淺談登高平臺消防車臂架的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化途徑

一、登高平臺結(jié)構(gòu)簡介

本文介紹的登高平臺消防車臂架是現(xiàn)階段普遍應(yīng)用在我國消防工作中的類型，其主臂部分以五節(jié)臂組成，通過隨意伸展和收回，實(shí)現(xiàn)將登高平臺升高和降落的過程。其主要的運(yùn)行機(jī)理是通過伸縮油缸完成的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其同步伸縮的升降作業(yè)。拐臂是該車臂架中的重要組成部分，其主要是完成曲臂伸縮運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，同時(shí)也是五節(jié)臂的鏈接環(huán)節(jié)。而且針對拐臂的設(shè)計(jì)尤為重要，在通常將平臺升至最高點(diǎn)時(shí)，不僅需要對其高度進(jìn)行控制，更加需要在較為不易直接伸展的地方進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)，才能夠?qū)⒌歉咂脚_上升到目標(biāo)位置。而且在整體結(jié)構(gòu)中拐臂也是鏈接消防登高平臺重要部位，而在另一端將其與五節(jié)臂的一端進(jìn)行鏈接，才能夠方便工作人員在其平臺上站立指揮或者操作。那么依據(jù)現(xiàn)實(shí)工作中的需求，其承重能力需要符合一定的承載基礎(chǔ)，目前我國在此階段中的設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠達(dá)到5噸以下承重能力。并且在多數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都預(yù)留了一定的加載點(diǎn)，從而適應(yīng)一般消防車的設(shè)計(jì)需求或者平臺簡化的處理方式。

二、登高平臺消防車臂架的結(jié)構(gòu)

（一）曲臂運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

針對曲臂運(yùn)動(dòng)機(jī)理和加速度與角度的結(jié)構(gòu)中，是完成加速度定量的主要方式，在基于曲臂角度和加速度角度中其設(shè)定曲臂長度不多超過5200mm、而通過曲臂角加速度與臂角速度在計(jì)算平臺中的法向與切向加速度進(jìn)行設(shè)計(jì)，才形成了加速度的平臺。而此時(shí)的曲臂與主臂本身也存在180°夾角，而且曲臂最大角度可以延伸至15.76°/s2，因此在平臺內(nèi)部主臂上曲臂的環(huán)繞轉(zhuǎn)動(dòng)也與其平臺的加速度產(chǎn)生了離心力，其運(yùn)動(dòng)性能的平穩(wěn)性并不高。那么在曲臂與主臂產(chǎn)生27°以上的夾角時(shí)，就會(huì)同時(shí)存在最小角曲臂速度4.55°/s，那么也同時(shí)會(huì)產(chǎn)生加速度曲臂角的最小值1.85E-05°/s2，因此在進(jìn)行平臺慣性與曲臂的載荷最小設(shè)計(jì)中，往往產(chǎn)生更好的平穩(wěn)性能。而且在曲臂與主臂的155°夾角中其最大曲臂角加速度為1.75°/s2，那么此時(shí)的曲臂角慣性載荷最大，同時(shí)角速度變化也是最快的情況，也就獲得了較高的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。

（二）六節(jié)臂架伸縮方式

六節(jié)臂架是多數(shù)消防登高平臺的主要結(jié)構(gòu)，在伸縮時(shí)由二級油缸和單級油缸共同作業(yè)的方式達(dá)到升高和起落的作用。首先，在一節(jié)臂和二節(jié)臂之間需要配合兩個(gè)單級油缸的作用力實(shí)現(xiàn)伸縮功能。其次，二節(jié)臂到六節(jié)臂之間，需要利用兩個(gè)以上二級油缸完成伸縮，即為單級油缸與二級油缸的綜合作用。其中主要的承載件是油缸本身，而繩排作用則是出于保護(hù)臂架同步伸縮的重要考量。而由一節(jié)臂到五節(jié)臂之間，同時(shí)需要兩個(gè)以上的二級油缸繩排實(shí)現(xiàn)伸縮功能，那么主要的承載件亦為油缸，但是繩排作用的效果則是保證保證臂架伸縮的基礎(chǔ)動(dòng)力。當(dāng)五節(jié)臂和六節(jié)臂能夠同時(shí)配合伸縮作業(yè)，也就實(shí)現(xiàn)了油缸作為主要承載部件的繩排作用。此外，七節(jié)臂架伸縮則是由多級油缸和繩排作用實(shí)現(xiàn)升降功能的主要方式。一方面，需要一節(jié)臂與三節(jié)臂之間配合一個(gè)二級油缸完成繩排作用，而三節(jié)臂與五節(jié)臂之間，則需要一個(gè)二級油缸繩完成伸縮作業(yè)。同時(shí)在五節(jié)臂和七節(jié)臂之間，也可以利用單個(gè)二級油缸完成繩排伸縮的主要功能。但是在主要承載部件為油缸本身時(shí)，繩排作用必須保證臂架同步伸縮。而且在其實(shí)現(xiàn)方式上，仍然以一節(jié)臂到四節(jié)臂之間，必須實(shí)現(xiàn)三級油缸完成的繩排機(jī)構(gòu)伸縮作用，而在四節(jié)臂到七節(jié)臂之間，則需要通過三級油缸的繩排結(jié)構(gòu)，促進(jìn)伸縮功能實(shí)現(xiàn)同步升降的主要方式。在八節(jié)及以上臂架的升降作業(yè)時(shí)，其伸縮方式與以上六節(jié)臂架的伸縮方式相似，需要同時(shí)利用多級油缸的繩排結(jié)構(gòu)，并結(jié)合單級油缸進(jìn)行繩排作用，從而實(shí)現(xiàn)消防車升降平臺臂架的伸縮功能。

