高空工作平臺調(diào)平方法的研究

王茂偉 梁峰 李群 王健

摘要：高空作業(yè)車或載人類舉高消防車頂部的工作平臺調(diào)平性能的好壞，直接關(guān)系到作業(yè)人員的人身安全。一旦發(fā)生事故，死亡概率超過80%。本文對現(xiàn)有臂架類車輛的工作平臺常用的調(diào)平方式以及其應(yīng)用范圍、優(yōu)缺點進(jìn)行了深入分析，并針對現(xiàn)有調(diào)平方式的不足，提出了一種調(diào)平精度高、調(diào)平角度大、適用范圍廣的全新調(diào)平方法，以供行業(yè)參考和應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：高空作業(yè)平臺；消防車；調(diào)平；工作平臺

中圖分類號：U463 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.01.005

0 引言

高空作業(yè)車或載人的舉高消防車（ 包括登高平臺消防車和云梯消防車2 種）， 作為一種常見的高空作業(yè)或救援裝備，其工作臂的頂部均配備了工作平臺（ 或稱工作斗）。車輛通過工作平臺和臂架的運動實現(xiàn)人員輸送。為確保作業(yè)人員的安全，車輛特別設(shè)有工作平臺自動調(diào)平裝置，以保證在臂架運動過程中，工作平臺始終處于水平或近似水平狀態(tài)。高空作業(yè)屬于高危行業(yè)，作業(yè)高度越高，危險性越大，因此工作平臺的調(diào)平性能直接關(guān)系到作業(yè)人員的人身安全。一旦發(fā)生事故，死亡概率超過80%，因此國家標(biāo)準(zhǔn)對工作平臺的調(diào)平有明確的要求。以舉高消防車為例，依據(jù)GB 7956.12-2015《消防車 第12 部分：舉高消防車》的規(guī)定，舉高車工作斗在安全工作范圍內(nèi)，其地板與水平面應(yīng)始終自動保持水平，調(diào)平誤差不應(yīng)超過3°。調(diào)平應(yīng)及時平穩(wěn)[1]。

1 常用的工作平臺調(diào)平方式及應(yīng)用范圍

目前常用的工作平臺調(diào)平方式主要可分為機械調(diào)平、液壓調(diào)平和電液調(diào)平3 種基本形式。在一些復(fù)合臂架的設(shè)計中，也有各種調(diào)平方式組合使用的情況，以實現(xiàn)更精確和穩(wěn)定的調(diào)平效果。

1.1 機械調(diào)平

機械調(diào)平機構(gòu)主要分為3 種形式，分別是：平臺自重調(diào)平機構(gòu)、平行四連桿調(diào)平機構(gòu)和鏈輪鏈條調(diào)平機構(gòu)。

1.1.1 平臺自重調(diào)平機構(gòu)

這種調(diào)平方式的原理相對簡單， 其設(shè)計核心在于將平臺的重心置于與自身旋轉(zhuǎn)鉸點的正下方（ 如圖1 示意）。通過利用平臺自身和載荷的重力，確保在升降過程中平臺能夠維持水平狀態(tài)。盡管這種方法結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，但由于缺乏額外的旋轉(zhuǎn)約束，當(dāng)作業(yè)人員在平臺上移動或平臺內(nèi)的載荷發(fā)生變化時，平臺容易產(chǎn)生晃動，從而帶來較大的安全隱患。因此，這種調(diào)平方式主要出現(xiàn)在早期低高度的高空作業(yè)車上，目前已基本被淘汰。

1.1.2 平行四連桿調(diào)平機構(gòu)

該機構(gòu)由一組或多組平行四邊形連桿機構(gòu)組成，其工作原理基于平行四邊形兩對邊在運動中始終保持平行的特性，從而實現(xiàn)對工作平臺的調(diào)平，其工作原理參見圖2。這種調(diào)平方式具有穩(wěn)定且可靠的調(diào)平精度。然而，由于其連桿長度固定不變，因此并不適用于帶有伸縮臂架的工作平臺調(diào)平，而主要適用于配備折疊臂架的高空作業(yè)車或舉高消防車。

1.1.3 鏈輪鏈條調(diào)平機構(gòu)

