登高平臺(tái)消防車臂架伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

1、登高平臺(tái)消防車臂架伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究design and research for the arm flexible body of hydraulic platform fire石鵬飛，劉志斌，徐國(guó)榮，吳攀攀，江愛(ài)林shi peng-fei, liu zhi-bin, xu guo-rong, wu pan-pan, jiang ai-lin（三一重工股份有限公司，長(zhǎng)沙 410100）摘 要： 本文針對(duì)登高平臺(tái)消防車臂架伸縮原理，對(duì)四種典型伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí) 例，對(duì)四種典型伸縮機(jī)構(gòu)的繩排受力與油缸推力進(jìn)行對(duì)比研究，為登高平臺(tái)消防車臂架伸縮 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)；同時(shí)對(duì)長(zhǎng)臂架伸縮實(shí)

2、現(xiàn)方式進(jìn)行探討，為進(jìn)一步優(yōu)化伸縮機(jī)構(gòu)以及 實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)臂架伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞： 登高平臺(tái)消防車；臂架；伸縮機(jī)構(gòu)；受力分析中圖分類號(hào)：th132.3，th6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1009-0134(2011)10(下)-0123-05doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2011.10(下).380引言登高平臺(tái)消防車是一種裝備折疊式或折疊與3伸縮組合式臂架、載人平臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)及滅火裝置，用于撲滅高層建筑火災(zāi)以及救援的專用汽車，是 一種集高空消防、高空搶險(xiǎn)救援、高空工程作業(yè) 等功能于一體的綜合型設(shè)備 13。登高平臺(tái)消防車臂架主要有折疊臂、伸縮臂和組合臂三種結(jié)構(gòu)形式。其中折疊

3、臂通過(guò)鉸接變 幅機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)臂架的變幅運(yùn)動(dòng)，伸縮臂通過(guò)伸縮機(jī) 構(gòu)實(shí)現(xiàn)臂架伸出與收回，組合臂通過(guò)變幅機(jī)構(gòu)結(jié) 合伸縮機(jī)構(gòu)一起實(shí)現(xiàn)臂架的變幅與伸縮 4, 5。伸縮式臂架系統(tǒng)主要包括臂架結(jié)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、曲臂、平臺(tái)、液壓電纜系統(tǒng)、水路系統(tǒng)以及伸縮機(jī)構(gòu)等。 鐘安慶等 6 以 cdz50 型登高平臺(tái)消防車為例，對(duì) 多節(jié)直臂舉升同步伸縮系統(tǒng)所涉及的直臂伸縮機(jī) 構(gòu)和拖鏈、伸縮水管機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等進(jìn)行分析 探討，為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了借鑒。目前用于伸縮臂架伸縮機(jī)構(gòu)的類型主要有單 級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu)、多級(jí)油缸（主要為二級(jí)）繩排機(jī) 構(gòu)。不同類型的伸縮機(jī)構(gòu)對(duì)臂架系統(tǒng)伸縮的速度 及穩(wěn)定性有很大影響，同時(shí)對(duì)油缸、繩排的要求 也相差

4、很大。1 四種典型伸縮機(jī)構(gòu)1.1 單級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)(一)單級(jí)油缸伸縮機(jī)構(gòu)（一）結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所圖1 單級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)（一）臂分別通過(guò)頭部滑輪的繩排和尾部滑輪的繩排帶動(dòng)三節(jié)臂的伸出和收回。采用隔離法對(duì)臂架系統(tǒng) 各節(jié)臂架進(jìn)行受力分析。設(shè)定三節(jié)臂伸出所需的 軸向載荷為 z3，由于三節(jié)臂的伸出和收回是通過(guò) 滑輪和繩排實(shí)現(xiàn)，因此三節(jié)臂伸出時(shí)二節(jié)臂通過(guò) 頭部滑輪需要提供的軸向載荷為 2z3。設(shè)定三節(jié)臂，則三節(jié)臂收回時(shí)二節(jié)縮回所需的軸向載荷為 z3。臂尾部滑輪所需提供的軸向載荷為 z3對(duì)伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析：（1）式 中：g 為三節(jié)臂頭部的附加載 荷，n；g載3為三節(jié)臂重力，n； 為臂架系統(tǒng)與

