（机械设计及理论专业论文）折叠臂式登高平台消防车总体设计研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 登高平台消防车作为现代城市消防中的必要装备，逐步向大型化方向发展。对其总 体设计的研究能够推动国产登高平台消防车的设计技术水平登上新台阶，对打破国内大 型登高类消防车市场的国外垄断具有显著的社会意义和价值。 本文是以大连理工大学工程机械研究所与徐工集团合作开发的d g 系列登高平台消 防车实际研发项目为背景，对国内大型登高平台消防车设计中需要解决的三个重要问题 作了如下研究： ( 1 ) 对登高平台消防车总体设计方案的研究 在深入分析登高平台消防车结构组成的基础上，根据登高平台消防车总体设计的主 要内容，遵循相关设计规范，并参考国外有关产品资料，进行了登高平台消防车形式的 分类，给出了大型结构件强度、刚度、稳定性以及整机稳定性、支腿压力和机构设计的 分析方法，制定了登高平台消防车总体设计方案。 ( 2 ) 对登高平台消防车变幅机构设计的研究 对臂架变幅机构进行优化分析。选取了变幅机构的优化目标，分析了变幅机构模型， 确定了设计变量、目标函数以及设计约束。以d g 系列中x z j 5 4 8 0 j x f d g 6 8 型登高平台 消防车( 本文以下简称d ( 拓8 登高平台消防车) 为应用实例，对d g 6 8 登高平台消防车 的二号臂变幅机构进行了优化。校核了二号臂变幅连杆的强度。 ( 3 ) 登高平台消防车参数化设计软件的设计与开发 明确了登高平台消防车产品参数化设计软件的开发思想，对该软件进行了结构与功 能规划，提出了相应的设计策略，采用面向对象技术，开发了相应的参数化设计软件。 该软件是登高平台消防车设计工作中的重要设计工具，应用在d g 6 8 登高平台消防车的 研制工作中。 本文实现了对登高平台消防车总体设计方案的系统研究，对登高平台消防车的变幅 机构进行了设计，开发了参数化设计软件。将所研究的内容应用于实际产品的设计中， 达到设计要求。样机试验结果表明该总体设计思想正确可行，为登高平台消防车产品的 总体设计奠定了良好的理论基础，具有广泛的应用前景。 关键词：登高平台消防车；设计方法；变幅机构；优化；软件系统 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nf r a m ed e s i g no ft h ec o l l a p s i b l eb o o m a e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n e a b s t r a c t a e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n ei st h ee s s e n t i a le q u i p m e n ti nm o d e r nd r i e s ，t h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o no fa e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n ei sm o r el a r g e - s c a l e r e s e a r c ho nt h ef r a m ed e s i g no f t h el a r g e - s c a l ea e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n ec a nm a k et h ed o m e s t i ct e c h n o l o g i e st oa h i g hl e v e l t h e r ea r ed r a m a t i c a l l ys o c i a lm e a n i n g sa n dv a l u e st ob r e a kt h ef o r e i g nm o n o p o l i z a t i o ni n t h ed o m e s t i cm a r k e to f t h e l a r g ea e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n e t h i st h e s i si sb a s e do nt h ep r a c t i c ep r o j e c to ft h es e r i e so fd ga e r i a lp l a t f o r mf i r e e n g i n et h a ti se x p l o i t e db yt h er e s e a r c hc e n t e ro fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yo fd l u ta n d x u z h o uh e a v ym a c h i n e r yc o r p o r a t i o n t h r e et e c h n o l o g i e sw h i c hs h o u l db er e s o l v e