救援车伸缩平台结构刚度和静强度分析

摘要高空救援车作为一种有特殊用途的工程车辆,常常用于高层建筑的救援任务及一些消防的起重举升专用设备,作为最常见的专业汽车之一，近年来高空救援车行业发展前景广阔，但同时出现了车型之间销售情况不均与生产跟不上等情况,尤其是对于高空救援车智能化来说，受到了一定的限制和影响，由于需要操作者操作多个控制终端，以满足救援现场的操作要求来达到救援目的。而剪叉式升降平台作为一种平面升降机械，在很多领域都有着广泛的用途，其主要作用是升降重物，比如，货场装卸货物的升降台以及很多类型工程中操作人员的工作平台等。剪叉式液压升降平台的驱动和控制部分是一个液压系统，其改变幅度通过液压缸驱动剪叉来完成升降任务。完成调速、保压、制动、平衡的功能则是通过平衡阀、调速阀、溢流阀的控制作用，。本设计会对现有高空救援车的基础上对车的救援平台机构、剪式机构、回转机构，车身车体部分等方面进行改装设计和创新，使改装后的救援车更好上手控制，也减轻操作工人的作业量。更主要的是要有高的适应性，关键词：高空救援车；剪式机构；转台；改装创新；液压升降平台；剪叉；液压缸；上平台；底座

ABSTRACTAsaspecialengineeringvehicle,theaerialrescuevehicleisoftenusedintherescuetaskofhigh-risebuildingsandsomespecialliftingequipmentforfirefighting.Asoneofthemostcommonprofessionalautomobiles,thehighaltituderescuevehicleindustryhasdevelopedrapidlyinrecentyears,andgraduallysomemodelsareinsurplus,whilesomemodelsareinshortsupplyandproductioncannotkeepupwiththesituation.Therefore,itleadstolowefficiency,lowcontrolaccuracy,increasedlaborintensityofequipmentoperators,andevenseriousdisastrousconsequences.workingplatformforoperatorsinvariousprojects,etc.Scissorforktypehydraulicliftingplatformisawidelyusedliftingplatformwithsimplestructure,largeliftingforce,stablelifting,lownoise,convenientoperationandmaintenance,andcanstayatanypositionwithintheliftingrange.Thehydraulicsystemisthedrivingandcontrolpartofthescissortypehydraulicliftingplatform.Thehydrauliccylinderdrivesthescissortochangetheamplitudeandcompletetheliftingtask.Throughthecontrolfunctionofthebalancevalve,speedregulatingvalveandoverflowvalve,thefunctionsofspeedregulating,pressuremaintaining,brakingandbalancingarecompleted.Basedontheexistinghigh-altituderescuevehicle,thisdesignwillrefitandinnovatetherescueplatformmechanism,shearmechanism,slewingmechanism,bodypartandotheraspectsofthevehicle,selecttheappropriatematerialandlengthoftheshearmechanism,andthencheckitsstrength,rigidityandstability.Itisrequiredtobesafe,reliable,highlyautomated,completeandreliablesafetydevicesandvariouselectricalprotectiondevices,easytooperateandmaintain,soastomakethehigh-altituderescuetaskmoresmoothly.Keywords:aerialrescuevehicle;scissormechanism;turntable;modificationandinnovation;hydraulicliftingplatform;scissor;hydrauliccylinder;upperplatform;base

