（机械工程专业论文）高空消防车的臂架力学性能与控制系统通信方法.pdf

摘要 高空消防车是扑救高层建筑物火灾，营救被困人员，抢救贵重物资以及完成 其他救援任务的专用特种车辆。臂架是高空消防车的主要功能部件，也是整个高 空消防车功用价值的体现，臂架设计技术水平的高低直接影响着高空消防车的发 展和创新。因此对高空消防车臂架的研究具有重要的现实意义。 本文以某企业新产品开发项目为支撑，以弹性力学理论和柔体动力学理论为 基础，运用联合仿真方法对2 5 m 高空消防车臂架结构进行了设计以及动力学和 静力学分析。此外，本文还对整车控制系统的通信方法进行了简单研究。本文的 主要研究工作包括： ( 1 ) 通过市场调研，并结合国家标准确定了高空消防车臂架结构形式、截 面形式、最大工作高度以及各节臂的长度；依据联合仿真方法搭建了分析平台， 并在此平台上建立了臂架结构的三维模型。 ( 2 ) 研究建立各节臂架的模态分析模型的方法和模态提取方法；根据模态 分析结果，研究臂架结构固有频率随臂架振动幅度变化的关系，提出了避免臂架 共振的方法和措施。 ( 3 ) 研究臂架动载荷的产生原因，建立动载荷的数学公式；在模态分析的 基础上进行瞬态分析，研究臂架结构随外部载荷变化的响应关系，分析了外部冲 击载荷对臂架和整车产生的影响，在此基础上提出了减小臂架振动的措施。 ( 4 ) 研究臂架结构的刚柔混合模型的建立方法；通过仿真模拟臂架在工作 范围内的运动情况，分析臂架连接副所受力和力矩随时间的变化关系，确定整车 的最危险工况，并为后续臂架结构的静力学分析提供了依据。 ( 5 ) 以刚柔混合动力学分析结果作为边界条件，分别建立各节臂架的有限 元模型。通过仿真计算，得出了各节臂架的应力和应变云图，验证了臂架强度和 刚度；研究和分析臂架结构与应力分布的关系，提出了结构改进意见。 ( 6 ) 研究高空消防车控制系统的组成，划分了主从节点，为各节点分配通 信对象i d 和节点i d ，确定了臂架节点的通信参数和映射参数并编写了对象字典 和主控制模块通讯部分的软件流程。 本文的研究工作展示了高空消防车产品设计开发的一般流程，论文的研究方 法对高空消防车企业其他同类产品的设计具有理论指导意义和工程应用价值。 关键词：高空消防车，臂架，联合仿真方法，控制系统，c a n o p e n 协议 a b s t r a c t t h eh i g ha l t i t u d ef i r et r u c ki so n ek i n do fs p e c i a lv e h i c l e su s e df o re x t i n g u i s h i n g f i r eo nh i g h - r i s eb u i l d i n g s ，r e s c u i n gt h et r a p p e da n dt h ep r e c i o u sm a t e r i a l s ，a n d i m p l e m e n t i n go t h e rr e s c u em i s s i o n s t h eb o o mi st h em a i nf e a t u r eo ft h eh i g ha l t i t u d e f i r et r u c k s ，a n di st h ee x e m p l i f i c a t i o no ft h ee n t i r eh i g ha l t i t u d ef i r et r u c kf u n c t i o n ，t h e d e s i g nt e c h n o l o g yl e v e lo ft h eb o o mh a st h ed i r e c ti m p a c to nt h ed e v e l o p m e n ta n d i n n o v a t i o no fh i g ha l t i t u d ef i r et r u c k s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ft h eh i g ha l t i t u d ef i r e t r u c kh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e s t a k et h en e wp r o d u c td e v e l o p m e n tp r o j e c ta sa s u p p o r t ，t h eb o o mo ft h e2 5 m h i g ha l t i t u d ef i r et r u c ki sd e s i g n e da n da n a l y z e du s i n gt h ec 0 s i m u l a t i o na p p r o a c h b a s e do ne l a s t i c i t y t h e o r ya n dh e x i b l eb o d yd y n a m i c st h e o r y i na d d i t i o n ，t h e c o m m u n i c a t i o