5、水平夾角，度；f 為二節(jié)臂對(duì)三節(jié)臂伸出的摩擦阻力，n。3可得，1# 繩排（繞過(guò)二節(jié)臂頭部滑輪）受力為：（2） 三節(jié)臂收回所需的軸向載荷：（3） 式中： 為二節(jié)臂對(duì)三節(jié)臂收回的摩擦阻力，n。2# 繩排（繞過(guò)二節(jié)臂尾部滑輪）受力為：示，數(shù)字 13 分別表示一節(jié)臂三節(jié)臂。其工作原理為一節(jié)臂通過(guò)單級(jí)油缸伸縮二節(jié)臂，二節(jié)收稿日期：2011-07-08作者簡(jiǎn)介：石鵬飛（1982），男，湖南邵陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計(jì)。21【124】 第33卷 第10期 2011-10(下)（4）3臂架伸出時(shí)伸縮油缸受力為：（5）式中：g2 為二節(jié)臂重力，n；f2 為一節(jié)臂對(duì)二 節(jié)臂伸出的摩擦阻力，n。

6、根據(jù)上述伸縮機(jī)構(gòu)受力分析可知，該單缸繩 排伸縮機(jī)構(gòu)產(chǎn)生載荷加倍累積效應(yīng)，造成繩排與 油缸受力較大，因此一般適用于臂架節(jié)數(shù)較少（四 節(jié)及以下）的臂架系統(tǒng)。1.2 單級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)(二)圖3 多級(jí)油缸（二級(jí)）伸縮機(jī)構(gòu)該伸縮機(jī)構(gòu)無(wú)繩排，如圖 3 所示。臂架伸縮主要承載件為二級(jí)油缸，一節(jié)臂通過(guò)二級(jí)油缸帶 動(dòng)二節(jié)臂與三節(jié)臂伸縮。分析伸縮機(jī)構(gòu)受力可得， 油缸第二級(jí)伸縮最大推力為：3（11）油缸第一級(jí)伸縮最大推力為：（12）該伸縮機(jī)構(gòu)二級(jí)油缸最大推力與臂架重力及所受附加載荷（包括摩擦阻力）之和相等，缺點(diǎn)是 臂架系統(tǒng)伸縮速度難以實(shí)現(xiàn)完全同步。圖2 單級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)（二）1.4多級(jí)油缸（二級(jí)）繩排伸縮機(jī)

7、構(gòu)3單級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)（二）結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，其工作原理為一節(jié)臂通過(guò)單級(jí)伸縮油缸帶 動(dòng)三節(jié)臂伸出和收回，三節(jié)臂通過(guò) 2# 繩排（繞過(guò) 二節(jié)臂尾部滑輪）帶動(dòng)二節(jié)臂伸出，三節(jié)臂通過(guò)1# 繩排（繞過(guò)二節(jié)臂頭部滑輪）帶動(dòng)二節(jié)臂收回。 對(duì)伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，二節(jié)臂伸出所需的軸向載荷：（6） 二節(jié)臂收回所需的軸向載荷：（7） 可得，1# 繩排受力為：（8）2# 繩排受力為：（9） 臂架伸出時(shí)伸縮油缸受力為：（10） 根據(jù)上述伸縮機(jī)構(gòu)受力分析可知，該單缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)繩排和伸縮油缸受力較小，便于減小 臂節(jié)之間的間隙和伸縮油缸的最小缸 徑，缺點(diǎn) 是伸縮油缸行程較長(zhǎng)，為單級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)（一）中油缸行

