登高車操控結構及電控系統優化研究

李 良

（上海振華重工（集團）股份有限公司長興分公司，上海 201913）

0 引言

登高車作為現代重工制造企業、建筑、維護和救援等特定領域不可或缺的設備，其安全性、靈活性和效率至關重要。操控結構和電控系統作為保障這些性能的核心，其優化研究顯得尤為重要。當前，盡管現有技術已在多方面提供了解決方案，但在復雜環境下的操作穩定性、響應速度、用戶界面的友好性等方面仍存在不足。針對這些問題，本研究旨在通過技術創新和系統優化，提高登高車的作業效率和安全性能。研究將采用系統工程的方法，結合理論分析和實驗驗證，對現有的操控結構和電控系統進行全面的剖析和改進。

1 操控結構的改進與優化

在對38 m 登高車操控結構的改進與優化研究中，重點關注了結構件的改善和優化結果的分析。這些結構件包括臂架、支腿、中心回轉、控制系統等，它們在保障操作穩定性和安全性方面起著至關重要的作用。

1.1 結構件的改善

當前的38 m 登高車主要采用的是Q355 和BS700 高強度鋼板材料。臂架采用了箱型結構，以增強其承載能力和穩定性。然而，現有的設計在連續長時間作業中易出現疲勞裂紋，影響操作安全。通過應用有限元分析（FEA，Finite Element Analysis），發現在臂架的連接節點和轉動部位的應力集中是裂紋產生的主要原因。為此，提出采用更高性能的鋼材BS960，并對臂架結構進行優化設計，通過增加曲率和使用加強筋來分散應力集中，從而提高整體的抗疲勞性能。同時，對于支腿部分，傳統的設計是四點支撐，這在不平坦的地面上會導致局部受力過大，影響穩定性。提出的改進方案是采用可調節的六點支撐系統，每個支腿都裝備有壓力傳感器和微調機構，能夠根據地面情況自動調節，保證車身平衡，大大提升了安全性和適應性。對于中心回轉部分，可以采用雙齒輪減速機的方式，增加整車在回轉中的穩定性和安全性。

此外，控制系統中的液壓管路和電纜布局也是優化的重點[1]。現有設計中，管路和電纜暴露在外，易受到外界影響。通過重新設計，將其內置于保護性更強的臂架內部，并采用更耐高溫、耐磨損的材料，有效延長了管路和電纜的使用壽命。

1.2 優化結果分析

圖1 雙回轉減速機

在操縱系統方面，傳統的38 m 登高車多采用模擬信號控制，這在復雜的操作條件下容易產生誤差，影響操作的精確性。基于此，本研究提出采用數字電控系統（Digital Electronic Control System，DECS）。DECS 可以實現更加精確控制，且具有更好的故障診斷和處理能力。通過采用先進的傳感器和控制算法，DECS 可以實現實時監控和動態調整，大大提高了操作的精度和可靠性。預計這一改進可以提升操作精度約15%，同時降低故障率10%。

為了驗證上述改進的實際效果，本研究進行了一系列的模擬和實驗分析。表1 為改進前后的部分性能指標對比。

表1 登高車操控結構及電控系統改進前后性能指標對比表

以上數據來源于實驗室測試和現場應用反饋，雖然具體數值可能因作業環境和使用條件不同而有所變化，但整體趨勢和改善幅度具有較高的可信度。

2 電控系統的創新與提升

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

2.1 電控系統現狀

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

2.2 電控系統優化策略

為了解決現有電控系統的局限性，本研究提出了一系列優化策略。首先，升級系統核心，采用基于ARM 的微控制單元（MCU），大幅提高了處理速度和數據吞吐量。其次，引入了數字信號處理技術（DSP，DigitalSignalProcessing），通過實時算法優化，如快速傅里葉變換（FFT，Fast Fourier Transform）和自適應濾波，提高了信號的處理精度和響應速度。此外，采用了先進的場總線技術，如CAN 或者Ethernet，以減少布線復雜度，提高數據傳輸的可靠性和速度。

在軟件層面，引入了模型預測控制（MPC）策略，利用車輛動態模型預測未來的狀態，提前調整控制輸入。系統模型為：

其中，xk是系統狀態，uk是控制輸入，A，B，C，D是系統矩陣。MPC 通過優化以下目標函數來計算控制輸入：

其中，N是預測范圍，yref是參考輸出，Q和R是權重矩陣。通過實時調整uk，MPC 能夠有效提升系統的穩定性和響應速度[2]。

2.3 優化效果評估

優化后的電控系統經過嚴格的測試和評估。在標準的響應時間測試中，系統的平均響應時間從優化前的300 ms 降低到了150 ms，提升了50%。在穩定性測試中，系統在各種復雜環境下的失穩率降低了約30%。此外，在連續運行8 h 的耐久性測試中，系統的故障次數比優化前減少了約40%。