三、登高平臺消防車臂架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化途徑

（一）登高平臺中車臂架滑輪組結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對于登高平臺消防車臂架的結(jié)構(gòu)而言，能夠?qū)崿F(xiàn)在消防作業(yè)中的快速伸縮，而且操作簡單便捷是主要目標(biāo)，那么在滑輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上也就顯得尤為重要。其在關(guān)鍵部位的滑輪組合方式，決定了最高承重能力以及可以完成的降低標(biāo)準(zhǔn)，而且多數(shù)消防車的臂架在完成升降的過程中是否相對穩(wěn)定，也在于滑輪設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性與抗耐磨程度。在工程技術(shù)逐步完善的階段，其滑輪的應(yīng)用也得到了部分優(yōu)化處理，通過采取滑輪進(jìn)行連接的設(shè)計(jì)以外，也有部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出氣壓桿或梁的伸縮臂的升降方式，在實(shí)際中的應(yīng)用效果與滑輪的連接方式基本相同，但是在使用壽命與耐磨程度上較高。其主要的結(jié)果設(shè)計(jì)，需要在三節(jié)臂與二節(jié)臂中間加入一個(gè)滑塊，并且需要在四節(jié)臂與三節(jié)臂中安置滑輪，通過兩個(gè)環(huán)節(jié)的約束方程實(shí)現(xiàn)基本的升降功能。而且也需要一定的方程計(jì)算和指令才能做出精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的判斷，那么在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的過程里，也同時(shí)需要對其進(jìn)行約束方程的節(jié)點(diǎn)自由度與移動(dòng)距離進(jìn)行規(guī)劃，才能設(shè)計(jì)出實(shí)用性較高的升降效果。

（二）伸縮臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式

通常在登高平臺消防車臂架的結(jié)構(gòu)中伸縮臂是主要承受重力的下端位置，同時(shí)也是根部臂架的組成部分，那么在這一部分的優(yōu)化中，需要考慮兩個(gè)方向。一方面，如果臂伸出多遠(yuǎn)的距離，容易造成滑輪與滑塊的主要受力源，那么其必然容易產(chǎn)生對于承重力的無法控制，從而降低了使用中的安全性。另一方面，當(dāng)臂伸出量不高的情況下，其外側(cè)臂架成為主要的承重受力點(diǎn)。那么在這時(shí)就可以根據(jù)五節(jié)臂的承重基礎(chǔ)，成為設(shè)計(jì)臂架受力點(diǎn)的重要基礎(chǔ)。那么再通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的模型組成，以及附加承重力的加載計(jì)算，也就能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。以主臂仰角為例，其臂頭完成作業(yè)的運(yùn)行軌跡計(jì)算也需要這些數(shù)據(jù)的支持。那么在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，對多數(shù)板式鏈優(yōu)化處理方式，也是可以通過將其升高至作業(yè)位置再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足實(shí)際應(yīng)用時(shí)的根本需求。

（三）臂力強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

部分實(shí)驗(yàn)證明，在測量強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，只有當(dāng)主臂仰角擴(kuò)展到80°的情況，才能完成各個(gè)節(jié)臂的全部伸展效果，那么對此部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是對于最大應(yīng)力值的設(shè)計(jì)。目前臂力應(yīng)力的最大值為590MPa，其基本實(shí)際預(yù)應(yīng)力的安全范圍在許用應(yīng)力為367MPa。但是最大應(yīng)力的優(yōu)化設(shè)計(jì)也需要考證在各個(gè)節(jié)臂中的直接鏈接關(guān)系，才能在實(shí)際應(yīng)用中完成臂力的要求，進(jìn)而設(shè)計(jì)出可以完善的應(yīng)力值范圍，才能優(yōu)化到實(shí)際應(yīng)用的強(qiáng)度目標(biāo)。

在對消防車登高平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的過程中，其臂架結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中的具體形式與作用分析尤為重要。必須考慮結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度是否在能夠得到有效控制，而對于加速度與速度的計(jì)算環(huán)節(jié)也需要精細(xì)化計(jì)算，同時(shí)對于大量經(jīng)歷與時(shí)間的投入，都是促進(jìn)其設(shè)計(jì)方案合理化的過程，那么在改進(jìn)與優(yōu)化臂架結(jié)構(gòu)的理論支持上仍需提升根本的設(shè)計(jì)效率。一方面，在臂架結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)當(dāng)注重自動(dòng)控制技術(shù)的延伸。另一方面，在在曲臂變幅結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)行針對性的研究。而針對其設(shè)計(jì)優(yōu)化的精細(xì)化程度也需要進(jìn)行具體的計(jì)算。首先，對于結(jié)構(gòu)改造的方案計(jì)算，需要在采取有限元法，將臂架簡化在梁設(shè)計(jì)的單元處理中，達(dá)到整體性能與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置。其次，是采用有限元法進(jìn)行精細(xì)計(jì)算，以局部采用實(shí)體單元，整體采用板單元的方式，對其模型完成剛度于強(qiáng)度的校核，從而發(fā)現(xiàn)不合理的布局單元結(jié)構(gòu)。此外對于變幅過程中的曲臂結(jié)構(gòu)必須符合相應(yīng)的ADAMS仿真運(yùn)動(dòng)學(xué)原理進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)，才能在節(jié)省相對的實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)間以及公式推導(dǎo)錯(cuò)誤的發(fā)生。

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