（机械工程专业论文）高空救援消防车的设计研究.pdf

湖南大学 硕士学位论文 高空救援消防车的设计研究 姓名 郭方云 申请学位级别 硕士 专业 机械工程 指导教师 叶南海 刘权 20050808 i 摘 要 本文阐述了将一种高空救援消防车 云梯车作为一新兴消防车制造企业 首选产品的理由 并对新兴消防车制造企业的产品方向进行了探讨 通过对国内 现有消防车制造企业的分析和国家宏观政策的研究 结合在消防部队的实地调查 和对国外现有消防车制造企业及其产品的研究 明确了作为一个新兴的消防车制 造企业 应该把云梯车 重型水罐车 抢险救援车 机场消防车和轻 微型消防 车作为其产品的发展方向 并从云梯车入手 做出自己的高端消防车产品 利于 尽早形成市场竞争力 在上述市场调研的基础上 展开了云梯消防车的总体设计 并着重对整车的 稳定性 梯架部分的惯性动载荷 梯架全伸状态的强度和刚度等设计难点进行了 研究 运用 c 语言自行编制了稳定性计算程序 并对程序的执行进行了校验 进 一步的验证有待样机试制后进行 为了对主要结构件 梯架进行较为精确的强 度和刚度分析 在稳定性分析的基础上确定了工作斗在最大幅度 20 米 作业 时为梯架受力最恶劣工况 为使梯架计算载荷更接近实际 本人运用三维结构建 模软件 ug进行了模仿整车工作状态的简易建模 再在多体动力学仿真软件 adams 中对整车的工作状况进行了动力学仿真分析 得出了梯架工作过程中的最大惯性 载荷 根据整车的额定工作载荷 对梯架部分的计算载荷和约束条件进行了分析 和设计 在 i deas 软件中对梯架部分进行了强度和刚度的有限元分析 结果表明 梯架部分的强度和刚度合理 整车的稳定性能达到欧洲同类产品 先进水平 产品试制后可被进一步验证 在全面达到该产品设计指标的前提下 该产品将会具有很好的市场竞争力和广阔的发展前景 关键词 高空救援消防车 云梯消防车 设计 研究 ii abstract the article describes the reason why aerial fire truck is the first choice for a newly established pumpers manufacturing enterprise and discusses the product orientation of pumpers manufacturing enterprises based on the analysis of domestic existent pumpers manufacturing enterprises and research on national macro policies combined with field investigation on fire brigade and investigation on foreign existent pumpers manufacturing enterprises and their products it has been made clear that as a newly established pumpers manufacturing enterprise the product orientation should be focused on aerial fire trucks heavy duty water tenders rescue trucks airdrome pumpers light duty or mini pumpers and starting with aerial fire trucks you will make your own high end pumpers products as soon as possible to be competitive in the market based on above mentioned market research the total design of aerial fire truck is done and make an emphases research on the stability dynamic load of ladder structure the intensity and rigidity while ladder structure full extended here use the computer language c to compute the stability and further validation will be taken after the sample machine made out in order to get accurate data of intensity and rigidity of the main structure part ladder structure here regard the maximal working range 20 meters as the most foul working condition based on stability analysis in order to