3 實驗驗證與案例分析

在38 m 登高車的優化項目中，實驗驗證和案例分析是確保改進措施有效性的重要環節。通過對改進后的登高車進行一系列的測試，并通過實際案例來分析優化的實際效果和應用價值，可以更加全面地評估優化方案的成效。

3.1 實驗驗證

為了全面評估改進后的38 m 登高車性能，進行了以下幾項關鍵的實驗驗證：

3.1.1 穩定性測試

使用模擬不平坦地面的測試場地，對登高車的穩定性進行了測試。測試中，登高車需要在不同坡度和不同負載條件下進行操作。通過記錄車身傾斜角度和支腿壓力分布數據，可以評估優化后的支腿結構和控制系統對穩定性的改進效果。使用公式：S=（θi-θavg）2來計算穩定性指數S，其中θi是第i次測試的傾斜角度，θavg是平均傾斜角度，n是測試次數。優化后的登高車在此測試中顯示出比原型低約20%的穩定性指數。

3.1.2 性能測試

對登高車的升降速度、響應時間和操作精度進行了測試。通過比較改進前后的數據，可以直觀地看出優化效果[3]。特別是引入了高速微控制單元和先進的控制算法后，響應時間從原來的300 ms 降低到了150 ms，操作精度也有顯著提升。

3.1.3 耐久性測試

在連續工作的條件下，對登高車的各個關鍵部件進行了長時間的耐久性測試。記錄了部件的磨損情況、故障率和維護需求，以評估改進措施對登高車壽命和維護成本的影響。

3.2 案例分析

在現場測試中，將優化后的38 m 登高車投入到實際的工作環境中，如建筑施工現場、大型維修工程等。通過對車輛的操作性能、安全性能和工作效率進行長期跟蹤觀察，收集了大量的實際工作數據。例如，在一個高層建筑清潔項目中，優化后的登高車完成同樣工作量的時間比優化前減少了約20%，并且在整個項目過程中未發生任何安全事故。這一案例不僅展示了優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 技術創新在提升登高車性能中的重要性

本研究中，登高車的優化顯著依賴于技術創新，特別是在操控結構和電控系統方面[4]。通過采用高強度鋼材BS960 和優化的臂架設計，有效提高了登高車的耐疲勞壽命和結構穩定性。同時，引入模型預測控制（MPC，Model Predictive Control）和數字電控系統（DECS），顯著提升了操作精度和系統效率。這些技術創新不僅提高了登高車的作業性能，也減少了故障率，從而增強了其在復雜環境下的可靠性。

4.2 操作系統優化對提升作業效率的貢獻

在本研究中，對電控系統的優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 的微控制單元和數字信號處理技術，系統的響應時間和處理精度都得到了顯著提升。優化后的電控系統不僅使得登高車在復雜環境下保持穩定操作，還通過先進的故障診斷和處理能力，減少了潛在的安全風險。這些改進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，減少了操作的復雜性。這種操作系統的優化對于提高工作效率、減少操作錯誤和降低維護成本具有重要意義。

4.3 實驗驗證與案例分析在優化設計中的作用

本研究中的實驗驗證和案例分析對于確保改進措施有效性至關重要。穩定性測試、性能測試和耐久性測試提供了量化數據，證明了優化設計在提升登高車性能方面的實際效果。這些測試結果不僅展示了改進措施的有效性，也為進一步的設計迭代提供了寶貴的數據支持。另一方面，通過現場案例分析，可以更加深入地理解優化設計在實際應用中的表現。例如，在高層建筑清潔項目中的應用案例表明，優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。這種現實世界的應用展示了優化設計在實際工作環境中的可行性和有效性，為未來的設計提供了實際的應用場景和反饋。

5 結論

本研究對38 m 登高車的操控結構和電控系統進行了全面的優化設計，研究提升設備的性能和安全性。通過采用高強度材料、優化結構設計、升級控制單元和引入先進的控制策略，實驗和現場應用表明優化措施有效增強了登高車的穩定性、響應速度和操作效率。盡管面臨成本控制、技術集成和用戶培訓等挑戰，持續的技術創新和系統優化將為進一步提升登高車的作業性能和市場競爭力提供動力。