該機構(gòu)由平行四邊形演變而來，每一組機構(gòu)由鏈條和2 個直徑相同的鏈輪組成。其中一個鏈輪相對固定，另一個鏈輪可相對轉(zhuǎn)動。這2 個鏈輪分別鉸接在臂架兩端的變幅鉸點上，并通過鏈條保持相對轉(zhuǎn)角不變。以圖3 為例，鏈輪3 固定在工作平臺2 上（ 兩者無相對運動，鏈輪軸即為平臺旋轉(zhuǎn)軸），鏈輪6固定在轉(zhuǎn)臺1 上（ 兩者無相對運動，與下臂變幅軸同軸固定）。序4、5 為雙聯(lián)鏈輪（ 與臂架變幅鉸點同軸）。由于鏈輪3 和鏈輪6 分別固定在工作平臺2 和轉(zhuǎn)臺1 上，當(dāng)任一臂架進(jìn)行變幅運動時，鏈條將強制帶動工作平臺作等角度反方向變化。無論臂架如何變幅，工作平臺始終與轉(zhuǎn)臺平面保持平行。

與平行四連桿調(diào)平機構(gòu)相同，由于鏈條長度固定不變，該調(diào)平機構(gòu)并不適用于帶有伸縮臂架的工作平臺調(diào)平。它主要適用于配備折疊臂架的高空作業(yè)車或舉高消防車，以確保在這些特定類型車輛上的工作平臺能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定且可靠的調(diào)平。

1.2 液壓調(diào)平

液壓調(diào)平機構(gòu)有2 組三角形機構(gòu)組成，這2 組三角形機構(gòu)中各有1 個調(diào)平油缸（2 個油缸的結(jié)構(gòu)尺寸通常相同）。2 個調(diào)平油缸的有桿腔與有桿腔相連通，無桿腔與無桿腔相連通，從而形成了封閉的液壓回路。這種機構(gòu)利用臂架變幅過程中2 組三角形的角度變化近似相等但方向相反的原理（ 并非相似三角形） 來對工作平臺進(jìn)行調(diào)平。

以圖4 為例，主動調(diào)平油缸5 與被動調(diào)平油缸2 的無桿腔、有桿腔分別互相連通。當(dāng)伸縮臂架3 通過變幅油缸4 進(jìn)行起升時，臂架會強制帶動主動調(diào)平油缸5 進(jìn)行伸展。此時，主動調(diào)平油缸5 有桿腔的油液會進(jìn)入被動調(diào)平油缸2 的有桿腔，從而使得被動調(diào)平油缸2 進(jìn)行回縮，并帶動工作平臺1 作順時針旋轉(zhuǎn)。反之，當(dāng)伸縮臂架3 進(jìn)行回落時，工作平臺1 則逆時針旋轉(zhuǎn)。該機構(gòu)的調(diào)平關(guān)鍵在于△ dae 和△ bfg 的合理選定，即如何確保∠ dae 與∠ fbg 的角度變化近似相等。

這種調(diào)平方式大多應(yīng)用于伸縮式臂架的高空作業(yè)車或舉高消防車上，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點。

1.3 電液調(diào)平

電動調(diào)平機構(gòu)是在工作平臺上設(shè)置傾角傳感器，通過傳感器感知平臺與水平面之間的夾角。當(dāng)平臺的夾角偏離安全范圍時，液壓執(zhí)行機構(gòu)（ 如伸縮油缸或擺動油缸） 將被激活，以驅(qū)動工作平臺調(diào)平至安全夾角范圍內(nèi)。這種調(diào)平方式對執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)要求相對簡單，但對控制元件（ 如比例閥、控制器） 的精度和控制程序的算法合理性要求較高。因此，電液調(diào)平多應(yīng)用于高端產(chǎn)品，并且應(yīng)用較廣泛。

2 現(xiàn)有調(diào)平方式的缺陷

調(diào)平精度、調(diào)平范圍和調(diào)平可靠性是衡量調(diào)平裝置性能優(yōu)劣的3 大關(guān)鍵指標(biāo)。盡管目前存在多種調(diào)平方式，但均存在一定的局限性和缺陷。

平行四連桿機構(gòu)和鏈輪鏈條調(diào)平機構(gòu)主要適用于非伸縮式臂架。由于連桿和鏈條較長，它們占用的空間相對較大。此外，鏈條的長度越長，其彈性變形也會越大，導(dǎo)致2 個鏈輪的相對轉(zhuǎn)角偏差增大，從而降低了調(diào)平精度。對于平行四連桿機構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)空間的限制，其調(diào)平角度范圍通常不超過150°。當(dāng)臂架采用連桿機構(gòu)進(jìn)行變幅，且最大變幅角度可達(dá)180°時，這種調(diào)平方式就不再適用。