make computed load data close to real condition here use the software ug to imitate the truck working condition and use the software adams to take dynamics emulator analysis so got the maximal inertia load while the ladder structure is working according to rated working load i analysed and designed the computed load and restrict condition of the ladder part also take the software i deas s finite element program to analyse the rigidity and intensity of the ladder structure it concluded that the ladder structure s rigidity and intensity is logical the stability of whole aerial fire truck reach the level of european congeneric products ater the sample truck is done especially the performance reach the designed target this product will be competitive in marker and get a wider future key words high rise aerial rescue firefighting vehicles aerial ladder fire truck design research iii 插图索引 图 1 1 本文工作结构流程图 8 图2 1 magirus37米直臂云梯车 9 图 2 2 bronto42 米曲臂登高平台车 9 图 2 3 magirus30 米城市八爪鱼 10 图 2 4 magirus32 米直折臂云梯车 10 图2 5 morita32米直臂云梯车 10 图 2 6 metz32 米直臂云梯车 10 图2 7 riffaud32米直臂云梯车 11 图 2 8 morita 直曲臂云梯车 11 图 2 9 darley109 英尺无斗直臂云梯车 11 图 2 10 darley104 英尺带斗直臂云梯车 11 图2 11 torzhok37米直曲臂云梯车照片 12 图2 12 37米直曲臂云梯车总布置图 16 图2 13 液压原理图 18 图 2 14 稳定性监控流程图 19 图 2 15 梯架总成正侧图 20 图 2 16 斗打开进入工作状态正前视图 20 图 2 17 斗工作状态图 20 图 2 18 梯架总成全伸状态图 20 图 2 19 梯架总成行使状态图 20 图 2 20 梯架总成工作状态图 20 图 3 1 消防车整体结构示意图 23 图 3 2 行驶位置变幅油缸位 26 图 3 3 伸缩臂质心计算简图 27 图 3 4 伸缩水管的水的质心计算简图 27 图 3 5 折臂及其附件质心计算简图 28 图 3 6 工作斗和工作载荷质心计算简图 29 图 3 7 左侧支腿最小反力符号示意图 31 图 3 8 惯性载荷示意图 34 图 3 9 右侧支腿最小反力符号示意图 35 图 3 10 后支腿最小反力符号示意图 37 图 3 11 前支腿最小反力符号示意图 38 图 3 12 支腿全伸工作曲线 41 图 3 13 支腿半伸工作曲线 41 图 3 14 右支腿半伸 左支腿全伸工作曲线 41 图 3 15 四个工作区域对应的回转限位示意图 42 图 3 16 回转限位角 1示意图 43 图 3 17 回转限位角 2示意图 45 图 3 18 回转限位角 3示意图 47 图 3 19 回转限位 4示意图 48 iv 图 3 20 稳定性计算程序框图 50 图 4 1 云梯消防车下车简化模型 51 图 4 2 转台简化模型 51 图 4 3 梯架基本臂及伸缩臂 52 图 4 4 工作斗 52 图 4 5 云梯消防车工作状态简化模型图 52 图 4 6 云梯消防车动力学仿真分析模型图 53 图 4 7 云梯消防车仿真模型参数设置 54 图 4 8 仿真模型的验证信息 55 图 4 9 工作斗位移 速度 加速度的变化曲线 55 图 4 10 伸缩臂位移 速度 加速度 角速度 角加速度的变化关系曲线 56 图 4 11 转台位移 速度 加速度 角速度 角加速度的变化关系曲线 56 图 4 12 动画仿真操作界面 57 图 4 13 梯架变幅加速度曲线 57 图 5 1 梯架三维实体模型 59 图 5 2 梯架有限元计算模型 59 图 5 3 计算载荷简图 60 图 5 4 约束简图 61 图 5 5 梯架结构变形及应力分布云图 62 图 5 6 第二梯架的应力分布 62 附表索引 表 3 1 