JP72举高喷射消防车臂架结构优化设计分析.pdf

举高喷射消防车臂架结构优化设计分析冯瑞林 梁英男 王佳文 温鸿彦 郭 桐 刘逸群(.哈尔滨工业大学 汽车工程学院 山东 威海.威海广泰空港设备股份有限公司 山东 威海.哈尔滨工业大学 机电工程学院 黑龙江 哈尔滨)摘 要:举高喷射消防车臂架系统结构复杂 工作环境恶劣 容易发生故障 提出了 举高喷射消防车臂架的设计方案 并运用 建立了臂架的三维模型 使用 建立臂架有限元分析模型 从刚度、强度和稳定性三方面进行有限元分析 并根据分析结果 对臂架系统设计方案进行优化 包括调整部件尺寸、局部加强等方式 以提高结构强度和减小臂架变形量 优化后的臂架系统整体结构强度得到了显著提高 变形量明显减小 更好地满足了 举高喷射消防车的使用需求关键词:举高喷射消防车 臂架 结构优化中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:.:收稿日期:修订日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()山东省自然科学基金资助项目()作者简介:冯瑞林()男 硕士研究生 主要研究方向:智能与特种车辆通信作者:刘逸群()男 博士 副教授 硕士研究生导师 主要研究方向:智能与特种车辆、机器人等 前言从 世纪 年代起 臂架的运用使得我国在贸易和重工业等方面取得了巨大成就 无论是大型港口的起吊设备、还是消防以及建筑的登高平台 臂架的作用都是不言而喻的 如今城市化发展进程不断加快 城市中出现非常多的高楼与大跨距建筑物 并且排列十分密集 一旦这些潜 重 型 机 械在的安全问题在这钢铁“森林”中出现 消防救援工作的开展将变得十分困难 在经济越发达的地区 发生火灾造成的损失会越严重 甚至是不可估量的 所以举高喷射消防车在高空、远距离救援中的作用是不可替代的 举高喷射消防车研究的发展与进步将会提高人们应对火灾的能力我国将消防车按其功能分为四类:灭火消防车、举高消防车、后勤消防车、机场消防车 其中 与文章中联系较密切的举高消防车又根据其功能分为三类:举高喷射消防车 工作时消防队员可以在地面遥控操作臂架顶端的灭火装置对施救目标进行定向灭火 登高平台消防车消防队员可以通过大型液压升降平台进入高层火灾现场 云梯消防车 可装有伸缩式云梯、升降斗转台和灭火装置等消防装备供消防队员登高进入建筑物 举高喷射消防车具有跨障救援能力强、灭火能力出众的特点 具备大跨距灭火、高空灭火等多工况下作业的能力 其在消防救援中的使用可以在一定程度上解决高空、远距离等复杂工况下的救援问题经历了近百年的发展 研究人员在举高喷射消防车臂架高度、控制方法等方面取得突破性进步 臂架系统在消防车灭火作业中占据核心位置 因此国内外许多研究人员主要对臂架系统进行臂架结构的仿真研究 在混凝土泵车吊臂结构的设计中应用复合材料 并对吊臂受力进行分析简化 使用有限元分析软件 对叉车的臂架系统进行分析 通过改变影响因子的方法寻找最佳优化方案隋晓东等使用有限元分析软件 对 登高平台消防车臂架结构进行了静力学分析和屈曲强度分析 并根据分析结果对 臂架进行了优化设计 由于混凝土泵车的技术发展是举高消防车发展进步的重要来源之一 而国内有关举高喷射消防车的研究资料较少 因此部分内容选择采用混凝土泵车的研究资料 重庆大学的黄定红等基于有限元分析原则 调用有限元疲劳分析软件/瞬态响应分析功能对各节臂架的疲劳寿命进行了分析文章针对 举高喷射消防车臂架结构存在的问题 通过数字建模及有限元仿真来判断其是否符合国家标准和使用要求 现有模型中臂架内部空间狭小 不能完全满足液压系统的机械运动空间 限制了拖链机构、板式链机构等部件的安装空间 在部分位置会出现干涉问题 应用 进行臂架结构设计 通过 对 的臂架系统进行有限元分析计算 总结臂架设计中的薄弱点 考虑到举高喷射消防车在实际作业过程中臂架的各种姿态及臂架起升、制动时的惯性冲击、风载荷等情况 