SQN5091JGK高空作业车总体设计

陈胜利

（上海龙澄专业车辆有限公司，上海201700）

0 引 言

高空作业车是一种适合于高空抢修、救援、抢险和园林修剪的作业平台设备，具有品种齐全、结构型式多样、功能丰富等特点，因此被广泛应用于电力车和园林等公司进行高空作业。总体设计作为产品设计最重要的环节，其参数选定的好与坏对车辆的总体性能起决定性作用。

SQN5091JGK高空作业车采用东风EQ1120B21改进型国Ⅴ底盘，6座位驾驶室，载员多，空间大，乘坐舒适，升降平台按最大作业平台尺寸要求，选择苏州纽康特升降平台，型号为SJG1-4.6，额定载重量为1 t, 主要结构采用了高强度锰钢成形管焊接而成，强度高，稳定性好，为增加作业时的稳定性，设计四支腿来防止偏心作业时整车不稳定。

1 设计输入

1）整车外形尺寸图如图1所示。

图1 整车外形尺寸图

2)SQN5091JGK整车主要性能技术参数如表1所示。

单台负荷可参考文献[2]。

2 总体计算

2.1 轴荷计算

当升降平台处于最低状态，且驾驶室乘车人员满员（6个人,平均质量按75 kg计算），在水平路面上行驶时前后轴所承载的质量为前后轴荷。已知条件：底盘前轴荷分配G1=3070 kg，后轴荷分配G2=1890 kg；平台总成（不包括升降平台，包括油、水）质量G3=1390 kg；平台总成（不包括升降平台）水平重心位置如图2所示，升降平台质量G4=2300 kg；升降平台水平重心位置图如图2所示；从驾驶室乘人位置看，可初步预设6 人的平均重心处于前轴轴线正上方，总质量为G5=450 kg。

表1 SQN5091JGK整车主要性能技术参数表

图2 升降平台水平重心位置图

以前轴为倾翻力矩点，计算整车重心的水平位置，利用力矩平衡公式：G1×L1+G2·L2+G3·L3+G4·L4+G5·L5=G·L，可得L=(G1·L1+G2·L2+G3·L3+G4·L4+G5·L5)/G=(3070×0+1890×3800+1390×3482+2300×4110+450×0)/9100=2360 mm。

再次利用力矩平衡公式G1·L1=G·L，可算出后轴载荷G1=G·L/L1=9100×2360/3800=5652 kg。那么前轴载荷G2=G-G1=9100-5652=3448 kg。由上述可计算出前后载荷比为38%：62%。

由上述计算得出后轴载荷为5652 kg，前轴载荷为3448 kg，前、后轴可分别承载8710 、17 420 kg，满足参考文献[3]的要求。

2.2 升降平台处于最低状态时稳定性

由于底盘重心高度参数未知，所以我们目前只能计算出整车水平位置的重心位置，从载荷计算过程可以看出升降平台处于最低状态时，整车重心的水平位置为离前轮轴线2360 mm，而轴距为3800 mm，处于前后轴中间偏后位置，正常情况不会倾翻。

2.3 升降平台处于最高状态时稳定性

升降平台处于最高状态时，按高空作业车正确操作规范原则，应该为车辆处于作业状态，前后左右四只腿全伸出，所有驾乘人员离开驾驶室，同时只有当升降平台承受最大载荷且最大载荷处于最危险点时，整车稳定性满足要求，说明此时整车稳定，具体状态如图3所示。

以前轴为倾翻力矩点，计算整车重心的水平位置，利用力矩平衡公式G1·L1+G2·L2+G3·L3+G4·L4+G5·L5=G·L，可得L=(G1·L1+G2·L2+G3·L3+G4·L4+G5·L5)/G=(3070×0+1890×3800+1390×3482+2172×3858+1000×5133)/9522=2681 mm。