整车行驶状态满载时各部件的质量及质心位置 24 表 3 2 行驶状态前后轴载荷分配情况 24 表 3 3 回转体部分的质量和质心位置参数 25 表 3 4 风载计算表 32 表 3 5 支腿全伸状态 4480x5900 的部分计算数据 39 表 3 6 支腿半伸状态 3370x5900 的部分计算数据 40 表 3 7 右支腿半伸 左支腿全伸状态 3925x5900 的部分计算数据 40 表 5 1 部分单元节点的应力值 63 湖湖 南南 大大 学学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文 被查阅和借阅 本人授权湖南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 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文 本学位论文属于 1 保密 在 年解密后适用本授权书 2 不保密 请在以上相应方框内打 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 1 第 1 章 高空救援消防车的开发来由与车型确定 笔者在一新兴的消防车公司负责技术工作 首要任务是确定好产品方向 根 据一年多的市场调查 结合公安部消防局负责人在 2004 年 6 月份在上海召开的消 防车强制性认证实施规则 1 宣贯会上的讲话 2 精神 今后 5 至 10 年 将是中国消 防装备建设快速发展的黄金时期 无论是常规消防车还是特种消防车 中国都将 是最具活力和潜力的市场 一是按照公安部 国家发展和改革委员会 建设部修 订的 城市消防站建设标准 3 要求 到 2008 年 每个消防站的消防车配置将由 目前的 3 2 辆增加到 5 辆 消防站将新增 500 个 全国消防车总量因此将增加近 8000 辆 二是在未来的 5 年 国内各种灭火车 专勤车 登高车的配置比例将更 加合理 品种将更加齐全 灭火救援性能将进一步提高 三是现代火灾发展趋势 以及公安消防部队承担任务的特点 决定了消防车的配备将呈现一个新的发展趋 势 本章将对国内市场现有的消防车生产企业现状和未来的市场需求进行简单的 分析 阐述选择从云梯消防车入手进行高空救援消防车开发的理由及后续消防车 辆产品开发的方向性设想与市场分析 1 1 我国消防车制造企业分布现状 目前全国消防车辆生产厂家主要集中分布在东北地区和华东地区这两个区 域 前者主要集中了常规消防车辆的生产厂家 而华东地区则主要集中了举高消 防车辆的生产厂家 主要原因就在于这两个地区的经济较为发达 机械加工制造 能力较强 目前全国消防车辆厂家具有代表性的厂家主要有以下几家 1 上海格拉曼国际消防装备有限公司 该公司是公安部和华夏消防 集团 公司所属的中外合资企业 公司中资方 具有八十年生产消防器材的历史 外资方格拉曼国际中西联合技术有限公司由美 国格拉曼国际公司 英国哥达瓦消防泵公司 芬兰勃朗特高空提升器材有限公司 荷兰克南巴柯公司四家公司组成 该公司成立于1989年4月 消防车类主要产品 系列水罐车 系列泡沫车 泵浦车 抢险救援车 举高车 指挥车 化学救援车 消防泵主要产品有 系列高低压车用泵 多压车用泵 风冷手抬泵 该公司的大 型喷 烘漆房和电泳涂漆生产线是目前国内消防行业中唯一拥有的大型设备 从 而保证了消防车的防腐蚀性能和外观质量 还设有国内消防行业中唯一的一所测 试中心 为消防车泵的性能测试和新产品的研制提供科学的测试手段和精确的测 试数据 该公司生产的消防车是国内各消防车辆厂家中质量较好的厂家 自行研 高空救援消防车的设计研究 2 制的消防泵也是国内同行业中质量较好的 2 徐工集团徐州重型机械厂 始建于1943年 现有各类专业技术人员600余人 其中精尖大型设备60台 套 消防车主要产品有 22 53米登高平台消防车 22 32米举高喷射消防车 5 18吨水 罐消防车 形成了年产100余台消防车辆的生产能力 1990年晋升为工程机械行业 中唯一的国家一级企业 1995年行业内首家通过is9001系量认证体系 1999年国 内首批通过计量检测体系认证 该厂生产的举高消防车辆占消防车市场60 国 产化程度较高 技术较为先进 质量可靠 3 安徽蚌埠消防设备厂 现有工程技术人员400多人 具有年产360辆消防车的生产能力 1991年该厂 就研制生产出中低泵消防车 中低压消防泵 使得该厂在国内消防车行业中成为 第一家成功掌握中低压泵技术的厂家 并且质量较为可靠 4 四川消防机械总厂 创建于1963年 已有近四十年消防产品生产历史 现有各类专业技术人员300 余人 消防车类主要产品有 各型解放 东风 红岩 斯太尔 弱方奔驰底盘改 装的中 重型车 品种有水罐 泡沫 干粉 干粉联用等 有效载荷从3 5 17吨 并均具有行进中灭火的双动功能 还有依维柯底盘系列改装的化学事故救援车 后勤支援消防车 指挥车 照明车等 该厂生产历史较为悠久 已成为西南地区 最大的消防产品生产基地 与德国施密茨公司合作引进技术开发生产抢险救援 防化洗消 照明工具系列车 并且独家引进了 一七泡沫灭火水系统 生产出我 国第一辆 一七泡沫 车 具有安全方便 高效环保的特点 5 陕西宝鸡消防器材总厂 该厂于1959年建厂 