一、绪论（一）引言高空救援车是用来运送救援人员和救援装备到指定高度和地点的特种车辆,今年来，我国工程机械方面发展较快，这得益于我国的政策和引入国外的先进技术我国高空救援车起步较晚，只有十几年的发展历史，所以高空救援工作存在各种直接关系到了高空救援的效率的问题、安全隐患。与国外的情况对比，我国的救援车生产量并不很大，属于典型的技术密集型产品，并且，对该车辆的操控性、安全性等都有很高的要求，且我国的研发能力低，仿造现象比较普遍，并没有因地制宜地根据我国现实情况进行变通。目前世界上的超高层建筑紧急疏散方式是普通疏散楼梯以及电梯和楼梯共同疏散方式。自911事件在美国发生之后之后，人们从未放弃探索一条解决超高层建筑快速疏散问题的道路,例如:①通过计算机计算来建立建模，用以探讨超高层建筑的快速疏散问题;②电梯和楼梯协同利用的混合疏散方式以及电梯单独使用的疏散方式;③楼梯、滑道疏散系统的混合方法;④斜滑道逃生器、降落逃生袋和垂直自降逃生梯等。这些疏散方法各有利但不外乎都存在以下缺点:①技术复杂，使用不方便;②疏散人流量太低且速度较慢，不能满足大人流量的紧急疏散;③存在安全隐患，安全性能低;④、采用的设备复杂，不利于安装且造价昂贵，难以推广和普及。（二）课题研究背景及意义由于城市现代化的发展日新月异，高层建筑、大型场馆设施等如雨后春笋，导致有越来越多的高空救援环境。目前，我国高空救援的装备主要有绳索救援技术、电动升降装备、救援机器人、消防云梯以及救援平台、救援直升机、救生缓降器等，并已应用于救援事故当中，这些都取得了比较理想的救援效果。但同时它们都有各自的缺点和局限之处,正因由此导致了新型的高空救援装置的出现，此装置有以下特点:①构造形式简单、操作起来十分方便，可用于人在紧急情况下从高的楼层快速疏散到低的楼层;②不需要提供动力，任何状态均可正常使用;③疏散速度快、人流量大;④平时可用于高层建筑的电梯平台，人们可由它可从高楼层直达底层，既可省去等电梯的时间，又能减少能量的消耗，减小公摊面积，提高层面积的利用率。（三）高空救援车的组成本设计由四部分组成，分别为救援平台机构，叉剪式升降机构，回转机构和车身组成。救援平台为可伸缩式，设有载人平台、操作台、救援通道、护栏，伸缩架。液压缸驱动伸缩架伸缩。回转机构由转向盘组成，两个电机驱动，锥齿轮啮合。车体上配有驾驶舱和辅助梯。具体工作为剪式机构受控制台控制，进行升降，到达指定高度后，由控制台控制液压缸去推动救援平台伸缩，在救援平台末端安装传感器，触碰到墙体时停止伸缩。人通过救援通道到达救援平台后下降。二、多工况全方位高空救援车的设计（一）设计方案在现在社会的发展过程中，城镇化原来越普遍，高楼林立越来越多。但是，随着建筑物的高的增加，在发生高层的火灾的救援过程时，较高楼层的人员救援难度较大。所以我们设计一种多工况救援车来满足这个社会需求。为满足此种功能的设备，需要具备两个条件：1.实现多工况都能够进行作业设备在火灾发生的时间，无论其处于何种路面，救援车都能发挥其救援作用。2.在火灾发生时我们为满足救援的目的，设备需要能够接近救护者，完成对灾害中的人员进行救护。在对以上两个条件的研究中，我们通过查询大量的文献和资料。提出如下的一种设计方案。首先，保证救援设备的可靠性，通过对比我们选择剪叉式升降平台作为提升设备来对被困人员施救，其主要的原理是通过液压缸来支撑剪叉杆的升价，来达到接近救助人员的目的。其结构的简单示意图如下：图1剪叉式液压升降平台结构示意图1平台2起升工作臂3底座1）单液压缸推动1副剪叉的数学模型，其中，A点是直角坐标系的坐标原点，要计算图中关键点O、W、G、H四点的虚位移。（最简单的模型，结构为单层起降）图2单液压缸推动1副剪叉的模型列虚功方程式（1）（2）式中P=(0.5-0.6)+0.5——举升载荷——平台的自重P3—-组件模块自重F—-作用于G、H两销轴的液压缸推力2）单液压缸缸推动3副剪叉的数学模型根据単缸驱动1副剪叉的数学模型，结合虚功原理，得出图2单液压缸推动3副剪叉的模型由（4）可以计算出液压缸的推力F根据上面的计算公式，结合我们相应的计算输入，就可以设计出我们想要的设备来了，以下是本方案的输入条件：额定载荷Q=0.3t，上平台的自重550kg，上平台最低高度2520，上平台最大高度65310mm，剪叉和X轴的原始角度为5.03°，前臂长L=3200mm，上耳环长度l=300mm，安装角度50°，安装点距离剪叉臂重点1300m【1】}。把所有的数据代入公式（4）中可以求出来F=20041.3N对各杆组进行受力分析可得到各点铰链得受力情况：（二）关键部位计算1.