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浅谈登高平台消防车臂架的结构和优化途径

时间:2018-06-11 18:01:44    

来源:《消防界》杂志    

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   责任编辑:xfj11910

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本文针对登高平台消防车臂架的结构进行介绍,同时提出登高平台消防车臂架的结构优化途径。

  摘要:登高平台消防车臂架是支持平台升降和伸缩的主要方式,而在其结构优化的过程中必须考虑承载力与旋转角度的问题。本文针对登高平台消防车臂架的结构进行介绍,同时提出登高平台消防车臂架的结构优化途径。
 
  关键词:登高平台;消防车臂架;结构优化
 
  作者简:石林  牡丹江市林口县公安消防大队
 
  一、登高平台结构简介
 
  本文介绍的登高平台消防车臂架是现阶段普遍应用在我国消防工作中的类型,其主臂部分以五节臂组成,通过随意伸展和收回,实现将登高平台升高和降落的过程。其主要的运行机理是通过伸缩油缸完成的,进而实现其同步伸缩的升降作业。拐臂是该车臂架中的重要组成部分,其主要是完成曲臂伸缩运行的基础设计,同时也是五节臂的链接环节。而且针对拐臂的设计尤为重要,在通常将平台升至最高点时,不仅需要对其高度进行控制,更加需要在较为不易直接伸展的地方进行180°旋转,才能够将登高平台上升到目标位置。而且在整体结构中拐臂也是链接消防登高平台重要部位,而在另一端将其与五节臂的一端进行链接,才能够方便工作人员在其平台上站立指挥或者操作。那么依据现实工作中的需求,其承重能力需要符合一定的承载基础,目前我国在此阶段中的设计已经能够达到5吨以下承重能力。并且在多数结构设计中都预留了一定的加载点,从而适应一般消防车的设计需求或者平台简化的处理方式。
 
  二、登高平台消防车臂架的结构
 
  (一)曲臂运动学特征
 
  针对曲臂运动机理和加速度与角度的结构中,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设定曲臂长度不多超过5200mm、而通过曲臂角加速度与臂角速度在计算平台中的法向与切向加速度进行设计,才形成了加速度的平台。而此时的曲臂与主臂本身也存在180°夹角,而且曲臂最大角度可以延伸至15.76°/s2,因此在平台内部主臂上曲臂的环绕转动也与其平台的加速度产生了离心力,其运动性能的平稳性并不高。那么在曲臂与主臂产生27°以上的夹角时,就会同时存在最小角曲臂速度4.55°/s,那么也同时会产生加速度曲臂角的最小值1.85E-05°/s2,因此在进行平台惯性与曲臂的载荷最小设计中,往往产生更好的平稳性能。而且在曲臂与主臂的155°夹角中其最大曲臂角加速度为1.75°/s2,那么此时的曲臂角惯性载荷最大,同时角速度变化也是最快的情况,也就获得了较高的运动平稳性。
 
  (二)六节臂架伸缩方式
 
  六节臂架是多数消防登高平台的主要结构,在伸缩时由二级油缸和单级油缸共同作业的方式达到升高和起落的作用。首先,在一节臂和二节臂之间需要配合两个单级油缸的作用力实现伸缩功能。其次,二节臂到六节臂之间,需要利用两个以上二级油缸完成伸缩,即为单级油缸与二级油缸的综合作用。其中主要的承载件是油缸本身,而绳排作用则是出于保护臂架同步伸缩的重要考量。而由一节臂到五节臂之间,同时需要两个以上的二级油缸绳排实现伸缩功能,那么主要的承载件亦为油缸,但是绳排作用的效果则是保证保证臂架伸缩的基础动力。当五节臂和六节臂能够同时配合伸缩作业,也就实现了油缸作为主要承载部件的绳排作用。此外,七节臂架伸缩则是由多级油缸和绳排作用实现升降功能的主要方式。一方面,需要一节臂与三节臂之间配合一个二级油缸完成绳排作用,而三节臂与五节臂之间,则需要一个二级油缸绳完成伸缩作业。同时在五节臂和七节臂之间,也可以利用单个二级油缸完成绳排伸缩的主要功能。但是在主要承载部件为油缸本身时,绳排作用必须保证臂架同步伸缩。而且在其实现方式上,仍然以一节臂到四节臂之间,必须实现三级油缸完成的绳排机构伸缩作用,而在四节臂到七节臂之间,则需要通过三级油缸的绳排结构,促进伸缩功能实现同步升降的主要方式。在八节及以上臂架的升降作业时,其伸缩方式与以上六节臂架的伸缩方式相似,需要同时利用多级油缸的绳排结构,并结合单级油缸进行绳排作用,从而实现消防车升降平台臂架的伸缩功能。
 