na p p r o a c ho ft h ee n t i r ev e h i c l ei si n t r o d u c e ds i m p l y t h ep a p e r sm a i n r e s e a r c h e si n c l u d et h ef o l l o w i n g ： t h r o u g ht h em a r k e tr e s e a r c h ，c o m b i n e dw i t ht h en a t i o n a ls t a n d a r d s ，t h eb o o m s t r u c t u r e ，c r o s s - s e c t i o n a lf o r m s ，t h em a x i m u mw o r k i n gh e i g h ta n dt h eb o o ml e n g t h s a r ed e t e r m i n e d ，t h ea n a l y s i sp l a t f o r mi sb u i l tb a s e do nt h ec o - s i m u l a t i o nm e t h o da n d t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h eb o o m si sc r e a t e do nt h i sp l a t f o r m t h em e t h o d so fe s t a b l i s h i n gt h eb o o mm o d a la n a l y s i sm o d e la n dm o d a l e x t r a c t i o na r es t u d i e d ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h em o d a la n a l y s i s ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ei n h e r e n tf r e q u e n c yo ft h eb o o ms t r u c t u r ea n dt h eb o o mv i b r a t i o n a m p l i t u d ei sr e v e a l e d t h e r e f o r e ，m e t h o d sa n dm e a s u r e st oa v o i dt h eb o o mr e s o n a n c e c a nb eo b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ec a u s e so ft h ed y n a m i cl o a d s ，i t sf o r m u l a t i o n sa r ee s t a b l i s h e d t h e n ，t h et r a n s i e n ta n a l y s i si sd o n eo nt h eb a s i so fm o d a la n a l y s i s t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h eb o o ms t r u c t u r er e s p o n s ea n dt h ee x t e r n a ll o a di sr e v e a l e d a c c o r d i n gt o t h er e l a t i o n s h i p ，t h ei m p a c t so ft h ee x t e r n a li m p a c tl o a do nt h eb o o ma n dt h ee n t i r e v e h i c l ea r ea n a l y z e d ，a n dt h em e a s u r e st or e d u c et h eb o o mv i b r a t i o na r ep r o p o s e d i nt h i s p a p e r , m o d e l i n g m e t h o d s o fr i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n gd y n a m i c sa r e d e s c r i b e di nd e t a i l e d a c c o r d i n gt ot h em o v e m e n ts i m u l a t i o no ft h eb o o mi n e x p a n s i o np r o c e s s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef o r c ea n dt h em o m e n to ft h ec o n n e c t s e t sa n dt h et i m ei