液压系统设计1）系统压力的初步确定油缸有效的工作压力经过查阅机械设计手册得到如下表格参考表2-1液压牵引力同工作压力的关系由于上面计算得到的数据液压的牵引力大概为20KN，再结合上表基本可以确定其液压缸工作压力为3-4MPa本方案取P=4Mpa。2.液压执行元件的主要参数液压缸作用力液压缸的作用力指的是液压缸工作时产生的推力，此时只需要计算得出液压油进入无杆液压缸时所产生的推力，就能通过公式进行计算求出来：式中：P液压缸工作的压力单位pa取P=40xPaD活塞内径单位mm η液压缸效率0.95将F=20KN带入上述公式中得到，液压缸的内径为75mm2)液压缸活塞杆的直径从液压缸的结构形式和工作状况来看：液压缸受拉时间d=（0.3-0.5）*D液压缸受压时间：本方案中液压缸工作压力4MPa，所以得到d=（0.3-0.5）D，本方案取d=0.5D=37.5mm、3）活塞杆的强度计算在正常的工况下，活塞杆只受拉力或者推力，其力学模型可用近似的直杆来进行力学上的分析，即材料的许用应力单位MPa活塞杆用45钢带入相关数据得到=18.1MPa<满足活塞杆对强度的要求。3.液压缸壁厚，最小导向长度，液压缸长度，壁厚，最小导向长度的确定液压缸的壁厚按照薄壁计算液压缸壁厚：液压缸最大也压力单位MPa一般取=（1.2-1.3）p缸体材料的许用应力钢材取=100-110MPa得到=0.118mm考虑到液压缸的加工要求，壁厚需要根据实际进行加厚，取壁厚=3mm最小导向长度活塞杆工作到极限位置时，导向长度过小时，液压缸的初始挠度会增大，对其稳定性影响是不好的。对通常的液压缸来说，液压缸的最大行程为L，缸筒直径为D时最小，其长度为：即H=71.5cm=715mm活塞宽度一般取B=(0.6-0.1)D,导向套滑动面长度A,在D<80mm时，取A=(0.6-1.0)D,在D=80mm时，取A=(0.6-1.0)d,当导套长度不够时间，不应该增大A和B,必要时可在活塞和导向套之间加一个隔套，其长度由最小导向长度H决定【2】。4.多工况履带轮设计为了满足各种各样的路面来完成救援的任务，特地设计了一种履带式轮子，即使在高低不平的路面和平缓的台阶救援平台依然可以进行正常的行驶。其结构如图所示：其主要是依靠履带进行行进的，固定轮水平方向带有三个小带轮，并且两端各自有一个可调轮进行行走。这样当遇到台阶的过程中，调节轮位置发生相应的变化，使其能够在较缓的台阶上行走。三、关键部件有限元分析（一）救援车伸缩平台结构介绍救援车全局结构如图1所示：图1救援车全局结构视图救援车伸缩平台构造如图2所示：图2救援车伸缩平台结构视图（二）救援车伸缩平台结构刚度和静强度分析限元法(FiniteElementMethodFEM)是力学、现代计算技术和计算数学相结合的产物，是一种求解微分方程边值问题和初值问题的数值方法，是根据变分原理来求解数学、物理问题的数值计算方法，对分析复杂结构或多自由度系统来说是一种新型而有效的方法，有限元法在现代结构力学、热力学、流体力学和磁学等许多领域都发挥着重要作用，有限元计算精度高、适用性好，广泛应用于各个工程领域，有限元的不断发展，促进了各类有限元分析软件的诞生，如ANSYS、MSC/NASTRAN、ABAQUS、HyperWorks等等，这些分析软件的发展至今已比较成熟，功能与逐渐完善，求解能力强大，成为了工程分析的主要手段[7]。1.利用有限元解决实际问题的主要步骤如下：将实际结构划分成为有限个简单的单元，并在单元之间建立节点，将其连接起来形成一个连续的结构；对单元内的任意点的位移选择简单的位移差值函数进行差值；计算单元的等效刚度矩阵以及节点载荷向量；将单元的矩阵进行整合，推导出整体的矩阵；进行约束处理，施加边界条件；通过计算，对矩阵进行求解；将单元应力，经过整理得出所需结果，总的来说，有限元法是对实际问题中的整体结构的近似计算，其求解的准确度的影响因素主要有载荷和边界条件的施加、模型的网格质量以及网格的大小，一般情况下，网格越小，计算结果就越准确，但是，对同一模型来说，网格越小则模型单元数目越多，因此计算量也越大，计算时间也越长，对计算器的配置也就要求越高，因此，对模型进行网格划分时，需要根据具体情况来进行选择[8]。2.救援车伸缩平台有限元模型介绍对救援车伸缩平台结构计算时，对其进行网格离散划分。模型的划分主要采用了Solid95（3维20节点）四面体实体单元，如图3所示。图3模型中Solid95网格单元Solid95是Solid45（3维8节点）高阶单元形式，此单元能够允许不规则形状，并且不会降低精确性，特别适合边界为曲线的模型；同时，其偏移形状的兼容性好，Solid95有20个节点定义，每个节点有3个自由度，（X、Y、Z方向），此单元在空间的方位任意，本单元具有塑形、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力，并且提供不同的输出项。