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摘要：登高平台消防车是集高空作业、消防灭火、抢险救援等功能于一身的重要消防设备，其机、电、液一体化技术高度集中，常用于高层建筑、高大的石油化工装置区、大型仓库等火灾的扑救。近年来，随着省会城市及沿海发达城市高层、超高层建筑的迅速崛起，我国对登高平台车消防车工作高度的要求越来越高，因此研发出安全可靠、性能优良、技术先进的登高平台消防车具有重要的社会意义。
关键词：登高平台消防车；有限元；优化
1登高平台消防车结构特点
如图所示为 DG100 登高平台消防车结构示意图。通常我们根据登高平台消防车工作时的主要承载结构，将其分为上车与下车两大部分。上车部分主要包括回转支承、回转机构、转台、臂架总成、电缆液压传输系统、工作平台、上车液压和电气系统等。下车部分主要包括汽车底盘、支腿总成、副车架总成、下车液压和电气总成、器材箱总成等
1.1底盘
底盘是消防车的行驶装备，由于消防车主要应用于各种抢险救援作业，需对各种险情做出快速的反应，这种作业性质决定了登高平台消防车多采用具有机动灵活、转弯半径小、通过性强的汽车底盘。登高平台消防车的汽车底盘按总体性能分为通用汽车底盘和专用汽车的改制底盘两种。
1.2副车架和支腿总成
副车架是联接在底盘车架上的附加车架，承载全部上车构件，是登高平台消防车的主要承力结构。消防车副车架通常分为平面框架式和整体箱式两种，平面框架式由纵梁和横梁组成，整体箱式由一根纵梁和两根横梁组成，纵梁与横梁均采用箱型结构，以增强其刚度。两种结构形式相比较而言，整体箱式结构具有较大的抗扭刚度，可以降低甚至消除抬腿现象，并且其结构简单，制造工艺性好，因此得到了较广泛的应用。
1.3回转机构及转台总成
回转机构主要由马达、回转减速机和回转齿轮等构成。它承载着转台，通过传递的扭矩使转台转动，以适应各种工况的需求。转台是连接上车臂架系统与副车架系统的桥梁，设有臂架后铰点和变幅油缸铰点，它的作用非常关键，转台通过回转支承安装在副车架上。
1.4臂架总成
臂架结构是消防车最重要的承载结构，通过臂架的伸缩和变幅可以实现工作平台的升降，以达到作业要求。臂架主要有折臂、伸缩臂以及组合臂三种结构形式。臂架截面形状和尺寸为满足不同型号产品的结构需求也设计的有所差别，目前臂架截面形状已由传统的四边形截面，发展为大圆弧的四边形、六边形甚至多边形的截面，这些结构上的优化设计不仅提高了材料的使用率，降低了成本，而且提升了臂架的强度、刚度以及稳定性等性能指标。
2 臂架结构详细计算
在对臂架结构进行计算的过程中，首先要弄清主次顺序，事先要制定出合理、科学的设计方案，在设计方案的基础上进行详细的计算，以此发现在设计中存在的不合理的问题，本文中将重点对结构方面的设计进行探讨，建立起相关的设计模型，这样就能直观的发现在设计中存在的问题。本文中选取了某公司生产的登高平台消防车，主臂中主要分为了五节臂，可以进行随意的伸缩，主要是采用伸缩油缸得以实现的，这样就可以达到同步伸缩的效果。
在设计的过程中，拐臂是重要的组成部分之一，没有拐臂的设计就不能实现曲臂的伸缩与运动，所以五节臂在连接的过程中，拐臂的设计十分重要。通过对拐臂的设计，能够保证曲臂实现 180°的旋转，其中的一端连接在消防车的登高平台上，另一端连接在五节臂其中的一端，工作人员需要站在平台上进行操作与指挥，所以需要具备一定的承载能力，在此基础上，在设计重心的同时还要预留出相应的加载点，适当的对平台进行简化处理可以进一步优化消防车的设计。同时，因为登高平台消防车为伸缩臂，所以为了实现更快更便捷的伸缩，决定在关键部分采用滑轮的处理方式，这样不仅能够有效的降低重力带来的影响，同时还能有效的促进消防车的臂架伸缩时的稳定性。随着工程技术的进一步发展，这一环节可以得到进一步的优化处理，除了采用滑轮的连接方式以外，还可以通过梁、杆等具体的处理方式加强伸缩臂的伸缩效果。
