登高車操控結(jié)構(gòu)及電控系統(tǒng)優(yōu)化研究

李 良

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司長(zhǎng)興分公司，上海 201913）

0 引言

登高車作為現(xiàn)代重工制造企業(yè)、建筑、維護(hù)和救援等特定領(lǐng)域不可或缺的設(shè)備，其安全性、靈活性和效率至關(guān)重要。操控結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)作為保障這些性能的核心，其優(yōu)化研究顯得尤為重要。當(dāng)前，盡管現(xiàn)有技術(shù)已在多方面提供了解決方案，但在復(fù)雜環(huán)境下的操作穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、用戶界面的友好性等方面仍存在不足。針對(duì)這些問題，本研究旨在通過技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)優(yōu)化，提高登高車的作業(yè)效率和安全性能。研究將采用系統(tǒng)工程的方法，結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)現(xiàn)有的操控結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)進(jìn)行全面的剖析和改進(jìn)。

1 操控結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化

在對(duì)38 m 登高車操控結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化研究中，重點(diǎn)關(guān)注了結(jié)構(gòu)件的改善和優(yōu)化結(jié)果的分析。這些結(jié)構(gòu)件包括臂架、支腿、中心回轉(zhuǎn)、控制系統(tǒng)等，它們?cè)诒Ｕ喜僮鞣€(wěn)定性和安全性方面起著至關(guān)重要的作用。

1.1 結(jié)構(gòu)件的改善

當(dāng)前的38 m 登高車主要采用的是Q355 和BS700 高強(qiáng)度鋼板材料。臂架采用了箱型結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)其承載能力和穩(wěn)定性。然而，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)在連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)中易出現(xiàn)疲勞裂紋，影響操作安全。通過應(yīng)用有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis），發(fā)現(xiàn)在臂架的連接節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)部位的應(yīng)力集中是裂紋產(chǎn)生的主要原因。為此，提出采用更高性能的鋼材BS960，并對(duì)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過增加曲率和使用加強(qiáng)筋來分散應(yīng)力集中，從而提高整體的抗疲勞性能。同時(shí)，對(duì)于支腿部分，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是四點(diǎn)支撐，這在不平坦的地面上會(huì)導(dǎo)致局部受力過大，影響穩(wěn)定性。提出的改進(jìn)方案是采用可調(diào)節(jié)的六點(diǎn)支撐系統(tǒng)，每個(gè)支腿都裝備有壓力傳感器和微調(diào)機(jī)構(gòu)，能夠根據(jù)地面情況自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證車身平衡，大大提升了安全性和適應(yīng)性。對(duì)于中心回轉(zhuǎn)部分，可以采用雙齒輪減速機(jī)的方式，增加整車在回轉(zhuǎn)中的穩(wěn)定性和安全性。

此外，控制系統(tǒng)中的液壓管路和電纜布局也是優(yōu)化的重點(diǎn)[1]?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)中，管路和電纜暴露在外，易受到外界影響。通過重新設(shè)計(jì)，將其內(nèi)置于保護(hù)性更強(qiáng)的臂架內(nèi)部，并采用更耐高溫、耐磨損的材料，有效延長(zhǎng)了管路和電纜的使用壽命。

1.2 優(yōu)化結(jié)果分析

圖1 雙回轉(zhuǎn)減速機(jī)

在操縱系統(tǒng)方面，傳統(tǒng)的38 m 登高車多采用模擬信號(hào)控制，這在復(fù)雜的操作條件下容易產(chǎn)生誤差，影響操作的精確性?；诖?，本研究提出采用數(shù)字電控系統(tǒng)（Digital Electronic Control System，DECS）。DECS 可以實(shí)現(xiàn)更加精確控制，且具有更好的故障診斷和處理能力。通過采用先進(jìn)的傳感器和控制算法，DECS 可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)調(diào)整，大大提高了操作的精度和可靠性。預(yù)計(jì)這一改進(jìn)可以提升操作精度約15%，同時(shí)降低故障率10%。

為了驗(yàn)證上述改進(jìn)的實(shí)際效果，本研究進(jìn)行了一系列的模擬和實(shí)驗(yàn)分析。表1 為改進(jìn)前后的部分性能指標(biāo)對(duì)比。

表1 登高車操控結(jié)構(gòu)及電控系統(tǒng)改進(jìn)前后性能指標(biāo)對(duì)比表

以上數(shù)據(jù)來源于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用反饋，雖然具體數(shù)值可能因作業(yè)環(huán)境和使用條件不同而有所變化，但整體趨勢(shì)和改善幅度具有較高的可信度。