在此基础上对臂架结构进行优化设计 以提高消防车工作时整车稳定性 并且需要采取合理的方法来提高材料性能的利用率 以及达到减重的目的 臂架结构设计方案 臂架展开形式、臂架节数与各节臂长度 举高喷射消防车需要具备 纵向工作高度与 横向工作跨度 水与泡沫喷射高层供水等功能 臂架选择将伸缩臂与折叠臂组合的形式 通过改变变幅机构的变幅角度可实现消防车设计要求中的尺寸要求 臂架一般情况下会作为供水水路的载体 通过消防车自带水泵将水与泡沫经安装在臂架一侧的上车水路泵送至臂架顶端消防炮处 实现喷射水和泡沫与高层供水等功能消防车臂架的最大工作尺寸和折叠尺寸都是反映消防车性能的重要参数 消防车的作业能力就受其影响 随着工作时可覆盖面积的增大 消防车在各种工况应对各种各样的灭火环境的适应性会变强 另一方面 消防车的臂架越长 其行驶环境与作业环境也更复杂 臂架节数常见的有 节臂、节臂、节臂常见的举高喷射消防车臂架根据其展开形式可分为伸缩式臂架、折叠式臂架以及组合式臂架 如图 所示 节臂较少的举高喷射消防车会采用伸缩式臂架 该方案臂架展开迅速且平稳但其设计上横向跨距小 并且存在不可到达的作业面 仅适合高层消防救援行动 一些大跨距举高喷射消防车会采用折叠式臂架 这种方案的优点就是可以跨越障碍物进行作业 臂架相邻节臂间均设计有一组变幅机构 由于多关节配合动作 工作效率更高 而且臂架占用整车空间更小 适用于狭窄空间中作业 而组合式臂架保留了两种臂架展开方式的优点的同时又解决了两种臂架存在的问题 合理利用了臂架内外空间重 型 机 械 图 臂架形式该研究内容需要满足 的臂架系统整体展开尺寸 因此选择将臂架系统划分为下臂总成、上臂总成、变幅机构总成与上车水路总成等部分 其中下臂总成包含四节伸缩臂 各节伸缩臂长度均在 左右 上臂总成包含三节伸缩臂与一节折臂 折臂与伸缩臂之间通过摆动油缸连接 各节伸缩臂长度均在 左右 折臂长度在 左右 变幅机构总成安装在下臂总成与上臂总成之间 用于实现下臂总成与上臂总成间 的变幅动作 上车水路总成安装在臂架侧面 用于输送水和泡沫到折臂顶端的消防炮处进行喷射动作 臂架主体结构设计臂架主体结构选择如图 所示的箱体梁结构 通过将两个槽形板焊接而成 这种结构具有截面挖空率大的优点 可以极大地减轻自重并给其他零件留有足够的内部安装空间 该截面是封闭式空心截面 具有很好的抗弯、抗扭能力 应力分布较为均为 同时其中性轴位置居中使其对抵抗正负弯矩的能力相同 根据同类型举高喷射消防车设计经验 消防车臂架系统中上下臂的受力情况不同 上臂受力更小一些 所以上下臂主体采用不同的截面和材料以减少材料使用量和降低成本图 臂架截面因为在整体设计时选择尼龙滑块作为各节臂间的连接件 其安装位置处于臂架前后端 滑块安装位置是节臂间的主要接触位置 将会承受巨大的压力 同时由于臂架主体均为上下槽形板焊接而成 焊道贯穿于臂架前后方向 在其端部可能存在材料变形与焊接水平等问题 是臂架主体最薄弱的位置 因此在臂架端部设计了如图 所示的加强结构 以此来提高臂架整体强度图 臂架截面在下一臂的设计过程中 考虑到实际情况中臂架平放时间占比较大 需要在副车架上安装托举装置对臂架进行支撑 同时要在臂架托举位置设计一个托架减小长时间重压力状态下导致的臂架主体变形 如图 所示 下一臂还要设计有下臂变幅油缸安装铰点 油缸铰点处受力也非常大因此也需要设计加强结构 在油缸铰点处加厚缸体结构以保证机械运行的安全性 如图 所示图 托架图 变幅油缸铰点加强结构 臂架的伸缩动作主要是通过臂架内部安装的 重 型 机 械伸缩油缸组实现的 因此臂架内部需要为伸缩油缸轴留有安装孔 因为伸缩油缸安装位置要承受伸缩油缸中产生的极大推力 需要加有轴套来增强安装位置的强度 如图 所示图 轴套因为 举高喷射消防车下臂存在多级伸缩油缸 在设计过程中考虑到臂架内部空间狭小 如果选用上下并列式伸缩油缸组 