Solid95单元几何形状种类如图4所示。离散后，该模型包括305159个节点，1152004个单元，具体有限元模型如图5所示：图4Solid95单元几何形状种类图5救援车伸缩平台有限元模型3.救援车伸缩平台有限元分析工况及结果救援车伸缩平台所用材料为Q235，其主要机械性能参数见表1，救援车伸缩平台所受载荷工况见表2。表1救援车伸缩平台材料主要机械性能参数序号材料名称密度（kg/m3）弹性模量（MPa）泊松比屈服强度（MPa）抗拉强度（MPa）1Q2357.852060000.3235370表2救援车伸缩平台所受载荷工况汇总工况序号载荷描述约束描述备注1垂向1g（自重）云梯伸缩架承载平g=9.81；1人按2垂向1g（自重）+2人重台主体结构，对主体平台下方接触地方进行三个方向的约束200kg重量计算1）当伸缩平台到达相应高度时，在液压缸的作用下，平台会水平伸出，使得平台端部抵达阳台，在此过程中，平台主体能否承受伸出部分的自重，是需要考虑分析的，救援平台伸出后，效果如图6所示。计算救援车伸缩平台自重的有限元模型如图7所示。图6计算救援车伸缩平台自重的结构视图图7计算救援车伸缩平台自重的有限元模型通过ANSYS软件计算得出，当平台部分伸出后，在自重状态下，最大位移为1.66mm，出现在平台主体的顶端；其最大应力：47.04MPa小于235MPa（材料的许用应力），满足其强度要求。救援车伸缩平台自重下的位移云图和应力云图如图8和图9所示。图8救援车伸缩平台自重下的位移云图图9救援车伸缩平台自重下的应力云图2）当平台伸出部分在进行伸出运动过程中，为了节省营救时间，需要人员快速进行营救，考虑到最恶劣的情形，当伸出部分还未到达阳台支撑点时，这时候已有人员站到伸出部分的顶端，故对平台伸出部分的顶端站立2人的工况进行进行刚度和强度分析，效果如图10所示。计算救援车伸缩平台自重的有限元模型如图11所示，在伸出平台的顶端站立2人，按照2个人400kg（约3924N）的重量对其进行加载。图10计算救援车伸缩平台最前端站立2人的结构视图图11计算救援车伸缩平台最前端站立2人的有限元模型通过ANSYS软件计算得出，当平台顶端站立2人并在自重状态下，平台的最大位移为1.75mm，出现在平台主体的顶端；最大应力为51.99MPa，小于材料的许用应力235MPa，满足其强度要求。救援车伸缩平台自重和站立2人后的位移云图和应力云图如图12和图13所示。图12救援车伸缩平台自重与站立2人后的位移云图图13救援车伸缩平台自重和站立2人后的应力云图3)通过计算上述两种工况，从刚度和强度来看，平台部分满足设计要求。四、可行性分析（一）可行性与环保在应急救援专用车项目必须要贯彻执行国家有关环境保护，节能和职业安全的法律法规，并在可行性研究阶段对应急救援专用车项目中可能造成职工健康安全或环境影响的因素进行论证分析，提出防治措施并进行评价，推荐最佳可行的技术，经济，合理布局，对环境的有害影响较小。根据国家现行规定，凡从事对环境有影响的施工应急救援项目的特种车辆，必须执行环境影响报告书的审批制度，同时在可行性研究报告中要有环境保护和劳动安全专题讨论。1.应急救援特殊工具项目环境保护1)应急救援特殊工具项目环境保护设计基础2)应急救援特殊工具项目环境保护措施3)应急救援特殊工具项目环境保护评估2应急救援特殊工具项目资源利用及能耗分析1)应急救援特殊工具项目能源消耗标准和资源利用率2)应急救援特种车项目资源利用及能耗分析3、应急救援特种车辆项目节能方案1）应急救援特种车辆项目节能设计依据2）应急救援特种车辆项目节能分析4.应急救援特种车辆项目消防方案1)应急救援特种车辆项目消防设计依据2)应急救援特种车辆消防措施3)火灾报警系4)灭火系统5)消防知识教5、应急救援特种车辆安全预案以及卫生计划1)应急救援特种车辆工程安全设计依据2)应急救援特种车辆的安全防护措施（二）可行性与经济1、应急救援特种车辆项目总投资估算2、应急救援特种车辆项目资金筹措一个建设应急救援特种车辆项目所需的投资资金可以从多种渠道获得。在应急抢险专用车项目可行性研究阶段，募集资金工作是根据应急抢险专用车项目建设的固定资产投资估算和流动资金估算的结果，研究资金来源和渠道。资金实施的融资方式，并从中选择有利的资金。在可行性研究报告中，应逐一讨论每个来源渠道的资金和筹资方法。随附必要的计算表和附件。在可行性研究中，应解释以下内容：1）资金来源2）应急抢险专用车项目资金计划3.应急救援专用车项目投资计划1）投资计划2）贷款还款计划4.应急抢险专用车项目财务评价说明及财务计算假设1）计算依据及相关说明2）应急抢险专用车5.应急救援专用车总费用估算