df i l e r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ： ( 1 ) t h es t u d y o nt h ef r a m ed e s i g no f t h ea e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n e b a s e do nt h ec a t e g o r i z a t i o no fs t r u c t u r ea n dt h em a i nd e s i g nc o n t e n t so ft h ea e r i a l p l a t f o r m f i r e e n g i n e e r , f o l l o w i n gt h er e l a t e d c r i t e r i o n sa n da c c o r d i n gt ot h ef o r e i g n p r o d u c t i o n s ，i tc a t e g o r i z e sa e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n e e ri n t os e v e r a lc l a s s i f i c a t i o n s ，s u p p l i e s t h ea n a l y s em e t h o d so f s t r e n g t h 、s t i f f i a e s s 、s t a b i i i t y 、p r e s so f t h e o u t r i g g e r sa n dt h ed e s i g n m e t h o do fo r g a n , e s t a b l i s h e st h ed e s i g nm o d e lo ft h ea e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n e ( 2 ) t h eo p t i m u md e s i g no f t h el u f f i n gs y s t e mo f a e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n e i nt h i st h e s i s ，i to p t i m i z e sa n da n a l y s e so nb o o ml u f f i n gs y s t e m i tc h o o s e st h eo p t i m u m o b j e c t ，a n a l y s e st h em o d e lo fl u f f i n gs y s t e m , c o n f i r m sd e s i g np a r a m e t e r , o b j e c t i v ef u n c t i o n a n dr e s t r i c t i o n a n di tt a k e st h ex z j 5 4 8 0 j x f d g 6 8a e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n e o a e r e a r e r r e f e r r e dt oa sd g 6 8a e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n e ) i ns e r i e so fd ga e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n e f o re x a m p l e ，w h i c ho p t i m i z e si t ss e c o n dl u f f i n gs y s t e m ( 3 ) t h ed e s i g na n de x p l o i t a t i o no fa e r i a lp l a t f o r mf t r ee n g i n ep a r a m e t r i cd e s i g n s o f t w a r e r o nt h eb a s i so fu n d e r s t a n d i n gt h ec o u r s eo fa e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n ep a r a m e t r i c d e s i g ns o f t w a r e , i tl a y so u tt h ef l a m ea n df u n c t i o n so f t h i ss o f t w a r e a tt h es a n l et i m e ，i th a s p u tf o r w a r dc o r r e s p o n d i n gs t r a t e g ya n de x p l o i t e dp a r a m e t r i cd e s i g