将极大浪费臂架内部空间 限制了拖链机构、板式链机构等其他部件安装空间 在部分位置会出现干涉问题 因此选择创新使用左右并列式伸缩油缸组通过减少纵向空间利用率、增大横向空间利用率的方式解放伸缩油缸安装的上下位置 使得伸缩油缸组可以整体上移 为其他部件留有充足的安装空间 在基本设计方案确认后 使用 建立伸缩油缸组的三维示意模型 如图 所示图 伸缩油缸组考虑到伸缩油缸组属于长杆件 如果仅以油缸头部的油缸轴作为支撑 在使用过程中会因自重而产生较大的挠度 因此在油缸尾部设计了支架来减少油缸挠度 如图 所示图 伸缩油缸组支架基于分析设计图()支架一 其右侧安装孔开有 个螺纹孔用于将支架与一级伸缩油缸尾部相固连 左侧安装孔内圈装有自润滑滑动轴承与二级伸缩油缸外表面相接触 在伸缩过程中一级油缸全程搭接在二级油缸表面实现一级伸缩油缸尾部支撑 图()支架二与二级伸缩油缸尾部相连实现其尾部支撑作用 但由于伸缩油缸水平并列放置 相对于下臂总成 二级伸缩油缸并非对称放置 而是相对于对称平面偏移 放置 为使支架能够在扣槽板上前后移动 并且将油缸重力较为均匀的施加在下四臂上 选择尼龙材料的滚轮作为支撑结构 同时在支架两侧加装了尼龙材料的滚轮 上侧加装了尼龙滑块 来限制油缸尾部在臂架内部各个方向的移动 其最后总装效果如图 所示图 伸缩油缸组支架装配图 臂架结构建模根据臂架结构设计方案 使用三维建模软件 建立臂架的三维模型如图 所示图 臂架总成 臂架有限元分析 模型前处理本章中主要使用 进行有限元分析其模型前处理主要过程包括模型简化、材料设置、网格划分、约束设置等在臂架进行有限元分析前 需要对已有模型进行一定的简化 因为有限元分析软件在弧线部重 型 机 械 分的网格划分十分复杂 并且具有缺陷 所以在进行网格划分前 应该将不影响臂架整体强度的圆孔、圆角、倒角与螺纹孔等结构进行删减 有限元分析时应导入的是完全焊接后的模型 因此需要补全在模型中预留了各种焊道、焊缝与塞焊孔 以确保分析结果的真实性 在保证安全性和工作要求的同时 尽量保证原有结构的完整性以方便加工和下一次的装配 在臂架设计过程中 有一些复杂的功能性零件并不会影响整体结构强度 所以选择将其简化为一个施加在其质心位置与其重力等大同向的力即可简化后的臂架模型由四种材料构成 材料属性主要由弹性模量、泊松比和密度来表示 其材料属性如表 所示表 材料属性定义名称弹性模量/泊松比密度/()尼龙 使用 进行有限元分析 在进行静力学分析时无需划分网格 但本次设计包含屈曲强度分析 需要将臂架简化模型导入到 后 进行网格划分 根据模型的几何特点 臂架结构主要由高强度钢板拼焊而成 为了较高的计算精度 对臂架主体采用高质量的四边形壳单元网格划分 臂架主体单元大小控制在 左右 而像油缸、滑块和轴等零件使用实体单元进行网格划分 采用六边形单元 大小控制在 左右 由于单节臂内各零件相对位置均处于固定状态 所以默认其为固连连接 具有伸缩运动的节臂间的装配关系为滑块摩擦连接 下臂总成与上臂总成铰接处和变幅机构总成间的装配关系为销轴连接 在导入有限元软件前先通过 将各节臂模型存储单个零件 这样可以简化在有限元软件中分析时需要给零件间添加的固连连接的操作 仅需考虑各运动部件连接设置即可 工况设置与载荷施加方案考虑到举高喷射消防车在实际作业过程中臂架的各种姿态及臂架起升、制动时的惯性冲击、风载荷等情况 以图 中臂架最恶劣工况的两个极限位置为研究对象:工况一 下臂总成 位置 上臂总成水平 工况二 下臂总成 位置 上臂总成高举图 危险工况考虑到臂架起升、制动过程中的惯性冲击重力载荷取 倍自重 在臂架顶部消防炮工作时会有 的水炮反力 除臂架自重与水炮反力外 工作过程中还应考虑风载的作用 根据/起重机设计规范可得出风速风压关系:()式中 为计算风压/为计算风速/风速考虑恶劣条件下 级风速(/)取 /由此可计算得到风压为 ()式中 为风载荷 为风力系数 为受力面积 