已有40多年生产消防器材的经验 企业以生产重 中型 消防车为主 生产以瑞典volvo底盘 韩国现代底盘 斯太尔1491 1294底盘 东风153 142 144底盘 解放16平柴底盘改装的系列消防车 消防车类别有水罐 泡沫 干粉 co2干粉一泡沫联用 抢险救援车等47种车型 该厂引进奥地利卢 森宝亚公司的高低泵 高压喷雾水枪 卷车 电动遥控炮等技术已实现国产化 是西北地区唯一的消防车生产基地 6 苏州捷达消防车辆装备有限公司 该公司现有高级 中级工程技术人员60余名 主要产品有泵浦 泡沫 水罐 干粉 干粉联用 干粉二氧化碳联用 抢险救援 化学救援 多功能模块化后援 通讯指挥 多功能照明消防车 共有十二大系列 三十多个品种的消防车 该公 司系新兴的民营企业 消防车外观及局部设计较为新颖美观 贴近灭火实战需要 实用性强 7 安徽明光消防器材厂 3 该厂现有中 高级职称的技术人员26名 主要产品以东风 解放 斯太尔 五十铃底盘为基础 以高 中 低压泵为中心的轻 中 重型系水罐 泡沫 车 抢险救援照明车 通讯指挥车 无人驾驶车等数十个品种 该厂系新兴的民营企 业 自行研制的无人驾驶技术获国家专利 并且利用无人驾驶技术开发了消防侦 察机器人 8 湖北省消防器材厂 建厂于1976年 经过二十多年来的发展 现已形成年产各类消防车300余辆的 规模 该厂主要产品有 分别采用东风eq140底盘改装的载液3 5吨的消防水炮 车 泡沫炮车和水罐梯车 采用东风eq144底盘和eq153底盘改装的载液量6 5吨 的水炮车 泡沫炮车和供水车 采用北京切诺基改装的消防指挥车和消防探测车 采用南京依维柯改装的火场照明车 采用江西五十铃底盘改装和工具车等13个品 种 1 2 消防车市场需求与发展机遇 消防事业是经济和社会发展尤其是城市建设的有机组成部分 必须坚持两者 之间的协调和可持续发展 必须以科学发展观为指导 坚持立足基本国情 从实 际出发 按照客观规律办事 走求真务实 理性化 低耗高效的消防装备发展之 路 4 一是消防装备建设要与当地灭火救援的客观要求相适应 二是消防装备建 设要与城市化进程相协调 三是要着眼于节约资源 保护环境 人与自然的和谐 发展资源节约型 生态保护型 人性化的消防技术和装备 通过对全国具有典型 特点的一些地区 如北京 上海 广东 重庆 湖南 江苏等地 消防部门的采 购意向以及当地财政状况的摸底调查 购买量最大的为水罐 泡沫 举高和抢险 救援四大类车型 1 3 首批试制车型选择及市场分析 根据国内消防车市场需求现状 并结合企业在技术研发 制造加工方面的优 势 我们选择了如下两类车型作为首批设计生产车型 1 云梯消防车 1 云梯消防车 总体上来看专业化 特种消防车的数量愈来愈多 但从在用车辆的实际情况 看 目前国内消防车在数量和质量上还存在很大的欠缺 尤其是车型结构不合理 特种消防车比例过低 水罐车占总量的69 2 而特种消防车 除水罐 干粉 泡 沫以外的车辆 仅占10 虽然今后专业化的特种消防车将成为需求的重点 但 受经济发展水平和增长速度的限制 预计在未来的两到三年左右 国内消防车市 场还将以水罐车为绝对的主力 举高类消防车市场不会出现 井喷 式发展 产 品的销售结构不会有非常大的变化 但从长远来看 根据欧洲消防站的建设标准 和灭火理论 每一个消防站都必须配备一台以上的举高车 5 云梯或举高平台皆 可 但实际上以云梯为主 而且每次出勤作战 无论火灾现场是不是高层建筑 高空救援消防车的设计研究 4 举高车都要出动参与疏散和灭火 国内的很多领域行业的国家标准 包括消防标 准 都是以欧美为参照制订的 但受经济实力的制约 不得不做一些 缩水 处 理 比如在普通消防站的举高车配置问题上 欧美都将其列为 标配 而我国 只能列为 选配 只有在特勤消防站才要求必须配备 但这些问题都会随着经 济水平的发展得到解决 通过对公安部消防局已登记在册的举高车的统计分析 越是经济发达地区特种消防车所占的比例和绝对数量越大 以北京 上海 广东 为例 尤其是广东 一个广东省仅仅是消防部队配备的举高消防车就达五十余辆 而且大多以进口为主 这还不包括民间 如石油化工企业 机场等 购买的消防 车 与之相对的是湖南省消防部队和民间配置的举高消防车总共才10台左右 而 且多是十年前采购的 无论是车况还是科技含量都已是非常落后了 由此可见 举高消防车因为价格昂贵的缘故 受地方经济实力和发展水平的影响十分明显 另一个方面消防理论的发展也能带动举高车市场的增长 近年来 各地高层建筑 火灾增多和群死群伤的火灾事故屡有发生 这就使得我国的消防理论不断在进步 消防观念也发生了巨大的改变 过去只重视灭火不重视救援和疏散 灭火也缺乏 科学有效的理论 现在的情况是灭火同时更注重对人员的救援和疏散 政府的态 度更是 钱 可以烧掉 但人不能伤亡 于此同时灭火理论也一直在向欧美学习 正是这种进步和人本主义深入人心 才有了这几年举高车 高喷车市场的快速发 展 以沈阳为例 虽然经济发展水平并不算很高 但沈阳市所有的消防站都配备 了举高车 因为沈阳市消防支队和政府在消防理论和观念上抱的就是这种指导思 想 愿意在这方面投入大量的资金 来保障人民的生命财产安全 当然有一点也 非常重要 那就是全国唯一一家生产云梯消防车的厂家 沈阳消防车厂就在当 地 综上所述 云梯消防车将是今后国家对特种消防车采购的一个重点 