sr e v e a l e d ，t h em o s td a n g e r o u sw o r k i n gc o n d i t i o n so ft h ev e h i c l e a r ei d e n t i f i e d t h es u b s e q u e n ts t a t i ca n a l y s i so ft h eb o o ms t r u c t u r ec a nb ea l s ob a s e d o nt h i sr e l a t i o n s h i p t a k i n gt h ea n a l y s i sr e s u l to ft h er i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gd y n a m i c sa sb o u n d a r y c o n d i t i o n s ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l so ft h eb o o mc a nb ee s t a b l i s h e d a f t e rt h e s o l u t i o n , t h ec l o u di m a g eo ft h es t r e s sa n dt h es t r a i nc a nb eg o t , a n ds t r e n g t ha n d s t i f f n e s so ft h eb o o mc a nb ea l s ov a l i d a t e d i na d d i t i o n , a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h eb o o ms t r u c t u r ea n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n ，c o n s i d e r a t i o n si nt h ep r o d u c t i o n a n d m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sc a nb es u m m e du p f i n a l l y , i nt h i sp a p e r t h ec o m p o s i t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mi sa n a l y z e da n d s t u d i e s ，a n de a c hu n i to ft h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t om a s t e ra n ds l a v en o d e s t h e c o m m u n i c a t i o no b j e c ti d sa n dn o d ei d sa r ea s s i g n e dt oe a c hn o d e a c c o r d i n gt ot h e p r a c t i c ec o m m u n i c a t i o np a r a m e t e r sa n dm a p p i n gp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d a tl a s t ， t h eo b j e c td i c t i o n a r ya n dt h ec o m m u n i c a t i o nf l o wa r ee d i t e d t h i sr e s e a r c hs h o w st h eg e n e r a lp r o c e s so fp r o d u c td e s i g na n dd e v e l o p m e n to f h i g ha l t i t u d ef i r et r u c k s m e t h o d so ft h ep a p e rh a v et h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d e n g i n e e r i n gv a l u e f o rt h eo t h e rs i m i l a rp r o d u c t s k e yw o r d s ：h i g ha l t i t u d ef i r et r u c k , b o o m ，c o s i m u l a t i o nm e t h o d s ，c o n t r o l s y s t e m ，c a n o p e np r o t o c o l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 高空消防车简介 第1 章绪论 高空消防车作为一种供消防人员进行登高扑救高层建筑、高大设施、油 罐等火灾，营救被困人员，抢救贵重物资以及完成其他救援任务的专用特 种车辆，在现代社会的消防救灾工作中获得了广泛应用【l 】。