  三、登高平台消防车臂架的结构优化途径
 
  (一)登高平台中车臂架滑轮组结构优化
 
  对于登高平台消防车臂架的结构而言,能够实现在消防作业中的快速伸缩,而且操作简单便捷是主要目标,那么在滑轮结构的设计上也就显得尤为重要。其在关键部位的滑轮组合方式,决定了最高承重能力以及可以完成的降低标准,而且多数消防车的臂架在完成升降的过程中是否相对稳定,也在于滑轮设计的精准性与抗耐磨程度。在工程技术逐步完善的阶段,其滑轮的应用也得到了部分优化处理,通过采取滑轮进行连接的设计以外,也有部分结构设计出气压杆或梁的伸缩臂的升降方式,在实际中的应用效果与滑轮的连接方式基本相同,但是在使用寿命与耐磨程度上较高。其主要的结果设计,需要在三节臂与二节臂中间加入一个滑块,并且需要在四节臂与三节臂中安置滑轮,通过两个环节的约束方程实现基本的升降功能。而且也需要一定的方程计算和指令才能做出精准结构的判断,那么在设计结构的过程里,也同时需要对其进行约束方程的节点自由度与移动距离进行规划,才能设计出实用性较高的升降效果。
 
  (二)伸缩臂的优化设计方式
 
  通常在登高平台消防车臂架的结构中伸缩臂是主要承受重力的下端位置,同时也是根部臂架的组成部分,那么在这一部分的优化中,需要考虑两个方向。一方面,如果臂伸出多远的距离,容易造成滑轮与滑块的主要受力源,那么其必然容易产生对于承重力的无法控制,从而降低了使用中的安全性。另一方面,当臂伸出量不高的情况下,其外侧臂架成为主要的承重受力点。那么在这时就可以根据五节臂的承重基础,成为设计臂架受力点的重要基础。那么再通过设计相应的模型组成,以及附加承重力的加载计算,也就能够达到实际应用的设计标准。以主臂仰角为例,其臂头完成作业的运行轨迹计算也需要这些数据的支持。那么在进行优化设计的过程中,对多数板式链优化处理方式,也是可以通过将其升高至作业位置再进行优化设计,以满足实际应用时的根本需求。
 
  (三)臂力强度的优化设计方法
 
  部分实验证明,在测量强度的优化设计中,只有当主臂仰角扩展到80°的情况,才能完成各个节臂的全部伸展效果,那么对此部分的优化设计也是对于最大应力值的设计。目前臂力应力的最大值为590MPa,其基本实际预应力的安全范围在许用应力为367MPa。但是最大应力的优化设计也需要考证在各个节臂中的直接链接关系,才能在实际应用中完成臂力的要求,进而设计出可以完善的应力值范围,才能优化到实际应用的强度目标。
 
  在对消防车登高平台进行结构设计与优化的过程中,其臂架结构在应用中的具体形式与作用分析尤为重要。必须考虑结构刚度与强度是否在能够得到有效控制,而对于加速度与速度的计算环节也需要精细化计算,同时对于大量经历与时间的投入,都是促进其设计方案合理化的过程,那么在改进与优化臂架结构的理论支持上仍需提升根本的设计效率。一方面,在臂架结构分析中应当注重自动控制技术的延伸。另一方面,在在曲臂变幅结构也需要进行针对性的研究。而针对其设计优化的精细化程度也需要进行具体的计算。首先,对于结构改造的方案计算,需要在采取有限元法,将臂架简化在梁设计的单元处理中,达到整体性能与结构的优化配置。其次,是采用有限元法进行精细计算,以局部采用实体单元,整体采用板单元的方式,对其模型完成刚度于强度的校核,从而发现不合理的布局单元结构。此外对于变幅过程中的曲臂结构必须符合相应的ADAMS仿真运动学原理进行优化和设计,才能在节省相对的实际设计时间以及公式推导错误的发生。
 
  参考文献:
 
  甘敬国.登高平台消防车臂架结构分析方法研究及优化[J].黑龙江科技信息,2016,(02):56.
 
  李圣,滕儒民,王欣,王殿龙,李杰.折臂式举高消防车臂架系统振动特性研究[J].大连理工大学学报,2016,(05):457-465.
 
  此文刊登于《消防界》2018年4月刊(下)
相关关键词: 臂架 消防车 途径