也将是 国内竞争日益激烈的消防车市场一个新的利润增长点 2 重型大功率水罐车 2 重型大功率水罐车 由于受国内经济实力的制约 所以购买价格相对低廉的水罐消防车成了各地 政府和消防部门当前最具可行性的一种选择 既能满足消防灭火的基本要求 也 能节省当地的财政开支 当前这一领域的竞争也是非常激烈的 国内几乎所有生 产消防车的厂家都在生产此类车型 而且绝大多数还是其主打产品 面对如此激 烈的市场竞争 通过对消防部队所装备的重型大功率水罐车进行实地勘察 对市 场需求和竞争对手的情况进行了摸底调查 以及综合了消防部队领导和基层官兵 给出的建议 我们认为进入这块市场的是必然的也是必须的 一方面国内生产的 重型水罐消防车虽然品种繁多 产品线也比较成熟全面 但总体制造和工艺水平 不高 可靠性也较差 和进口车比起来仍然有不小的差距 但国产车也有他的优 势 首先是价格 进口的重型大功率水罐消防车车动辄几百万 国产的如采用北 方奔驰底盘的高端车型也才100来万 低端的更是只要40多万 价格优势十分明显 5 其次是某些人性化操作上更附合消防官兵的操作习惯和实际情况 另一方面目前 国内消防车市场的采购仍然是以水罐车为主 轻易的放弃这一块市场份额 无论 从经济效益还是市场效应来说都是一种巨大的损失 而且重型水罐车与云梯车相 比 技术难度要低得多 完全可以做到短期内迅速自行研发试制 形成产品打入 市场 在短期内即可创造出效益来 最后就是利润空间 虽然进口的重型大功率 水罐车和国产车在价格上有着巨大的差价 但无论是在工艺上还是技术上 进口 车明显比国产的要领先不少 而且通过初步的实地勘察 我们认为完全有可能达 到进口车同等的水准 而成本上却能比其低近50 左右 虽然相对其他国产厂家 的产品 价格仍然偏高 但在技术上和工艺上完全是和进口车同一档次的 与国 产车并不在同一级别上 这样一来不但有利于初期品牌形象的建立 容易给消防 官兵留下良好的印象 也能有较大的利润空间 综合以上这几点 我们认为首先 试制重型水罐消防车是必要的 也是有可操作性的 1 4 项目中期产品方向及市场分析 总的来说国内消防装备在向高精尖发展 6 但从当前情况出发 价格较低的 适应小城镇 中小企业的轻型 微型消防车 国内还完全是空白 而从目前我国 小城镇火灾情况和经济发展来看 这类装备有着非常广阔的前景 1 小城镇配备性能好价格低的轻型 微型消防车的必要性 1 小城镇配备性能好价格低的轻型 微型消防车的必要性 小城镇建设是我国当前经济发展的一个亮点 小城镇星罗棋布发展很快 与 之相应的是 小城镇火灾日益增多 在农村火灾中占很大的比例 通过对2000年 2003年的农村火灾和城市火灾的对比表进行分析 农村城镇火灾逐年增多 死 伤人数和财产损失占总体火灾损失的比例过高 特别是财产损失占一半以上 造 成这种局面的原因 除了部分乡镇防火措施不力外 与乡镇离公安消防站太远密 切相关 我国大部分县 市 仅有一个消防站 消防人员编制较少 县级大队多的35 人左右 少的20人左右 车辆配备2至4辆 少数县还没有公安消防队 根本谈不 上扑灭初起火灾 不少乡镇没有消防车 甚至连手抬泵都没有更谈不上建立专职 志愿消防队了 造成这种状况的主要原因之一是消防车 泵 的价格过高 大而 不实用 目前市场上一般国产中型消防车的价格在16万左右 价格偏高 轻型吉 普消防车性能差 用户不欢迎 个别厂家如苏州捷达消防车辆装备有限公司根据 当地用户的需求 用五十铃或其它底盘改装的轻型车 成本高销售价在20万元以 上 没有形成批量生产 国外厂商如马基路斯用依维柯底盘生产的轻型消防车 iveco magirus tsf w性能非常好但价格昂贵 现阶段乡镇不可能购置 另一方 面乡镇道路以及村民住宅区的通道还不适应中型消防车 轻型 微型消防车通顺 性肯定优于中型消防车 根据我们所了解乡镇的财力情况 富裕的乡镇花10万元 购置轻型消防车 一般的乡镇花5万元购置微型消防车是可行的 前提是质量必须 高空救援消防车的设计研究 6 可靠 原因之二是以前的轻型消防车质量不可靠 使用中经常出现故障 动力小 跑不快 排气引水不可靠上不了水 操作复杂致使消防队员心急恐慌而引起手忙 脚乱而上不了水 动力与泵浦不匹配造成流量低扬程小 因而贻误战机 不能有 效控制火灾造成了经济损失 但由于零部件加工精度要求高 重复改装成本昂贵 加之底盘差致使难以全面推广 因此 目前适用于小城镇性能好的轻型消防车很 缺乏 微型消防车是空白 2 现在已具备研究开发适用于小城镇的轻型 微型消防车的条件 2 现在已具备研究开发适用于小城镇的轻型 微型消防车的条件 首先是技术条件具备 早在八十年代初期公安部消防科研机构和个别厂家曾 经设想过开发轻型消防车 由于当时可供选用的底盘仅有北京212系列吉普车或其 他厂牌的同类车 技术上很难满足消防车的要求 近十年来我国的汽车制造业有 了很快的发展 质量也同步提高 有引进日本五十铃技术生产的江铃 庆铃系列 的轻型车 有引进意大利iveco技术南汽依维柯轻型车 国产系列有解放 东风 跃进 江淮 福田 长安等系列 微型车有长安 五菱 昌河等系列 这些车的 动力可靠 单排双排都有 价格从十几万到几万的都有 在物流业反响很好 尤 其是个私运输的业主对国产车的性能价格比反映特好 这就为开发轻型微型消防 