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中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1672-8882（2015）02-091-01
现有的机械式工程机械产品，如传统单自由度机械式挖掘机，具有坚固耐用的优点，但输出不够灵活；液压式挖掘机可实现柔性化的输出，但又存在液压系统零部件加工装配要求高、寿命不长、漏油等缺陷。这是工程机械领域一个长期未能取得突破的棘手难题。多自由度可控机构因其具有输出柔性化、刚度髙、惯量低、承载能力强、动力学性能好等特点，得到了广泛的关注。但有关研究成果还不够系统，特别是可供工程实际应用的机构构型依然很少。针对这些问题，本章首先以广泛应用的液压挖掘机和装载机各自工作原理为依据和出发点，运用工作机理的行为表达方法，将工作机理转化为工艺动作过程，进而结合可控机构、变胞机构以及并联机构等相关研究成果，综合运用基于螺旋理论的约束综合法和构型演化法等机构创新设计理论和方法，在功能分析的基础上完成了挖掘机、装载机执行机构的概念设计，获得了一批新型多自由度可控机构式挖掘机、装载机，以及具有变胞功能的可控机构式装载机等构型，为这类机构的应用提供了一定的参考。
一、概念设计是产品创新设计的初始阶段，是根据产品工作阶段的要求，以市场需求分析为出发点进行的产品功能创造、分解以及功能和子功能的结构设计，进而满足功能及其结构要求的工作原理，最终实现工作原理的功能载体的构思和系统化设计[56]。概念设计是产品创新设计的一个重要阶段，其主要步骤包括市场需求分析、产品功能确定、产品工作机理的确定和工艺动作过程的构思。
综上所知，国内外对于升降机构的研究方向主要偏向于中高空升降机构，低空升降机构的种类还不是很多。本文根据项目的要求，需要设计一种可将工作平台上升 7m 的多功能车，其中升降机构是主要研究对象。完成该升降机构设计需要做的工作有：
（一）总体设计
通过收集资料、对国内外同类高空作业车的比较后，再结合本文中升降机构安装空间和工作范围的限制，最终确定选用折叠臂式升降机构作为该多功能车的升降机构。折叠臂式升降机构结构灵活，可实现水平延伸、回转、易于到达理想工作位置，所以选用该机构作为升降机构，并设计出符合该多功能车的升降机构以及高空作业平台。
（二）结构设计
从整体参数、力臂与调平机构、稳定性、电液系统和多体动力学等几个方面入手并展开。其中，在对力臂与调平机构的设计中，确定力臂的结构尺寸和调平机构的类型；对多功能车在极限工作状态下进行稳定性分析，验证多功能车是否能够达到稳定性要求；在液压系统的设计过程中，根据设计要求选用符合条件的液压元件；最后，对多功能车的升降机构进行动力学分析，推导出各个力臂运动过程中的速度、加速度和力矩，为后面的仿真分析提供理论依据。
（三）有限元分析
升降机构作为该车的主要部件，是该车成功与否的关键。对其进行精确的应力和应变分析，采用有限元分析软件 ABAQUS 进行强度和刚度分析，得出多功能车中升降机构的各个力臂的最大应力值和应变值，验证各个力臂是否能够满足设计要求。
（四）仿真分析
为了对升降机构进行较为精确的受力分析，设计中利用 UG 软件对整个机构的各个零部件进行建模，随后将所建零部件模型进行装配，输出文件，最后在 ADAMS 软件中导入，添加必要的约束和液压系统设计给出的动力，完成仿真分析。可以从仿真结果中得出各个力臂和工作平台在运动过程中的位移、速度、加速度、角速度和角加速度变化曲线，验证工作平台的运动速度是否在工作人员的可接受范围之内。
（五）优化设计
对力臂的结构尺寸方面进行考虑，对力臂进行优化，使力臂在满足条件下的体积达到最小，从而可以达到节省材料和降低自重的目的。也可通过对比优化前后的力臂截面参数，查看各个参数和目标值变化量的大小。
