舉高消防車活動支腿縱向跨距對支腿離地距離的影響

鄒寧波 周敏 楊軍

摘要：針對某采用H型支腿形式的舉高消防車部分工況出現(xiàn)支腿離地距離較大的問題，建立了下車焊接裝配體有限元模型，研究了活動支腿縱向跨距對支腿離地距離的影響，分析得出活動支腿縱向跨距對支腿離地距離的影響規(guī)律，并對深層次的原因探究，為舉高消防車下車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：舉高消防車；活動支腿縱向跨距；支腿離地距離；有限元法

中圖分類號：U469.97? 收稿日期：2023-04-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.010

1 前言

舉高消防車的下車鋼結(jié)構(gòu)主要由副車架、固定支腿和活動支腿等組成。救援滅火作業(yè)時，在整車的自重、風(fēng)載與噴水反力等載荷的作用下，當(dāng)臂架在安全工作范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)時，與臂架方位相反的一側(cè)支腿有可能離開地面，形成三點(diǎn)支撐。根據(jù)《GB 7956.12-2015》規(guī)定，消防車處于三點(diǎn)支撐時，支腿的離地距離應(yīng)小于20 mm，才能保證其作業(yè)時的安全性。

影響舉高消防車支腿離地距離的因素包括上車傾翻力矩、上車剪切力、下車剪切力、支腿跨距、結(jié)構(gòu)形式等[1]。在已有的文獻(xiàn)中，有較多的文章研究了上車傾翻力矩、副車架扭剛度、支腿剛度對消防車支腿離地距離的影響，但關(guān)于支腿跨距對支腿離地距離影響的研究鮮有涉及。支腿跨距不僅會影響支腿離地距離，還會影響下車結(jié)構(gòu)的布置、整車軸荷的分布，因此，研究支腿跨距對消防車支腿離地距離的影響規(guī)律具有重要意義。

以某種采用H型支腿形式的舉高消防車的下車焊接裝配體為研究對象，在Ansys中，利用殼單元構(gòu)建了下車焊接裝配體有限元模型。針對部分支腿離地距離較大的工況，以活動支腿的縱向跨距為研究變量，在保證整體自重不變的前提下調(diào)整活動支腿的縱向跨距，進(jìn)行下車焊接裝配體有限元計算，分析得出消防車活動支腿的縱向跨距對支腿離地距離的影響規(guī)律，并對產(chǎn)生這一規(guī)律的深層次原因進(jìn)行探究。

2 下車結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

2.1 模型簡化

下車焊接裝配體主要承載部件由副車架、活動支腿、底盤大梁和垂直油缸等組成[2]。副車架為鋼板焊接的箱形多室薄板結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部焊接若干加強(qiáng)隔板以提高抗彎剛度和抗扭剛度。支腿分為固定支腿和活動支腿，固定支腿和副車架焊接為一個整體。該型舉高消防車活動支腿采用一級支腿，活動支腿通過與固定支腿采用插入式搭接方式連接。

為了更高效地調(diào)整下車焊接裝配體模型中活動支腿縱向跨距，研究舉高消防車活動支腿縱向跨距對離地距離的影響，特別采用殼單元建立副車架、活動支腿、底盤大梁的模型，采用桿單元構(gòu)建活動支腿垂直油缸的模型，采用梁單元構(gòu)建副車架和底盤大梁之間、活動支腿和垂直支撐油缸之間的螺栓模型，采用接觸單元構(gòu)建活動支腿與固定支腿之間的接觸模型[2-3]。構(gòu)建的下車焊接裝配體有限模型如圖1所示。

2.2 載荷邊界條件

建立如圖2所示的坐標(biāo)系，以回轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)為原心，底盤縱向?yàn)閤軸，底盤橫向?yàn)閥軸，依據(jù)右手定則確定z軸。上車臂架自重載荷及噴水載荷通過O點(diǎn)的集中載荷P和傾翻力矩M來施加，其中傾翻力矩M與x坐標(biāo)軸夾角為f。下車載荷G通過質(zhì)心匹配的方式施加。

下車活動支腿與副車架的連接方式如圖3所示，固定支腿與副車架在點(diǎn)D處通過共節(jié)點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)剛性連接。活動支腿和固定支腿的接觸點(diǎn)B處約束x、y、z向的平動自由度和y向的轉(zhuǎn)動自由度。活動支腿和固定支腿的接觸點(diǎn)C處約束x、z向的平動自由度和y向的轉(zhuǎn)動自由度。支腿垂直油缸和活動支腿在A處通過節(jié)點(diǎn)耦合x、y、z向的平動自由度。