ns o f t w a r eb ya d o p t e dt h e t e c h n o l o g yo fo b j e c to r i e n t e dp r o g r a n m a e i ti sa ni m p o r t a n tt o o li nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n g a e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n ea n dh a sa p p l i e dt od e s i g nd g 6 8a e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n e i nt h i st h e s i s ，f r a m ed e s i g no ft h ea e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n ei sa c h i e v e d ，t h el u f f i n g s y s t e mo fa e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n ei sd e s i g n e d ，a e r i a lp l a t f o r mf i r e 蜘g i n ep a r a m e t r i c i i i 折叠臂式登高平台消防车总体设计研究 d e s i g ns o f t w a r ei se x p l o i t e d a n dt h er e s e a r c hi sa p p l i e dt op r a c t i c a lp r o j e c t i o n , m e e tt h e r e q u e s to fd e s i g n s p e c i m e ne x a m i n a t i o ns h o w st h a tt h ei d e ao ff r a m ed e s i g no ft h ea e r i a l p l a t f o r mf i r ee n g i n ei sc o r r e c ta n da v a i l a b l e i tp r o v i d e st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o ni nt h ef r a m e d e s i g no f a e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n e 。i th a sag o o dc h a n c et ob ea p p l i e di np r a t i c e k e yw o r d s ：a e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n e ；d e s i g nm e t h o d ml u f f i n gs y s t e m ；o p t i m i z a t i o m s o f t w a r es y s t e m i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：銎玺。日期：型乙! 兰：竺 人连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阚。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：至氢 导师签名：约猖生导师签名：。互型1 y 砂2 一 旦年上月上同 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 登高平台消防车概述 登高平台消防车作为一种灭火救人的特种设备，在现代城市消防中获得广泛应用。 产品己由最初的小型号、机械传动、简单的机电控制发展到现代的大举升高度、液压传 动、智能化控制。产品的系列、性能及功能日趋完善，型式和数量越来越多，举升高度 越来越大，目前世界上最高的登高平台消防车举升高度已达到l o l 米。在我国，受高层 建筑起步晚及产品开发难度大等因素的影响，国内登高平台消防车的开发从1 9 9 7 年至 今一直停留在5 3 米以下的车型扩展，举升高度没有进一步提升。目前，我国1 0 0 万人 口以上的城市基本按照消防规划装备了3 0 5 0 米的登高平台消防车。随着高层建筑的 普及和快速发展，5 0 米以下的登高平台消防车已经不能满足大中城市对登高平台消防车 更大型化的需求。 1 1 1 登高平台消防车特点 登高平台消防车主要是随着城市高层建筑的发展而发展起来的，其在现代城市消防 中发挥着越来越重要的作用。究其原因，主要是登高平台消防车本身具有诸多其他消防 及特种设备无法比拟的优势，具有应用范围广、作业区域大、安全限位保护措施及应急 操作系统完备、机动灵活、转场方便等特点。 ( 1 ) 应用范围广 登高平台消防车是集消防灭火、应急救援、高空喷洒、喷射和高空工程作业等功能 于一身的综合型特种设备。