液壓油缸三角形的調(diào)平機構(gòu)受限于三角形的特性。在臂架的變幅運動中2 組三角形的理論角度變化并非嚴(yán)格相等。實際上，2 組三角形的角度變化近似相等（ 偏差在±1°以內(nèi)） 的角度范圍相對較小，即可用的調(diào)平角度范圍較窄，通常不超過50°（ 存在一定的偏差）。而多數(shù)臂架的變幅角度在80°以上，若采用這種方式調(diào)平，調(diào)平偏差會過大。加上液壓油和液壓膠管的彈性變形以及車輛本體的水平偏差，累積偏差可能超過3°，導(dǎo)致調(diào)平精度極低，增加了工作平臺上作業(yè)人員的不適感和恐慌心理。

電動調(diào)平方式雖然具有調(diào)平精度較高和調(diào)平角度大的優(yōu)點，但受到電氣系統(tǒng)元器件的影響，其故障率相對較高，可靠性降低。此外，電動調(diào)平實際上是間歇式調(diào)平，存在一定的滯后性。臂架運動速度越快，滯后感越明顯，這不僅增加了平臺上作業(yè)人員的不適感，還限制了臂架的運動速度。這一缺陷與舉高消防車以救人為主、速度優(yōu)先的要求相悖。

3 一種新型平臺調(diào)平方法

為解決現(xiàn)有調(diào)平裝置存在的缺陷，現(xiàn)提出一種新型平臺調(diào)平方法及裝置。

3.1 應(yīng)用范圍

本新型平臺調(diào)平方法適用于各種臂架形式的工作平臺，具有廣泛的適用性。

3.2 結(jié)構(gòu)組成

以一種常用的伸縮+ 折疊式結(jié)構(gòu)的高空作業(yè)車復(fù)合臂架為例，調(diào)平結(jié)構(gòu)的組成與布置如圖5 所示。圖5 展示了臂架與調(diào)平結(jié)構(gòu)的總體組成與布置。其中，下臂4 為一種伸縮式臂架，分別與轉(zhuǎn)臺1 和上臂7 鉸接。下變幅油缸3 負(fù)責(zé)驅(qū)動下臂4 繞轉(zhuǎn)臺鉸點進(jìn)行變幅運動。連桿變幅機構(gòu)6 則采用一種常用的四連桿機構(gòu)，由連桿組和上變幅油缸組成。通過上變幅油缸的驅(qū)動，四連桿機構(gòu)能夠帶動上臂7 繞下臂4 的鉸點進(jìn)行變幅運動。工作平臺9 為一種載人工作斗，與上臂7 通過鉸接方式進(jìn)行連接。

圖6 為圖5 中序2 的機構(gòu)放大圖， 序2-1、2-2、2-3、2-4 共同組成了圖5 中的序2 底部主動調(diào)平機構(gòu)。其中，底部主動輔助輪2-2 為傳動鏈輪，其旋轉(zhuǎn)軸固定在轉(zhuǎn)臺1 上，使得主動輔助輪2-2 能夠繞其旋轉(zhuǎn)軸自由旋轉(zhuǎn)。底部主動同軸輪2-4 同樣是傳動鏈輪，固定在下臂4 上（ 與下臂4 無相對運動），其旋轉(zhuǎn)軸與下臂4 的變幅軸同軸，確保兩者同步轉(zhuǎn)動。底部主動傳動條2-3 作為同步傳動鏈條，在底部主動輔助輪2-2 和底部主動同軸輪2-4 之間起到了中間傳動裝置的作用。底部主動調(diào)平油缸2-1 的活塞桿一端固定在底部主動傳動條2-3 上，缸筒一端固定在轉(zhuǎn)臺1 上，確保油缸軸線與底部主動傳動條2-3 的直線部分始終保持平行關(guān)系。

圖7 為圖5 中序5 的機構(gòu)放大圖，序5-1、5-2、5-3、5-4 共同組成了圖5 中的序5 中間主動調(diào)平機構(gòu)。其中，中間主動輔助輪5-2 作為傳動鏈輪，其旋轉(zhuǎn)軸固定在下臂4 上，使得主動輔助輪5-2 能夠繞其旋轉(zhuǎn)軸自由旋轉(zhuǎn)。中間主動同軸輪5-4 同樣是傳動鏈輪，固定在上臂7 上（ 與上臂7 無相對運動），其旋轉(zhuǎn)軸與上臂7 的變幅軸同軸，確保兩者同步轉(zhuǎn)動。中間主動傳動條5-3 作為同步傳動鏈條，在中間主動輔助輪5-2 和中間主動同軸輪5-4 之間起到了中間傳動裝置的作用。中間主動調(diào)平油缸5-1 的活塞桿一端固定在中間主動傳動條5-3 上，缸筒一端則固定在下臂4 上，確保油缸軸線與中間主動傳動條5-3 的直線部分始終保持平行關(guān)系。

