登高平台消防车臂架伸缩机构设计研究

石鹏飞，刘志斌，徐国荣，吴攀攀，江爱林

（三一重工股份有限公司，长沙 410100）

0 引言

登高平台消防车是一种装备折叠式或折叠与伸缩组合式臂架、载人平台、转台及灭火装置，用于扑灭高层建筑火灾以及救援的专用汽车，是一种集高空消防、高空抢险救援、高空工程作业等功能于一体的综合型设备[1～3]。

登高平台消防车臂架主要有折叠臂、伸缩臂和组合臂三种结构形式。其中折叠臂通过铰接变幅机构实现臂架的变幅运动，伸缩臂通过伸缩机构实现臂架伸出与收回，组合臂通过变幅机构结合伸缩机构一起实现臂架的变幅与伸缩[4,5]。伸缩式臂架系统主要包括臂架结构、变幅机构、曲臂、平台、液压电缆系统、水路系统以及伸缩机构等。钟安庆等[6]以CDZ50型登高平台消防车为例，对多节直臂举升同步伸缩系统所涉及的直臂伸缩机构和拖链、伸缩水管机构的结构特点等进行分析探讨，为同类产品的设计提供了借鉴。

目前用于伸缩臂架伸缩机构的类型主要有单级油缸绳排机构、多级油缸（主要为二级）绳排机构。不同类型的伸缩机构对臂架系统伸缩的速度及稳定性有很大影响，同时对油缸、绳排的要求也相差很大。臂分别通过头部滑轮的绳排和尾部滑轮的绳排带动三节臂的伸出和收回。采用隔离法对臂架系统各节臂架进行受力分析。设定三节臂伸出所需的轴向载荷为Z3，由于三节臂的伸出和收回是通过滑轮和绳排实现，因此三节臂伸出时二节臂通过头部滑轮需要提供的轴向载荷为2Z3。设定三节臂缩回所需的轴向载荷为Z3'，则三节臂收回时二节臂尾部滑轮所需提供的轴向载荷为Z3'。

对伸缩机构进行受力分析：

式中：G载为三节臂头部的附加载荷，N；G3为三节臂重力，N；为臂架系统与水平夹角，度；f3为二节臂对三节臂伸出的摩擦阻力，N。

可得，1#绳排（绕过二节臂头部滑轮）受力为：

1 四种典型伸缩机构

三节臂收回所需的轴向载荷：

1.1 单级油缸绳排伸缩机构(一)

单级油缸伸缩机构（一）结构示意图如图1所示，数字1 3分别表示一节臂 三节臂。其工作原理为一节臂通过单级油缸伸缩二节臂，二节式中：

为二节臂对三节臂收回的摩擦阻力，N。2#绳排（绕过二节臂尾部滑轮）受力为：

臂架伸出时伸缩油缸受力为：

式中：G2为二节臂重力，N；f2为一节臂对二节臂伸出的摩擦阻力，N。

根据上述伸缩机构受力分析可知，该单缸绳排伸缩机构产生载荷加倍累积效应，造成绳排与油缸受力较大，因此一般适用于臂架节数较少（四节及以下）的臂架系统。

1.2 单级油缸绳排伸缩机构(二)

图2 单级油缸绳排伸缩机构（二）

单级油缸绳排伸缩机构（二）结构示意图如图2所示，其工作原理为一节臂通过单级伸缩油缸带动三节臂伸出和收回，三节臂通过2#绳排（绕过二节臂尾部滑轮）带动二节臂伸出，三节臂通过1#绳排（绕过二节臂头部滑轮）带动二节臂收回。

对伸缩机构进行受力分析，二节臂伸出所需的轴向载荷：

二节臂收回所需的轴向载荷：

可得，1#绳排受力为：

2#绳排受力为：

臂架伸出时伸缩油缸受力为：

根据上述伸缩机构受力分析可知，该单缸绳排伸缩机构绳排和伸缩油缸受力较小，便于减小臂节之间的间隙和伸缩油缸的最小缸径，缺点是伸缩油缸行程较长，为单级油缸绳排伸缩机构（一）中油缸行程的2倍。