2 電控系統(tǒng)的創(chuàng)新與提升

在38 m 登高車的性能提升中，電控系統(tǒng)的創(chuàng)新與提升是關(guān)鍵因素之一。電控系統(tǒng)作為登高車操作的大腦，其性能直接影響整車的穩(wěn)定性、靈敏度以及安全性。

2.1 電控系統(tǒng)現(xiàn)狀

當(dāng)前38 m 登高車采用的電控系統(tǒng)主要基于傳統(tǒng)的模擬控制邏輯，通過電纜和接線盒連接各種傳感器和執(zhí)行器。系統(tǒng)包括位置傳感器、速度控制器和穩(wěn)定性監(jiān)控模塊等，能夠完成基本的升降、旋轉(zhuǎn)和行駛操作。然而，這一系統(tǒng)存在響應(yīng)速度慢、精度低、故障率高等問題，特別是在復(fù)雜環(huán)境下的性能不穩(wěn)定，影響了操作的安全性和效率。

2.2 電控系統(tǒng)優(yōu)化策略

為了解決現(xiàn)有電控系統(tǒng)的局限性，本研究提出了一系列優(yōu)化策略。首先，升級(jí)系統(tǒng)核心，采用基于ARM 的微控制單元（MCU），大幅提高了處理速度和數(shù)據(jù)吞吐量。其次，引入了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（DSP，DigitalSignalProcessing），通過實(shí)時(shí)算法優(yōu)化，如快速傅里葉變換（FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform）和自適應(yīng)濾波，提高了信號(hào)的處理精度和響應(yīng)速度。此外，采用了先進(jìn)的場(chǎng)總線技術(shù)，如CAN 或者Ethernet，以減少布線復(fù)雜度，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院退俣取?/p>

在軟件層面，引入了模型預(yù)測(cè)控制（MPC）策略，利用車輛動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)未來的狀態(tài)，提前調(diào)整控制輸入。系統(tǒng)模型為：

其中，xk是系統(tǒng)狀態(tài)，uk是控制輸入，A，B，C，D是系統(tǒng)矩陣。MPC 通過優(yōu)化以下目標(biāo)函數(shù)來計(jì)算控制輸入：

其中，N是預(yù)測(cè)范圍，yref是參考輸出，Q和R是權(quán)重矩陣。通過實(shí)時(shí)調(diào)整uk，MPC 能夠有效提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度[2]。

2.3 優(yōu)化效果評(píng)估

優(yōu)化后的電控系統(tǒng)經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試和評(píng)估。在標(biāo)準(zhǔn)的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試中，系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間從優(yōu)化前的300 ms 降低到了150 ms，提升了50%。在穩(wěn)定性測(cè)試中，系統(tǒng)在各種復(fù)雜環(huán)境下的失穩(wěn)率降低了約30%。此外，在連續(xù)運(yùn)行8 h 的耐久性測(cè)試中，系統(tǒng)的故障次數(shù)比優(yōu)化前減少了約40%。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與案例分析

在38 m 登高車的優(yōu)化項(xiàng)目中，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和案例分析是確保改進(jìn)措施有效性的重要環(huán)節(jié)。通過對(duì)改進(jìn)后的登高車進(jìn)行一系列的測(cè)試，并通過實(shí)際案例來分析優(yōu)化的實(shí)際效果和應(yīng)用價(jià)值，可以更加全面地評(píng)估優(yōu)化方案的成效。

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了全面評(píng)估改進(jìn)后的38 m 登高車性能，進(jìn)行了以下幾項(xiàng)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：

3.1.1 穩(wěn)定性測(cè)試

使用模擬不平坦地面的測(cè)試場(chǎng)地，對(duì)登高車的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試中，登高車需要在不同坡度和不同負(fù)載條件下進(jìn)行操作。通過記錄車身傾斜角度和支腿壓力分布數(shù)據(jù)，可以評(píng)估優(yōu)化后的支腿結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的改進(jìn)效果。使用公式：S=（θi-θavg）2來計(jì)算穩(wěn)定性指數(shù)S，其中θi是第i次測(cè)試的傾斜角度，θavg是平均傾斜角度，n是測(cè)試次數(shù)。優(yōu)化后的登高車在此測(cè)試中顯示出比原型低約20%的穩(wěn)定性指數(shù)。

