應用及發(fā)展現(xiàn)狀，分析了當前國內(nèi)塔罐內(nèi)防腐涂料噴涂方式的缺陷，表明了本設計的必要性。
通過論證比較各種設計方案的優(yōu)缺點，綜合考慮確定了總體設計方案，給出了組裝式儲液塔內(nèi)壁防腐涂料半自動噴涂機的總裝置圖；并給出了本文設計的可移動基架的設計方案。
結合設計要求，通過計算，給出了壓桿、支腿跨距的設計參數(shù)，詳細計算了支腿的受力情況，得出其最大支反力。結合設計要求和實際，選定了底架所用腳輪及支腿內(nèi)所用軸承的型號。還對支腿中的螺旋副進行了簡單的設計計算。
對壓桿的穩(wěn)定性、支腿橫梁的強度和壓桿與上下兩板連接的銷的強度進行了校核，保證了設計的正確性，讓整機的安全性有了保障。
總之，本機的實用性、作業(yè)安全性、操作性能上是由一定優(yōu)勢的，但由于設計水平有限，本機的設計上難免存在錯誤。又因時間倉促等條件限制，還有一些不足之處，如還沒有對整機進行實驗測試，沒有建模；沒有對螺旋副進行詳細的校核；沒有實地考核工作環(huán)境，會存在一些影響因素沒有考慮到。
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附錄1：外文翻譯
基于矩桿的高空作業(yè)平臺車基座框架加速壽命試驗
摘要：高空作業(yè)平臺的需求逐漸增加。為了減少現(xiàn)有材料的短期增加成本，安全輕便的結構是有必要的。為了實現(xiàn)這一目的，本文開發(fā)了一種用混凝土和鋼制成的基架結構。然而，當測試結構的耐久性和安全性時，很難復制現(xiàn)場條件。在這項研究中，進行了再現(xiàn)和加速壽命試驗的現(xiàn)場操作條件下的基架的失效分析。此外，還介紹并證明了由于設備頂部的重量和風引起的力和力矩高空作業(yè)平臺特性的等式。同時對使用實際尺寸框架再現(xiàn)故障模式的下框架施加使用力矩桿的失效再現(xiàn)機構的力和力矩。此外，通過使用無失效壽命試驗時間、形狀參數(shù)和加速因子來誘導加速壽命試驗時間，這應該考慮到現(xiàn)場操作條件。性能測試是在下部框架的弱點處連接應變儀以證明力矩棒的有效性之后進行的。從有限元分析得到的應變值與實驗數(shù)據(jù)具有一致的結果。這意味著力矩桿可以應用于其他高空作業(yè)平臺。
關鍵詞：高空作業(yè)車；底架；可靠性；加速壽命試驗；失效模式；力矩桿
1 介紹
最近，由于圖1所示的多層公寓和建筑物的數(shù)量和高度的增加，使得高空作業(yè)和高空作業(yè)的高空作業(yè)車的需求增加。這些車輛包括擴展臂、工作平臺、液壓動力單元、安裝在發(fā)動機上的上部框架和基礎框架。
圖1.高空作業(yè)平臺車輛和油漆船舶的現(xiàn)場使用
在操作過程中支撐車輛上部的底座已被廣泛研究，因為它必須設計成具有較大的安全系數(shù)以防止現(xiàn)場發(fā)生事故。從安全角度來說，下車架是車輛的關鍵部件。 然而，包括高空平臺車在內(nèi)的工程機械市場受到經(jīng)濟衰退影響而降低設備價格的壓力。因此，已經(jīng)進行了研究，以盡量減少基礎框 架的重量。
與以前的型號相比，即使重量較輕，車架也必須具有足夠的安全系數(shù)。研究廣泛地集中在提升操作員的鏟斗的安全性以及從起點移動到操作員想要工作的位置的懸臂延伸部分。這是因為當車輛運行時工作人員對這些部件非常敏感。
所有這些要素都應該通過本領域適當采用的方法進行仔細測試。然而，支撐吊桿和平臺的上框架下的基礎框架沒有被測試，因為它具有比其他部件更高的安全系數(shù)。
對于工作平臺車輛制造業(yè)，由于與出口市場的主要競爭對手相比，品牌知名度低，因此制造商通過降低成本來努力提高其在價格和質量方面的競爭力。這是通過最小化鋼板厚度來實現(xiàn)的，因為所使用的原材料具有較高的比重。
圖帕克 [1]表明，應用于鐵路和軸套的焊接框架通常經(jīng)過循環(huán)耐久性測試。史密斯[2]提到，運送人的桶和移動的繁榮正在被積極研究。米歇爾等人 [3]通過實驗研究了混凝土 - 鋼界面處的損傷與平原和纖維增強混凝土中鋼筋腐蝕開始的關系。
弗雷迪亞尼 [4]對皮斯托亞（意大利）的布雷達為華盛頓特區(qū)（美國）的鐵路建造的卡車框架進行了疲勞和靜態(tài)測試。為了獲得完全可靠的測試，計劃和制造了一臺鉆機，以便以與實際情況機械相同的方式限制卡車車架，并正確地施加驗證載荷。布希 [5]研究了鋼 - 混凝土組合梁在全部和部分剪力連接下的抗彎構件的抗震性能。Babaei [6,7]介紹了一種經(jīng)驗分析方法來評估受到均勻和局部脈沖加載的薄圓形低碳鋼板的力學行為。
本文提出了螺栓連接機構、太陽能空氣加熱器和旋轉間隙接頭的方程組三個模型，研究了構件在系統(tǒng)作用后的行為[8-10]。為了準確預測220t礦用自卸車車架的疲勞壽命，提出了一種將多體動力學分析與有限元法相結合的疲勞壽命分析方法[11]。古 [12]表明，在超過結構疲勞設計壽命之前，采礦翻斗車的A型框架出現(xiàn)裂縫。為了準確預測該構件的裂紋位置和疲勞壽命并闡明其機理，提出了一種結合實驗和仿真的疲勞壽命分析方法。
韓 [13]在全尺寸試驗臺上也提出了城市磁懸浮列車轉向架疲勞強度評估的疲勞試驗。Pinheiro [14]提出了一種在循環(huán)內(nèi)壓下對受損鋼管進行疲勞分析的方法。這種方法采用應力集中系數(shù)，通常用于修改高周疲勞載荷下金屬結構的標準S-N曲線。
圖2.以前和改進的基本框架
預計使用鋼 - 混凝土產(chǎn)品的方法可以通過使用低價回收材料實現(xiàn)所需的設計重量，同時最大限度地減少材料厚度，從而實現(xiàn)30％的成本降低?；A框架的厚度以前是30毫米，如圖2（a）所示；但是，在改進之后，它改變?yōu)?毫米，如圖2（b）所示，它顯示了平衡混凝土的方形情況。
表2.幾種運行條件下的振動數(shù)據(jù)（mG）
表1.失效模式和機理分析
隨著材料厚度的減小，產(chǎn)品的質量和價格競爭力需要定量測試。該測試考慮了改進基架中使用的產(chǎn)品的技術方面和價格競爭力，例如縮短制造工藝，質量改
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