车提供了底盘选择空间 其次是社会需求增加 市场空间拓宽 乡镇经济发展从劳务密集型转向规模 经营型 从简单加工转向高附加值深加工的方向发展 调整产业结构 农产品深 加工 大力发展规模经济 农民可支配收入不断增加 乡镇以规模建镇进行乡镇 合并 资源整合 建设格局产生了很大的变化 工业园区化 住宅公寓化 养植 大户化 镇区规模不断扩大 企业的生产功能和规模趋向于现代 诱发火灾的因 素大大增多 火灾荷载大 一旦发生火灾损失巨大 3 社会效益和经济效益及市场预测 成本分析 3 社会效益和经济效益及市场预测 成本分析 以全国经济处于中上游的江苏省为例 现有1206个建制镇 242个乡 2002 年全省乡镇工业实现营业收入12398亿元 增长22 9 利税总额851亿元 增长 24 2 利润总额453亿元 增长33 2 其中江阴市的周庄 华士 澄江三镇销售 收入突破百亿元 不难看出乡镇的经济有能力负担一辆轻型 微型消防车 只要 性能价格比适当 按每个镇或乡添置一辆消防车 如果分三年完成 每年增加500 辆 每辆在5 10万元上下 加上部分装备估算平均9万 每年可达到4500万元的采 购额 全国的乡镇和中小企业则是一个巨大的市场 消防队扑灭火灾的统计数据 表明 在消防队保护半径4 6平方公里范围内的70 初起火灾可得到消防队的有 效控制 随着消防队职能不断扩大 如抢险救援 紧急救护 处置突发性事件等 价廉物美的轻型微型消防车 乡镇一级单位买得到 养得起 用得上 效果好 一旦投入大批量的生产和使用 潜在的社会和经济效益将会非常明显 1 5 本文研究内容 7 作者作为该项目的技术负责人 首要任务是确定产品方向 选好样机的规格 及其主要技术参数 对样机的设计难点组织技术攻关并寻求解决方案 如前所述 产品方向我们选定为云梯车 重型水罐车 抢险救援车 机场消 防车和轻 微型消防车 重点发展多功能云梯车 即本文标题所称的高空救援消 防车的一种 首批设计的样机即为一台多功能云梯车 本文将主要就该样车的总 体方案设计及其稳定性计算 梯架惯性载荷荷的动力学仿真 梯架的强度和刚度 的有限元分析进行一定的研究 云梯车样机的总体设计 由本人通过一年多的资料收集 对国内外同类样机 的比较研究并结合对消防部队的大量实地调查后从功能设计 主要技术参数设计 总体布置设计 电液系统设计 梯架带工作斗系统设计和主要设计难点攻关等几 个方面入手予以展开 详细情况见本文第二章 云梯车的稳定性分析计算是在本人结合汽车起重机及高空作业车的稳定性计 算方法的基础上 通过学习欧盟关于此类车辆的设计标准pren 14043 组合动作 云梯车 安全和性能要求及测试方法 7 自创了一套特定的稳定性控制模型 在 满足任意水平支腿跨距能自动控制整车安全作业的前提下贯彻了最大限度 8 地利 用好整车的稳定性 以扩大整机作业范围及控制系统的双回路保护 9 思想 以确 保系统的可靠 提高整机的可靠性 同时将侧方最大作业幅度且整机不失稳工况 确定为梯架受力最恶劣工况 详细模型见本文第三章 为对梯架进行较为精确的受力分析 尽量精确地确定梯架的载荷 本人利用 ug软件 10 对整车的工作过程进行了简化模拟 通过对简化零部件的三维结构建模 及装配 11 输出parasolid文件 12 然后在adams软件中导入 添加必要的约束与 液压系统设计给出的动力 完成了仿真分析研究 详细情况见本文第四章 梯架作为该车的主要结构件 是该车成功与否的关键 对其进行尽量精确的 受力及变形分析 以便选择材料及对焊接过程的反变形量控制提供理论指导 为 了和汽车起重机的绗架臂计算具有一定的类比性 我还是利用了我们原有的分析 软件 i deas对其进行了强度和刚度分析 具体的建模 单元划分 约束 加载 及求解结果祥见第五章 本文工作结构流程图如下 高空救援消防车的设计研究 8 图 1 1 本文工作结构流程图 9 第 2 章 云梯消防车的总体设计 本章从云梯消防车的功能 13 设计入手 通过对总体技术参数的选定 总体布 置的方案设计 电液系统的基本原理设计 梯架带工作斗系统设计和主要设计难 点的确定等方面的描述 着重介绍了我在该产品总体设计研究方面的一些成果 2 1 云梯车的功能设计 选择好功能定位是产品设计成功与否的主要前提 为此 了解用户需求 摸 清同行业产品现状是第一步 1 用户需求及西方发达国家云梯车的主要功能特点 1 用户需求及西方发达国家云梯车的主要功能特点 为掌握用户的实际使用需求和掌握国外同类产品的先进水平和发展方向 14 我们花了一年的时间走访了大量的高空救援云梯消防车的用户 看了典型的样机 收集到了齐全的国际上主要厂家的资料 不同样车的主要功能特点如下 图2 1 magirus37米直臂云梯车 图2 2 bronto42米曲臂登高平台车 图2 1为岳阳特勤中队在役的96年原产于德国的magirus37米直臂云梯车实物 照片 消防官兵反映该车的主要特点是工作效率高 整车完全展开时间仅需一分 半钟 比普通的曲臂登高平台车快4倍 特别适合火场的快速救人 欧洲的所有消 防部队均装备此类车用于高空救援 不同的是欧洲市场上的主要装备车型为18米 到32米 图2 2为长炼消防在役的97年原产于芬兰的bronto42米曲臂登高平台车的实物 照片 消防官兵反映该车的主要特点是带曲臂且工作斗带水炮 