风力系数根据空气动力长细比/与构件截面尺寸比/确定 其中:为构件长度 为迎风面的截面高(宽)度 为平行于风向的截面深(宽)度 风力系数如表 所示 仿真工况如表 所示表 风力系数部分风力系数/下一臂 下二臂 下三臂 下四臂 上一臂 上二臂 上三臂 折臂 重 型 机 械表 仿真工况工况臂架姿态载荷工况一下臂总成 上臂总成平举 倍自重风载荷工况二下臂总成 上臂总成 倍自重风载荷水炮反力 有限元分析结果 刚度分析结果通过 有限元分析 工况一和工况二臂架结构应变极值如表 所示 经过分析发现最危险部位出现在下端第四臂架处 而且每处臂架的最危险部位都出现在节臂头部 最危险部位和上臂总成变形云图如图 和图 所示表 各工况应变极值部分工况一应变极值工况二应变极值下一臂 下二臂 下三臂 下四臂 上一臂 上二臂 上三臂 折臂 图 工况一变形云图图 工况二变形云图 由臂架结构变形云图可以看出 各节臂发生最大应变处均出现在节臂头部位置 臂架整体呈“下弯”趋势 从表 可以看出等效应变值普遍低于 由设计经验可知 此变形量很小可忽略不计 因此判臂架结构刚度满足使用要求 强度分析结果通过 有限元分析 工况一和工况二典型臂架结构应力云图如图 和图 所示工况一和工况二各臂架应力如表 和表 所示图 工况一应力云图图 工况二应力云图表 工况一应力部位极值/主体应力/下一臂下二臂下三臂下四臂上一臂上二臂上三臂折臂重 型 机 械 表 工况二应力部位极值/主体应力/下一臂下二臂下三臂下四臂上一臂上二臂上三臂折臂 由臂架系统应力云图可以分析得到 各节臂正常结构中应力极值约为 出现在下四臂头部位置 从表 与表 中可以看出各节臂主体应力均小于 超过材料许用应力的区域很小 仅集中在个别单元的尖端 此种情况可判定为应力奇异点 不予考虑 除应力奇异点外 臂架结构的绝大部分区域应力水平均低于材料的许用应力 因此判定臂架结构的强度满足使用要求 具有很大的优化空间 但如图 所示在上三臂头部出现了应力极值为 的区域 远超上三臂用材 的许用应力图 上三臂头部加强板应力云图 稳定性分析结果通过 有限元分析 工况一和工况二臂架结构 阶屈曲特征值如表 和表 所示表 工况一臂架结构 阶屈曲特征值模态阶数下臂屈曲特征值上臂屈曲特征值 表 工况二臂架结构 阶屈曲特征值模态阶数下臂屈曲特征值上臂屈曲特征值 从表中可以分析出下臂总成最小(阶)屈曲特征值为 上臂总成最小(阶)屈曲特征值为 根据工程经验 最小屈曲特征值 可认为稳定性满足要求 因此判定 臂架的稳定性存在安全隐患 需对其进行优化改进影响臂架结构屈曲稳定性的结构出现在下三臂底部、下四臂内部底面扣槽板端部以及上一臂变幅机构加强结构到上一臂拖链安装口位置 如图 图 所示图 工况一下臂屈曲分析结果(阶)图 工况一上臂屈曲分析结果(阶)重 型 机 械图 工况二下臂屈曲分析结果(阶)图 工况二上臂屈曲分析结果(阶)臂架结构优化研究从静力学分析可知 臂架基本能满足实际工况下的强度要求 在两种工况下主体应力都远小于材料的屈服极限 且工况一的主体应力大于工况二 因此 在工况一的受载下优化臂架厚度臂架的长度和截面形状已经确定 为了使臂架整体轻量化 降低臂架的重心 增加举高喷射消防车的稳定性 在满足材料强度的要求下对下臂总成的厚度进行优化 根据屈曲强度分析 臂架系统在下三臂、下四臂以及上一臂中存在稳定性问题 且工况一显示出的问题更为严重 需要针对性进行结构优化以提高屈曲强度 强度结构优化在第 章应力有限元结果分析中发现上三臂头部加强板应力远超材料许用应力 主要原因在于敞开式的箱型结构 因此 选择通过将敞开式箱型结构优化为封闭式箱型结构 并在摆动油缸紧固件安装位置添加加强肋以提高结构强度 如图 所示图 优化后上三臂头部位置对优化后的臂架系统进行有限元分析 得到上三臂有限元分析结果如图 所示 其应力极值为 主体应力为 可知优化后上三臂应力值满足小于材料许用应力要求图 优化后上三臂应力云图在保证举高喷射消防车臂架材料在不发生失效的前提下 