高空消防车一般由两 轴、三轴或四轴的重型汽车底盘、加装副车架、云梯、臂架、转台、以及液压系 统、操作机构等组成【2 1 。在副车架的两侧，还加装有4 个液压支腿，其结构一般 如下图1 - 1 所示。在消防车到达灭火现场后，先将支腿伸出支撑起底盘，以保证 云梯和臂架展开后整车稳定、安全【3 1 。云梯或者臂架的顶端，则加装工作平台。 此工作平台可让消防队员接近高层建筑，直接观察火场，准确向火源中心喷射灭 火剂。小型工作平台允许最大荷载质量为2 0 0 k g ，即允许搭乘两名消防员，或是 一名消防人员及一名获救人员；大型工作平台允许的最大载荷质量4 0 0 k g 左右， 允许最多搭乘四人【2 1 。云梯或臂架可在副车架的转台上正反转动及升降或平移伸 展，以便于消防人员可能接近火源附近，准确观察，准确喷水，以达到快速、高 速和及时灭火的目的。 ， 图1 - 1 高空消防车结构图 目前，高空消防车的产品不断更新、结构外观越来越丰富，使用性能及整车 功能日趋完善，工作高度也越来越大。目前世界上高空消防车的最大工作高度己 武汉理工大学硕士学位论文 达到1 0 1 米。由于受到高层建筑物起步晚及产品开发经验缺乏等因素的制约，我 国国内高空消防车的开发工作大部分只是停留在对5 3 米以下的车型扩展的层面 上，最大工作高度没有进一步得到提高，设计和开发技术也一直停滞不前。 1 1 1 高空消防车特点 高空消防车主要是随着城市建筑物高度的日益提高而发展起来的，其在现代 城市的消防救灾工作中发挥着不可替代的作用。高空消防车之所以能够取得如此 地位主要是其本身具有诸多其他消防救灾设备无法比拟的优势。概括来说高空消 防车主要具有如下特点： ( 1 ) 应用范围广 高空消防车是集消防灭火、应急救援和高空工程作业等功能于一体的综合型 特种装备，广泛适用于城市、矿山、油田等高层建筑物的消防、救援工作。其工 作平台上设置有救援吊耳可用于吊篮或担架来营救和转移受伤的被困人员和贵 重物资，是扑灭中高层建筑火灾、救护遇险人员和抢救财产的必要装备。此外还 可用于高空工程作业，如抢修大型电力设施等。 ( 2 ) 作业区域大 高空消防车的臂架有多种组合型式，在各种组合型式下都可通过调整臂架姿 态实现不同的工作高度和幅度。通过上述方式可将消防灭火、抢险救灾的作业范 围在垂直和水平方向上各扩展数十米，并可对一定深度的低洼地带的受困者进行 救助【4 1 。折叠臂式和混合臂式高空消防车的臂架还可跨越一定高度的障碍物将作 业人员运送到指定位置。 ( 3 ) 完备的安全保护措施 为了保障作业人员的人身安全以及高空消防车动作的平稳和准确，消防车上 设置有诸多安全防护措施。例如：在消防车到达指定地点，升起臂架进行消防作 业之前，该车必须首先选择相对平坦地带并完全停稳，变速器也须处于空挡锁定 状态，此时才能使液压支腿外伸进行调平工作：当消防工作完成后收回臂架时， 只要臂架没有完全收拢回到原位，液压支腿不可被操作收回：同样，只有在液压 支腿完全收拢后，变速器才可接入行驶挡位；当臂架某一液压动力油缸油路断裂、 破损泄露时，动力缸单向安全阀立即切断油路，以使动力油缸不会缩回，保证工 作平台及臂架维持原位，不发生跌落；作业人员操纵臂架升降、工作移位时，一 旦工作平台接近墙壁、电线杆等障碍物时，工作平台下方四周的防撞护栏立即发 出信号，控制液压油路系统停止供油，工作平台与臂架立即就地停止移动和转动， 避免发生撞击事故i z l 。 ( 4 ) 机动灵活且转移方便 2 武汉理工大学硕士学位论文 高空消防车一般采用二类汽车底盘改装而成，这类底盘接近角和离去角较 大，转弯半径小，通过性能好，可在公路上行驶；发动机启动方便，车辆行驶速 度快，能够快速赶赴火灾现场并进入救援救灾状态，所以能够适应消防险情的快 速反应要求。 ( 5 ) 高空消防车的缺点 高空消防车在到达事故现场后，一般都要采用液压支腿支撑起底盘后才能展 开臂架开始工作，在工作过程中无法移动车辆位置；因此，如果想更换工作位置， 必须先收拢臂架和支腿，到达合适的位置后，又必须调平和调整臂架姿态，这样 会耽误宝贵的救灾时间。此外高空消防车对地面的支承性能和地面坡度要求较 高，一般只适合在较硬的场地上作业并且地面坡度不能过大；对于较为松软的场 地，必须先铺设板砖或铁板等才可进行调平作业。 1 1 2 高空消防车的发展趋势 随着技术上的不断创新，高空消防车产品日益趋于成熟，通过观察和分析市 场上主流的高空消防车产品，可以看出其主要朝着以下几个方面发展： ( 1 ) 巨型化 随着我国城市化进程的加快，全国大中城市的平均楼层高度也在不断提高， 现有的高空消防车大部分已经不能满足使用要求，设计生产出最大工作高度更 高，作业范围更大的高空消防车具有很大的市场需求。 ( 2 ) 多功能化 目前高空消防车结构更加紧凑，功能更加丰富，除配备消防水泵、消防水罐 外，还加装泡沫罐、摄像装置等其它消防应急抢险器材。消防系统向大流量、多 质液的方向发展。其独立完成抢险救灾任务的能力增强，具有更好的适用性。 ( 3 ) 控制系统智能化 近年来随着控制技术的发展，高空消防车安全控制系统将逐步采用p l c 控 制和c a n 总线数据传输技术，实现整车自动调平和人性化智能安全操作。