圖8 為圖5 中序8 的機構(gòu)放大圖，序8-1、8-2、8-3、8-4 共同組成了圖5 中的序8 從動調(diào)平機構(gòu)。其中，從動輔助輪8-2 作為傳動鏈輪，其旋轉(zhuǎn)軸固定在上臂7 上，使得從動輔助輪8-2 能夠繞其旋轉(zhuǎn)軸自由旋轉(zhuǎn)。從動同軸輪8-4 同樣是傳動鏈輪，它固定在工作平臺9 上（ 與工作平臺9 無相對運動），其旋轉(zhuǎn)軸與工作平臺9 的上下旋轉(zhuǎn)軸同軸，確保兩者同步轉(zhuǎn)動。從動傳動條8-3 作為同步傳動鏈條，在從動輔助輪8-2 和從動同軸輪8-4 之間起到了中間傳動裝置的作用。從動調(diào)平油缸8-1 的活塞桿一端固定在從動傳動條8-3 上，缸筒一端則固定在上臂7 上，確保油缸軸線與從動傳動條8-3 的直線部分始終保持平行關(guān)系。

圖9 為調(diào)平油缸間的連接原理圖，圖中未特別說明的序號與其他附圖代表部件一致。底部主動調(diào)平油缸2-1 和中間主動調(diào)平油缸5-1 的無桿腔通過梭閥11 與從動調(diào)平油缸8-1 的無桿腔連通，確保三者之間無桿腔的油液能夠相互流通。同時，底部主動調(diào)平油缸2-1 和中間主動調(diào)平油缸5-1 的有桿腔通過梭閥11 與從動調(diào)平油缸8-1 的有桿腔連通，使得有桿腔的油液能夠順暢地流動。此外，為了確保油液劉翔的控制，底部主動調(diào)平油缸2-1與從動調(diào)平油缸8-1的無桿腔之間設(shè)有單向閥，同樣，中間主動調(diào)平油缸5-1 與從動調(diào)平油缸8-1 的無桿腔之間也設(shè)置了單向閥。這些單向閥的作用是確保從動調(diào)平油缸8-1 無桿腔的油液能夠順利地流向底部主動調(diào)平油缸2-1 或中間主動調(diào)平油缸5-1 的無桿腔，但不允許反向流動。同理，底部主動調(diào)平油缸2-1 與從動調(diào)平油缸8-1 的有桿腔之間、中間主動調(diào)平油缸5-1 與從動調(diào)平油缸8-1 的有桿腔之間也設(shè)置了單向閥，以實現(xiàn)油液流向的控制。

圖9 中，底部主動調(diào)平油缸2-1、中間主動調(diào)平油缸5-1、從動調(diào)平油缸8-1 的無桿腔油流截面積均相同，有桿腔油流截面積也相同。這樣的設(shè)計確保了油液在流動過程中的阻力一致，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時，底部主動同軸輪2-4、中間主動同軸輪5-4、從動同軸輪8-4 的傳動半徑均相同，這保證了傳動過程中的力矩一致性和效率，進(jìn)一步增強了整個調(diào)平機構(gòu)的協(xié)同性和調(diào)平精度。