再次利用力矩平衡公式G3·L3=G·L，可算出单后支腿载荷G3=G·L/(2L3)=1486 kg，那么单前支腿载荷G4=3339 kg。

综合上述计算可得，此状态下整车重心的水平位置为：与后轴中心线水平距离为940 mm，与前支腿水平距离为1001 mm，与后支腿水平距离为2246 mm，总体重心处于两支腿中间偏前位置，在倾翻点以内，满足稳定性要求。

图3 升降平台处于最高位置图

3 液压系统计算

3.1 液压原理图（如图4）

3.2 支腿油缸和升降油缸校核

已知条件：系统额定压力P=11 MPa；支腿油缸缸径D=63 mm，所以单个支腿油缸的最大支撑力F=P·S=P·(3.14D2/4)=11×1000000×3.14×0.063×0.063/4=34272 N≈3.43 t。

由于升降平台为整体外购，其中包含升降油缸，而外购厂家要求系统额定压力只要达到11 MPa即能满足其性能要求，所以我们在此不再另做计算。

从升降平台处于最高状态时稳定性的计算可知，单支腿油缸的最大载荷为3339 kg（约3.34 t），而单支腿油缸在额定载荷下最大的承载力可达3.43 t（大于最大载荷），并且在正常作业时前后轮为不完全离地，应能承载部分载荷，因此支腿油缸和升降油缸满足设计要求。

3.3 主泵和主阀校核

已知条件：初步选定主泵为合肥长源CB-E50；排量为ΔP=50 mL/r，转速为600～3000 r/min；主阀型号为上海强田DCV40/5；流量为40 L/min；发动机怠速转速n=750 r/min；变速箱一挡速比i1=0.875；取力器速比i2=1.22；总机械效率0.98。

从高空作业的规范操作流程上看，当发动机处于怠速状态、变速箱接一挡时进行相关检修操作，从上面已知条件可算出此状态下泵的流量V=ΔP·r=ΔP·n·i1·i2·0.98=50×750×0.875×1.22×0.98=39230.6 mL≈39.2 L。由计算可以看出，在怠速情况下主泵与主阀基本匹配,所以主泵与主阀满足设计要求。

3.4 升降平台起升速度及时间计算

已知条件：升降油缸缸径D=100 mm；升降平台从最低上升到最高，升降平台垂直升高S1=4.5 m；油缸行程L=1369 mm。

所以升降油缸总供油量为V=2S·L=2×3.14D2L/4=2×3.14×1×1×13.69/4=21.49 L。

按主泵每分钟供油39.2 L、总效率0.95的情况计算，起升总时间t=V×60/(39.2×0.95)=34.6 s，升降速度为v=S1/t=4.6/34.6=0.133 m/s。

由于高空作业车国家标准规定起升速度不大于0.5 m/s，按理论计算所得升降速度为v=0.133 m/s＜0.5 m/s，满足设计要求。

4 支腿支座销轴校核

支腿油缸安装结构示意图如图5所示。

销轴轴体材料采用45钢，其屈服应力为σ=360 MPa。根据参考文献 [4]的表25，可以得到销轴轴体的弯曲容许应力f=360/1.48=240 MPa，抗剪容许应力fv=0.6×240=144 MPa，承压容许应力fc=1.4×240=336 MPa，销轴轴体可按简支梁计算，拟用直径D=35 mm的销轴体。

计算作用力F=34.272 kN（垂直于销轴），最大弯矩MX=F·L/4=34.272×0.114/4=0.977 kN·m，弯曲应力σ1=MX/WX=0.977×106/4207.1=232.2 MPa＜f=240 MPa，剪应力τmax=4V/3A=23.75 MPa ＜fv=144 MPa。

经以上计算校核，采用材质为45钢、直径D=35 mm的销轴体能满足规范要求。

图5 支腿油缸安装结构示意图

5 结 语

从本文计算过程可以得出，整车总体布置对各工况的稳定性起到决定性作用，关键零部件的选择是整车性能是否满足要求的关键性因素，如果布置合理，整车轴荷就分布均匀，行驶稳定性就越好；如果泵、阀、油缸及销轴材料选择合适，车辆就运行时就越平稳，使用寿命就越长。