通过 提升控制系统的水平，优化了主作业参数( 如：动作时间和工作范围) ，提高了 产品可靠性。车上各处操作台采用多媒体动态监控显示，便于作业人员随时了解 车辆状态并进行诊断故障。一些车辆还配备了无线遥控和远程车辆状态监控。这 些配置在3 0 5 4 米之间的高空消防车上表现特别明显。 ( 4 ) 整机外观精美宜人化 大量采用铝合金及不锈钢型材和玻璃钢压模，使转台、工作平台、车体覆盖 面等处整齐、光泽圆润，如同工艺品。侧围板烤漆处理，胶接技术的应用已经越 来越多。国外一些5 0 米以下的平台车做到把液压电缆输送系统置于臂内，使上 3 武汉理工大学硕士学位论文 车整洁紧凑。 1 2 高空消防车臂架结构分析方法研究现状 我国的高空消防车产品是在仿制国外同类产品的基础上自行摸索而发展起 来的，起步晚，发展速度慢，至今尚未形成成熟统一的设计手册和技术规范。我 国技术人员在对臂架进行设计时大多参照的是起重机设计计算方法和同行业的 设计经验，然后采用弹性力学的知识，粗略的进行强度、刚度和稳定性校核。当 选定的危险截面最大应力小于许用应力时就认为校核合格，然后就开始生产样机 并进行样机试验；试验时在臂架局部贴上应变片，如果测得的局部应力过大就在 该位置布置加强筋，如果满足要求，则进行批量生产。采用这种方式设计生产的 臂架不仅会因为臂厚大，导致整车过于笨重，而且还会导致整车重心提高，降低 车辆稳定性。加之高空消防车计算工况甚多，计算过程复杂，传统的理念计算难 以应对，在计算过程中不得不做出各种各样的简化和假定，这就使得计算结果和 实际情况有较大出入，设计出的产品在很多情况下并不能满足工程要求。同时， 设计人员不得不将大量时间和精力花费在重复性工作上，进行创造性的工作较 少，导致产品开发周期长，产品质量差，市场竞争力弱，这些极大地影响我国高 空消防车行业的发展【到。 随着计算机技术的发展，其与工程领域的结合更加密切，各种类型的c a d 、 c a e 、c a m 软件逐渐被应用到机械设计、分析和制造等各个领域。软件的应用 可以把设计人员从复杂的理论计算中解放出来，可以把更多精力用在改进方案的 分析与比较中来，从而快速地形成最终的最优设计方案。目前，在进行高空消防 车臂架系统开发工作时，采用上述专业软件辅助设计和分析逐渐普及起来。但是， 现在研究工作还停留在对各类型软件的单独应用上，没有实现分析软件的有机结 合，结构动力学、静力学以及多体动力学和结构优化分析的结果相互孤立，没有 实现各种结果的传递和共享( 例如只注重运用a d a m s 对臂架系统进行动力学仿 真，得出臂架的运动状况和受力状况，只注重运用a n s y s 对臂架整体进行应力 和应变分析，得出臂架整体的应力分布状况，而没有把两者结合起来进行考虑) ， 这样不仅造成了信息的浪费和工作的重复，而且还影响了分析结果的准确性。目 前，应用于臂架结构分析的技术主要有以下几种： ( 1 ) 臂架结构的结构动力学分析技术 结构动力学分析技术主要包括模态分析、瞬态分析、谐响应分析等，其中模 态分析和瞬态分析广泛应用于高空消防车臂架结构设计和分析工作中1 5 j 。目前模 态分析主要用于求取臂架结构的模态参数固有频率和振型，从而在臂架的设计 过程中就可以有效地避开臂架系统的有害振型保证其在工作时不会发生共振，瞬 4 武汉理工大学硕士学位论文 态动力学分析在模态分析的基础上确定臂架结构承受任意的随时间变化载荷的 动力学响应，找出影响高空消防车作业质量和臂架结构疲劳寿命的关键因素，为 改善臂架结构的振动性能提供依据。 ( 2 ) 臂架结构的结构线性静力学分析技术 臂架结构的静力学分析是用来计算其结构在固定不变载荷作用下的响应，通 过静力学分析可以帮助设计人员校核臂架结构强度和刚度是否满足要求，并通过 查看分析得出的应力云图和位移云图对臂架结构的薄弱环节进行改进，以使臂架 结构受力更加均匀，结构更加合理。 ( 3 ) 臂架结构的多体动力学分析技术 臂架结构的多体动力学分析是为了得到臂架系统各组成构件之间铰点的作 用力变化规律，为臂架系统连接件的应力应变、疲劳寿命的评估分析以及关键结 构件的最优化设计提供载荷输入条件1 6 j 。 ( 4 ) 联合仿真技术 联合仿真方法是为了把c a d 软件，有限元分析软件和动力学仿真软件有机 地结合起来，充分发挥专业软件在各自领域的优点，为解决实际工程分析提供一 个理想平台，使分析结果更可信、分析效率更高。 尽管国内外许多专家学者对臂架的结构动力学分析技术、结构线性静力学分 析技术、多体动力学分析技术等方面进行了全面的研究，并成功用于不少专用车 臂架设计和分析校核的工程实践，但还存在以下几个问题： 1 联合仿真技术虽已比较成熟，但却未见其用于臂架结构的分析校核，现 在研究工作还停留在对各类型软件的单独应用上，没有实现分析软件的有机结 合，结构动力学、静力学以及多体动力学和结构优化分析的结果相互孤立，没有 实现各种结果的传递和共享。 2 对臂架的动力学分析还只是基于刚体多体模型，仿真过程中并没有考虑 结构变形对运动副受力的影响，这对于臂架这种刚度比较小的结构来说会产生比 较大的误差。 3 在对臂架进行静力学分析时，一般是对整个臂架系统整体进行计算，为 了模拟臂架之间的连接关系通常通过定义非线性接触进行处理，这样不仅会导致 计算量倍增，如果接触关系定义不恰当，还会导致计算结果不准确。 