工作平台上设置的救援用吊耳可用于担架或吊篮营救和转移 已伤残的遇难人员。广泛适用于城市、矿山、油田等高层建筑的消防、救援工作，是扑 灭中高层建筑火灾、救护遇险人员、抢救财产的必要装备。此外还可用于高空工程施工 作业，如大型设备的外部检修，风力发电机组的安装维护等。 ( 2 ) 作业区域大 登高平台消防车的臂架组合型式多样，通过不同的组合方式实现不同的起升高度和 幅度。可将消防灭火、抢险救灾的作业范围在垂直高度上扩展至几十米，可对一定高度 的高层建筑及一定深度的低洼地带的受困者进行救助。折叠臂式和混合臂式登高平台消 防车的臂架还可跨越一定的障碍物将作业人员运送到指定位置。 ( 3 ) 完备的安全限位保护措施及应急操作系统 为了切实保障消防作业的安全，保证人员的生命安全，且动作平稳、准确，登高平 台消防车设置有诸多安全限位保护措施及应急操作装置。 折叠臂式登高平台消防车总体设计研究 ( 4 ) 机动灵活，转场方便 登高平台消防车采用汽车底盘，其机动灵活，接近和离去角较大，转弯半径小，通 过性好。可在公路上行使，速度快，转场方便。能够适应消防险情的快速反应要求。 ( 5 ) 登高平台消防车的缺点 由于登高平台消防车多采用支腿支撑的作业方式，因此无法带载行走。而且对地面 的支承性能要求高，多适用于较硬的场地。对于较为松软的场地，需要铺设铁板或枕木。 1 1 2 登高平台消防车的结构组成 登高平台消防车整车通常分上车、下车两大部分。 下车通常包括汽车底盘，副车架总成，支腿总成，下车消防系统，油泵装置，应急 动力，下车液压系统，下车电气系统，走台板及器材箱总成等。 上车包括回转支承，转台，回转机构，臂架变幅系统，臂架总成，电缆液压输送系 统，上车消防系统，工作平台，平台调平系统，上车液压系统，上车电气系统，安全限 位装置等，并可以选装云梯系统，空气呼吸系统，照明系统等。 现对登高平台消防车的底盘、副车架、支腿、转台总成、臂架系统、变幅及调平系 统作以简要介绍： ( 1 ) 登高平台消防车的底盘 登高平台消防车主要应用于各种消防抢险作业，要求其能在各种路面上迅速的自行 转场以适应消防险情的快速反应要求。因此登高平台消防车的底盘多采用汽车底盘，其 机动灵活，转弯半径小，通过性好。可在公路上行使，速度快，转场方便。汽车发动机 为整机提供动力，侧窗取力器驱动液压油泵为消防作业提供液压动力。登高平台消防车 所采用的汽车底盘按总体性能可分为通用汽车底盘和专用汽车的改制底盘两种。 通用汽车底盘指通用汽车的二类底盘，其接近和离去角较大。由于原汽车车架的强 度和刚度满足不了登高平台消防车在作业时的要求，需要在原汽车底盘上增设带有固定 支腿和回转支承连接的副车架以实现对上车的支撑。该种形式的登高平台消防车在行驶 状态时臂架放置在驾驶室上方，整机重心较高，质量较大。但是由于通用底盘的价格较 低，在中小作业高度的登高平台消防车上比较常用。如图1 1a ) 。 专用汽车的改制底盘是按登高平台消防车要求专门设计改造的，其轴距较长，车架 刚性好。采用前悬下沉式驾驶室可以满足公路运输对于整车高度的限制为臂架布置让 出空间。尽管该种形式的登高平台消防车在行驶状态时臂架同样置于驾驶室上方，但是 由于降低了驾驶室顶棚高度，从而降低了臂架位置，故整机重心低。驾驶室悬挂在前桥 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 前面，加大了车身长度，适合使用较长的臂架，如图1 1b ) 。不足之处在于驾驶室悬 挂在前桥前，前桥轴荷大，车身增长使得接近角减小，降低了通过性能。 a ) 通川汽车底盘b ) 号_ i j 汽乍的改制底盘 图1 1 登高平台消防车底盘 f i g 1 1c h a s s i s o f a e r i a l p l a t f o r m f i r e e n g i n e ( 2 ) 登高平台消防车的副车架及支腿 副车架安装在登高平台消防车的底盘上，为登高平台消防车的主要承力部件，上车 的质量及载荷通过副车架传递到支腿上。副车架通常有平面框架式和整体箱形式。平面 框架式副车架由纵梁和横梁组成，纵梁和横梁均为箱型结构，为了增强副车架刚性，在 框架中间加装若干连接横梁和斜梁。为了支撑登高平台消防车的回转部分，在副车架后 部装有回转机构的大齿圈和环形滚道。整体箱形式副车架由一根纵粱和两根横梁组成， 此结构形式较平面框架式具有较大的抗扭刚度，可以减小或消除抬腿现象，且制造构件 少，结构简单，工艺性好，近年来得到广泛应用。 副车架上设有支腿箱，液压活动支腿安装其中，作业时支腿伸出，支撑在地面上， 使轮胎离地，增大支撑面积，提高整机稳定性。支腿从结构特点上主要有以下两种形式； h 式支腿：此种支腿外伸距离大，每一支腿有两个液压缸，即水平伸缩和垂直支 撑液压缸，支腿呈h 形，如图1 2a ) 。为保证有足够距离，左右支腿互相叉开。h 式 支腿对地面适应性好，易于调平，广泛应用在中、大型登高平台消防车上。 x 式支腿：x 式支腿的垂直支撑液压缸作用在活动支腿的中间，活动支腿外伸端 直接支撑在地面上，使支撑更加稳定，如图1 2b ) 。但x 式支腿离地间隙小，在支腿 向下运动时端部有水平位移。 