登高平臺(tái)消防車臂架伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

石鵬飛，劉志斌，徐國(guó)榮，吳攀攀，江愛(ài)林

（三一重工股份有限公司，長(zhǎng)沙 410100）

0 引言

登高平臺(tái)消防車是一種裝備折疊式或折疊與伸縮組合式臂架、載人平臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)及滅火裝置，用于撲滅高層建筑火災(zāi)以及救援的專用汽車，是一種集高空消防、高空搶險(xiǎn)救援、高空工程作業(yè)等功能于一體的綜合型設(shè)備[1～3]。

登高平臺(tái)消防車臂架主要有折疊臂、伸縮臂和組合臂三種結(jié)構(gòu)形式。其中折疊臂通過(guò)鉸接變幅機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)臂架的變幅運(yùn)動(dòng)，伸縮臂通過(guò)伸縮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)臂架伸出與收回，組合臂通過(guò)變幅機(jī)構(gòu)結(jié)合伸縮機(jī)構(gòu)一起實(shí)現(xiàn)臂架的變幅與伸縮[4,5]。伸縮式臂架系統(tǒng)主要包括臂架結(jié)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、曲臂、平臺(tái)、液壓電纜系統(tǒng)、水路系統(tǒng)以及伸縮機(jī)構(gòu)等。鐘安慶等[6]以CDZ50型登高平臺(tái)消防車為例，對(duì)多節(jié)直臂舉升同步伸縮系統(tǒng)所涉及的直臂伸縮機(jī)構(gòu)和拖鏈、伸縮水管機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等進(jìn)行分析探討，為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了借鑒。

目前用于伸縮臂架伸縮機(jī)構(gòu)的類型主要有單級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu)、多級(jí)油缸（主要為二級(jí)）繩排機(jī)構(gòu)。不同類型的伸縮機(jī)構(gòu)對(duì)臂架系統(tǒng)伸縮的速度及穩(wěn)定性有很大影響，同時(shí)對(duì)油缸、繩排的要求也相差很大。臂分別通過(guò)頭部滑輪的繩排和尾部滑輪的繩排帶動(dòng)三節(jié)臂的伸出和收回。采用隔離法對(duì)臂架系統(tǒng)各節(jié)臂架進(jìn)行受力分析。設(shè)定三節(jié)臂伸出所需的軸向載荷為Z3，由于三節(jié)臂的伸出和收回是通過(guò)滑輪和繩排實(shí)現(xiàn)，因此三節(jié)臂伸出時(shí)二節(jié)臂通過(guò)頭部滑輪需要提供的軸向載荷為2Z3。設(shè)定三節(jié)臂縮回所需的軸向載荷為Z3'，則三節(jié)臂收回時(shí)二節(jié)臂尾部滑輪所需提供的軸向載荷為Z3'。

對(duì)伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析：

式中：G載為三節(jié)臂頭部的附加載荷，N；G3為三節(jié)臂重力，N；為臂架系統(tǒng)與水平夾角，度；f3為二節(jié)臂對(duì)三節(jié)臂伸出的摩擦阻力，N。

可得，1#繩排（繞過(guò)二節(jié)臂頭部滑輪）受力為：

1 四種典型伸縮機(jī)構(gòu)

三節(jié)臂收回所需的軸向載荷：

1.1 單級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)(一)

單級(jí)油缸伸縮機(jī)構(gòu)（一）結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，數(shù)字1 3分別表示一節(jié)臂 三節(jié)臂。其工作原理為一節(jié)臂通過(guò)單級(jí)油缸伸縮二節(jié)臂，二節(jié)式中：

為二節(jié)臂對(duì)三節(jié)臂收回的摩擦阻力，N。2#繩排（繞過(guò)二節(jié)臂尾部滑輪）受力為：

臂架伸出時(shí)伸縮油缸受力為：

式中：G2為二節(jié)臂重力，N；f2為一節(jié)臂對(duì)二節(jié)臂伸出的摩擦阻力，N。

根據(jù)上述伸縮機(jī)構(gòu)受力分析可知，該單缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)產(chǎn)生載荷加倍累積效應(yīng)，造成繩排與油缸受力較大，因此一般適用于臂架節(jié)數(shù)較少（四節(jié)及以下）的臂架系統(tǒng)。

1.2 單級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)(二)

圖2 單級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)（二）

單級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)（二）結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其工作原理為一節(jié)臂通過(guò)單級(jí)伸縮油缸帶動(dòng)三節(jié)臂伸出和收回，三節(jié)臂通過(guò)2#繩排（繞過(guò)二節(jié)臂尾部滑輪）帶動(dòng)二節(jié)臂伸出，三節(jié)臂通過(guò)1#繩排（繞過(guò)二節(jié)臂頭部滑輪）帶動(dòng)二節(jié)臂收回。