1 3 本文研究的目的和意义 随着经济发展和社会进步，我国建筑物的平均高度日益增加，从公安部每年 发布的全年火灾形势报告中可以得知，由高层建筑物火灾所带来财产损失和人员 伤亡数量占全年全部火灾损失和人员伤亡数量的比重也逐年递增。高空消防车作 5 武汉理工大学硕士学位论文 为用来扑救高层建筑、高大设施火灾以及营救被困人员，抢救贵重物资的主要消 防工具，其在消防工作中所起的作用越来越显著。我国的高空消防车市场需求量 很大，特别是大型高空消防车设计生产速度远跟不上建筑物高度的增加速度，远 远不能满足救援需求，因此高空消防车在我国有广阔的发展前景。臂架是高空消 防车的主要功能部件，也是整个高空消防车功用价值的体现，臂架设计技术水平 的高低直接影响着高空消防车的发展和创新。利用有限元软件和多体动力学软件 对臂架的强度和刚度以及动力特性进行分析，可以计算出高空消防车在高空作 业、消防灭火、或救援状态下，臂架抵抗变形、折断的能力以及自身的振动规律， 可为整车臂架的设计和生产提供数据支持【2 j 。 本文以臂架结构为研究对象，利用联合仿真方法把c a d 软件，有限元分析 软件和动力学仿真软件有机地结合起来，即先用专业的c a d 软件精确建立复杂 机械系统各零部件的三维模型，并组装成装配体模型，然后利用软件之间的接口 将模型导入专业的动力学仿真软件，添加复杂的力和约束，最终形成系统的虚拟 样机，并在样机上对系统进行力学仿真研究，得到零部件的载荷数据，导入有限 元软件中，对零部件进行静力分析n 把不同专业软件结合起来，充分发挥专业 软件在各自领域的优点，为解决实际工程分析提供一个理想平台，使分析结果更 可信、分析效率更高，对提高我国高空消防车设计水平具有巨大的理论意义和现 实意义。 1 4 本文的研究内容 ( 1 ) 臂架结构设计及联合仿真平台的搭建 通过市场调研，并结合国家标准确定高空消防车臂架结构形式、截面形式、 最大工作高度以及各节臂的长度；根据高空消防车臂架的结构特点和设计要求， 选用系统的、完善的联合仿真方法：分析比较现有的c a d 和c a e 软件的各自特 点，选取设计和分析功能强大、接口友好的软件，并依据上述联合仿真方法搭建 分析平台；在此平台上依据臂架结构设计的结果建立其三维模型。 ( 2 ) 臂架结构的模态分析 依据机械结构自由振动理论，研究建立各节臂架模态分析模型的方法和模态 提取方法：根据分析得到的幅度和频率曲线，研究臂架结构固有频率随臂架振动 幅度变化的关系，提出避免臂架共振的方法和措施；根据模态分析的结果，研究 柔性体的提取方法，为后续刚柔耦合动力学分析提供基础。 ( 3 ) 臂架结构的瞬态分析 研究臂架动载荷的产生原因，建立动载荷的数学公式；在模态分析的基础上 进行瞬态分析，研究臂架结构随外部载荷变化的响应关系，分析外部冲击载荷对 6 武汉理工大学硕士学位论文 臂架和整车产生的影响，在此基础上提出减小臂架振动的措施。 ( 4 ) 臂架结构的刚柔混合动力学分析 依据多柔体系统动力学理论和臂架的结构特点，研究臂架结构的刚柔混合模 型的建立方法；通过仿真模拟臂架在工作范围内的运动情况，分析臂架连接副所 受力和力矩随时间的变化关系，确定整车的最危险工况，并为后续臂架结构的静 力学分析提供依据。 ( 5 ) 臂架结构的线性静力学分析 以上述刚柔耦合动力学分析结果作为边界条件，分别建立各节臂架的有限元 模型；通过仿真计算，得出各节臂架的应力和应变云图，以校核臂架是否满足强 度和刚度要求；研究和分析臂架结构与应力分布的关系，提出结构改进意见。 ( 6 ) 高空消防车控制系统通信方法的实现 研究高空消防车控制系统的组成，划主从节点，为各节点分配通信对象m 和节点i d ，确定各节点的通信参数和映射参数并编写对象字典和主控制模块通 讯部分的软件流程。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章高空消防车的臂架结构 2 1 高空消防车臂架形式的确定 通过市场调研发现最大作业高度为1 5 3 5 米的高空消防车的市场需求量最 大。同时，3 0 2 0 0 万人口城市在全国城市中数量最多，可以以此作为目标市场。 调研数据显示，3 0 - 2 0 0 万人口城市现有楼层平均高度为2 4 m ，因此，本项目可 依此高度并结合国家标准g b 他4 6 5 2 0 0 8 中列出的高度系列确定目标对象的最 大作业高度为2 5 m 。 在调研徐工c d z 系列消防车资料的基础上，得到c d z 系列消防车不同最大 作业高度下的臂架形式如表2 1 所示。 表2 - 1c d z 系列高空消防车臂架形式 型号臂架形式最大作业高度( m )最大作业幅度( m ) c d z 2 22 节伸缩+ 1 节曲臂2 21 4 c d z 2 73 节折叠臂2 71 5 c d z 3 03 节折叠臂3 01 6 c d z 3 23 节伸缩臂+ 1 节曲臂3 21 7 c d z 4 05 节组合式臂4 01 8 c d z 5 05 节伸缩臂+ 1 节曲臂5 01 9 c d z 5 35 节伸缩+ 1 节曲臂5 31 7 经分析比较，当工作高度小于3 0 米时，消防车臂架形式以折叠臂式结构为 主：大于3 0 米小于4 0 米时，大多采用伸缩臂式结构；大于加米时，采用混合 臂式结构，其中伸缩为主，折叠为辅。