登高平臺消防車工作斗自動(dòng)調(diào)平技術(shù)研究

王 龍

（東營市消防救援支隊(duì)，山東 東營 257000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，現(xiàn)代城鎮(zhèn)化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市在規(guī)劃建設(shè)中高層建筑越來越多，建筑物越來越密集，一旦高層建筑發(fā)生火災(zāi)事故，對于救援難度極大。登高平臺消防車的設(shè)計(jì)有效地解決了這一問題，是消防員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場開展高空滅火、營救被困人員的首選裝備，有效提高了消防隊(duì)員的滅火能力和救援水平。因此，借助登高消防車進(jìn)行高空作業(yè)，可供消防人員第一時(shí)間進(jìn)行施救，但高空救援對于升降調(diào)平系統(tǒng)是極大的挑戰(zhàn)，在消防車工作斗升降的過程中，由于臂架的變幅運(yùn)動(dòng)與地面呈現(xiàn)曲線運(yùn)動(dòng)，操作不當(dāng)就會(huì)造成工作斗發(fā)生傾斜。如果工作斗出現(xiàn)來回調(diào)整、傾斜及過調(diào)等問題，就無法保證工作斗的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響消防員的有效救援。為保證工作斗內(nèi)消防員的安全，本文著重闡述了機(jī)械液壓組合對消防車工作斗調(diào)平的工作原理，論述了登高平臺消防車工作斗自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，保證工作斗在升降中始終處于水平狀態(tài)，為消防員實(shí)施高空救援提供有效保障。

1 登高平臺消防車工作斗調(diào)平工作原理

登高平臺消防車主要由升降系統(tǒng)（臂架系統(tǒng)）、工作斗、支撐系統(tǒng)、底盤、消防系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等部分構(gòu)成，采用獨(dú)立調(diào)平的液壓設(shè)計(jì)系統(tǒng)[1]。工作斗又被稱為工作平臺，安設(shè)在臂架系統(tǒng)的最前端，工作斗具有載人和滅火的功能，消防員在工作斗中可通過控制平臺操作臂架，噴射水炮滅火或噴出水霧為工作斗降溫。登高平臺消防車工作斗調(diào)平性能是保障消防員作業(yè)安全、評價(jià)消防車工作性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在工作斗安裝傾角傳感器用來確定臂架伸展的角度，測算臂架距離地面的水平夾角，通過夾角的變化，操作閥塊控制臂架的伸展、變化等動(dòng)作，通過調(diào)平油缸的伸縮和連桿系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，確保工作斗始終處于正確的水平位置，便于工作斗中的消防人員開展救援。電液比例閥能夠根據(jù)電控、手動(dòng)和液控等方法對液壓油缸進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)依托算法調(diào)節(jié)電液比例調(diào)節(jié)裝置，通過轉(zhuǎn)換模塊，根據(jù)工作斗傾斜的角度按比例與電流信號相對應(yīng)，將電流信號輸送到PLC控制系統(tǒng)之中，PLC經(jīng)過計(jì)算控制調(diào)平油缸的電液比例閥門和伸縮長度，控制工作斗向上傾斜或向下傾斜，以此保證根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際滿足救援的需要[2]。

2 影響登高平臺消防車工作斗調(diào)平的因素分析

為確保登高平臺消防車工作斗調(diào)平系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，保證消防員高空作業(yè)的安全，調(diào)平系統(tǒng)必須要保證消防工作斗的穩(wěn)定性，防止工作斗在升降過程中出現(xiàn)抖動(dòng)、偏離等問題。目前，經(jīng)過實(shí)踐來看，影響工作斗調(diào)平的因素主要有以下方面。