8、程的 2 倍。1.3 多級(jí)油缸（二級(jí)）伸縮機(jī)構(gòu)圖4 多級(jí)油缸（二級(jí)）繩排伸縮機(jī)構(gòu)多級(jí)油缸（二級(jí)）繩排伸縮機(jī)構(gòu)示意圖如圖 4所示，其工作原理為一節(jié)臂通過(guò)二級(jí)油缸帶動(dòng)二 節(jié)臂和三節(jié)臂伸出和收回，1# 繩排與 2# 繩排的作 用為保證二節(jié)臂與三節(jié)臂伸縮同步。根據(jù)二級(jí)油缸原理，油缸第二級(jí)伸出速度大于 第一級(jí)，則臂架伸出時(shí)，2# 繩排受力，減速三節(jié) 臂，增速二節(jié)臂；如油缸第一級(jí)伸出速度大于第二 級(jí)，則 1# 繩排受力，減速二節(jié)臂，增速三節(jié)臂。臂架系統(tǒng)收回時(shí)，油缸第二級(jí)速度大于第一 級(jí)，則 1# 繩排受力，減速三節(jié)臂，增速二節(jié)臂； 如油缸第一級(jí)速度大于第二級(jí)，則 2# 繩排受力， 減速二節(jié)臂，增速三節(jié)臂，

9、且：（13）二級(jí)油缸為臂架伸縮的主要承載件，臂架系124】 第33卷 第10期 2011-10(下)212121】第33卷 第10期 2011-10(下) 【125統(tǒng)伸出時(shí)，二級(jí)油缸第一級(jí)承載二節(jié)臂與三節(jié)臂的伸出，其最大推力值為：（14）二級(jí)油缸第二級(jí)最大推力值為： （15）b1 根據(jù)上述伸縮機(jī)構(gòu)受力分析可知，采用多級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu)伸縮既能減小繩排和油缸受力，同 時(shí)能有效保證臂節(jié)伸縮的同步。2伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例某登高平臺(tái)消防車臂架系統(tǒng)由伸縮臂架（1）圖6 側(cè)向彎矩示意圖總成與伸縮臂架（2）總成構(gòu)成，如圖 6 所示，臂架（1）總成與臂 架（2）總成通過(guò)橋連 接，臂架 （2）總成與橋通過(guò)油缸變幅機(jī)構(gòu)實(shí)

10、現(xiàn)折疊與展開。 臂架（1）總成共 5 節(jié)臂，第五節(jié)臂頭部附加載荷（第五節(jié)臂頭部往上所有構(gòu)件重量及載荷）g 載 51105n，附加載荷彎矩 m 2678662n m。力載學(xué)計(jì)算模型如圖 5 所示，其中 ai、bi 分別為臂節(jié)搭接處的正壓力，ei、fi 分別臂節(jié)搭接處的摩擦力，gi 為各節(jié)臂自重， 為臂架總成仰角，zi 為各節(jié) 臂伸出所需的軸向載荷。由于臂架（2）總成位于臂架（1）總成側(cè)向，因此附加載荷對(duì)臂架（1）總成產(chǎn)生側(cè)向彎矩 m0 112253n m，如圖 6 所示。m 圖7單級(jí)油缸繩排（一）伸縮機(jī)構(gòu)5z1 a1f1g g6z2 a2f2e1b1g5z3 a3f3e2b2 g4e3a4a4圖

11、8單級(jí)油缸繩排（二）伸縮機(jī)構(gòu)f4b35g3z5g2e4b4a圖5 伸縮機(jī)構(gòu)計(jì)算力學(xué)模型臂架伸縮分別采用前述四種伸縮機(jī)構(gòu)，如圖7 圖 10 所示，數(shù)字 15 分別表示一節(jié)臂 五節(jié)臂。 其中 1# 繩排繞過(guò)二節(jié)臂頭部滑輪，2# 繩排繞過(guò)二 節(jié)臂尾部滑輪，3# 繩排繞過(guò)四節(jié)臂頭部滑輪，4# 繩排繞過(guò)四節(jié)臂尾部滑輪。油缸推力 f1f4 分別為一節(jié)臂對(duì)二節(jié)臂、二節(jié)臂對(duì)三節(jié)臂、三節(jié)臂對(duì)四圖9二級(jí)油缸（無(wú)繩排）伸縮機(jī)構(gòu)節(jié)臂、四節(jié)臂對(duì)五節(jié)臂的油缸推力。根據(jù)式 (1)(15) 各類型伸縮機(jī)構(gòu)計(jì)算繩排力和第33卷 第10期 2011-10(下) 【125432143214321mob2【126】 第33卷 第10