3.3 調(diào)平原理

調(diào)平機構(gòu)裝配過程須先確保工作平臺的踩踏平面與轉(zhuǎn)臺下平面保持平行。當(dāng)下臂4 進(jìn)行變幅運動時，下臂4 帶動底部主動同軸鏈輪2-4 作等角度轉(zhuǎn)動，底部主動同軸鏈輪2-4 通過底部主動鏈條2-3 帶動底部主動調(diào)平油缸2-1 進(jìn)行直線伸或縮運動。底部主動調(diào)平油缸2-1 通過油液同步帶動從動調(diào)平油缸8-1 進(jìn)行等長度直線縮或伸運動，從動調(diào)平油缸8-1 通過從動鏈條8-3 帶動從動同軸鏈輪8-4 進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從動同軸鏈輪8-4 驅(qū)動工作平臺9 作與底部主動同軸鏈輪2-4 相反方向的等角度轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)工作平臺的調(diào)平工作。同理，當(dāng)上臂7 進(jìn)行變幅運動時，下臂7 帶動中間主動同軸鏈輪5-4 作等角度轉(zhuǎn)動，中間主動同軸鏈輪5-4 通過中間主動鏈條5-3 帶動中間主動調(diào)平油缸5-1 進(jìn)行直線伸或縮運動。中間主動調(diào)平油缸5-1 通過油液同步帶動從動調(diào)平油缸8-1 進(jìn)行等長度直線縮或伸運動，從動調(diào)平油缸8-1 通過從動鏈條8-3 帶動從動同軸鏈輪8-4 進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從動同軸鏈輪8-4 驅(qū)動工作平臺9 作與中間主動同軸鏈輪5-4 相反方向的等角度轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)工作平臺的調(diào)平工作。

由上可知，無論是下臂4 或上臂7進(jìn)行俯仰運動時，工作平臺均能通過以上調(diào)平機構(gòu)實時、嚴(yán)格地進(jìn)行與下臂4或上臂7 反向的等角度轉(zhuǎn)動，確保工作平臺9 始終與轉(zhuǎn)臺1 的下平面保持平行，即保持水平狀態(tài)。

將主動調(diào)平油缸的有桿腔油流截面積用A 1 表示，主動調(diào)平油缸的無桿腔油流截面積用B 1 表示，從動調(diào)平油缸的有桿腔油流截面積用A 2 表示，從動調(diào)平油缸的無桿腔油流截面積用B 2 表示，主動同軸輪的傳動半徑用R 1 表示，從動同軸輪的傳動半徑用R 2 表示。上述A 1、A 2、B 1、B 2、R 1、R 2 存在以下公式關(guān)系，

即在保持上述關(guān)系的前提下，可以根據(jù)需要對A 1、A 2、B 1、B 2、R 1、R 2 的數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。

3.4 對比優(yōu)勢分析

優(yōu)勢1：與采用液壓油缸三角形的調(diào)平方式相比，本調(diào)平方式具有更高的調(diào)平精度。由于主動同軸輪的轉(zhuǎn)動角度與臂架的變幅角度保持嚴(yán)格一致，同時從動同軸輪的轉(zhuǎn)動角度與工作平臺的轉(zhuǎn)動角度也保持嚴(yán)格一致，并且主動同軸輪與從動同軸輪的轉(zhuǎn)動角度絕對值完全相同但方向相反，因此臂架在變幅運動過程中，工作平臺能夠確保始終保持水平狀態(tài)。

優(yōu)勢2 ：與其他機械和液壓調(diào)平方式相比，本調(diào)平機構(gòu)具有更大的調(diào)平角度范圍，同時占用空間更小。工作平臺的調(diào)平角度取決于從動調(diào)平油缸的行程和從動同軸輪的傳動半徑，這些參數(shù)可以根據(jù)實際需求進(jìn)行設(shè)定，尤其適用于需要進(jìn)行大角度變幅的臂架。此外，主動調(diào)平機構(gòu)和從動調(diào)平機構(gòu)之間除了液壓油管相連外，沒有其他連接裝置，因此結(jié)構(gòu)緊湊，便于在各種空間布局中布置。

優(yōu)勢3 ：與電動調(diào)平方式相比，本調(diào)平裝置完全由液壓油缸和機械裝置組成，不依賴于傳感器的精度和可靠性，也不依賴于電控程序的合理性，因此具有更高的調(diào)平可靠性。

優(yōu)勢4 ：本調(diào)平機構(gòu)適用于各種形式的臂架。無論是單純的伸縮臂、折疊臂，還是多節(jié)伸縮+ 多節(jié)折疊式的復(fù)雜臂架，該裝置都能有效適用，使得其適用車型范圍更為廣泛。

4 結(jié)束語

綜上分析，上述新型油缸+ 鏈輪組合的調(diào)平方式能夠創(chuàng)新性地解決現(xiàn)有工作平臺各種調(diào)平機構(gòu)的缺陷，該調(diào)平方式具有適用范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊、易于布置、調(diào)平精度高、調(diào)平范圍大、可靠性高以及響應(yīng)速度快的顯著優(yōu)勢，是一種值得廣泛應(yīng)用和推廣的技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 消防車 第12部分：舉高消防車：GB 7956.12-2015[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.