3.1.2 性能測(cè)試

對(duì)登高車的升降速度、響應(yīng)時(shí)間和操作精度進(jìn)行了測(cè)試。通過比較改進(jìn)前后的數(shù)據(jù)，可以直觀地看出優(yōu)化效果[3]。特別是引入了高速微控制單元和先進(jìn)的控制算法后，響應(yīng)時(shí)間從原來的300 ms 降低到了150 ms，操作精度也有顯著提升。

3.1.3 耐久性測(cè)試

在連續(xù)工作的條件下，對(duì)登高車的各個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的耐久性測(cè)試。記錄了部件的磨損情況、故障率和維護(hù)需求，以評(píng)估改進(jìn)措施對(duì)登高車壽命和維護(hù)成本的影響。

3.2 案例分析

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，將優(yōu)化后的38 m 登高車投入到實(shí)際的工作環(huán)境中，如建筑施工現(xiàn)場(chǎng)、大型維修工程等。通過對(duì)車輛的操作性能、安全性能和工作效率進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤觀察，收集了大量的實(shí)際工作數(shù)據(jù)。例如，在一個(gè)高層建筑清潔項(xiàng)目中，優(yōu)化后的登高車完成同樣工作量的時(shí)間比優(yōu)化前減少了約20%，并且在整個(gè)項(xiàng)目過程中未發(fā)生任何安全事故。這一案例不僅展示了優(yōu)化措施在提升工作效率方面的顯著效果，也證明了其在安全性能方面的可靠性。

4 討論

4.1 技術(shù)創(chuàng)新在提升登高車性能中的重要性

本研究中，登高車的優(yōu)化顯著依賴于技術(shù)創(chuàng)新，特別是在操控結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)方面[4]。通過采用高強(qiáng)度鋼材BS960 和優(yōu)化的臂架設(shè)計(jì)，有效提高了登高車的耐疲勞壽命和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)，引入模型預(yù)測(cè)控制（MPC，Model Predictive Control）和數(shù)字電控系統(tǒng)（DECS），顯著提升了操作精度和系統(tǒng)效率。這些技術(shù)創(chuàng)新不僅提高了登高車的作業(yè)性能，也減少了故障率，從而增強(qiáng)了其在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性。

4.2 操作系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)提升作業(yè)效率的貢獻(xiàn)

在本研究中，對(duì)電控系統(tǒng)的優(yōu)化顯著提高了登高車的操作效率和安全性。通過采用基于ARM 的微控制單元和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和處理精度都得到了顯著提升。優(yōu)化后的電控系統(tǒng)不僅使得登高車在復(fù)雜環(huán)境下保持穩(wěn)定操作，還通過先進(jìn)的故障診斷和處理能力，減少了潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。這些改進(jìn)不僅提升了登高車的操作性能，也為操作人員提供了更加友好和直觀的用戶界面，減少了操作的復(fù)雜性。這種操作系統(tǒng)的優(yōu)化對(duì)于提高工作效率、減少操作錯(cuò)誤和降低維護(hù)成本具有重要意義。

4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與案例分析在優(yōu)化設(shè)計(jì)中的作用

本研究中的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和案例分析對(duì)于確保改進(jìn)措施有效性至關(guān)重要。穩(wěn)定性測(cè)試、性能測(cè)試和耐久性測(cè)試提供了量化數(shù)據(jù)，證明了優(yōu)化設(shè)計(jì)在提升登高車性能方面的實(shí)際效果。這些測(cè)試結(jié)果不僅展示了改進(jìn)措施的有效性，也為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)迭代提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。另一方面，通過現(xiàn)場(chǎng)案例分析，可以更加深入地理解優(yōu)化設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。例如，在高層建筑清潔項(xiàng)目中的應(yīng)用案例表明，優(yōu)化后的登高車不僅提高了工作效率，也保證了操作過程的安全性。這種現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用展示了優(yōu)化設(shè)計(jì)在實(shí)際工作環(huán)境中的可行性和有效性，為未來的設(shè)計(jì)提供了實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景和反饋。

5 結(jié)論

本研究對(duì)38 m 登高車的操控結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)進(jìn)行了全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究提升設(shè)備的性能和安全性。通過采用高強(qiáng)度材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、升級(jí)控制單元和引入先進(jìn)的控制策略，實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明優(yōu)化措施有效增強(qiáng)了登高車的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和操作效率。盡管面臨成本控制、技術(shù)集成和用戶培訓(xùn)等挑戰(zhàn)，持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)優(yōu)化將為進(jìn)一步提升登高車的作業(yè)性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提供動(dòng)力。