登高平臺消防車臂架伸縮機構設計研究

石鵬飛，劉志斌，徐國榮，吳攀攀，江愛林

（三一重工股份有限公司，長沙 410100）

0 引言

登高平臺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、轉臺及滅火裝置，用于撲滅高層建筑火災以及救援的專用汽車，是一種集高空消防、高空搶險救援、高空工程作業等功能于一體的綜合型設備[1～3]。

登高平臺消防車臂架主要有折疊臂、伸縮臂和組合臂三種結構形式。其中折疊臂通過鉸接變幅機構實現臂架的變幅運動，伸縮臂通過伸縮機構實現臂架伸出與收回，組合臂通過變幅機構結合伸縮機構一起實現臂架的變幅與伸縮[4,5]。伸縮式臂架系統主要包括臂架結構、變幅機構、曲臂、平臺、液壓電纜系統、水路系統以及伸縮機構等。鐘安慶等[6]以CDZ50型登高平臺消防車為例，對多節直臂舉升同步伸縮系統所涉及的直臂伸縮機構和拖鏈、伸縮水管機構的結構特點等進行分析探討，為同類產品的設計提供了借鑒。

目前用于伸縮臂架伸縮機構的類型主要有單級油缸繩排機構、多級油缸（主要為二級）繩排機構。不同類型的伸縮機構對臂架系統伸縮的速度及穩定性有很大影響，同時對油缸、繩排的要求也相差很大。臂分別通過頭部滑輪的繩排和尾部滑輪的繩排帶動三節臂的伸出和收回。采用隔離法對臂架系統各節臂架進行受力分析。設定三節臂伸出所需的軸向載荷為Z3，由于三節臂的伸出和收回是通過滑輪和繩排實現，因此三節臂伸出時二節臂通過頭部滑輪需要提供的軸向載荷為2Z3。設定三節臂縮回所需的軸向載荷為Z3'，則三節臂收回時二節臂尾部滑輪所需提供的軸向載荷為Z3'。

對伸縮機構進行受力分析：

式中：G載為三節臂頭部的附加載荷，N；G3為三節臂重力，N；為臂架系統與水平夾角，度；f3為二節臂對三節臂伸出的摩擦阻力，N。

可得，1#繩排（繞過二節臂頭部滑輪）受力為：

1 四種典型伸縮機構

三節臂收回所需的軸向載荷：

1.1 單級油缸繩排伸縮機構(一)

單級油缸伸縮機構（一）結構示意圖如圖1所示，數字1 3分別表示一節臂 三節臂。其工作原理為一節臂通過單級油缸伸縮二節臂，二節式中：

為二節臂對三節臂收回的摩擦阻力，N。2#繩排（繞過二節臂尾部滑輪）受力為：

臂架伸出時伸縮油缸受力為：

式中：G2為二節臂重力，N；f2為一節臂對二節臂伸出的摩擦阻力，N。

根據上述伸縮機構受力分析可知，該單缸繩排伸縮機構產生載荷加倍累積效應，造成繩排與油缸受力較大，因此一般適用于臂架節數較少（四節及以下）的臂架系統。

1.2 單級油缸繩排伸縮機構(二)

圖2 單級油缸繩排伸縮機構（二）

單級油缸繩排伸縮機構（二）結構示意圖如圖2所示，其工作原理為一節臂通過單級伸縮油缸帶動三節臂伸出和收回，三節臂通過2#繩排（繞過二節臂尾部滑輪）帶動二節臂伸出，三節臂通過1#繩排（繞過二節臂頭部滑輪）帶動二節臂收回。

對伸縮機構進行受力分析，二節臂伸出所需的軸向載荷：

二節臂收回所需的軸向載荷：

可得，1#繩排受力為：

2#繩排受力為：

臂架伸出時伸縮油缸受力為：

根據上述伸縮機構受力分析可知，該單缸繩排伸縮機構繩排和伸縮油缸受力較小，便于減小臂節之間的間隙和伸縮油缸的最小缸徑，缺點是伸縮油缸行程較長，為單級油缸繩排伸縮機構（一）中油缸行程的2倍。