下車結(jié)構(gòu)通過活動支腿垂直油缸與水平地面接觸，由于上車傾翻力矩的作用，副車架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形，以至于支腿在左右、前后方向發(fā)生滑動[4-5]。故在設(shè)置支腿液壓油缸的約束時，應(yīng)當(dāng)考慮釋放副車架前后、左右運(yùn)動的自由度。

臂架在①區(qū)作業(yè)時，A支腿約束x、y、z向的平動自由度，B支腿約束y、z向的平動自由度，C支腿約束z向的平動自由度，D支腿約束x、z向的平動自由度；臂架在區(qū)域②③④內(nèi)作業(yè)時[1]，下車各支腿的約束方式見表1。

3 活動支腿縱向跨距對支腿離地距離的影響

3.1 移動前固定支腿位置對支腿離地距離的影響

調(diào)整有限元模型中前固定支腿到回轉(zhuǎn)中心的距離，使得支腿縱向跨距分別為8 660 mm、9 260 mm、9 860 mm，計算臂架回轉(zhuǎn)角度在90°～135°之間，以5°為一個區(qū)間變化時，各個工況的支腿離地距離，并錄于表2。表中結(jié)果顯示，三種縱向跨距的消防車在臂架回轉(zhuǎn)角度為110°時，支腿離地距離最大，且活動支腿縱向跨距越大，支腿離地距離越小。

從消防車支腿離地距離最大時的變形圖（圖5）中可以看出，活動支腿縱向跨距變大時，扭轉(zhuǎn)中性層向后移動，在載荷相同的前提下，扭轉(zhuǎn)中性層距離后固定支腿越近，支腿離地距離越小。

3.2 移動后固定支腿位置對離地距離的影響

調(diào)整有限元模型中后固定支腿到回轉(zhuǎn)中心的距離，使得支腿縱向跨距分別為8 660 mm、9 260 mm、9 860 mm，計算臂架回轉(zhuǎn)角度在90°～135°之間，以5°為一個區(qū)間變化時，各個工況的支腿離地距離，并錄于表3。表中結(jié)果顯示，三種縱向跨距的消防車在臂架回轉(zhuǎn)角度為110°時，支腿離地距離最大，且活動支腿縱向跨距越大，支腿離地距離越大。

從消防車離地距離最大時的變形圖（圖6）中可以看出，活動支腿縱向跨距變大時，扭轉(zhuǎn)中性層向前移動，在載荷相同的前提下，扭轉(zhuǎn)中性層距離后固定支腿越遠(yuǎn)，支腿離地距離越大。

4 原因分析

移動前固定支腿，改變支腿跨距對消防車支腿離地距離的影響與移動后支腿，改變支腿跨距對消防車的影響截然相反，這個規(guī)律較難從直觀上理解。為了探究這一規(guī)律產(chǎn)生的深層次原因，依次分析前支腿反力之差、前支腿受到的傾翻力矩、支腿離地距離之間的關(guān)系。

4.1 前支腿反力之差與支腿離地距離的關(guān)系

四點(diǎn)支撐時，消防車支腿反力計算公式為：

式中，G為下車重力；P為上裝重力；Mx為上裝傾翻力矩在x方向分量；My為上裝傾翻力矩在y方向分量；l1為支腿縱向跨距；l2為支腿橫向跨距；l3為下車質(zhì)心與前固定支腿的縱向距離；l4為上裝質(zhì)心與前固定支腿的縱向距離；F1為右前支腿反力；F2為右后支腿反力；F3為左后支腿反力；F4為左前支腿反力。

當(dāng)根據(jù)四點(diǎn)支撐的方式計算出某個支腿反力為零或負(fù)數(shù)時，表示此時那個支腿已經(jīng)離地。設(shè)D支腿抬起，此時的支腿反力計算公式需要更改如下[5]：

式中，b為車輛兩個后支腿油缸撐地點(diǎn)連線與車輛縱軸線的夾角；f1為右前支腿反力；f2為右后支腿反力；f4為左前支腿反力。

將式（1）～式（4）編制成舉高車穩(wěn)定性計算程序，計算臂架在0°～360°之間回轉(zhuǎn)的該車型的支反力數(shù)據(jù)，并繪制成曲線圖，見圖7。觀察到消防車抬腿區(qū)域的前支腿反力之差，有先增大后減小的趨勢，消防車支腿離地距離也有先增大后減小的趨勢，前支腿反力之差最大時消防車支腿離地距離最大。說明消防車前支腿反力之差與支腿離地距離正相關(guān)。

為了更清晰地展現(xiàn)這一規(guī)律，繪制前支腿反力之差與回轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線圖（圖8）。圖中顯示，前支腿反力之差與回轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線斜率突變處，支反力最大，支反力最大時的回轉(zhuǎn)角度與試驗(yàn)基本一致。前支腿反力之差與回轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線斜率為零，即前支腿反力之差最大時，支腿離地距離最大，支腿離地距離最大時的回轉(zhuǎn)角度也與試驗(yàn)[6]基本一致。