考虑到折叠臂式高空消防车具有作业平台 灵活，可对一定深度的低洼地带的受困者进行救助，并可跨越一定障碍物等优点， 故本项目确定臂架采用折叠臂式结构。 徐工c d z 系列高空消防车和高空作业车产品常用的折叠臂式举升机构如图 2 1 所示，由三个动臂组成，即下臂3 、中臂4 和上臂7 ，下臂的下端铰接在回转 台上，由下臂液压缸驱动；中臂的下端与下臂的上端铰接，由中臂液压缸5 和四 杆机构驱动；上臂的一端与中臂的上端铰接，由上臂的液压缸6 驱动；作业平台 与上臂的另一端铰接。 8 武汉理工大学硕士学位论文 9 1 回转台2 下臂液压缸3 下臂4 中臂5 中臂液压缸6 上臂液压缸7 上 臂8 作业平台9 作业平台调平机构 图2 - 1 折叠臂式举升机构简图 2 2 高空消防车臂架运动范围的选取 臂架之间的夹角既要足够大，以确保在满足额定工作高度的前提下，尽量缩 短各节臂架的长度尺寸，进而减小整车的长度尺寸，使其获得良好的通过性能； 同时，为了防止夹角过大，液压缸出现反拉现象，液压缸夹角又不能过大。 图2 2 下臂液压缸出现反拉的极限位置图2 3 上臂液压缸出现反拉的极限位置 为防止出现反拉现象，在各臂极限位置都留有一定的余量，故该举升机构在 变幅平面内的运动范围为： 下臂相对于水平面00 。8 6 。 中臂相对于下臂：0 1 6 6 。 上臂相对于中臂：o o 一9 0 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 4 各节臂架在变幅平面内的运动范围 2 3 高空消防车臂架截面型式 臂架为高空消防车的主要受力构件，受弯扭联合作用。为获得较大的强度和 刚度，一般采用薄壁箱形结构。为减少焊接变形，臂架一般由两块冲压成形的槽 形板对焊而成，槽形板折边采用大圆角型式，以增强板件的抗局部失稳能力。 虽然矩形截面不像其它多边形截面那样能充分发挥材料的承载能力，但是与 其他截面形式相比，矩形截面的制造工艺简单，具有较好的抗弯能力与抗扭刚度 【8 1 。结合企业现有生产能力和生产成本，本项目选择空心矩形截面，其结构形式 如图2 5 所示。 图2 - 5 臂架截面型式 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 高空消防车臂架主要结构尺寸设计 2 4 1 安全系数 在对高空消防车进行强度计算，其理论依据是材料力学的四大强度理论。简 而言之，为了保证臂架结构的安全性，设计者必须找出零部件或构件危险截面以 及其上的危险点，在设计时保证该点的计算应力小于许用应力。材料极限应力与 许用应力之比，就是安全系数。 对于塑性材料( 钢、铝合金) 仃“仃卜q n ( 2 1 ) 对于脆性材料( 铸铁、青铜) 仃“仃 - 吼n ( 2 - 2 ) 式中：仃不考虑应力集中的计算应力： l 仃i 一许用应力； 以材料的屈服点； 巩材料的强度极限； n 安全系数，按起重机设计手册表1 - 4 1 1 ，选取n = 1 3 3 。 、 2 4 2 臂架长度尺寸 臂架长度尺寸需根据整车额定工作高度和各节臂架最大仰角共同确定，并要二 符合g b 7 9 5 6 1 9 9 8 消防车消防性能要求和试验方法表l 对整车总长的规定， 即对额定工作高度为2 5 m 的平台类消防车总长不得大于1 3 5 m 9 1 。 设下臂长度为l ，在初步计算中暂设中臂长度为l + 1 ( 在计算过程中需要反 复调整，才能找到合适的值) ，上臂长度根据经验数据初定为3 m 。已知各臂在完 全展开的情况下，下臂仰角为8 6 。( 与水平方向夹角) ，中臂仰角为8 0 。( 与水平 方向夹角) ，上臂与中臂夹角为1 8 0 ，且转台与下臂铰接点距离地面一般为3 m 左右，则可得： 厶x s i n 8 6 。+ ( 厶+ 1 ) x s i n 8 0 。+ 3 s i n 8 0 。一( 2 5 3 ) m - 2 2 m 解得：l 1 - 9 2 m 。具体尺寸如图2 6 所示。整车长度为1 2 m ，在规定的范围 内，满足要求。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 3 臂架截面尺寸 图2 - 6 臂架长度尺寸示意图 对主要承受弯矩的臂架，臂架截面尺寸初步估算公式为： m w s 【o r 】- 仉n ( 2 3 ) 将已知条件代入，可得： w - 【b h 3 一( 曰一2 6 ) ( h 一2 6 ) 3 6 h n m q ( 2 - 4 ) 式中：w 臂架截面抗弯截面模量； b 臂架截面宽度； h 臂架截面高度； 6 臂架截面厚度，6 通常取5 - 8 m m ； m 一臂架最大合成弯矩，其值为工作平台载荷力矩和自身重力矩 之和。 其中，臂架的高宽比h b 不宜太大， 理的抗扭截面，一般推荐h b = 1 2 5 1 5 。 将h = i 5 b ，6 = 5 m m ，吼= 3 4 5 m p a ， b = 1 9 0 m m 。 因为臂架除受弯外还受扭，为获得合 n = 1 3 3 代入上式可得b = 1 9 1 1 m m 取 在对臂架结构进行初步设计计算后，只能得到粗略的截面尺寸和长度尺寸， 而臂架截面尺寸和长度尺寸选择正确与否，不仅会影响臂架强度、刚度以及局部 稳定性，而且还直接决定了臂架自重。