2.1 液壓閥的控制

液壓閥是整個(gè)調(diào)平系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件，液壓閥的精度決定了調(diào)平的穩(wěn)定性[3]。當(dāng)前，液壓閥主要有伺服換向閥或比例換向閥。電液伺服閥具有高精度的閥芯監(jiān)測裝置，在接收到模擬信號后，輸出相應(yīng)的調(diào)制流量和壓力，保證臂架的有效運(yùn)動(dòng)，但伺服閥成本較高，對液壓油的清潔程度要求極高，經(jīng)常因油液受到污染而發(fā)生閥門磨損的問題，所以在登高平臺消防車推廣使用上有一定難度。電液比例閥加工相對簡單，元件數(shù)量較少，加工成本在可控范圍之內(nèi)，在復(fù)雜環(huán)境中可以無障礙使用，能夠連續(xù)地?zé)o間斷地根據(jù)比例需求，對油液的壓力、流量或方向進(jìn)行控制，有著極高的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力。因此，大多數(shù)登高平臺消防車采用液壓比例閥進(jìn)行調(diào)平，這也符合技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)展趨勢。

2.2 傳感器的控制

調(diào)平系統(tǒng)中發(fā)揮決定性作用的是傳感器，如果傳感器輸出的信號不準(zhǔn)確，就會(huì)造成電液比例閥輸出的動(dòng)作與實(shí)際不符。因此，傳感器是調(diào)平控制系統(tǒng)的主要信息來源，其傳感器的精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性至關(guān)重要。當(dāng)前，登高平臺消防車的傾角傳感器多為重力感應(yīng)裝置，用來測量傾角的數(shù)據(jù)，當(dāng)工作斗與水平地面出現(xiàn)夾角，傳感器受重力偏移的影響，設(shè)備中的電位器就會(huì)發(fā)出電流信號，信號越強(qiáng)傾角越大。但如果工作斗不穩(wěn)定，在風(fēng)力或其他外力作用下出現(xiàn)振動(dòng)，就會(huì)使傳感器容易受到環(huán)境的影響，使其精準(zhǔn)度無法保證。

2.3 算法的控制

通常情況下，控制的精度越高，對工作斗調(diào)平系統(tǒng)效果就越好，但實(shí)際情況是，精度的提高意味著成本的上升、算法更為復(fù)雜，需要根據(jù)登高平臺消防車的實(shí)際狀況確定控制系統(tǒng)。電液比例調(diào)平作為工作斗調(diào)平的主流設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于調(diào)平系統(tǒng)之中，但電液比例調(diào)平還有很多不足，為確保工作斗的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度，就需要在不增加硬件設(shè)備投入的情況下，不斷優(yōu)化控制算法，使其與調(diào)平系統(tǒng)相匹配[4]。

3 登高平臺消防車工作斗調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)

登高平臺消防車工作斗調(diào)平系統(tǒng)主要包括PLC、傾角傳感器、電液比例閥、調(diào)平油缸、控制電路等臂架系統(tǒng)等構(gòu)件組成，分為檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)3部分，檢測系統(tǒng)主要用來檢測收集數(shù)據(jù)并傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)傳輸?shù)男盘栕鞒鲰憫?yīng)，執(zhí)行系統(tǒng)再根據(jù)控制動(dòng)作，根據(jù)臂架的實(shí)際情況進(jìn)行升降調(diào)平。整個(gè)調(diào)平系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

圖1 登高平臺消防車工作斗調(diào)平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)主要由傾角傳感器組成，用來檢測工作斗與水平地面之間的傾角，檢測的結(jié)果作為工作斗調(diào)平的重要依據(jù)，其傾角傳感器的精度直接影響最終的調(diào)平結(jié)果[5]。傾角傳感器具有體積小、精度高和功耗低等特點(diǎn)，安裝在消防車工作斗上，可實(shí)時(shí)采集工作平臺傾角信號，輸出模擬量電流信號，電流輸出的大小是根據(jù)工作斗傾斜角度變化而變化的，滿足用戶靜態(tài)條件下高精度傾角測量等應(yīng)用需求。操作人員通過臂架操作臺可以將控制信息傳送到調(diào)平控制器，控制器根據(jù)接收到的操作信息，將臂架運(yùn)動(dòng)的軌跡和狀態(tài)形成數(shù)據(jù)，反饋到控制器之中，獲得臂架角度、臂架姿態(tài)等數(shù)據(jù)。登高平臺消防車工作斗如圖2所示。

