登高平臺雙油缸協同作業動力學仿真分析

李金川, 李軍,4, 張勇, 王恒

(1.徐州工程機械集團有限公司，江蘇徐州 221004;2.江蘇徐工工程機械研究院有限公司，江蘇徐州 221004;3.高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇徐州 221004;4.燕山大學機械工程學院，河北秦皇島 066004)

0 前言

多功能搶險救援車是一種用于地震、塌方、洪水等自然災害中以救人為主的專用車輛，屬應急救援機械，能滿足高低空、河道、遠距離繩索拋投等救援工況，同時還具備起吊、拖拽、抓取、鋼筋剪切、縫隙擴張等功能。多功能搶險救援車的折疊臂有主臂、主臂伸縮臂、副臂、副臂伸縮臂四節臂，登高平臺工況為四節臂配合使用。本文作者重點研究登高平臺運行過程中油缸的協同調平作業動力學分析。

多功能搶險救援車的登高平臺參照高空作業平臺和登高平臺消防車的相關標準進行設計，登高平臺調平機構是登高類消防車最為重要的機構之一，其作用是使登高平臺地面始終保持水平。登高平臺調平機構包括自重調平機構、平行四連桿調平機構、鏈條鏈輪調平機構、靜液壓調平機構和電液調平機構。高空作業平臺、登高平臺消防車的調平一般通過液壓缸控制，多數為液壓缸直動調平機構，該調平機構結構簡單、調平范圍小。液壓缸連桿調平機構由單油缸及四連桿機構組成，該機構在滿足調平角度范圍的情況下可縮短調平油缸的行程，但該機構油缸受力過大，所選用油缸不能滿足搶險救援車的結構要求。同構、異構雙油缸串聯調平機構是一種靜液壓調平機構，結構簡單、動作平穩連續，在不大于30 m的設備上有著廣闊的應用市場。

多功能搶險救援車的登高平臺與折疊臂相連，可實現高空、低空及遠距離救援作業，較高空作業車及登高平臺消防車的作業范圍更廣。因其折疊臂的作業范圍較大(主臂變幅為-6°～80°、副臂變幅為0°～180°)，平臺作業范圍為-12～25 m，單油缸無法滿足其調平需求，故設計選用雙油缸調平。但是，油缸的運動是根據其受力大小而調整的，初始狀態時，油缸受力小則優先供油，雙油缸控制較繁瑣，不能主觀規定其供油順序。針對登高平臺調平作業中雙油缸協同控制問題，運用動力學軟件ADAMS輔助仿真，得到特定工況下油缸的正確運動形式，從而確定特定工況下各油缸的供油順序。

1 登高平臺運動分析

多功能搶險救援車登高平臺的調平工作依靠臂頭油缸(位于四節臂臂頭)和調平油缸(位于登高平臺下方)的配合實現。多功能搶險救援車在使用登高平臺時，可將全工況分為2種：(1)正向作業工況，從初始位置升至最高點；(2)負向作業工況，從初始位置下降至最低點(如深坑工況)。根據平臺上升高度與下沉深度要求，選取合適的油缸鉸點，從而得到兩油缸的伸長量及油缸長度。登高平臺兩油缸結構形式及安裝位置如圖1所示。

圖1 登高平臺雙油缸結構形式及安裝位置

臂頭油缸、調平油缸參數如表1所示。

表1 兩油缸鉸點、行程參數 單位：mm

多功能搶險救援車的主臂和副臂由相對獨立油缸驅動，在作業過程中要求相互配合完成平臺升降。應用機器學中的坐標變換，在轉臺回轉中心建立固定坐標系，并分別以各擺臂鉸接連接軸為原點建立坐標系、、，如圖2所示。擺臂關節相對于基坐標系的坐標參數如表2所示。