1.3 多級油缸（二級）伸縮機構

圖3 多級油缸（二級）伸縮機構

該伸縮機構無繩排，如圖3所示。臂架伸縮主要承載件為二級油缸，一節臂通過二級油缸帶動二節臂與三節臂伸縮。分析伸縮機構受力可得，

油缸第二級伸縮最大推力為：

油缸第一級伸縮最大推力為：該伸縮機構二級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，缺點是臂架系統伸縮速度難以實現完全同步。

1.4 多級油缸（二級）繩排伸縮機構

圖4 多級油缸（二級）繩排伸縮機構

多級油缸（二級）繩排伸縮機構示意圖如圖4所示，其工作原理為一節臂通過二級油缸帶動二節臂和三節臂伸出和收回，1#繩排與2#繩排的作用為保證二節臂與三節臂伸縮同步。

根據二級油缸原理，油缸第二級伸出速度大于第一級，則臂架伸出時，2#繩排受力，減速三節臂，增速二節臂；如油缸第一級伸出速度大于第二級，則1#繩排受力，減速二節臂，增速三節臂。

臂架系統收回時，油缸第二級速度大于第一級，則1#繩排受力，減速三節臂，增速二節臂；如油缸第一級速度大于第二級，則2#繩排受力，減速二節臂，增速三節臂，且：

二級油缸為臂架伸縮的主要承載件，臂架系統伸出時，二級油缸第一級承載二節臂與三節臂的伸出，其最大推力值為：

二級油缸第二級最大推力值為：

根據上述伸縮機構受力分析可知，采用多級油缸繩排機構伸縮既能減小繩排和油缸受力，同時能有效保證臂節伸縮的同步。

2 伸縮機構設計實例

某登高平臺消防車臂架系統由伸縮臂架（1）總成與伸縮臂架（2）總成構成，如圖6所示，臂架（1）總成與臂架（2）總成通過橋連接，臂架（2）總成與橋通過油缸變幅機構實現折疊與展開。臂架（1）總成共5節臂，第五節臂頭部附加載荷（第五節臂頭部往上所有構件重量及載荷）G載＝1×105N，附加載荷彎矩M載＝2678662N·m。力學計算模型如圖5所示，其中Ai、Bi分別為臂節搭接處的正壓力，Ei、Fi分別臂節搭接處的摩擦力，Gi為各節臂自重， 為臂架總成仰角，Zi為各節臂伸出所需的軸向載荷。由于臂架（2）總成位于臂架（1）總成側向，因此附加載荷對臂架（1）總成產生側向彎矩M0＝112253N·m，如圖6所示。

圖5 伸縮機構計算力學模型

臂架伸縮分別采用前述四種伸縮機構，如圖7～圖10所示，數字1～5分別表示一節臂～五節臂。其中1#繩排繞過二節臂頭部滑輪，2#繩排繞過二節臂尾部滑輪，3#繩排繞過四節臂頭部滑輪，4#繩排繞過四節臂尾部滑輪。油缸推力F1～F4分別為一節臂對二節臂、二節臂對三節臂、三節臂對四節臂、四節臂對五節臂的油缸推力。

圖6 側向彎矩示意圖

圖7 單級油缸繩排（一）伸縮機構

圖8 單級油缸繩排（二）伸縮機構

圖9 二級油缸（無繩排）伸縮機構

根據式(1)～(15)各類型伸縮機構計算繩排力和排機構實現伸縮，主要承載件為油缸，繩排的作用為保證臂架伸縮同步；五節臂與六節臂通過繩排實現伸縮（二級油缸繩排+單級油缸繩排工作原理），主要承載件為繩排。