1）直接费用

2）工资福利费

3）折旧及摊销

4）工资福利费

5）维修费用

6）财务费用

7）其他费用

8）财务费用

9）总费用

6.销售收入，营业税金及附加以及增值税估算

1）销售收入

2）营业税金及附加

3）增值税

4）销售收入，营业税金及附加以及增值税估算

7.损益及利润分配的估计

8.现金流量估算

1）应急抢险专用车项目投资现金流量估算

2）应急抢险专用车项目资金现金流量估算

9.不确定性分析在评估紧急救援专用车项目的建设时，使用的大多数数据来自预测和估计。由于数据和信息的限制，未来的实际情况可能与此有所不同，这将给应急救援专用车项目的投资决策带来风险。为了尽可能避免或减少风险，有必要分析不确定因素对应急救援专用车项目经济评价指标的影响，以确定应急救援专用车项目的可靠性。这是不确定性分析。根据分析内容和不同方面，不确定度分析可分为盈亏平衡分析，敏感性分析和概率分析。在可行性研究中，通常根据应急救援专用车项目进行盈亏平衡分析，灵敏度分配和概率分析。1）盈亏平衡分析2）灵敏度分析（三）可行性与社会社会效益和社会影响分析在可行性研究中，除对上述指标进行计算和分析外，还应分析应急救援专用车项目的社会效益和社会影响，即对无法量化的收益影响进行定性描述。五、设计总结通过几个月的时间，我终于完成了我的毕业设计。这次毕业设计不仅仅是对大学四年学到的知识的检验，更是对我自己独立解决问题能力的一种提升。最后的毕业设计让我意识到了自己的专业知识水平还比较欠缺，自己还需要努力涉猎的东西还太多了。一直都认为自己通过大学四年的积累，应当收获满满，可以独当一面，可现在才知道有点一瓶子不满。通过这次毕业设计，我才意识到知识的学习是一个日积月累的过程，并非一蹴而就。在以后的日子里学如逆水行舟不进则退，努力提高自己专业水平和综合素质才是当务之急。在完成毕业设计的过程中，我发现了自己很多在平时的老师指导下没有意识到的问题。我通过上网，借阅书籍等方式方法，查阅了很多相关资料，同学之间的交流过程中，让我自己充实不少阅历，也解决了不少困难险阻，与此同时自身的收获得也很巨大。毕业设计的完整性，让我懂得了许多道理，为将来的就业学习打下了夯实的基础，也锻炼了了，我自身独立解决问题的能力。这次毕业设计，我坚信一定会对今后的工作有着极其重要的影响。毕业设计使我充分体会到，在创造过程中探索的不容易，与此同时，也让我收获到了成功的喜悦。虽然这次自我感觉还有所欠缺，但是在探索过程中所学到只是的是这次任务的累累硕果，也必将成为我今后人生生涯的财富，这些都会为以后的继续工作提供一个很好的平台。通过几个月的时间，我完成了以下工作：1.通过上网查阅，了解了高空救援车的设计等方面的知识，掌握了其基本原理与方法；2.进行了高空救援车总体布局方案和主要性能参数确定；3.总体控制设计方案的制定；4.进一步熟悉了力学计算、结构设计的方式方法和知识；5.完成了高空救援车装配图和零件图的绘制。通过对高空救援车的设计，让我学会了快速查阅资料，如何提炼出对自己有用的知识，提炼出设计所需的公式文献，以及自己独立制定具体操作步骤。通过毕业设计，让我深深的体会到一句话的真理，“书到用时方恨少”，让我认识到还有很多的