二、多功能车主要技术参数的确定
（一）作业高度的选择
本文中所设计的多功能车主要面对市政园林机构，其主要功能是通过升降机构及工作平台将工作人员输送到理想位置，使其完成维修路灯、维修电线、修剪树枝和喷洒农药等工作任务。而根据实际情况，只需要将工作人员运送到 6m 的高空，就可以完成上述工作任务。这里为了很好地完成以上所述的工作任务，将工作平台所能上升的最大高度设定为 7m。而多功能车停放在路边距离路灯和树木又有一定的距离，这里将工作平台所能延伸的最远距离设定为 4m。
（二）外形尺寸的确定每个国家都会对车辆的外形尺寸有所限制，中国也不例外。GB1589 对道路车辆的外形尺寸限制为长度小于或等于 12m，高度小于或等于 4m。原有特殊功能车对此限制更严，但是从此行业发展趋势来看，基本上只能满足 GB1589 的要求。为了方便起见，此多功能车采用北汽福田汽车公司生产的 BJ3062V3PDB-B2型号汽车的底盘和车头，然后对车厢位置进行改装，将升降机构及工作平台安装在车厢尾部，在车厢中部放置一个水箱，水箱和车头之间安装一个起重吊臂，由此构成了多功能的全部。由于整车的高度对车辆的通过性影响很大，在对升降机构和工作平台的设计及布置时，应充分地考虑整车的高度，这里将整车的高度限制在 3.7m 以内。整车的长度和宽度不超过改装前车辆的长度和宽度，即将长度和宽度定为 6470mm和 2270mm。即整车的最终外形尺寸确定为：长×宽×高=6470×2270×3700（mm）。
（三）底盘的确定
如上所述，底盘采用北汽福田汽车公司生产的 BJ3062V3PDB-B2 型号汽车的底盘，该底盘定位为二轴，载荷为 10t，此底盘能够达到多功能车所需要的要求。
（四）作业时间参数的确定
为了充分展现该多功能车作业效率的优势，并参照在欧洲所生产的该类车型的作业时间参数，升降机构旋转、全程变幅和全程伸缩的总时间设定为 70s。
现有的机械式工程机械产品，如传统单自由度机械式挖掘机，具有坚固耐用的优点，但输出不够灵活；液压式挖掘机可实现柔性化的输出，但又存在液压系统零部件加工装配要求高、寿命不长、漏油等缺陷。这是工程机械领域一个长期未能取得突破的棘手难题。多自由度可控机构因其具有输出柔性化、刚度髙、惯量低、承载能力强、动力学性能好等特点，得到了广泛的关注。但有关研究成果还不够系统，特别是可供工程实际应用的机构构型依然很少。针对这些问题，本章首先以广泛应用的液压挖掘机和装载机各自工作原理为依据和出发点，运用工作机理的行为表达方法，将工作机理转化为工艺动作过程，进而结合可控机构、变胞机构以及并联机构等相关研究成果，综合运用基于螺旋理论的约束综合法和构型演化法等机构创新设计理论和方法，在功能分析的基础上完成了挖掘机、装载机执行机构的概念设计，获得了一批新型多自由度可控机构式挖掘机、装载机，以及具有变胞功能的可控机构式装载机等构型，为这类机构的应用提供了一定的参考。
一、概念设计是产品创新设计的初始阶段，是根据产品工作阶段的要求，以市场需求分析为出发点进行的产品功能创造、分解以及功能和子功能的结构设计，进而满足功能及其结构要求的工作原理，最终实现工作原理的功能载体的构思和系统化设计[56]。概念设计是产品创新设计的一个重要阶段，其主要步骤包括市场需求分析、产品功能确定、产品工作机理的确定和工艺动作过程的构思。
综上所知，国内外对于升降机构的研究方向主要偏向于中高空升降机构，低空升降机构的种类还不是很多。本文根据项目的要求，需要设计一种可将工作平台上升 7m 的多功能车，其中升降机构是主要研究对象。完成该升降机构设计需要做的工作有：
（一）总体设计
