高空工作平臺調平方法的研究

王茂偉 梁峰 李群 王健

摘要：高空作業車或載人類舉高消防車頂部的工作平臺調平性能的好壞，直接關系到作業人員的人身安全。一旦發生事故，死亡概率超過80%。本文對現有臂架類車輛的工作平臺常用的調平方式以及其應用范圍、優缺點進行了深入分析，并針對現有調平方式的不足，提出了一種調平精度高、調平角度大、適用范圍廣的全新調平方法，以供行業參考和應用推廣。

關鍵詞：高空作業平臺；消防車；調平；工作平臺

中圖分類號：U463 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.01.005

0 引言

高空作業車或載人的舉高消防車（ 包括登高平臺消防車和云梯消防車2 種）， 作為一種常見的高空作業或救援裝備，其工作臂的頂部均配備了工作平臺（ 或稱工作斗）。車輛通過工作平臺和臂架的運動實現人員輸送。為確保作業人員的安全，車輛特別設有工作平臺自動調平裝置，以保證在臂架運動過程中，工作平臺始終處于水平或近似水平狀態。高空作業屬于高危行業，作業高度越高，危險性越大，因此工作平臺的調平性能直接關系到作業人員的人身安全。一旦發生事故，死亡概率超過80%，因此國家標準對工作平臺的調平有明確的要求。以舉高消防車為例，依據GB 7956.12-2015《消防車 第12 部分：舉高消防車》的規定，舉高車工作斗在安全工作范圍內，其地板與水平面應始終自動保持水平，調平誤差不應超過3°。調平應及時平穩[1]。

1 常用的工作平臺調平方式及應用范圍

目前常用的工作平臺調平方式主要可分為機械調平、液壓調平和電液調平3 種基本形式。在一些復合臂架的設計中，也有各種調平方式組合使用的情況，以實現更精確和穩定的調平效果。

1.1 機械調平

機械調平機構主要分為3 種形式，分別是：平臺自重調平機構、平行四連桿調平機構和鏈輪鏈條調平機構。

1.1.1 平臺自重調平機構

這種調平方式的原理相對簡單， 其設計核心在于將平臺的重心置于與自身旋轉鉸點的正下方（ 如圖1 示意）。通過利用平臺自身和載荷的重力，確保在升降過程中平臺能夠維持水平狀態。盡管這種方法結構簡單、成本低廉，但由于缺乏額外的旋轉約束，當作業人員在平臺上移動或平臺內的載荷發生變化時，平臺容易產生晃動，從而帶來較大的安全隱患。因此，這種調平方式主要出現在早期低高度的高空作業車上，目前已基本被淘汰。

1.1.2 平行四連桿調平機構

該機構由一組或多組平行四邊形連桿機構組成，其工作原理基于平行四邊形兩對邊在運動中始終保持平行的特性，從而實現對工作平臺的調平，其工作原理參見圖2。這種調平方式具有穩定且可靠的調平精度。然而，由于其連桿長度固定不變，因此并不適用于帶有伸縮臂架的工作平臺調平，而主要適用于配備折疊臂架的高空作業車或舉高消防車。

1.1.3 鏈輪鏈條調平機構

該機構由平行四邊形演變而來，每一組機構由鏈條和2 個直徑相同的鏈輪組成。其中一個鏈輪相對固定，另一個鏈輪可相對轉動。這2 個鏈輪分別鉸接在臂架兩端的變幅鉸點上，并通過鏈條保持相對轉角不變。以圖3 為例，鏈輪3 固定在工作平臺2 上（ 兩者無相對運動，鏈輪軸即為平臺旋轉軸），鏈輪6固定在轉臺1 上（ 兩者無相對運動，與下臂變幅軸同軸固定）。序4、5 為雙聯鏈輪（ 與臂架變幅鉸點同軸）。由于鏈輪3 和鏈輪6 分別固定在工作平臺2 和轉臺1 上，當任一臂架進行變幅運動時，鏈條將強制帶動工作平臺作等角度反方向變化。無論臂架如何變幅，工作平臺始終與轉臺平面保持平行。

與平行四連桿調平機構相同，由于鏈條長度固定不變，該調平機構并不適用于帶有伸縮臂架的工作平臺調平。它主要適用于配備折疊臂架的高空作業車或舉高消防車，以確保在這些特定類型車輛上的工作平臺能夠實現穩定且可靠的調平。