特别适合于需绕 开障碍物直接扑灭火源的场合 目前中国石化系统的下属企业主要装备此类车型 用于高空灭火和救援 图2 3为广州特勤一队在役的03年原产于德国的magirus城市八爪鱼实物照片 该车为该厂的全新产品 全铝结构上装 支腿自动调平 臂架上带伸缩水管 自 带水箱水泵 带抢险救援器材 上装可遥控控制 后轮转向 多乘员驾驶室 折 高空救援消防车的设计研究 10 伸臂组合等构成了该车的全新特色 靠机动灵活 功能齐备 操作方便快捷赢得 了官兵们的好评 图2 3 magirus30米城市八爪鱼 图2 4 magirus32米直折臂云梯车 图2 4为04年北京消防展上德国magirus展出的其04年原产于德国的32米直折 臂云梯车实物照片 该车与图2 1相比 主要的变化一是增加了一节折臂 二是增 加了后轮转向 三是驾驶室乘员人数明显增多 由图2 3 图2 4即可部分看出 magirus在云梯车这一系列产品上的发展趋势 图2 5 morita32米直臂云梯车 图2 6 metz32米直臂云梯车 图2 5为04年北京消防展上日本morita展出的其03年原产于日本的32米直臂云 梯车实物照片 该车已在北京服役 与在北京其他早服役的同规格车相比 主要 改进是增加了伸缩水管和遥控水炮 与德国车比 他们在梯架上方增加了升降斗 图2 6为04年北京消防展上德国metz展出的其04年原产于德国的32米直臂云 梯车 15 实物照片 其最大的特点是带支腿反力的直接检测装置 这有利于更直接 的控制好整车的稳定性 对进一步提高整车的安全性有一定的好处 图2 7为法国 riffaud工厂提供的产品实物照片 并提供了一份完整的技术规 格书 他们的突出优势是对狭窄地区的适应性好 电器系统沿用了航空技术的双 回路保护 进一步提高了系统的可靠性 源于双回路保护的思想 其伸缩机构的 双卷扬也是他们的主要特点之一 系统的可靠性更让人信服 上装标配独立的发 11 动机用于发电照明和驱动应急油泵也是其优点之一 所以该工厂的18米到32米 16 产品在法国占有80 的市场份额 在法国的保有量超过800台 图2 7 riffaud32米直臂云梯车 图2 8 morita直曲臂云梯车 图2 8为日本morita的产品宣传资料照片 该车型的主要特点是带折臂 带伸 缩水管 虽然没有欧洲车的机动灵活 但水路部分已能取代目前中国市场上在用 的高喷车 即可做到一车两用 图2 9为美国darley109英尺无斗直臂云梯车宣传资料图片 从我们掌握的情况 来看 该类车辆是美国高空救援消防车的主力车型之一 所有消防站点都已装备 与下图一起再介绍美国车的特点 图2 9 darley109英尺无斗直臂云梯车 图2 10 darley104英尺带斗直臂云梯车 图2 10为美国darley104英尺带斗直臂云梯车宣传资料图片 从我们掌握的情 况来看 该类车辆是美国高空救援消防车的主力车型之二 与图2 9所示的无斗直 臂云梯车一起构成了美国高空救援消防车的系列产品 在美国作为了全部消防部 队的主战车 17 主要特点如下 a 均为专用底盘 驾驶室乘员空间大 一般可做6 8人 轴负荷大 前轴负荷 可达16吨 b 带水箱和泡沫箱 可代替国内一般的水罐泡沫车 c 带水泵 伸缩水管和遥控水炮 且水炮流量大 可代替国内常见的高喷车 d 梯架刚度好 行进空间大 便于直接走人 f 随车可带附件较多 完全满足主战的实战需要 图2 11为俄罗斯torzhok37米直曲臂云梯车资料照片 其特点为37米带折臂 主臂只有四节 全缩状态下折臂收回至第三节伸缩臂里面 减少了主臂节数 利 高空救援消防车的设计研究 12 于减轻自重 图2 11 torzhok37米直曲臂云梯车照片 综上所述 对于城镇消防部队而言 云梯车因为展开速度快 既可以用斗实 现救援又可以用楼梯实现连续救援 具有良好的部队实用性 这也是为什么欧美 日等发达国家均以此类车为主来作为高空救援消防车的主要原因 据我们了解 此类车型在美国的总保有量约20000台 在德国的保有量约2000台 而中国现在的 总保有量不到500台 而对于石化企业而言 由于习惯了已装备的曲臂登高平台消防车的使用 加 上其实战主要用途为灭火而非救人 所以在相当的一段时期内 石化企业系统仍 将以曲臂登高车为主 从国外情况来看 美国 日本的高空救援消防车均为云梯车 欧洲的主力车 型亦为云梯车 但由于芬兰有bronto 18 和vema 19 派生于bronto 两家生产曲臂 登高车 在市场上有一定的保有量 所以近年来magirus riffaud均在纷纷开发自 己的曲臂登高车 在国内 至今批量生产云梯车的厂家仅沈阳消防车厂一家 因受技术 资金 等的限制 一直未能形成大批量生产 上海曾有两家进行过产品试制 均未成功 所以在消防部队此类车仍以原装进口为主 但是不容忽略的是 九十年代中期 国内汽车起重机市场低迷时 以徐重 20 为首的汽车起重机厂家均在学习bronto技 术的基础上 利用多年来生产臂架类车辆的优势 做出了系列的登高平台车 加 上锦重 21 抚起 22 三个厂家生产 销售登高平台车 导致了国内实际装备量 登高平台车多于云梯车这一市场畸形 2 产品的市场定位 2 产品的市场定位 为让国人的生命财产能像西方发达国家一样受到国产装备的保护 在前述充 分地进行了市场调研的基础上 