12、期 2011-10(下)排機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伸縮，主要承載件為油缸，繩排的作用為保證臂架伸縮同步；五節(jié)臂與六節(jié)臂通過(guò)繩 排實(shí)現(xiàn)伸縮（二級(jí)油缸繩排 + 單級(jí)油缸繩排工作 原理），主要承載件為繩排。521圖10 二級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)伸縮油缸力分別如表 1 和表 2 所示。表1 各種伸縮機(jī)構(gòu)繩排力計(jì)算圖11 六節(jié)臂伸縮實(shí)現(xiàn)方式（一）6表2 各種伸縮機(jī)構(gòu)油缸力計(jì)算(f4：10 n)圖12 六節(jié)臂伸縮實(shí)現(xiàn)方式（二）3.2 七節(jié)臂架伸縮方式七節(jié)臂架伸縮可采用多級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 實(shí)現(xiàn)方式（一）如圖 13 所示，一節(jié)臂至三節(jié)臂通 過(guò)一個(gè)二級(jí)油缸繩排實(shí)現(xiàn)伸縮，三節(jié)臂至五節(jié)臂 通過(guò)一個(gè)二級(jí)油缸繩排實(shí)現(xiàn)伸縮，五節(jié)臂至七節(jié)

13、 臂通過(guò)一個(gè)二級(jí)油缸繩排實(shí)現(xiàn)伸縮，主要承載件 為油缸，繩排的作用為保證臂架伸縮同步。實(shí)現(xiàn) 方式（二）如圖 14 所示，一節(jié)臂至四節(jié)臂采用一 個(gè)三級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伸縮，四節(jié)臂至七節(jié)臂 采用一個(gè)三級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伸縮，主要承載 件為油缸，繩排的作用為保證臂架伸縮同步。八節(jié)及以上臂架伸縮方式與上述六、七節(jié)臂 架伸縮方式類似，可充分利用多級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu) 與單級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)臂架的伸縮。綜合表 1 繩排力與表 2 油缸力計(jì)算數(shù)據(jù)可知，單級(jí)油缸繩排（一）伸縮機(jī)構(gòu)中繩排受力和油缸 推力較大，單級(jí)油缸繩排（二）、二級(jí)油缸（無(wú)繩 排）伸縮機(jī)構(gòu)與二級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)繩排受力和 油缸推力計(jì)算值相等，

14、即二級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu) 既能克服單級(jí)油缸繩排（二）中油缸行程過(guò)長(zhǎng)的問(wèn) 題，同時(shí)能有效保證臂架伸縮的同步、平穩(wěn)。3 長(zhǎng)臂架伸縮實(shí)現(xiàn)方式探討3.1 六節(jié)臂架伸縮方式結(jié)合前述伸縮機(jī)構(gòu)分析與計(jì)算，六節(jié)臂架伸 縮可采用二級(jí)油缸繩排與單級(jí)油缸綜合的方式實(shí) 現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)方式（一）如圖 11 所示，一節(jié)臂與二節(jié) 臂通過(guò)兩個(gè)單級(jí)油缸實(shí)現(xiàn)伸縮，二節(jié)臂至六節(jié)臂 通過(guò)兩個(gè)二級(jí)油缸繩排機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伸縮（單級(jí)油缸 + 二級(jí)油缸繩排工作原理），主要承載件為油缸，繩 排的作用為保證臂架伸縮同步。實(shí)現(xiàn)方式（二）如 圖 12 所示，一節(jié)臂至五節(jié)臂通過(guò)兩個(gè)二級(jí)油缸繩4結(jié)論登高平臺(tái)消防車臂架伸縮機(jī)構(gòu)既要限制繩排受力和最大油缸推力，又要對(duì)伸縮