1.3 多级油缸（二级）伸缩机构

图3 多级油缸（二级）伸缩机构

该伸缩机构无绳排，如图3所示。臂架伸缩主要承载件为二级油缸，一节臂通过二级油缸带动二节臂与三节臂伸缩。分析伸缩机构受力可得，

油缸第二级伸缩最大推力为：

油缸第一级伸缩最大推力为：该伸缩机构二级油缸最大推力与臂架重力及所受附加载荷（包括摩擦阻力）之和相等，缺点是臂架系统伸缩速度难以实现完全同步。

1.4 多级油缸（二级）绳排伸缩机构

图4 多级油缸（二级）绳排伸缩机构

多级油缸（二级）绳排伸缩机构示意图如图4所示，其工作原理为一节臂通过二级油缸带动二节臂和三节臂伸出和收回，1#绳排与2#绳排的作用为保证二节臂与三节臂伸缩同步。

根据二级油缸原理，油缸第二级伸出速度大于第一级，则臂架伸出时，2#绳排受力，减速三节臂，增速二节臂；如油缸第一级伸出速度大于第二级，则1#绳排受力，减速二节臂，增速三节臂。

臂架系统收回时，油缸第二级速度大于第一级，则1#绳排受力，减速三节臂，增速二节臂；如油缸第一级速度大于第二级，则2#绳排受力，减速二节臂，增速三节臂，且：

二级油缸为臂架伸缩的主要承载件，臂架系统伸出时，二级油缸第一级承载二节臂与三节臂的伸出，其最大推力值为：

二级油缸第二级最大推力值为：

根据上述伸缩机构受力分析可知，采用多级油缸绳排机构伸缩既能减小绳排和油缸受力，同时能有效保证臂节伸缩的同步。

2 伸缩机构设计实例

某登高平台消防车臂架系统由伸缩臂架（1）总成与伸缩臂架（2）总成构成，如图6所示，臂架（1）总成与臂架（2）总成通过桥连接，臂架（2）总成与桥通过油缸变幅机构实现折叠与展开。臂架（1）总成共5节臂，第五节臂头部附加载荷（第五节臂头部往上所有构件重量及载荷）G载＝1×105N，附加载荷弯矩M载＝2678662N·m。力学计算模型如图5所示，其中Ai、Bi分别为臂节搭接处的正压力，Ei、Fi分别臂节搭接处的摩擦力，Gi为各节臂自重， 为臂架总成仰角，Zi为各节臂伸出所需的轴向载荷。由于臂架（2）总成位于臂架（1）总成侧向，因此附加载荷对臂架（1）总成产生侧向弯矩M0＝112253N·m，如图6所示。

图5 伸缩机构计算力学模型

臂架伸缩分别采用前述四种伸缩机构，如图7～图10所示，数字1～5分别表示一节臂～五节臂。其中1#绳排绕过二节臂头部滑轮，2#绳排绕过二节臂尾部滑轮，3#绳排绕过四节臂头部滑轮，4#绳排绕过四节臂尾部滑轮。油缸推力F1～F4分别为一节臂对二节臂、二节臂对三节臂、三节臂对四节臂、四节臂对五节臂的油缸推力。

图6 侧向弯矩示意图

图7 单级油缸绳排（一）伸缩机构

图8 单级油缸绳排（二）伸缩机构

图9 二级油缸（无绳排）伸缩机构

根据式(1)～(15)各类型伸缩机构计算绳排力和排机构实现伸缩，主要承载件为油缸，绳排的作用为保证臂架伸缩同步；五节臂与六节臂通过绳排实现伸缩（二级油缸绳排+单级油缸绳排工作原理），主要承载件为绳排。