圖2 臂架、登高平臺坐標系

表2 臂架、登高平臺坐標參數

圖2中：主臂變幅為-6°～80°；副臂變幅為0°～180°；登高平臺的調節范圍為90°～228°；主臂和副臂之間的距離為996 mm；主臂的收縮范圍為8 570～14 025 mm；副主臂的收縮范圍為6 842～10 323 mm。

(3)

為表達簡潔，令=sin、=cos。將各坐標變換矩陣、、相乘，可獲得總變換矩陣，即：

(4)

則登高平臺相對固定坐標系的坐標為

(5)

通過MATLAB仿真得到總變換矩陣模型的最大作業范圍如圖3所示，得到登高平臺的最大作業范圍：最高25 m、最遠25 m、最深12 m。

圖3 總變換矩陣MATLAB仿真作業范圍

將臂架、登高平臺及調平系統Pro/E模型導入到ADAMS軟件中，得到其動力學模型如圖4所示。

圖4 臂架、登高平臺及調平系統動力學模型

為模型添加約束、運動等參數后，進行運動學仿真，得到在同一垂直面內的全工況工作范圍如圖5所示。最終得到全工況的作業范圍：最高25 m、最遠25 m、最深12 m，且驗證得登高平臺的雙油缸可以滿足全工況作業。

取最危險工況(主臂伸縮臂伸出、副臂伸縮臂伸出，即吊臂力矩最大工況)進行動力學仿真。

圖5 全工況作業范圍

2 登高平臺動力學分析

2.1 登高平臺臂頭油缸、調平油缸受力測量

多功能搶險救援車的登高平臺調平過程是臂頭油缸和調平油缸共同作用實現的，由于臂頭油缸與調平油缸并聯安裝，判斷哪一油缸優先作用就要判斷哪一油缸腔體所受壓力較小，故對兩油缸載重初始狀態進行受力分析。登高平臺載重初始狀態如圖6所示，載重初始狀態參數如表3所示。

對載重初始狀態進行受力分析，得到初始狀態臂頭油缸大腔壓力為5.9 MPa、調平油缸小腔壓力為21.5 MPa，故臂頭油缸優先作用。

圖6 載重初始狀態

表3 載重初始狀態參數

2.1.1 正向作業工況動力學分析

正向作業工況：登高平臺載質量為600 kg，提升至25 m高空。正向作業工況形式如圖7所示。

圖7 正向作業工況

調平過程：初始狀態臂頭油缸所受壓力小，在該過程中臂頭油缸優先作用，在它達到最大伸長量后調平油缸開始作用。

在登高平臺的仿真中，不能直接得到臂頭油缸和調平油缸的受力，應首先根據假設運動狀態得到兩油缸運動曲線，再分別將曲線擬合成二者的運動函數進行平臺調平。由于兩油缸分別作用，臂頭油缸優先運動，欲得到臂頭油缸運動曲線，應先將調平油缸設置為固定，并規定平臺始終保持水平(與大地添加平行副)，臂頭油缸設置為隨動，至臂頭油缸達到最大伸長量后，第一次仿真結束。仿真得到臂頭油缸的伸長量如圖8所示。

由圖8可得：在=107 s時，臂頭油缸伸長量達到最大值375 mm，故將此次仿真得到的0～107 s內的油缸運動數據導出，進行處理后再將該數據導入仿真模型并擬合成調平油缸的位移曲線，得到其擬合數據。

同理進行第2次仿真，得到調平油缸的運動曲線，其隨動伸長量曲線如圖9所示。

圖8 臂頭油缸隨動伸長量曲線 圖9 調平油缸隨動伸長量曲線

最后，將登高平臺的平行副刪除，此時將第1次、第2次仿真得到的擬合數據分別賦給臂頭、調平兩油缸，再次仿真，即可保證平臺水平，并可以測得臂頭油缸、調平油缸運動過程中的準確受力。正向作業工況兩油缸受力對比如圖10所示。