圖2 登高平臺消防車工作斗示意圖

當(dāng)工作斗升降的過程中，消防車臂架開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使得工作斗與水平面發(fā)生偏離狀態(tài)，即工作斗與水平面產(chǎn)生夾角α，這個(gè)過程中傾角傳感器感知夾角大小，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，傳輸?shù)絇LC的輸入端口，從輸入值的變化趨勢可以分析出工作斗的傾斜方向，電流信號輸入越強(qiáng)說明夾角越大，反之輸入越弱則說明夾角越小。傾角傳感器內(nèi)設(shè)繼電器，如果傾斜角度始終在-10°~10°之間，繼電器就始終保持吸合狀態(tài)；如果一旦夾角超過-10°或10°以上，說明工作斗發(fā)生嚴(yán)重傾斜問題，繼電器會(huì)自動(dòng)斷開，液壓系統(tǒng)隨之失去運(yùn)動(dòng)能力，工作斗也會(huì)緊急停止工作狀態(tài)。但在工作斗調(diào)平之初，前提條件是要保證消防車處于水平位置，這個(gè)階段需要通過液壓泵調(diào)節(jié)支撐腿，使得4個(gè)支撐腿處于同一水平位置，PLC傳感器讀取支撐腿的壓力和數(shù)值，根據(jù)傾角傳感器調(diào)整支撐腿的升降，使得整個(gè)消防車控制臺處于同一平面，為下步消防車工作斗升降奠定基礎(chǔ)[6]。

3.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由操縱裝置、電子電路、單片機(jī)、PLC和安全裝置組成，用來解決登高平臺消防車臂架、工作斗運(yùn)動(dòng)問題，該種方式調(diào)平性能好、技術(shù)水平領(lǐng)先，而且適用性能廣，可有效確定設(shè)備運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)行速度，控制設(shè)備的啟動(dòng)停止。PLC控制器作為控制系統(tǒng)的核心部件，具有通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、編程容易和可靠性高等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)登高平臺消防車臂架自動(dòng)控制、安全保護(hù)，使得消防車的操作更加安全、簡單和可靠。PLC控制器在接收到電流信號后，通過PLC控制器的內(nèi)部模塊算法處理后，得出工作斗傾斜的角度，形成控制調(diào)平油缸電液比例閥的脈沖調(diào)制信號，觸發(fā)液壓缸電磁閥開關(guān)，根據(jù)傾角傳感器提供的輸入信號，可有效控制電液比例閥的開關(guān)比例，從而保證控制油缸的伸展和縮短長度，驅(qū)動(dòng)工作臂和工作斗上下運(yùn)動(dòng)，始終保持工作斗在可控水平的范圍內(nèi)升降。該過程中PWM技術(shù)是核心，該技術(shù)驅(qū)動(dòng)電液比例閥的開度，通過系統(tǒng)中的半導(dǎo)體元件進(jìn)行通斷控制，將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N脈沖信號，使得輸出端接收到脈沖進(jìn)行調(diào)節(jié)，PWM技術(shù)的本質(zhì)就是脈寬調(diào)制，通過輸出不同的占空比，從而將直流電壓轉(zhuǎn)換成不同電壓值的模擬信號。

電磁閥的換向和開口大小控制液壓油缸的變動(dòng)幅度，傳遞到臂架結(jié)構(gòu)上，電液比例閥有2個(gè)口，進(jìn)油口A和回油口B。當(dāng)A口進(jìn)油，B口回油時(shí)，油缸的活塞桿就會(huì)伸長，工作斗出現(xiàn)上仰的狀態(tài)；當(dāng)B口進(jìn)油，A口回油時(shí)，油缸的活塞桿就會(huì)縮短，工作斗出現(xiàn)下俯的狀態(tài)，最終使工作斗恢復(fù)至水平。與此同時(shí)，為防止自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)出現(xiàn)失靈的問題，登高平臺消防車還設(shè)置了手動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，當(dāng)消防車自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)為手動(dòng)控制平臺電磁閥通電，使得閥芯發(fā)生變動(dòng)，推動(dòng)油液進(jìn)入到調(diào)平油缸之中，實(shí)現(xiàn)消防車工作斗的手動(dòng)控制。比例閥液壓原理如圖3所示。