對(duì)伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，二節(jié)臂伸出所需的軸向載荷：

二節(jié)臂收回所需的軸向載荷：

可得，1#繩排受力為：

2#繩排受力為：

臂架伸出時(shí)伸縮油缸受力為：

根據(jù)上述伸縮機(jī)構(gòu)受力分析可知，該單缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)繩排和伸縮油缸受力較小，便于減小臂節(jié)之間的間隙和伸縮油缸的最小缸徑，缺點(diǎn)是伸縮油缸行程較長(zhǎng)，為單級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)（一）中油缸行程的2倍。

1.3 多級(jí)油缸（二級(jí)）伸縮機(jī)構(gòu)

圖3 多級(jí)油缸（二級(jí)）伸縮機(jī)構(gòu)

該伸縮機(jī)構(gòu)無(wú)繩排，如圖3所示。臂架伸縮主要承載件為二級(jí)油缸，一節(jié)臂通過(guò)二級(jí)油缸帶動(dòng)二節(jié)臂與三節(jié)臂伸縮。分析伸縮機(jī)構(gòu)受力可得，

油缸第二級(jí)伸縮最大推力為：

油缸第一級(jí)伸縮最大推力為：該伸縮機(jī)構(gòu)二級(jí)油缸最大推力與臂架重力及所受附加載荷（包括摩擦阻力）之和相等，缺點(diǎn)是臂架系統(tǒng)伸縮速度難以實(shí)現(xiàn)完全同步。

1.4 多級(jí)油缸（二級(jí)）繩排伸縮機(jī)構(gòu)

圖4 多級(jí)油缸（二級(jí)）繩排伸縮機(jī)構(gòu)

多級(jí)油缸（二級(jí)）繩排伸縮機(jī)構(gòu)示意圖如圖4所示，其工作原理為一節(jié)臂通過(guò)二級(jí)油缸帶動(dòng)二節(jié)臂和三節(jié)臂伸出和收回，1#繩排與2#繩排的作用為保證二節(jié)臂與三節(jié)臂伸縮同步。

根據(jù)二級(jí)油缸原理，油缸第二級(jí)伸出速度大于第一級(jí)，則臂架伸出時(shí)，2#繩排受力，減速三節(jié)臂，增速二節(jié)臂；如油缸第一級(jí)伸出速度大于第二級(jí)，則1#繩排受力，減速二節(jié)臂，增速三節(jié)臂。

臂架系統(tǒng)收回時(shí)，油缸第二級(jí)速度大于第一級(jí)，則1#繩排受力，減速三節(jié)臂，增速二節(jié)臂；如油缸第一級(jí)速度大于第二級(jí)，則2#繩排受力，減速二節(jié)臂，增速三節(jié)臂，且：

二級(jí)油缸為臂架伸縮的主要承載件，臂架系統(tǒng)伸出時(shí)，二級(jí)油缸第一級(jí)承載二節(jié)臂與三節(jié)臂的伸出，其最大推力值為：

二級(jí)油缸第二級(jí)最大推力值為：

根據(jù)上述伸縮機(jī)構(gòu)受力分析可知，采用多級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu)伸縮既能減小繩排和油缸受力，同時(shí)能有效保證臂節(jié)伸縮的同步。

2 伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例

某登高平臺(tái)消防車臂架系統(tǒng)由伸縮臂架（1）總成與伸縮臂架（2）總成構(gòu)成，如圖6所示，臂架（1）總成與臂架（2）總成通過(guò)橋連接，臂架（2）總成與橋通過(guò)油缸變幅機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)折疊與展開。臂架（1）總成共5節(jié)臂，第五節(jié)臂頭部附加載荷（第五節(jié)臂頭部往上所有構(gòu)件重量及載荷）G載＝1×105N，附加載荷彎矩M載＝2678662N·m。力學(xué)計(jì)算模型如圖5所示，其中Ai、Bi分別為臂節(jié)搭接處的正壓力，Ei、Fi分別臂節(jié)搭接處的摩擦力，Gi為各節(jié)臂自重， 為臂架總成仰角，Zi為各節(jié)臂伸出所需的軸向載荷。由于臂架（2）總成位于臂架（1）總成側(cè)向，因此附加載荷對(duì)臂架（1）總成產(chǎn)生側(cè)向彎矩M0＝112253N·m，如圖6所示。

圖5 伸縮機(jī)構(gòu)計(jì)算力學(xué)模型

臂架伸縮分別采用前述四種伸縮機(jī)構(gòu)，如圖7～圖10所示，數(shù)字1～5分別表示一節(jié)臂～五節(jié)臂。其中1#繩排繞過(guò)二節(jié)臂頭部滑輪，2#繩排繞過(guò)二節(jié)臂尾部滑輪，3#繩排繞過(guò)四節(jié)臂頭部滑輪，4#繩排繞過(guò)四節(jié)臂尾部滑輪。油缸推力F1～F4分別為一節(jié)臂對(duì)二節(jié)臂、二節(jié)臂對(duì)三節(jié)臂、三節(jié)臂對(duì)四節(jié)臂、四節(jié)臂對(duì)五節(jié)臂的油缸推力。

圖6 側(cè)向彎矩示意圖

圖7 單級(jí)油缸繩排（一）伸縮機(jī)構(gòu)