4.2 前支腿所受傾翻力矩與支腿離地距離的關(guān)系

對副車架受力狀態(tài)進(jìn)行理想假設(shè)：a.消防車前支腿著地，后支腿不著地；b.副車架縱向跨距增大的過程中，扭轉(zhuǎn)剛度不變。

如圖9所示，根據(jù)材料力學(xué)可得，消防車副車架扭轉(zhuǎn)角度與前支腿所受傾翻力矩的關(guān)系為：

式中，G為材料剪切模量；Ip為截面極慣性矩。

當(dāng)副車架截面一定時，G、Ip為常量，上述公式可知消防車副車架扭轉(zhuǎn)角度與前支腿所受傾翻力矩成正比，而支腿橫向跨距為定值，副車架扭轉(zhuǎn)角度[θ]與消防車支腿離地距離成正比。

因此可以得出，前支腿所受傾翻力矩與消防車支腿離地距離成正比。

4.3 前支腿反力之差與前支腿受到的傾翻力矩的關(guān)系

引用式（1）中前支腿反力F1、F4的計算公式做差得：

式中，l2為支腿橫向跨距，在本文中屬于常量；l1為支腿縱向跨距；l4為上裝質(zhì)心與前固定支腿的縱向距離，為變量。

由式（5）可以推導(dǎo)出前支腿反力之差與前支腿受到的傾翻力矩成正比，從而可以推導(dǎo)出前支腿反力之差與支腿離地距離之間正相關(guān)。

分兩種情況來詳細(xì)討論前支腿反力與支腿離地距離的關(guān)系：

a.前支腿移動時，l1增大，l4增大，[l4l1]增大，則F4-F1減小，支腿離地距離減小。

b.后支腿移動時，l1增大，l4不變，[l4l1]減小，則F4-F1增大，支腿離地距離增大。

下文將運(yùn)用舉高車穩(wěn)定性計算程序來驗(yàn)證。

5 支腿離地距離與活動支腿縱向跨距的關(guān)系

5.1 影響關(guān)系驗(yàn)證——前活動支腿移動

調(diào)整前固定支腿到回轉(zhuǎn)中心的距離，使得支腿縱向跨距分別為8 660 mm、9 260 mm、9 860 mm，依據(jù)舉高車穩(wěn)定性計算程序，計算臂架回轉(zhuǎn)角度在0°～360°之間變化時前后支反力之差，并繪制的關(guān)系曲線，如圖10所示。

圖10中顯示，在臂架傾翻力矩相同，副車架截面相同的前提下，當(dāng)前支腿移動導(dǎo)致副車架縱向跨距變小時，前支腿反力之差變大，從而導(dǎo)致支腿離地距離變大。

5.2 影響關(guān)系驗(yàn)證——后活動支腿移動

調(diào)整后固定支腿到回轉(zhuǎn)中心的距離，使得支腿縱向跨距分別為8 660 mm、9 260 mm、9 860 mm，依據(jù)舉高車穩(wěn)定性計算程序，計算臂架回轉(zhuǎn)角度在0°～360°之間變化時前后支反力之差，并繪制關(guān)系曲線，如圖11所示。

圖11中顯示，在臂架傾翻力矩相同，副車架截面相同的前提下，當(dāng)后支腿移動導(dǎo)致副車架縱向跨距變小時，前支腿反力之差變小，因此支腿離地距離變小。

6 結(jié)語

本文分析了舉高消防車活動支腿縱向跨距對支腿離地距離的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：影響消防車離地距離大小的根本因素是前支腿分到的傾翻力矩，前支腿受到的傾翻力矩越大，支腿離地距離越大；受到的傾翻力矩越小，支腿離地距離越小。

對應(yīng)研究不同支腿移動改變支腿跨距時，有以下結(jié)論：

a.在臂架傾翻力矩相同，副車架截面相同的前提下，當(dāng)前支腿移動導(dǎo)致支腿縱向跨距變小時，前支腿受到的傾翻力矩變大，因此消防車支腿離地距離變大。

b.在臂架傾翻力矩相同，副車架截面相同的前提下，當(dāng)后支腿移動導(dǎo)致支腿縱向跨距變小時，前支腿受到的傾翻力矩變小，因此消防車支腿離地距離變小。

本文研究結(jié)論可以為消防車的活動支腿、副車架設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

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作者簡介：

鄒寧波，男，1987年生，工程師，研究方向?yàn)橄儡囕v設(shè)計開發(fā)。