通过减小臂架系统下臂总成主体槽形板厚度以减小臂架的自重 降低臂架的重心减轻举高喷射消防车上车系统的重量 不仅可以提高举高喷射消防车的性能 还可达到降低成本、提高经济性的目的 下臂总成主体槽形板厚度优化方案如表 所示表 下臂总成优化方案对比参数优化前优化方案一优化方案二下一臂厚度/下二臂厚度/下三臂厚度/下四臂厚度/最大主体应力/经优化过后 两种方案的臂架主体槽形板厚度都明显减小 考虑到优化方案二不仅充分利用了材料性能 减重效果也十分明显 因此采用优化方案二进行优化 有限元分析结果如图 所示重 型 机 械 图 下臂总成优化后应力云图 稳定性结构优化在稳定性分析中发现在下三臂底部、下四臂内部底面扣槽板端部 以及上一臂变幅机构加强结构到上一臂拖链安装口位置存在稳定性问题结合下三臂结构中的空间使用情况和有限元分析结果 选择在臂内底部前后方向增加梯形扣槽板以提高屈曲强度 因屈曲发生部位处于底部中间位置 所以设计扣槽板仅覆盖中间区域 同时因为扣槽板在臂架内侧 空气流通少 所以可以选择敞口式结构 避免增加多余重量 如图 所示图 下三臂扣槽板下四臂底部内侧设计有供液压管路与电缆通过的扣槽板 所以整体屈曲处于标准允许范围内 但因设计过程中并未将扣槽板延伸到下四臂头部位置 所以通过屈曲分析结果可以看出在下四臂头部位置出现了失稳情况 故将下四臂内原有的扣槽板延伸至下四臂头部位置 如图 所示图 下四臂扣槽板因上一臂发生屈曲的位置 臂架内侧安装有拖链机构 因此只能选择将其设计在节臂外侧扣槽板选择与下三臂相同的梯形结构 但因其位置处于臂架外侧 空气流通量较大 所以选择将扣槽板两端设计为 斜面并加以封口 以减小风力对臂架的影响 如图 所示图 上一臂扣槽板对改进后的结构在工况一中进行稳定性分析 分析结果如图、图 和表 所示 根据分析结果 优化后臂架模型最小(阶)屈曲特征值为 影响臂架屈曲稳定性的结构出现在下四臂内部扣槽板处 根据工程经验 前 阶屈曲特征值均大于 即认为屈曲稳定性满足安全要求表 优化后臂架 阶屈曲特征值模态阶数下臂特征值上臂特征值 重 型 机 械图 优化后下臂总成屈曲分析结果图 优化后上臂总成屈曲分析结果 结论该文对 举高喷射消防车的臂架进行了设计与优化 取得了以下研究成果:()通过结合臂架展开形式的特点与优劣和消防车臂架系统的设计要求与工作特点 确定 臂架系统的整体设计方案 使用 建立了臂架系统三维模型 设计了臂架伸缩机构参数()对 臂架模型进行有限元分析前期简化处理 确定了各连接件的装配关系和网格划分方式 分析出臂架存在的危险工况 对有限元分析所要考虑的载荷进行计算 ()使用有限元分析软件 分别从刚度、强度和屈曲强度三方面对臂架进行有限元分析 通过分析结果确定结构优化方向()基于安全性和实用性对臂架系统进行结构优化 通过将下臂总成主体减薄以提高材料性能的利用率并达到臂架减重的目的 通过增加扣槽板以提高臂架系统整体稳定性参考文献:孟令锐.登高平台消防车臂架结构分析与研究.长春:吉林大学.张全灵.城市主战消防车浅析.消防技术与产品信息():.马云峰.消防车的分类、定义及用途释义.商用汽车():.():.隋晓东 吕晓东 袁哲善.型登高平台消防车臂架结构仿真分析及优化研究.专用汽车():.黄定红.混凝土泵车臂架结构疲劳寿命预测研究.重庆:重庆大学.范卿 曾杨.基于带权重遗传算法的工程变幅机构优化设计.中国工程机械学报 ():.王晓宇.大跨度举高喷射消防车臂架系统动力学仿真与优化研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.陈泽 张剑敏 吴斌兴.基于拓扑优化的混凝土泵车一臂轻量化设计.中国工程机械学报():.伍财生 袁清珂 吴强 等.登高消防车臂架的有限元分析与优化研究.机电工程 ():.张喜清 张浩杰 智晋宁 等.混凝土泵车臂架系统优化设计及试验.现代制造工程():.重 型 机 械