折叠臂式登高平台消防车总体设计研究 a ) h 式支腿b ) x 式支腿 图1 2 登高平台消防车支腿形式 f i g 1 2o u h i g g e ro f a e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n e ( 3 ) 登高平台消防车的转台总成 转台是用来安装臂架、变幅机构、回转机构、上车控制单元和上车液压单元的机架 结构，是承接上车和下车的重要部件，应具有足够的强度和刚度。它通过回转支承装置 安装在副车架上。转台结构主要为双板复合的框架结构，设有臂架后铰点、变幅油缸铰 点，铰点处均用加强筋加强，变幅油缸后铰点布置在回转中心前侧。回转机构布置在转 台的一侧，并配有登上工作平台的梯子，同时还设置了回转机构罩，罩上设置扶手，方 便消防人员上下车。另一侧设置控制台，并配以座椅和护栏。 ( 4 ) 登高平台消防车的臂架系统 臂架是登高平台消防车最重要的承载构件，并通过臂架的伸缩和变幅动作实现工作 平台的提升，将人员运送到指定的作业高度。登高平台消防车的臂架组合形式多样，有 伸缩臂式，如图1 _ 3a ) ；折叠臂式，如图1 1a ) ；混合臂式( 即折叠伸缩臂式) ，如 图1 3b ) ：及以上三种形式的主臂加曲臂的形式，如图1 3c ) 。由于伸缩式臂架的长 度可以变化，并通过改变臂架工作仰角达到变幅目的，故具有良好的通过性及到达性。 臂架的外观造型、重量、起升性能直接影响整机的造型和性能。为了使臂架更轻， 性能更强，臂架的发展经历了一个漫长的过程。臂架截面的设计需要解决板材屈曲的问 题，现今臂架已经广泛使用了超高强度钢材s t e 9 6 0 、s i1 0 0 等新材料，从而大幅度地 降低了臂架自重。在最近几年内，材料强度级别的提高将受到限制，更高强度级别的材 料将很难面世，因此臂架的截面形状是决定臂架重量的主要因素。 随着臂架材料强度级别的提高，如何充分利用材料的性能，业界提出了如何解决强 度安全储备与薄板局部失稳安全储备均衡的问题，从而推动臂架截面从传统的四边形箱 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 型结构发展到大圆弧的四边形箱型结构。再到现在普遍采用的六边形及多边形臂架截 面，使得臂架的稳定性不断提高并减小了臂架的截面面积，提高材料的利用率，提高了 整机稳定性，扩大了作业幅度。 a ) 伸缩臂式b ) 混合臂式c ) 主臂加曲臂式 图1 3 登高平台消防车臂架组合形式 f i g 1 3 b o o mc o m b i n a t i o no f a e r i a lp l a t f o r mf i r ee n g i n e 登高平台消防车臂架设计所使用的计算理论和方法对臂架设计的影响也非常大。知 名企业都有自己的科研机构，对臂架的计算理论、制造工艺等都有深入的研究，早已广 泛使用f e m ( 有限元分析法) 等新的计算方法，大大减轻了整机的重量。我国许多企 业也使用f e m 等计算方法，但一般都只是验算。所使用的计算理论基本上还是上世纪 七、八十年代产品所使用的理论，许多局部结构的设计都是凭经验或简单的计算。另外， 我们对焊接、弯形等工艺所产生的内应力、变形等的研究也很少，许多研究只是停留在 理论上，很少在产品设计中使用，致使我们的许多产品在技术水平、实物质量上与国外 先进产品有很大的差距。 臂架的制造从传统的上下翼缘板和腹板拼焊成箱型结构发展为上下两块盖板折弯 对焊，采用单面焊双面成形的焊接技术，减少了焊缝数量和加工制造的工作量，提高了 焊接质量和效率。 另外，伸缩臂式臂架是一个可以伸缩的阶梯梁，目前，除基本臂可以加强外，许多 生产厂家将伸缩臂设计成等截面梁。根据臂架的受力特点，变截面伸缩臂将使臂架更轻， 性能更强，因而，变截面臂架的设计及制造技术以及如何优化臂架性能将是臂架技术发 展的重点。 折叠臂式登高平台消防车总体设计研究 ( 5 ) 登高平台消防车的变幅系统 登高平台消防车的变幅系统为臂架摆动式变幅，是通过臂架在垂直平面内绕其后铰 点摆动改变臂架仰角。液压缸变幅是登高平台消防车最具代表性的变幅形式，其结构简 单紧凑，易于布置，工作平稳。根据变幅力大小，可采用双缸或单缸。变幅液压缸主要 采用前置式布置，具有变幅推力小，液压缸径小，臂架悬臂部分短，臂架受力条件好的 特点，但是臂架下方有效空间小。前置式双缸变幅系统如图1 4 所示。伸缩臂式和混合 臂式登高平台消防车臂架既可摆动，也可伸缩，既能增加起升高度，也能改变登高平台 消防车幅度。臂架伸缩时，虽然幅度随之改变，但臂架伸缩的主要目的是使登高平台消 防车在作业时工作平台取得较大的起升高度，在行驶时收缩臂架以获得较小的外形尺 寸，一般不作为变幅机构使用。此外臂架变幅时会引起臂架及其以上部件和额定载荷重 心的升降，耗费额外的驱动功率。 l 芏l1 4 前置式烈缸变幅系统 f i g ! 4 f o r m e r p l a c e m e n t w i t h d o u b l e b o o m l i f t c y l i n d e r s ( 6 ) 登高平台消防车调平系统 登高平台消防车的工作平台调平机构按调平特性分，有连续性型和周期线性型两大 类。按机构原理分，有自重平衡调平机构、平行四边形调平机构、机械反馈电液控制调 平机构、液压伺服油缸调平机构、液压油缸单独调平机构和电液组合式自动比例调平机 构。 6 大连理工大学硕士学位论文 1 1 自重调平机构 利用平台自重调平是出现最早、结构最简单的一种工作平台调平方式，利用工作平 台和载荷的重力作用使工作平台自动保持水平状态。