我们对自己的产品进行了如下的市场定位 a 以满足城镇消防部队的使用要求为主 直接瞄准替代进口 底盘及上装电 液元件直接采用欧洲一流的品牌 外观及可靠性完全与欧洲原装车同步 通过将 整机的设计 结构件制作 装配 调试 销售和售后服务的国产化降低成本 让 13 更多的城镇消防部队买得起 为更多地保护好国人的生命财产多做贡献 在此基 础上 通过批量产销 进一步降低成本 b 通过赋予该车较为完善的功能 学习日本车 吸收美国车的多功能和欧洲 车的机动灵活 让它具备主战车的能力 通过引导用户的使用 逐渐将其变为中 国未来的主战消防车 c 吸收曲臂登高平台车易于就位和可绕开障碍的优点 增加一节折臂 外观 及功能上与日本的最新主战车做成一致 3 产品的功能确定 3 产品的功能确定 围绕主战车这一基本的定位 首先要解决的是消防部队的第一出动问题 按 照我国现行消防部队的编排 第一出动的战斗班 应包含指挥1 2人 主驾驶1人 副驾驶1人 接水管2人 救援2人共7 8人 即主战车应能有不少于8个的乘员坐位 第二个要解决的问题是要既能灭火又能救人 第三个要解决的问题是要能携带一 定的接近火场的工具 比如破拆 接管 取水等 除此以外 为方便抢险救援 具备一定的起重能力和照明功能更能扩大本车 的适应能力 综上所述 该产品的主要功能确定为 高空作业 此工况下即可以用斗实施救援又可以进行一定的检修或救援准备 此工况系统辨认条件为 工作斗已展开且底部无支撑 水泵未工作 支腿控 制回路锁定 上装 5 种动作控制回路畅通 此工况下上车动作可手动杆控 转台上电控 斗内有线电控 遥控 各控制 点权限逐级减弱并受上级约束 基本控制功能如下 臂架的伸缩 变幅 回转 折臂变幅共 4 个动作 场地宽度受局限时的水平 支腿展开人控完成 此时垂直支腿展开及车架调平 斗展开自动完成 斜坡上作 业时 所有支腿的展开动作均人控完成 场地不受局限时的支腿展开及车架调平 斗展开均自动完成 可一键式操作 上车作业过程中梯档调平及工作斗调平始终 自动完成 允许水平支腿非全伸状态下作业 全过程根据斗内的实际载荷自动限制工作 幅度 自动检测支腿反力 全过程依据不允许双腿同时虚腿自动限制工作幅度 斗内实际载质量自动提示 超载时自动限制整车无法作业 友好界面提醒 可无线遥控操作臂架及斗的 4 种动作 遥控器上能显示当前的斗内实际载荷 斗底面实际高度 相对于地面 斗外缘实际幅度及当前方位 当前斗内实际载 荷下的整车稳定性利用度 高空救援消防车的设计研究 14 斗内有线电控臂架及斗的 4 种动作 带液晶显示 能显示当前的斗内实际载 荷 斗底面实际高度 相对于地面 斗外缘实际幅度及当前方位 当前斗内载 荷下的斗允许 实际工作范围曲线 发生故障时自动提示并描述故障原因和建议 排除方法 转台工作台上电控臂架及斗的 4 种动作 带液晶 发光二极管显示 液晶显 示内容与斗内液晶显示一致 发光二极管显示内容与遥控器上显示的一致 主阀可手控 4 种动作 在转台上易于操作 发动机故障时 可通过电动应急泵或手动泵提供收车用临时动力 4 种动作 均可手动完成 连续救援 工况确认 工作斗已展开 斗底有支撑 水泵不工作 支腿及上装 4 种动作 控制回路锁定 控制要求 支腿及斗的展开 调平和斗的就位控制同高空作业 就位后 斗 底部支撑丧失前 切断支腿 上装的所有电控回路 防止误操作 救援过程中 靠支反力检测防止整车失稳 救援过程中斗的姿态调整及救援完成后转入高空作 业均依赖于同时操作强制按钮 高喷 控制要求 支腿自动调平完成后 垂直油缸受力后 水泵才能开始工作 此 工况下斗内承载不允许超过一人 梯架上不允许爬人 支腿跨距要能确保此工况 下臂架全伸时全方位稳定 此工况下以遥控操作为主 该工况下能代替现在国内流行的高喷车 水泵流量 80l s 臂端遥控水炮流量 50l s 泡沫箱 2 吨 水箱不小于 7 吨 照明 控制要求 支腿自动调平完成后 垂直油缸受力后 发电机才能开始工作 当 将发电机作为应急备用电源时单独手控 此工况下斗内不允许承载 梯架上不 允许爬人 支腿跨距要能确保此工况下臂架全伸时全方位稳定 此工况下以遥控操作为主 该工况下能代替现在国内流行的照明车 探照灯功率不小于 2kw 起重 支腿自动调平完成 工作斗未打开 折臂未展开 梯架全缩状态下才允许作 业 最大起重能力不小于4000kg 15 2 2 云梯车的主要技术参数设计 1 主参数 作业高度的选择 1 主参数 作业高度的选择 按欧盟的标准 en14043 的规定 本参数最大为 18 米幅度时的作业高度不小 于 23 米 为此欧洲最高的云梯车最大作业高度不超过 32 米 美国云梯车的最大 作业高度状况与欧洲车相差不远 最大作业高度在 100 110 英尺之间 即在 30 5 33 5 米之间 由于国内该类车辆装备的起步时间较晚 基本与国内大中城市 的高楼兴起同步 在对高楼大厦防火靠自救观念未完全树立起来前 均在对高空 救援消防车盲目追求高度 导致欧洲厂家为适应中国用户的需求专门开发了 40 米 以上高度的云梯车 但投入使用后 进入本世纪以来 越来越多的中国用户认可 了目前欧美装备的云梯车高度还是最实用的 所以连广州如此又购买实力和高楼 密集的大城市在新装备云梯车是也回归到了 30 米左右 不再盲目追求高度 由此 我们将理想作