臂架结构的刚度及强度的合理选择对于车 辆承载能力有着至关重要的影响，而臂架的自重对车辆作业的稳定性有着决定性 影响。因此，如何在满足车辆作业平稳性的前提下优化臂架结构参数，减轻自重 是高空消防车设计的前提和基础工作，也是整个设计工作的关键和核心技术。 2 5 下臂变幅三铰点位置确定 高空消防车的三铰点是指下臂与转台相连接的铰点、下臂与变幅液压缸相连 武汉理工大学硕士学位论文 接的铰点、变幅液压缸与转台相连接的铰点( 分别如图2 7 中d 点、a 点和b 点 所示) 【1 们。变幅机构参数不仅是臂架结构设计的切入点，而且其合理与否对整车 设计有较大影响。为保证操作平稳可靠，改善用户使用体验，必须对变幅机构的 三铰点位置布置进行优化处理。 ( 1 ) 问题简化 o e 7 2、 _r ， 裂口矽 b 凰转中心线 图2 7 高空消防车下臂变幅机构原理图 设r 为下臂o a 长度，d 为转台o b 长度，l 为下臂铰链点b 到油缸活塞杆 铰链点a 的距离，f 为下臂o a 的转动角度，丫是机构运动的传动角，图中实线 和实线分别表示下臂变幅油缸处于完全收缩和完全伸出状态。设转台d 为单位长 度，m = r d 、万- l d 、a - 厶l ：为油缸伸长系数。 下臂摆角为： 传动角为： 唬驴+ 弼蝴s 兽掣 ( 2 - 5 ) z m ，一s i 芸i ( 2 6 ) 在实际的设计过程中，设计者通常根据经验以及同类产品的对比，选取一系 列m 值，由式( 2 - 5 ) 和( 2 6 ) 可求得在液压缸任意行程时下臂仰角( 小于9 0 。) 和传动角大小，即n f 1 和n 吖的变化关系，如图2 8 和图2 - 9 所示。其中d ( n ) ， f ( n ) ，h ( n ) ，o ( n ) ，p ( n ) ，q ( n ) ，“n ) ，t ( n ) ，u ( n ) 分别为m = 0 2 5 ，0 5 ，o 7 5 ，1 ，1 2 5 ， 1 5 ，1 7 5 时的fl ( n ) ，丫( n ) 曲线。 武汉理工大学硕士学位论文 皿 辎 蠢 a 液压缸相对位移 图2 - 8 液压缸相对位移与下臂摆角变化关系曲线 腰 霪 n 液压缸相对位移 图2 - 9 液压缸相对位移与机构传动角变化关系曲线 在高空消防车中，液压缸机构是推动臂架运动的执行机构。因此，不仅要求 下臂在转动范围内满足v = i v l ，而且要求机构的传动角尽可能大或变化合理。将 式( 2 6 ) 对n 求导，d r _ - - o ，则当以一万一| 1 一朋2 i 时，机构有最大传动角， t i n 。 即： r - - 一9 0 ( m 1 时) ( 2 - 7 ) 一丹 ( m 乏1 时) ( 2 8 ) 通过图2 - 9 可以验证上述结论的正确性。在图2 1 0 和图2 - 1 1 中以虚线表示 1 4 一3一一一一 d f h 。一p qrt一 一|一|一一一 d f h 。一， qrtt一 武汉理工大学硕士学位论文 的机构位置即表示了上述两种情况。m 取一系列值就能够得到变幅机构最大传动 角的变化曲线，如图2 1 2 所示。 o 图2 1 0 液压缸传动机构设计图( m 1 )图2 1 1 液压缸传动机构设计图( m = 1 ) 图2 1 2 最大传动角变化曲线图 根据机构在运动过程中传动角的变化，可分为两种情况。 第一种情况：机构在运动的始末位置有大致相同的传动角，而在中间位置取 得极大值。 取以一“+ 以2 ) 2 ，即( ，l l + n 2 ) 2 一、| 1 一所2 i 得： ，1 1 一( 2 f ：可) ( 1 + a ) ，以：一2 x a f ：可( 1 + a ) ( 2 9 ) 第二种情况：机构在运动的始末位置有相同的传动角，而在其间某位置取得 极大值。+ 图2 1 0 为m 1 的情况。按照几何关系有： ，l lx n 2 - 1 - m 2 ，x n 2 - 机，则： n l 一( 1 一脚2 ) x ( 2 - 1 0 ) 武汉理工大学硕士学位论文 册一1 ( ( a + 1 ) ( a 一1 ) ) 2 x ( s i n # 2 ) 2 + ( c o s 2 ) 2 ( 2 - 1 1 ) n 一，2 9 0 。一嘎2 2 ( 2 1 2 ) 图2 1 1 为胁1 的情况。由于v t - - 3 2 ，因此，a l 、a 2 、o 、b 处于同一圆周上。 由a o b a l 和a o b a 2 可得到： ，1 1 2 + 册2 2 x n lx m x c o s y l - 1 n 2 2 + 朋2 2 x n 2 x m x c o s y 25 1 简化后可得到： 历、 4 x a x ( c o s # 2 ) 2 一( a + 1 ) 2 4 x a 一( j j l + 1 ) 2 1 ( 2 - 1 3 ) 一( 坍2 1 ) a ( 2 1 4 ) c o s y l 一( a + 1 ) ( ，行3 1 ) x 2 x m ( 2 1 5 ) c o s ( 究2 2 ) - r o s i n n ( 2 1 6 ) 当九、f 为己知时，可得到m 、n 值，从而确定三角形形状。图2 1 0 和图2 1 l 所示两种形式的机构，当液压