通过收集资料、对国内外同类高空作业车的比较后，再结合本文中升降机构安装空间和工作范围的限制，最终确定选用折叠臂式升降机构作为该多功能车的升降机构。折叠臂式升降机构结构灵活，可实现水平延伸、回转、易于到达理想工作位置，所以选用该机构作为升降机构，并设计出符合该多功能车的升降机构以及高空作业平台。
（二）结构设计
从整体参数、力臂与调平机构、稳定性、电液系统和多体动力学等几个方面入手并展开。其中，在对力臂与调平机构的设计中，确定力臂的结构尺寸和调平机构的类型；对多功能车在极限工作状态下进行稳定性分析，验证多功能车是否能够达到稳定性要求；在液压系统的设计过程中，根据设计要求选用符合条件的液压元件；最后，对多功能车的升降机构进行动力学分析，推导出各个力臂运动过程中的速度、加速度和力矩，为后面的仿真分析提供理论依据。
（三）有限元分析
升降机构作为该车的主要部件，是该车成功与否的关键。对其进行精确的应力和应变分析，采用有限元分析软件 ABAQUS 进行强度和刚度分析，得出多功能车中升降机构的各个力臂的最大应力值和应变值，验证各个力臂是否能够满足设计要求。
（四）仿真分析
为了对升降机构进行较为精确的受力分析，设计中利用 UG 软件对整个机构的各个零部件进行建模，随后将所建零部件模型进行装配，输出文件，最后在 ADAMS 软件中导入，添加必要的约束和液压系统设计给出的动力，完成仿真分析。可以从仿真结果中得出各个力臂和工作平台在运动过程中的位移、速度、加速度、角速度和角加速度变化曲线，验证工作平台的运动速度是否在工作人员的可接受范围之内。
（五）优化设计
对力臂的结构尺寸方面进行考虑，对力臂进行优化，使力臂在满足条件下的体积达到最小，从而可以达到节省材料和降低自重的目的。也可通过对比优化前后的力臂截面参数，查看各个参数和目标值变化量的大小。
二、多功能车主要技术参数的确定
（一）作业高度的选择
本文中所设计的多功能车主要面对市政园林机构，其主要功能是通过升降机构及工作平台将工作人员输送到理想位置，使其完成维修路灯、维修电线、修剪树枝和喷洒农药等工作任务。而根据实际情况，只需要将工作人员运送到 6m 的高空，就可以完成上述工作任务。这里为了很好地完成以上所述的工作任务，将工作平台所能上升的最大高度设定为 7m。而多功能车停放在路边距离路灯和树木又有一定的距离，这里将工作平台所能延伸的最远距离设定为 4m。
（二）外形尺寸的确定每个国家都会对车辆的外形尺寸有所限制，中国也不例外。GB1589 对道路车辆的外形尺寸限制为长度小于或等于 12m，高度小于或等于 4m。原有特殊功能车对此限制更严，但是从此行业发展趋势来看，基本上只能满足 GB1589 的要求。为了方便起见，此多功能车采用北汽福田汽车公司生产的 BJ3062V3PDB-B2型号汽车的底盘和车头，然后对车厢位置进行改装，将升降机构及工作平台安装在车厢尾部，在车厢中部放置一个水箱，水箱和车头之间安装一个起重吊臂，由此构成了多功能的全部。由于整车的高度对车辆的通过性影响很大，在对升降机构和工作平台的设计及布置时，应充分地考虑整车的高度，这里将整车的高度限制在 3.7m 以内。整车的长度和宽度不超过改装前车辆的长度和宽度，即将长度和宽度定为 6470mm和 2270mm。即整车的最终外形尺寸确定为：长×宽×高=6470×2270×3700（mm）。
（三）底盘的确定
如上所述，底盘采用北汽福田汽车公司生产的 BJ3062V3PDB-B2 型号汽车的底盘，该底盘定位为二轴，载荷为 10t，此底盘能够达到多功能车所需要的要求。
（四）作业时间参数的确定
为了充分展现该多功能车作业效率的优势，并参照在欧洲所生产的该类车型的作业时间参数，升降机构旋转、全程变幅和全程伸缩的总时间设定为 70s。