圖8 單級(jí)油缸繩排（二）伸縮機(jī)構(gòu)

圖9 二級(jí)油缸（無(wú)繩排）伸縮機(jī)構(gòu)

根據(jù)式(1)～(15)各類型伸縮機(jī)構(gòu)計(jì)算繩排力和排機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伸縮，主要承載件為油缸，繩排的作用為保證臂架伸縮同步；五節(jié)臂與六節(jié)臂通過(guò)繩排實(shí)現(xiàn)伸縮（二級(jí)油缸繩排+單級(jí)油缸繩排工作原理），主要承載件為繩排。

圖10 二級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)

圖11 六節(jié)臂伸縮實(shí)現(xiàn)方式（一）

伸縮油缸力分別如表1和表2所示。

表1 各種伸縮機(jī)構(gòu)繩排力計(jì)算

圖12 六節(jié)臂伸縮實(shí)現(xiàn)方式（二）

表2 各種伸縮機(jī)構(gòu)油缸力計(jì)算

綜合表1繩排力與表2油缸力計(jì)算數(shù)據(jù)可知，單級(jí)油缸繩排（一）伸縮機(jī)構(gòu)中繩排受力和油缸推力較大，單級(jí)油缸繩排（二）、二級(jí)油缸（無(wú)繩排）伸縮機(jī)構(gòu)與二級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)繩排受力和油缸推力計(jì)算值相等，即二級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)既能克服單級(jí)油缸繩排（二）中油缸行程過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，同時(shí)能有效保證臂架伸縮的同步、平穩(wěn)。

3 長(zhǎng)臂架伸縮實(shí)現(xiàn)方式探討

3.1 六節(jié)臂架伸縮方式

結(jié)合前述伸縮機(jī)構(gòu)分析與計(jì)算，六節(jié)臂架伸縮可采用二級(jí)油缸繩排與單級(jí)油缸綜合的方式實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)方式（一）如圖11所示，一節(jié)臂與二節(jié)臂通過(guò)兩個(gè)單級(jí)油缸實(shí)現(xiàn)伸縮，二節(jié)臂至六節(jié)臂通過(guò)兩個(gè)二級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伸縮（單級(jí)油缸+二級(jí)油缸繩排工作原理），主要承載件為油缸，繩排的作用為保證臂架伸縮同步。實(shí)現(xiàn)方式（二）如圖12所示，一節(jié)臂至五節(jié)臂通過(guò)兩個(gè)二級(jí)油缸繩

3.2 七節(jié)臂架伸縮方式

七節(jié)臂架伸縮可采用多級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)方式（一）如圖13所示，一節(jié)臂至三節(jié)臂通過(guò)一個(gè)二級(jí)油缸繩排實(shí)現(xiàn)伸縮，三節(jié)臂至五節(jié)臂通過(guò)一個(gè)二級(jí)油缸繩排實(shí)現(xiàn)伸縮，五節(jié)臂至七節(jié)臂通過(guò)一個(gè)二級(jí)油缸繩排實(shí)現(xiàn)伸縮，主要承載件為油缸，繩排的作用為保證臂架伸縮同步。實(shí)現(xiàn)方式（二）如圖14所示，一節(jié)臂至四節(jié)臂采用一個(gè)三級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伸縮，四節(jié)臂至七節(jié)臂采用一個(gè)三級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伸縮，主要承載件為油缸，繩排的作用為保證臂架伸縮同步。

八節(jié)及以上臂架伸縮方式與上述六、七節(jié)臂架伸縮方式類似，可充分利用多級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu)與單級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)臂架的伸縮。

4 結(jié)論

登高平臺(tái)消防車臂架伸縮機(jī)構(gòu)既要限制繩排受力和最大油缸推力，又要對(duì)伸縮油缸安裝尺寸與行程進(jìn)行控制。單級(jí)油缸繩排（一）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，伸縮油缸安裝尺寸和行程較小，缺點(diǎn)是繩排受力和最大油缸推力較大，造成臂架結(jié)構(gòu)間隙不易控制，可適用于臂架節(jié)數(shù)較少（四節(jié)及以下）臂架系統(tǒng)；單級(jí)油缸繩排（二）伸縮機(jī)構(gòu)受力較小，缺點(diǎn)是伸縮油缸行程過(guò)長(zhǎng)；二級(jí)油缸（無(wú)繩排）伸縮機(jī)構(gòu)受力較小，不足之處是通過(guò)液壓系統(tǒng)難以完全實(shí)現(xiàn)臂架伸縮同步；多級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)集合了單級(jí)油缸繩排（二）和多級(jí)油缸（無(wú)繩排）伸縮機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠保證較小的油缸單級(jí)行程，通過(guò)繩排實(shí)現(xiàn)臂架伸縮的同步、平穩(wěn)，適用于長(zhǎng)臂架登高平臺(tái)消防車臂架系統(tǒng)。

圖13 七節(jié)臂架伸縮實(shí)現(xiàn)方式（一）

圖14 七節(jié)臂架伸縮實(shí)現(xiàn)方式（二）

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