高空作业平台对于高层基础建筑的作业、灭火和救援,保障人民生命财产安全,具有重大的工程意义和设计需求紧迫性。随着城市化进程加快,高空作业平台特别是大高度高空作业平台的应用和需求越来越广泛。目前我国高空作业平台产品技术水平与欧美日等发达国家和地区的产品相比差距甚为明显。这种落后体现在:基础性研究工作较少,尤其缺少高空的微动性、可操控性及其动态规划的综合控制方面的专门研究,没有及时引入新的设计理论和先进的计算方法,更谈不上对产品设计的“精雕细琢”。从高空作业平台臂架系统的设计理论及平台多自由度协同运动规划两个方面进行研究,以注重工程的开发应用及其理论研究的探索作为研究目的,拟解决以下几个方面问题:
开展几何非线性计算与相似性设计理论相结合的臂架系统快速设计。通过对比分析现有国外高空作业平台系列产品结构形式及工作特点,寻找到影响产品性能的主要参数及其设计规律,得出进行相似性设计的基础可行性解;同时基于小变形的线性分析及大变形的非线性分析进行了臂架截面的相似性设计推导和过程分析,依此分别幵展了设计模型与设计原型全几何相似的相似性设计、设计模型与设计原型应力相等的相似性设计、设计模型危险截面应力相同的相似性设计,并讨论了危险截面处的受力、应力以及臂端位移等方面的差异。在全几何相似设计时,非线性计算的设计模型受力、变形、应力、稳定性相似比比线性的大,因此基于线性计算的相似性设计结果偏危险。非线性全几何相似性设计模型的应力值比原型的应力值大很多,应力结果不相似,.设计结果不合理。
鉴于以上情况,对其改进方法是通过分别调整各节臂截面的大小,获得各节臂危险截面应力相似比为1或应力值趋近于某个常数值,以便完成合理设计,最终建立非线性引导作为驱动源的相似性设计理论,实现复杂工况大变形问题的变截面设计问题。研究上车飞臂平台期望轨迹的分级运动规划策略,实现由工作平台期望的运动作业空间到臂架系统关节空间的冗余自由度运动规划计算。根据高空作业平台的动作方式,首先建立起了高空作业平台的运动学模型,推导了相对于全局坐标系的雅可比矩阵;其次将实际关节的运动位姿限制及速度极限限制作为约束条件加到齐次加速度解算子的范围上,以速度矢量的欧拉范数最小作为目标,并利用分离空间法对逆运动学问题进行了求解;最后利用约束稳定性方法完成了基于闭环反馈控制的平台运动规划,有效的避免了运动误差累积。为进行臂架系统关节空间到液压缸直线驱动空间的规划提供了基础。
考虑到运动控制的分层转化,继而对液压系统的分级控制特性与作用机制作了进一步的研究。进行了高空作业平台的关节空间到液压缸驱动空间的非线性变换关系推导。主要是利用解析法对含有移动副与转动副混合式折叠伸缩臂高空作业平台,推导了具有多层同步伸缩特性的伸缩副移动量与伸缩液压缸直线驱动而造成的转角在空间的变换关系。详细推导了一号臂变幅与伸缩运动,二号臂变幅与伸缩运动,飞臂变幅运动涉及到的臂架关节运动与液压缸直线伸缩运动的关系,为进行合理分配控制驱动系统参数提供依据。开发研究了一套高空作业平台专用的设计与分析仿真系统(Aerial Work PlatformDesign and Analysis System),通过不同的算例分析,逐一验证臂架非线性驱动的相似性设计理论、飞臂平台轨迹规划及分级实现运动仿真、空间八字形变幅系统安装误差分析等。分析系统从臂架截面设计到臂架受力变形应力分析,再到平台轨迹规划及分级运动控制,直到运动误差分析的设计过程,可为高空作业平台的方案设计及结构设计提供快速分析工具。
综上所述,基于相似理论的超高度高空作业平台臂架系统快速设计方法研究,尤其侧重考虑长细构件非线性的影响,实现通过对相似常数的调整来生成新的臂架方案,不仅保证了高空作业平台特定的臂架截面高强度及刚度要求,同时对其高空操作平台稳定而高效的臂架展幵过程关系及其运动规划的控制理论特性进行了展开研究。其设计方案与控制系统的研究结果可为国内高空作业平台的臂架截面快速设计及系统控制计算和运动仿真提供理论依据与生产实践参考。
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