1.2 液壓調平

液壓調平機構有2 組三角形機構組成，這2 組三角形機構中各有1 個調平油缸（2 個油缸的結構尺寸通常相同）。2 個調平油缸的有桿腔與有桿腔相連通，無桿腔與無桿腔相連通，從而形成了封閉的液壓回路。這種機構利用臂架變幅過程中2 組三角形的角度變化近似相等但方向相反的原理（ 并非相似三角形） 來對工作平臺進行調平。

以圖4 為例，主動調平油缸5 與被動調平油缸2 的無桿腔、有桿腔分別互相連通。當伸縮臂架3 通過變幅油缸4 進行起升時，臂架會強制帶動主動調平油缸5 進行伸展。此時，主動調平油缸5 有桿腔的油液會進入被動調平油缸2 的有桿腔，從而使得被動調平油缸2 進行回縮，并帶動工作平臺1 作順時針旋轉。反之，當伸縮臂架3 進行回落時，工作平臺1 則逆時針旋轉。該機構的調平關鍵在于△ dae 和△ bfg 的合理選定，即如何確保∠ dae 與∠ fbg 的角度變化近似相等。

這種調平方式大多應用于伸縮式臂架的高空作業車或舉高消防車上，具有結構簡單、成本低的特點。

1.3 電液調平

電動調平機構是在工作平臺上設置傾角傳感器，通過傳感器感知平臺與水平面之間的夾角。當平臺的夾角偏離安全范圍時，液壓執行機構（ 如伸縮油缸或擺動油缸） 將被激活，以驅動工作平臺調平至安全夾角范圍內。這種調平方式對執行機構的結構要求相對簡單，但對控制元件（ 如比例閥、控制器） 的精度和控制程序的算法合理性要求較高。因此，電液調平多應用于高端產品，并且應用較廣泛。

2 現有調平方式的缺陷

調平精度、調平范圍和調平可靠性是衡量調平裝置性能優劣的3 大關鍵指標。盡管目前存在多種調平方式，但均存在一定的局限性和缺陷。

平行四連桿機構和鏈輪鏈條調平機構主要適用于非伸縮式臂架。由于連桿和鏈條較長，它們占用的空間相對較大。此外，鏈條的長度越長，其彈性變形也會越大，導致2 個鏈輪的相對轉角偏差增大，從而降低了調平精度。對于平行四連桿機構，由于其結構空間的限制，其調平角度范圍通常不超過150°。當臂架采用連桿機構進行變幅，且最大變幅角度可達180°時，這種調平方式就不再適用。

液壓油缸三角形的調平機構受限于三角形的特性。在臂架的變幅運動中2 組三角形的理論角度變化并非嚴格相等。實際上，2 組三角形的角度變化近似相等（ 偏差在±1°以內） 的角度范圍相對較小，即可用的調平角度范圍較窄，通常不超過50°（ 存在一定的偏差）。而多數臂架的變幅角度在80°以上，若采用這種方式調平，調平偏差會過大。加上液壓油和液壓膠管的彈性變形以及車輛本體的水平偏差，累積偏差可能超過3°，導致調平精度極低，增加了工作平臺上作業人員的不適感和恐慌心理。

電動調平方式雖然具有調平精度較高和調平角度大的優點，但受到電氣系統元器件的影響，其故障率相對較高，可靠性降低。此外，電動調平實際上是間歇式調平，存在一定的滯后性。臂架運動速度越快，滯后感越明顯，這不僅增加了平臺上作業人員的不適感，還限制了臂架的運動速度。這一缺陷與舉高消防車以救人為主、速度優先的要求相悖。

3 一種新型平臺調平方法

為解決現有調平裝置存在的缺陷，現提出一種新型平臺調平方法及裝置。

3.1 應用范圍

本新型平臺調平方法適用于各種臂架形式的工作平臺，具有廣泛的適用性。

3.2 結構組成

以一種常用的伸縮+ 折疊式結構的高空作業車復合臂架為例，調平結構的組成與布置如圖5 所示。圖5 展示了臂架與調平結構的總體組成與布置。其中，下臂4 為一種伸縮式臂架，分別與轉臺1 和上臂7 鉸接。下變幅油缸3 負責驅動下臂4 繞轉臺鉸點進行變幅運動。連桿變幅機構6 則采用一種常用的四連桿機構，由連桿組和上變幅油缸組成。通過上變幅油缸的驅動，四連桿機構能夠帶動上臂7 繞下臂4 的鉸點進行變幅運動。工作平臺9 為一種載人工作斗，與上臂7 通過鉸接方式進行連接。