该方法结构简单、重量轻、调整维 修方便、成本低，但容易产生晃动，因此稳定时需要使用锁紧机构防止摇动，操作起来 比较麻烦，只在工作高度较低、技术性能低的车型上使用，现已很少采用。 2 ) 平行四连杆调平机构 该调平机构由一组或多组平行四边形连杆机构组成，如图1 5 所示。调平机构一端与 工作平台4 连接，另一端与转台1 连接，上平行四边形3 和下平行四边形2 相连处的短边固 联在一起，利用平行四边形在变形过程中两组对边始终分别保持平行的原理，使工作平 台始终保持水平状态。其调平过程是连续的，具有调平可靠、同步性好的特点。且在实 际应用中折叠臂本身可以作为平行四边形的一条边，结构简单。但是平行四边形连杆结 构只能布置在臂架外侧，结构不紧凑，由于平行四边形的几何限制，臂架问的工作角度 范围小于1 8 0 。，所以只可在两节折叠臂的车型上单独应用。 1 转台2 下平行四边形3 上平行四边形4 工作平台 图1 5 平行四连杆调平机构 f i g 1 5p a r a l l e l o g r a ml e v e lo r g a n 3 1 液压油缸单独调平机构 该调平机构由一片换向阀直接控制调平油缸的动作。此种方式可靠，但是非连续型 的，调平过程需要有参照物，人为因素对调平精度影响较大，因此只适应于作业高度不 大的车型上。 折叠臂式登高平台消防车总体设计研究 4 1 液压伺服油缸调平机构 该调平机构由一组伺服油缸或一组伺服油缸加一组传动链组成。机构原理如图1 6 所示，伺服油缸组由两个相同几何参数的油缸组成，一个与主臂及转台相连，另一个与 主臂及工作平台相连，油缸自成闭环系统，不受主系统和电气系统的影响。为了防止泄 漏而影响调平性能，系统中增加了补油功能；双向平衡阀可以确保闭环系统在调定压力 下进行作业。该调平机构简单，适应于伸缩臂式登高平台消防车，但存在滞后现象，且 滞后现象随着高度的增加而更加明显。目前徐工集团c d z 5 3 型登高平台消防车采用的 就是该种调平原理。 1 转台2 臂架3 调平液压缸i4 无杆腔连接油路5 有杆腔连接油路6 调平液压缸7 工作平台 图1 6 液压伺服油缸调平机构示意图 f i g 1 6d i a g r a mo f h y d r a u l i c8 e r v oc y l i n d e rl e v e lo r g a n 5 ) 电液比例调平机构 该调平机构原理是通过安装在工作平台上的水平传感器来感知工作平台的状态，并 产生一个相应的电流，控制调平油缸的动作，最终傻工作平台保持水平状态。 电液比例调平液压原理图如图1 7 所示，电液比例调平机构主要部件包括水平传感 器l 、调平液压缸4 、电液比例换向阀6 和放大比较器7 。水平传感器输出信号的大小与 工作平台的倾斜角度成正比。 当臂架变幅时，工作平台与水平面产生一定的夹角，水平传感器输出相应大小的信 号，经放大比较器放大、判定方向后，驱动电液比例阀6 中的比例电磁铁，使阀芯产生 位移，输出压力液体，液体的流量与控制电流成正比，即与工作平台的倾斜角度成正比， 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 控制工作平台发生与原倾斜方向相反的转动，工作平台恢复到水平状态。在工作平台倾 斜角度减小的过程中，水平传感器输出信号减小，压力液体的流量减小，工作平台与水 平面之间的夹角大时恢复水平的速度快，工作平台与水平面之间夹角小时恢复水平的速 度慢，因此其调平过程连续、平稳，调平性能好、控制精度高、动态响应快，适应于各 种形式的大高度的登高平台消防车。 1 水平传感器2 工作平台3 臂架4 调平液压缸5 平衡阀6 电液比例阀7 放大比较器 图1 7 电液比例调平原理图 f i g 1 7h y d r a u l i cs c h e m a t i co f e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a la u t o - l e v e l 1 1 3 国内外同类产品发展现状 ( 1 ) 国外同类产品发展现状 目前登高平台消防车主要生产国有芬兰、奥地利、德国及俄罗斯等，其主要生产厂 级都有5 0 米级以上产品。 芬兰的登高平台消防车主要生产厂家有：b r o n t o ( 勃浪涛) 公司，其产品一直以技 术先进、工作可靠、使用寿命长而闻名于世，尤其是电子安全控制技术。目前其最大型 号的产品为s 1 0 1 h l a ，最大作用高度为1 0 1 米【】1 。沈阳、武汉、鞍山、大连、杭州等地 的消防部门配有b r o n t o 公司4 0 米、6 8 米、7 2 米等型号的产品。表1 t 为b r o n t o 公司 7 2 米、6 8 米产品的主要技术性能表。 折叠臂式登高平台消防车总体设计研究 表1 1b r o n t o 公司7 2 米、6 8 米产品的主要技术性能表 t a b 1 1m a i n t e c h n i q u e a n d c a p a b i l i t y t a b l e o f t h e7 2 m & 6 8 m p r o d u c t s o f b r o n t o 大连理工大学硕士学位论文 奥地利的r o s e n b a u e r ( 卢森堡亚) 公司也是世界上主要的登高平台消防车生产厂家， 在全世界十多个国家和地区设有生产基地其在我国的东莞设有合资生产厂。