圖10 正向作業工況兩油缸受力對比

由圖10得正向工況下的臂頭油缸、調平油缸受力對比如表4所示。

表4 正向工況臂頭油缸、調平油缸受力對比

該工況下兩油缸供油腔壓力對比如圖11所示。

圖11 兩油缸供油腔壓力對比(正向工況)

由圖11可得，初始狀態時調平油缸受力大于臂頭油缸，且在整個仿真過程中，調平油缸受力均大于臂頭油缸，與假設一致，故該假設成立。

2.1.2 負向作業工況動力學分析

負向作業工況：登高平臺載質量為600 kg，下降至12 m低空。負向作業工況形式如圖12所示。

圖12 負向作業工況

由于負向作業工況與正向作業工況的初始狀態相同，故負向作業工況在初始狀態時，臂頭油缸受力較小，臂頭油缸優先運動。通過運動學分析，得到該工況下直接作用臂頭油缸就可達到調平效果，仿真方法同正向作業工況，最終得到兩油缸受力情況如圖13所示。

圖13 負向作業工況兩油缸受力對比

由圖13可得臂頭油缸及調平油缸受力對比如表5所示。

表5 負向工況臂頭油缸、調平油缸受力對比

根據平臺運動軌跡，可得0～91 s內臂頭油缸大腔受力、調平油缸小腔受力，91～150 s內臂頭油缸小腔受力、調平油缸大腔受力，故該工況下兩油缸供油腔壓力對比如圖14所示。

圖14 兩油缸供油腔壓力對比(負向工況)

由圖14可以看出：兩壓力曲線在=107.3 s處存在交點，除此時間點外，臂頭油缸所受壓力均小于調平油缸，故臂頭油缸優先作用，當臂頭油缸達到最大伸長量時，調平油缸開始作用從而滿足平臺調平作業需求。

2.2 登高平臺調平精度分析

完成登高平臺調平仿真后，需要測量調平精度?？梢栽谄脚_建立3個點，這3個點組成一個與地面水平的平面，測量該平面在仿真過程中相對地面的坡度變化，即可轉化為平臺調平精度。根據ADAMS仿真模型中坐標系建立的三點位置關系如圖15所示。其中，平行于軸，且長為500 mm；垂直于(即平行于軸)。

圖15 三點位置關系

為測量該平面的坡度變化，在數學層面可以將其轉換成為平面方程相對于平面的偏微分，即轉換為平面方程對軸及軸的偏微分；在幾何層面可轉換成為平面與軸或軸的傾斜角，即直線相對于軸的傾斜角、直線相對于軸的傾斜角。

將正向作業工況仿真過程中、、的坐標變化導入到MATLAB中進行處理，得到直線相對于軸的斜率變化如圖16所示，可得斜率變化較小，整個過程中最大斜率為2×10。由于整個過程中臂模型只在平面內運動，理論上不存在平臺在垂直于運動平面方向上的異動，故得到相對軸的斜率變化為0。

同理得負向作業工況時相對軸的斜率變化如圖17所示，可得相對軸的斜率變化同樣較小，最大斜率為-9×10。

圖16 正向作業工況直線BC相對X軸斜率變化 圖17 負向作業工況直線BC相對X軸斜率變化

根據對平臺調平的精度分析，可得該方法在仿真層面是可行的，可以為雙油缸協同作業的設計或調試提供參考。

3 總結

(1)通過ADAMS動力學仿真，得到了一種分析雙油缸供油順序的仿真方法，并通過這種方法模擬了登高平臺調平作業真實情況下的兩種工況，得到了兩工況下均為臂頭油缸優先作用，在全工況范圍內兩油缸的最大受力為臂頭油缸57.13 kN，調平油缸47.36 kN。

(2)通過ADAMS與MATLAB聯合計算，將登高平臺的調平精度問題轉換為直線對坐標軸的斜率問題，綜合分析可知利用該方法得到的登高平臺調平精度較高，為液壓系統設計及樣機現場調試提供了參考。