圖10 二級油缸繩排伸縮機構

圖11 六節臂伸縮實現方式（一）

伸縮油缸力分別如表1和表2所示。

表1 各種伸縮機構繩排力計算

圖12 六節臂伸縮實現方式（二）

表2 各種伸縮機構油缸力計算

綜合表1繩排力與表2油缸力計算數據可知，單級油缸繩排（一）伸縮機構中繩排受力和油缸推力較大，單級油缸繩排（二）、二級油缸（無繩排）伸縮機構與二級油缸繩排伸縮機構繩排受力和油缸推力計算值相等，即二級油缸繩排伸縮機構既能克服單級油缸繩排（二）中油缸行程過長的問題，同時能有效保證臂架伸縮的同步、平穩。

3 長臂架伸縮實現方式探討

3.1 六節臂架伸縮方式

結合前述伸縮機構分析與計算，六節臂架伸縮可采用二級油缸繩排與單級油缸綜合的方式實現。實現方式（一）如圖11所示，一節臂與二節臂通過兩個單級油缸實現伸縮，二節臂至六節臂通過兩個二級油缸繩排機構實現伸縮（單級油缸+二級油缸繩排工作原理），主要承載件為油缸，繩排的作用為保證臂架伸縮同步。實現方式（二）如圖12所示，一節臂至五節臂通過兩個二級油缸繩

3.2 七節臂架伸縮方式

七節臂架伸縮可采用多級油缸繩排機構實現。實現方式（一）如圖13所示，一節臂至三節臂通過一個二級油缸繩排實現伸縮，三節臂至五節臂通過一個二級油缸繩排實現伸縮，五節臂至七節臂通過一個二級油缸繩排實現伸縮，主要承載件為油缸，繩排的作用為保證臂架伸縮同步。實現方式（二）如圖14所示，一節臂至四節臂采用一個三級油缸繩排機構實現伸縮，四節臂至七節臂采用一個三級油缸繩排機構實現伸縮，主要承載件為油缸，繩排的作用為保證臂架伸縮同步。

八節及以上臂架伸縮方式與上述六、七節臂架伸縮方式類似，可充分利用多級油缸繩排機構與單級油缸繩排機構的結合，實現長臂架的伸縮。

4 結論

登高平臺消防車臂架伸縮機構既要限制繩排受力和最大油缸推力，又要對伸縮油缸安裝尺寸與行程進行控制。單級油缸繩排（一）結構簡單，伸縮油缸安裝尺寸和行程較小，缺點是繩排受力和最大油缸推力較大，造成臂架結構間隙不易控制，可適用于臂架節數較少（四節及以下）臂架系統；單級油缸繩排（二）伸縮機構受力較小，缺點是伸縮油缸行程過長；二級油缸（無繩排）伸縮機構受力較小，不足之處是通過液壓系統難以完全實現臂架伸縮同步；多級油缸繩排伸縮機構集合了單級油缸繩排（二）和多級油缸（無繩排）伸縮機構的優點，同時能夠保證較小的油缸單級行程，通過繩排實現臂架伸縮的同步、平穩，適用于長臂架登高平臺消防車臂架系統。

圖13 七節臂架伸縮實現方式（一）

圖14 七節臂架伸縮實現方式（二）

[1] 田志堅, 余戰.徐工的DG68巨型登高平臺消防車[J].專用汽車 2007(11): 89-91.

[2] 肖方兵.國產系列消防車簡介(三)——舉高消防車[J].消防技術與產品信息, 2009(10): 82-87.

[3] 田志堅.登高平臺消防車結構設計及參數化軟件開發研究[D].吉林大學.2005.

[4] 李長青.登高平臺消防車臂架結構分析方法研究及優化[D].吉林大學.2009.

[5] 張宏, 洪濤.登高平臺消防車設計應注意的事項[J].工程機械, 1997(12): 17-18.

[6] 鐘安慶, 郭維斌, 田麗敏.消防車多節直臂舉升同步伸縮系統的設計[J].工程機械, 2002(02): 18-20.