圖3 比例閥液壓原理圖

3.3 執(zhí)行系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)基本采用電氣液壓操縱方式，由臂架、機(jī)械液壓組合、連接電纜和液壓管路等組成。臂架系統(tǒng)是登高平臺消防車執(zhí)行系統(tǒng)的重要構(gòu)件，由高強(qiáng)度、安全性能好的鋼板結(jié)構(gòu)組成，從臂架側(cè)面安裝了消防管路，可保證消防液輸送到高空進(jìn)行滅火。登高平臺消防車臂架結(jié)構(gòu)分為折疊式、伸縮式、混合式和垂直升降式等，消防車普遍使用的是混合式臂架，主要采用伸縮和折疊式臂展結(jié)合的方式，對工作斗進(jìn)行升降控制。該方式兼顧伸縮和折疊優(yōu)點(diǎn)，可適用于大高度下的高空消防救援。臂架系統(tǒng)主要由調(diào)平連桿組成，調(diào)平連桿由一組或多組平行四邊形組成，各平行四邊形的短邊相連接，根據(jù)平行四邊形對邊保持平行的原理，在臂架運(yùn)動(dòng)的過程中2組或多組四邊形對邊始終處于平行位置，由此保證臂架無論如何折疊或伸縮，其工作斗都處于連續(xù)的運(yùn)動(dòng)過程，始終保持處于水平的狀況[7]。登高平臺消防車機(jī)械連桿系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 登高平臺消防車機(jī)械連桿系統(tǒng)圖

機(jī)械連桿系統(tǒng)根據(jù)平行四邊形的原理用來保持工作斗處于水平狀態(tài)，整體機(jī)械的折疊臂主要由BC、CD、EF、FG、GH、HI和IJ等部分構(gòu)成，臂架主要由3組平行四邊形連桿系統(tǒng)構(gòu)成，連桿系統(tǒng)將工作斗與調(diào)平油缸相連接，調(diào)平油缸的伸縮可影響連桿系統(tǒng)的變動(dòng)，通過銷軸鉸接相連接傳遞作用力，帶動(dòng)消防車工作斗轉(zhuǎn)動(dòng)，點(diǎn)A、G和J作為消防車臂展之間的連接點(diǎn)，在一號臂展和二號臂展變動(dòng)時(shí)，由于幾個(gè)點(diǎn)位始終保持平行四邊形狀態(tài)，當(dāng)臂架運(yùn)動(dòng)起落時(shí)，平行四邊形AB與CD保持平行，F(xiàn)G與DE保持平行，IJ與GH保持平行，這使得臂架無論如何變化，通過變幅油缸的調(diào)節(jié)變化，工作斗始終保持在水平的狀態(tài)。

4 結(jié)束語

工作斗是消防車高空滅火、救援人員的必備裝備，對于高層建筑物安全救援具有重要作用，工作斗自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)首要任務(wù)就是穩(wěn)定性、安全性和舒適性，消防員在消防車工作斗作業(yè)，一旦升降過程中發(fā)生工作斗傾斜，極容易產(chǎn)生新的危險(xiǎn)。隨著液壓控制裝備越來越智能化和先進(jìn)化，快速調(diào)平工作斗是保證消防救援的關(guān)鍵。本文通過PLC控制系統(tǒng)精準(zhǔn)控制油缸動(dòng)作，解決了消防救援高空作業(yè)工作斗調(diào)平問題，為驗(yàn)證登高平臺消防車工作斗自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的性能，在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，工作斗傾角基本上都可以控制在3°之內(nèi)，保證了工作斗升降過程自動(dòng)調(diào)平，在眾多場合滿足高空救援的使用需求。