圖6 為圖5 中序2 的機構放大圖， 序2-1、2-2、2-3、2-4 共同組成了圖5 中的序2 底部主動調平機構。其中，底部主動輔助輪2-2 為傳動鏈輪，其旋轉軸固定在轉臺1 上，使得主動輔助輪2-2 能夠繞其旋轉軸自由旋轉。底部主動同軸輪2-4 同樣是傳動鏈輪，固定在下臂4 上（ 與下臂4 無相對運動），其旋轉軸與下臂4 的變幅軸同軸，確保兩者同步轉動。底部主動傳動條2-3 作為同步傳動鏈條，在底部主動輔助輪2-2 和底部主動同軸輪2-4 之間起到了中間傳動裝置的作用。底部主動調平油缸2-1 的活塞桿一端固定在底部主動傳動條2-3 上，缸筒一端固定在轉臺1 上，確保油缸軸線與底部主動傳動條2-3 的直線部分始終保持平行關系。

圖7 為圖5 中序5 的機構放大圖，序5-1、5-2、5-3、5-4 共同組成了圖5 中的序5 中間主動調平機構。其中，中間主動輔助輪5-2 作為傳動鏈輪，其旋轉軸固定在下臂4 上，使得主動輔助輪5-2 能夠繞其旋轉軸自由旋轉。中間主動同軸輪5-4 同樣是傳動鏈輪，固定在上臂7 上（ 與上臂7 無相對運動），其旋轉軸與上臂7 的變幅軸同軸，確保兩者同步轉動。中間主動傳動條5-3 作為同步傳動鏈條，在中間主動輔助輪5-2 和中間主動同軸輪5-4 之間起到了中間傳動裝置的作用。中間主動調平油缸5-1 的活塞桿一端固定在中間主動傳動條5-3 上，缸筒一端則固定在下臂4 上，確保油缸軸線與中間主動傳動條5-3 的直線部分始終保持平行關系。

圖8 為圖5 中序8 的機構放大圖，序8-1、8-2、8-3、8-4 共同組成了圖5 中的序8 從動調平機構。其中，從動輔助輪8-2 作為傳動鏈輪，其旋轉軸固定在上臂7 上，使得從動輔助輪8-2 能夠繞其旋轉軸自由旋轉。從動同軸輪8-4 同樣是傳動鏈輪，它固定在工作平臺9 上（ 與工作平臺9 無相對運動），其旋轉軸與工作平臺9 的上下旋轉軸同軸，確保兩者同步轉動。從動傳動條8-3 作為同步傳動鏈條，在從動輔助輪8-2 和從動同軸輪8-4 之間起到了中間傳動裝置的作用。從動調平油缸8-1 的活塞桿一端固定在從動傳動條8-3 上，缸筒一端則固定在上臂7 上，確保油缸軸線與從動傳動條8-3 的直線部分始終保持平行關系。

圖9 為調平油缸間的連接原理圖，圖中未特別說明的序號與其他附圖代表部件一致。底部主動調平油缸2-1 和中間主動調平油缸5-1 的無桿腔通過梭閥11 與從動調平油缸8-1 的無桿腔連通，確保三者之間無桿腔的油液能夠相互流通。同時，底部主動調平油缸2-1 和中間主動調平油缸5-1 的有桿腔通過梭閥11 與從動調平油缸8-1 的有桿腔連通，使得有桿腔的油液能夠順暢地流動。此外，為了確保油液劉翔的控制，底部主動調平油缸2-1與從動調平油缸8-1的無桿腔之間設有單向閥，同樣，中間主動調平油缸5-1 與從動調平油缸8-1 的無桿腔之間也設置了單向閥。這些單向閥的作用是確保從動調平油缸8-1 無桿腔的油液能夠順利地流向底部主動調平油缸2-1 或中間主動調平油缸5-1 的無桿腔，但不允許反向流動。同理，底部主動調平油缸2-1 與從動調平油缸8-1 的有桿腔之間、中間主動調平油缸5-1 與從動調平油缸8-1 的有桿腔之間也設置了單向閥，以實現油液流向的控制。

圖9 中，底部主動調平油缸2-1、中間主動調平油缸5-1、從動調平油缸8-1 的無桿腔油流截面積均相同，有桿腔油流截面積也相同。這樣的設計確保了油液在流動過程中的阻力一致，提高了系統的穩定性和可靠性。同時，底部主動同軸輪2-4、中間主動同軸輪5-4、從動同軸輪8-4 的傳動半徑均相同，這保證了傳動過程中的力矩一致性和效率，進一步增強了整個調平機構的協同性和調平精度。