15、油缸安裝尺寸與行程進(jìn)行控制。單級(jí)油缸繩排（一）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 伸縮油缸安裝尺寸和行程較小，缺點(diǎn)是繩排受力126】 第33卷 第10期 2011-10(下)油缸受力伸縮機(jī)構(gòu)油缸推力(f ：105n)1油缸推力(f ：105n)2油缸推力(f ：105n)3油缸推力5單缸繩排(一)9.060668.53115單缸繩排(二)4.53074.21739二級(jí)油缸(無(wú)繩排)4.686574.543164.385764.21739二級(jí)油缸繩排4.686574.543164.385764.2173954321繩排受力伸縮機(jī)構(gòu)1#繩排受力（105n）2#繩排受力（105n）3#繩排受力（105n）4#繩排受力（10

16、5n）單缸繩排(一)4.543160.615764.217391.48237單缸繩排(二)0.042770.059540.540560.07385二級(jí)油缸繩排0.042770.059540.540560.073856 54343 21】第33卷 第10期 2011-10(下) 【127統(tǒng)；單級(jí)油缸繩排（二）伸縮機(jī)構(gòu)受力較小，缺點(diǎn)是伸縮油缸行程過(guò)長(zhǎng)；二級(jí)油缸（無(wú)繩排）伸縮機(jī) 構(gòu)受力較小，不足之處是通過(guò)液壓系統(tǒng)難以完全 實(shí)現(xiàn)臂架伸縮同步；多級(jí)油缸繩排伸縮機(jī)構(gòu)集合 了單級(jí)油缸繩排（二）和多級(jí)油缸（無(wú)繩排）伸縮 機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠保證較小的油缸單級(jí)行程， 通過(guò)繩排實(shí)現(xiàn)臂架伸縮的同步、平穩(wěn)，適用于長(zhǎng)

17、臂架登高平臺(tái)消防車臂架系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)：76541圖13 七節(jié)臂架伸縮實(shí)現(xiàn)方式（一）7 61田志堅(jiān), 余戰(zhàn). 徐工的dg68巨型登高平臺(tái)消防車j. 專用汽車 2007(11): 89-91.肖方兵. 國(guó)產(chǎn)系列消防車簡(jiǎn)介(三)舉高消防車j. 消 防技術(shù)與產(chǎn)品信息, 2009(10): 82-87.田志堅(jiān). 登高平臺(tái)消防車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)化軟件開發(fā)研 究d. 吉林大學(xué). 2005.李長(zhǎng)青. 登高平臺(tái)消防車臂架結(jié)構(gòu)分析方法研究及優(yōu)化d. 吉林大學(xué). 2009.張宏, 洪濤. 登高平臺(tái)消防車設(shè)計(jì)應(yīng)注意的事項(xiàng)j. 工程 機(jī)械, 1997(12): 17-18.鐘安慶, 郭維斌, 田麗敏. 消防車多節(jié)直臂舉升

18、同步伸縮 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)j. 工程機(jī)械, 2002(02): 18-20.234圖14 七節(jié)臂架伸縮實(shí)現(xiàn)方式（二）5和最大油缸推力較大，造成臂架結(jié)構(gòu)間隙不易控制，可適用于臂架節(jié)數(shù)較少（四節(jié)及以下）臂架系6【上接第122頁(yè)】 圖1 集中潤(rùn)滑路線圖可靠的精確潤(rùn)滑 、智能控制和車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)支持已成為高級(jí)底盤自動(dòng)集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的核心技術(shù)?？梢?預(yù)期，新型的車載集中潤(rùn)滑系統(tǒng)將在新型泵、新 型分配器、新型嵌入式控制器、集合先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)及 獨(dú)立注油技術(shù)的分布式集中潤(rùn)滑技術(shù)和新材料的 使用上有所突破。為此，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)還有很長(zhǎng) 的路要走，加大投入、走技術(shù)推動(dòng)市場(chǎng)的道路是 惟一的、必然的選擇。industrial applications j. ieee tran on industrialelectronics, 1997, 44 4( ): 553-644.2 mancos, nervegna n. pressure transients in an external gear hydr