图10 二级油缸绳排伸缩机构

图11 六节臂伸缩实现方式（一）

伸缩油缸力分别如表1和表2所示。

表1 各种伸缩机构绳排力计算

图12 六节臂伸缩实现方式（二）

表2 各种伸缩机构油缸力计算

综合表1绳排力与表2油缸力计算数据可知，单级油缸绳排（一）伸缩机构中绳排受力和油缸推力较大，单级油缸绳排（二）、二级油缸（无绳排）伸缩机构与二级油缸绳排伸缩机构绳排受力和油缸推力计算值相等，即二级油缸绳排伸缩机构既能克服单级油缸绳排（二）中油缸行程过长的问题，同时能有效保证臂架伸缩的同步、平稳。

3 长臂架伸缩实现方式探讨

3.1 六节臂架伸缩方式

结合前述伸缩机构分析与计算，六节臂架伸缩可采用二级油缸绳排与单级油缸综合的方式实现。实现方式（一）如图11所示，一节臂与二节臂通过两个单级油缸实现伸缩，二节臂至六节臂通过两个二级油缸绳排机构实现伸缩（单级油缸+二级油缸绳排工作原理），主要承载件为油缸，绳排的作用为保证臂架伸缩同步。实现方式（二）如图12所示，一节臂至五节臂通过两个二级油缸绳

3.2 七节臂架伸缩方式

七节臂架伸缩可采用多级油缸绳排机构实现。实现方式（一）如图13所示，一节臂至三节臂通过一个二级油缸绳排实现伸缩，三节臂至五节臂通过一个二级油缸绳排实现伸缩，五节臂至七节臂通过一个二级油缸绳排实现伸缩，主要承载件为油缸，绳排的作用为保证臂架伸缩同步。实现方式（二）如图14所示，一节臂至四节臂采用一个三级油缸绳排机构实现伸缩，四节臂至七节臂采用一个三级油缸绳排机构实现伸缩，主要承载件为油缸，绳排的作用为保证臂架伸缩同步。

八节及以上臂架伸缩方式与上述六、七节臂架伸缩方式类似，可充分利用多级油缸绳排机构与单级油缸绳排机构的结合，实现长臂架的伸缩。

4 结论

登高平台消防车臂架伸缩机构既要限制绳排受力和最大油缸推力，又要对伸缩油缸安装尺寸与行程进行控制。单级油缸绳排（一）结构简单，伸缩油缸安装尺寸和行程较小，缺点是绳排受力和最大油缸推力较大，造成臂架结构间隙不易控制，可适用于臂架节数较少（四节及以下）臂架系统；单级油缸绳排（二）伸缩机构受力较小，缺点是伸缩油缸行程过长；二级油缸（无绳排）伸缩机构受力较小，不足之处是通过液压系统难以完全实现臂架伸缩同步；多级油缸绳排伸缩机构集合了单级油缸绳排（二）和多级油缸（无绳排）伸缩机构的优点，同时能够保证较小的油缸单级行程，通过绳排实现臂架伸缩的同步、平稳，适用于长臂架登高平台消防车臂架系统。

图13 七节臂架伸缩实现方式（一）

图14 七节臂架伸缩实现方式（二）

[1] 田志坚, 余战.徐工的DG68巨型登高平台消防车[J].专用汽车 2007(11): 89-91.

[2] 肖方兵.国产系列消防车简介(三)——举高消防车[J].消防技术与产品信息, 2009(10): 82-87.

[3] 田志坚.登高平台消防车结构设计及参数化软件开发研究[D].吉林大学.2005.

[4] 李长青.登高平台消防车臂架结构分析方法研究及优化[D].吉林大学.2009.

[5] 张宏, 洪涛.登高平台消防车设计应注意的事项[J].工程机械, 1997(12): 17-18.

[6] 钟安庆, 郭维斌, 田丽敏.消防车多节直臂举升同步伸缩系统的设计[J].工程机械, 2002(02): 18-20.