在各类灾害的救援过程中,大型救援装备具有功能单一的特点。因此,多种功能装备成为大型救援装备的一个重要发展趋势。机械臂是大型救援装备中的重要组成部分。研究机械臂的安全工作范围具有重要的意义。目前,大型救援装备中机械臂的研究主要集中在典型工作位置处的运动学和动力学分析及仿真,对于理想包络范围内油缸驱动力和机械臂箱体应力在机械臂任意角度、角速度和角加速度的情况下的研究甚少。本文将分别建立油缸驱动力、机械臂箱体应力与各机械臂角度、角速度和角加速度之间的关系,确定机械臂的安全工作范围,具体研究内容包括以下几个方面:首先,大型救援装备具有多功能的要求,分别为起重、载人、破拆、挖掘和举高等,本文分析了起重工况下分析卷扬机吊钩垂直于地面、多关节油缸极限量、多关节油缸卸载压强、最大载荷、多段机械臂结构及应力、多段机械臂极限角速度和多段机械臂极限角加速度这些约束条件。基于ADAMS仿真和样条插值,得到在卷扬机吊钩垂直于地面、多关节油缸极限量及多段机械臂结构这些约束条件下的机械臂的极限包络轨迹、衍生轨迹及理想包络范围。其次,将建立动臂、中间斗杆、斗杆三段机械臂油缸驱动力与它们角度、角速度和角加速度之间的关系。基于D-H矩阵法得到机械臂位姿描述、速度描述和加速度描述。基于KANE动力学方程,得到各油缸所提供力矩与机械臂角度、角速度和角加速度九个参数之间的关系,并将油缸驱动力矩转化为驱动压强,得到机械臂安全工作范围的第一判定依据是油缸压强小于卸载压强。最后,针对动臂和中间斗杆的耦合受力多加强板箱式结构,通过其分段受力与箱体的应力公式得到机械臂箱体各横截面的正应力和切应力与机械臂角度、角速度和角加速度之间的关系,得到机械臂安全工作范围的第二判定依据是箱体应力满足第三强度理论校核。基于Matlab对机械臂安全工作范围的判定依据,根据压强约束和应力约束,分别求第一和第二判定依据条件下的安全工作范围,最终得到机械臂的安全工作范围。