3.3 調平原理

調平機構裝配過程須先確保工作平臺的踩踏平面與轉臺下平面保持平行。當下臂4 進行變幅運動時，下臂4 帶動底部主動同軸鏈輪2-4 作等角度轉動，底部主動同軸鏈輪2-4 通過底部主動鏈條2-3 帶動底部主動調平油缸2-1 進行直線伸或縮運動。底部主動調平油缸2-1 通過油液同步帶動從動調平油缸8-1 進行等長度直線縮或伸運動，從動調平油缸8-1 通過從動鏈條8-3 帶動從動同軸鏈輪8-4 進行轉動，從動同軸鏈輪8-4 驅動工作平臺9 作與底部主動同軸鏈輪2-4 相反方向的等角度轉動，從而實現工作平臺的調平工作。同理，當上臂7 進行變幅運動時，下臂7 帶動中間主動同軸鏈輪5-4 作等角度轉動，中間主動同軸鏈輪5-4 通過中間主動鏈條5-3 帶動中間主動調平油缸5-1 進行直線伸或縮運動。中間主動調平油缸5-1 通過油液同步帶動從動調平油缸8-1 進行等長度直線縮或伸運動，從動調平油缸8-1 通過從動鏈條8-3 帶動從動同軸鏈輪8-4 進行轉動，從動同軸鏈輪8-4 驅動工作平臺9 作與中間主動同軸鏈輪5-4 相反方向的等角度轉動，從而實現工作平臺的調平工作。

由上可知，無論是下臂4 或上臂7進行俯仰運動時，工作平臺均能通過以上調平機構實時、嚴格地進行與下臂4或上臂7 反向的等角度轉動，確保工作平臺9 始終與轉臺1 的下平面保持平行，即保持水平狀態。

將主動調平油缸的有桿腔油流截面積用A 1 表示，主動調平油缸的無桿腔油流截面積用B 1 表示，從動調平油缸的有桿腔油流截面積用A 2 表示，從動調平油缸的無桿腔油流截面積用B 2 表示，主動同軸輪的傳動半徑用R 1 表示，從動同軸輪的傳動半徑用R 2 表示。上述A 1、A 2、B 1、B 2、R 1、R 2 存在以下公式關系，

即在保持上述關系的前提下，可以根據需要對A 1、A 2、B 1、B 2、R 1、R 2 的數值進行調整。

3.4 對比優勢分析

優勢1：與采用液壓油缸三角形的調平方式相比，本調平方式具有更高的調平精度。由于主動同軸輪的轉動角度與臂架的變幅角度保持嚴格一致，同時從動同軸輪的轉動角度與工作平臺的轉動角度也保持嚴格一致，并且主動同軸輪與從動同軸輪的轉動角度絕對值完全相同但方向相反，因此臂架在變幅運動過程中，工作平臺能夠確保始終保持水平狀態。

優勢2 ：與其他機械和液壓調平方式相比，本調平機構具有更大的調平角度范圍，同時占用空間更小。工作平臺的調平角度取決于從動調平油缸的行程和從動同軸輪的傳動半徑，這些參數可以根據實際需求進行設定，尤其適用于需要進行大角度變幅的臂架。此外，主動調平機構和從動調平機構之間除了液壓油管相連外，沒有其他連接裝置，因此結構緊湊，便于在各種空間布局中布置。

優勢3 ：與電動調平方式相比，本調平裝置完全由液壓油缸和機械裝置組成，不依賴于傳感器的精度和可靠性，也不依賴于電控程序的合理性，因此具有更高的調平可靠性。

優勢4 ：本調平機構適用于各種形式的臂架。無論是單純的伸縮臂、折疊臂，還是多節伸縮+ 多節折疊式的復雜臂架，該裝置都能有效適用，使得其適用車型范圍更為廣泛。

4 結束語

綜上分析，上述新型油缸+ 鏈輪組合的調平方式能夠創新性地解決現有工作平臺各種調平機構的缺陷，該調平方式具有適用范圍廣、結構緊湊、易于布置、調平精度高、調平范圍大、可靠性高以及響應速度快的顯著優勢，是一種值得廣泛應用和推廣的技術。

參考文獻

[1] 國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會. 消防車 第12部分：舉高消防車：GB 7956.12-2015[S].北京：中國標準出版社，2015.