在二节臂以及三节臂之间设计一个滑块，同时在三节臂以及四节臂之间安装一个滑轮，这两个环节的约束关系采用约束方程得以实现。通过一系列的指令以及方程的计算最终得出了相应的结果，在设计的过程中，需要注重约束方程的自由度以及节点能够移动的距离，重视对影响因素的设计，这样才能实现完善伸缩臂的设计效果。在伸缩臂中，主要承受重力的位置在于下端，也就是臂架的根部，所以在处理这一问题时，需要从两点进行考量，一方面是臂伸出量过多时，滑块与滑轮是主要的受力源，另一方面如果臂伸出量较少时，外侧臂架露出的部位为主要的受力源，通过受力情况的不同，可以在臂架中设计出相应的受力点，以此实现五节臂的合理应用。
在模型组装与加载计算中，需要相关的设计参数才能进行详细的计算，例如主臂的仰角，或是臂头的运动轨迹等，通过这些数据，可以进行相应的加载计算。在设计时可以采用板式链的处理方法，以实现登高消防车臂架的进一步优化处理。通过实验中的验证可以得出结论，在测量强度的方面，主臂仰角在 80°时，可以达到各个节臂全伸的效果，同时通过对臂力最大的应力值进行测量，当达到590MPa 时，基本臂的许用应力为 367MPa，最大应力值与各个节臂的连接具有直接的关系，所以在实际设计的过程中，需要满足臂力的要求，并且在应力值范围内进行设计，以实现整体强度的达标。
3 曲臂运动学特征计算
对于曲臂的角速度和角加速度，根据速度合成定理和加速度合成定理，采用基点法推导得出曲臂的角速度和角加速度，根据曲臂长度 5500mm、曲臂角速度、曲臂角加速度计算平台切向和法向加速度，最后合成平台的加速度。
当主臂与曲臂成 180°夹角时，曲臂有最大角速度 14.67°/s 2，平台随曲臂绕主臂端部转动，此时平台有最大法向加速度即最大离心惯性力，运动平稳性差。当主臂与曲臂成 27°夹角时，曲臂有最小角速度 4.33°/s。此时的曲臂角加速度也达到最小值 1.67E- 03°/s2，这时曲臂及平台惯性载荷最小，运动平稳性最好。当主臂与曲臂成 154°夹角时，曲臂有最大角加速度 1.27°/s 2，此时曲臂角速度变化最快、惯性载荷最大、运动平稳性差。曲臂长度 5500mm，平台的加速度是切向加速度和法向加速度的合成，当主臂与曲臂成 180°夹角时，平台有最大加速度 2.73E+2°/s2，此时平台运动惯性最大、平稳性最差。
4 总结
对于登高平台消防车的臂架结构分析方法还可以在以下几个方面做出进一步的研究和扩展。对于登高平台消防车的强度刚度影响因素主要是臂架自重，如何把质量处理的更为准确和合理对结构分析至关重要。登高平台消防车产品结构形式主臂均是伸缩臂，臂架结构分析方法可根据折叠式等其他形式的臂架进行结构分析方法的扩展。登高平台消防车臂架结构分析方法的研究将会提高产品的性能，缩短产品开发周期，使登高平台消防车产品臂架结构分析的方法标准化。
总之，随着我国经济建设的发展，高层建筑日益增多，高层建筑的火灾发生频率也日益增加，对城市消防能力的要求越来越高。登高平台消防车作为一种集高空消防、高空洒水（喷射）、高空抢险求援、高空工程作业等功能于一体的综合型消防车，它的研究和设计工作也越来越迫切。
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论文作者:谢水东,廖剑锋
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/10
标签：消防车论文; 结构论文; 平台论文; 伸缩论文; 车架论文; 角速度论文; 角加速度论文; 《基层建设》2016年11期论文;