该公司产 品系列型谱齐全p 】，造型美观，最大型号g b l 0 1 登高平台消防车的作业高度为1 0 1 米。 郑州、沈阳、惠州等地的消防部门配有r o s e n b a u e r 公司的4 0 米、5 3 米等型号的产品。 德国的登高平台消防车主要生产厂家有：m a g i r u s ( 马基路斯) 、s i d e s ( 西德斯) 等公司。 俄罗斯托尔若克消防技术装备开放型股份公司主要产品为5 3 米登高平台消防车。 ( 2 ) 国内登高平台消防车产品发展现状 我国在1 9 8 5 年后开始进口登高消防车。国产登高平台消防车的生产历史较短，9 0 年代以后才开始推向市场，目前正处于成长发展时期。与国外专业生产企业不同的是， 国内登高平台消防车生产企业大都有着汽车起重机生产背景，其原因是由于登高平台消 防车的底盘、副车架、支腿、转台、臂架等结构都与汽车起重机的相应结构有相似之处。 目前国内主要生产企业有：徐工集团徐州重型机械有限公司、锦州重型机械股份有限公 司，沈阳北方交通重工集团，抚顺起重机制造有限责任公司。产品系列以2 0 - 5 0 米为主。 随着市场需求量的不断增加，企业也在不断向大规模、系列化方向发展。 徐工集团徐州重型机械有限公司的产品系列为 4 1 ：c d z 2 2 、c d z 2 5 、c d z 3 2 、c d z a 0 、 c d z 5 3 、d g 6 8 。表1 2 为徐工集团徐州重型机械有限公司5 3 米、钓米产品的主要技术 性能表。 锦州重型机械股份有限公司的产品系列为 5 1 ：c d z 2 2 、c d z 3 2 、c d z 5 0 。 沈阳北方交通重工集团的登高平台消防车主要产品为1 6 】：x f d g 5 4 。 抚顺起重机制造有限责任公司登高平台消防车主要产品为【7 】：c d z 2 0 、c d z 3 2 。 表1 2 徐工集团徐州重型机械有限公司5 3 米、4 0 米产品的主要技术性能表 t a b 1 2m a i nt e c h n i q u ea n dc a p a b i l i t yt a b l eo f t h e5 3 m & 4 0 mp r o d u c t so f x c h g 折叠臂式登高平台消防车总体设计研究 续表1 2 1 2 大型登高平台消防车设计中的难点 从德国汉诺威国际消防车展览会中展出的国外最新高端登高平台消防车产品中可 以看出，国外登高平台消防车已经达到相当高的设计生产水平，无论从结构、机构、驱 动系统、各种电子操作控制以及外观造型等方面都趋向完善。但本人在大连理工大学图 书馆、徐工集团查阅了大量有关登高平台消防车方面的资料，没有得到大型登高平台消 防车设计研究方面的文献。而且在各类中英文学术期刊、会议文献、互联网主页也没有 大连理工大学硕士学位论文 查到类似内容，主要因为这些研究是在国外各大公司内部进行的，其关键技术属于技术 保密范畴，一般不对外公开发表和交流，但从产品性能和功能中得到具体体现。在国内， 由于本项且d g 6 8 登高平台消防车是我国首次自主设计开发的大型登高平台消防车，因 此相关内容的研究尚属空白。基于这种倩况，没有相关设计研究资料可借鉴，可以说本 文在登高平台消防车研究领域进行的是一项全新的开拓性研究。 因此，在设计开发这种大型登高平台消防车时势必会遇到前所未有的难题，这也正 是大型登高平台消防车设计的关键。这些难题中有的没有列入国家制定的规范中，无法 可循；而有的虽有规范可查，但是规范的制定己经不适于这种大作业高度产品的设计。 另外，由于国内登高平台消防车主要生产厂家都有着汽车起重机生产背景，而且登高平 台消防车在结构、机构等方面与汽车起重机有着相似或通用之处，因此在登高平台消防 车产品设计开发中也参考和借鉴了汽车起重机的设计规范和设计方法。 ( 1 ) 总体设计方案 产品的设计方案是研究和掌握产品的设计规律，由诸多子系统组成的一套完整的、 相互结合、相互作用、相互依存的复杂系统。它是认识、分析、设计、预测、控制产品 生命周期的基础。总体设计是产品设计中极为重要的设计环节1 8 】，关系到产品性能的好 坏，是产品开发成败的关键，因此处于产品设计体系的最高层。登高平台消防车总体设 计是确定系列产品型号、系列参数等第一中问层，以及各型号产品的整机尺寸、结构布 局、各主要构件的基本尺寸与材料性能、各机构的规格型号以及进行整机结构、机构间 的相互协调等第二中间层的目标层。不仅贯穿于整个设计过程，而且为各层、各单元的 构件及机构的设计、仿真、制造、试验提供理论及数据依据。 ( 2 ) 臂架变幅机构设计 臂架变幅机构是登高平台消防车的重要执行机构。登高平台消防车作业工况多，受 力情况复杂，其设计制造直接影响到整机的作业性能。一号臂的变幅采用广泛应用于工 程机械变幅机构的前置式液压缸变幅，折叠臂式登高平台消防车臂架的二号臂多采用平 面五杆机构实现二号臂的变幅。变幅机构必须满足两个基本要求，即变幅比要求和承载 要求。在借鉴现有登高平台消防车成功经验的基础上，一方面要满足运动要求，另一方 面要充分考虑臂架结构的强度、刚度及变幅连杆机构动特性的综合影响，通过有限元法 对该部分进行力学分析和优化设计。因此变幅机构设计的主要内容为铰点布置优化。 ( 3 ) 参数化设计软件系统研制与开发 由于登高平台消防车系列型号多，结构、机构复杂多样，各结构、机构间关系复杂， 相关度高，设计工作量大，传统的手工设计方法已不适应现今高质量、高速度、高效益 的发展趋势，因此产品设计时势必要结合先进的计算机技术。但目前国内尚未研制开发 一1 3 折叠臂式登高平台消防车总体设计研究 有关登高平台消防车参数化设计软件系统。因此，如何将当今运算速度快、计算精确的 计算机技术与登高平台消防车设计结合，如何研制出结构清晰、方便实用、易于维护的 登高平台消防车参数化软件是目前亟待开发的项目。 这些实际存在的问题是大型登高平台消防车设计的关键，对它们的研究将为登高平 台消防车的设计提供坚实的理论基础与方便的设计工具。在过去这些问题是很难解决 的，而随着各种现代设计理论和先进技术的不断发展，为此项研究工作提供了强有利的 理论工具和手段，使得研究和解决这些问题成为现实。 1 3 登高平台消防车现代设计方法概述 最初，登高平台消防车的设计方法多采用以古典力学和数学为基础的半理论、半经 验等设计方法，设计过程反复多，周期长，精度差。随着计算机技术的广泛应用和各种 现代设计理论，如系统工程、优化工程、价值工程、可靠性工程、创造工程、人机工程 等的不断发展，促使许多跨学科的现代设计方法出现。这些新方法与登高平台消防车的 设计相结合，将使登高平台消防车的产品设计进入崭新的高质量、高效率的新阶段。 ( 1 ) 极限状态设计极限状态设计方法是以概率统计法为基础的一种设计方法。它 把载荷、材料性质、构件实际尺寸等均看作基于某种概率分布的统计量，通过大量实测 与调查得到各基本变量的分布概型及参数，然后应用概率论可靠性知识，计算失效的概 率( 风险大小) 来估计登高平台消防车钢结构的安全度。这种方法实现了由“确定性”设 计到“不确定性”设计的转变，是设计理论的变革。国际i s o 标准组织在1 9 8 5 年推荐 了产品钢结构概率设计方法，俄罗斯于1 9 8 6 年向i s o 提交了载荷组合系数设计文件， 美国于1 9 8 3 年完成了钢结构疲劳方面的载荷和抗力系数设计，我国1 9 8 8 年发布的钢 结构设计规范引入了极限状态设计方法。可以预见，今后极限状态设计方法在产品钢 结构设计中将得到普遍应用。 ( 2 ) 优化设计随着生产的迫切要求和科学技术的飞速发展，特别是计算机技术的 发展和广泛应用，出现了基于数学规划的近代优化方法，并得到了发展。离散变量结构 优化、多目标优化、模糊问题优化、结构尺寸和形状优化、可靠性优化等都广泛地用于 登高平台消防车的结构和机构等优化设计中。随着专家系统和c a d 的发展，将两者与 数学规划结合而形成智能优化方法也得到了不断的发展与应用，适用求解无法用明确的 数学模型描述的非数值量优化问题，如结构型式的优选。灵敏度分析可找出设计参数的 最优取值范围，克服了因局部结构的改变而重新进行优化设计的不足，得到了一定的应 用。近年来，基于生命科学与工程科学相互交叉渗透的优化算法一遗传算法和人工神经 1 4 大连理工大学硕士学位论文 网络，在优化领域中异常活跃。其应用范围几乎涉及到所有用传统优化设计方法难以解 决的优化问题，尤其适合于复杂和非线性问题，如组合优化、工程优化设计、拓扑结构 优化、系统辨识和控制、机器学习、图象处理、决策规划和人工生命的研究等。可以预 见，应用遗传算法和神经网络进行优化设计将是登高平台消防车优化设计的发展方向。 ( 3 ) 可靠性设计随着现代城市的发展，登高平台消防车的应用范围越来越广，功 能逐渐增加，对其要求越来越高，因此可靠性问题也日渐尖锐。产品的设计决定了产品 的固有可靠性。登高平台消防车可靠性是登高平台消防车的质量综合特性，它是在一定 时间内，在规定的使用工况、作业条件、技术维修、保存和运输的情况下，表征登高平 台消防车作业能力的各项参数保持在规定范围内的可能性。登高平台消防车可靠性的内 涵包括无故障性、耐久性、维修性和保全性。在登高平台消防车设计阶段，需要预测登 高平台消防车的可靠性。如果给定登高平台消防车可靠度的目标值，必须在设计时对登 高平台消防车的组成部分进行可靠性分配，以满足整机可靠性要求。可靠性设计的引入 将“确定性”设计转变为“不确定性”设计，以尽量防止产品失效的发生，从而设计出 高可靠性的产品。 ( 4 ) 计算机辅助设计技术随着市场竞争的加剧，不仅要求缩短登高平台消防车产 品更新换代周期，而且还要求产品由原来的单一品种、大批量生产模式，转向多品种、 高质量、小批量生产模式。传统的人工设计方式已不能适应这种变化的要求。随着计算 机技术的迅速发展，各种性能良好的计算机硬件及外围设备陆续问世。计算机软件技术 也有很大的提高，发展了数据库技术，开发了大量图形软件。这些都促进了c a d 技术 的应用和发展。目前世晃上各大公司都广泛应用c a d 方法进行产品的设计。在进行技 术参数设计、结构型式选型、主要受力点应力分析及各零部件图绘制后，汇集每一个零 部件的数量、成本，以及制造工时、运输和安装费用，进行详细报价。我国也已开发出 多种c a d 系统，各大中型企业也都相继采用c a d 方法进行产品设计计算与绘图。今后 c a d 的应用在广度和深度方面会有更大的发展。 ( 5 ) 有限元法设计有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算 方法。它能整体、全面、