周磊

長(zhǎng)沙中聯(lián)消防機(jī)械有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410200

技術(shù)論壇

云梯消防車的柔性長(zhǎng)臂架主動(dòng)減振控制方法

周磊

長(zhǎng)沙中聯(lián)消防機(jī)械有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410200

針對(duì)云梯消防車臂架在工作中容易出現(xiàn)振動(dòng)，產(chǎn)生交變應(yīng)力引起結(jié)構(gòu)疲勞，從而導(dǎo)致救援效率降低等問題，提出了一種針對(duì)復(fù)雜長(zhǎng)臂架的主動(dòng)減振控制方法。通過對(duì)彈性系統(tǒng)約束點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，吸收已轉(zhuǎn)化的勢(shì)能，運(yùn)用ANSYS軟件，結(jié)合某型云梯仿真分析，通過對(duì)臂架彈性系統(tǒng)約束點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位移的求解，實(shí)現(xiàn)了臂架振動(dòng)快速衰減。通過實(shí)際測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，采用這種控制方法，可以有效地實(shí)現(xiàn)臂架在不同工況下的振動(dòng)衰減，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

云梯消防車 柔性長(zhǎng)臂架 振動(dòng)衰減 主動(dòng)控制 ANSYS

1 前言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，高層建筑越來越多，救援難度也顯著增大。云梯消防車作為現(xiàn)代都市高層建筑救援與火災(zāi)撲救中堅(jiān)力量的地位尤為突出。

云梯消防車主要由工作平臺(tái)、伸縮臂架、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、支腿支撐系統(tǒng)及底盤構(gòu)成。各種臂架、支撐、平臺(tái)動(dòng)作都通過電氣控制液壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如電氣控制臂架變幅油缸實(shí)現(xiàn)臂架的變幅、伸縮油缸實(shí)現(xiàn)臂架的伸縮等，60 m云梯消防車及其工作狀態(tài)如圖1所示。

目前市場(chǎng)上云梯消防車的救援高度范圍為20～60 m。隨著救援高度的增加，臂架的長(zhǎng)度也隨之增長(zhǎng)。這種超長(zhǎng)的懸臂結(jié)構(gòu)，極易受到外界干擾，如：被救人員跳躍進(jìn)工作平臺(tái)、頂部水炮沖擊載荷、風(fēng)載偶然載荷等，都會(huì)導(dǎo)致臂架產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，且振動(dòng)很難短時(shí)間內(nèi)消除，從而引發(fā)如長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)導(dǎo)致救援效率下降、工作斗平臺(tái)人員的不適、臂架結(jié)構(gòu)由交變應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞、壽命降低等各種問題。

為解決消防車長(zhǎng)臂架振動(dòng)及快速消除振動(dòng)的問題，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，如：袁杰、崔壯平等人通過對(duì)柔性長(zhǎng)臂架采用多傳感器振動(dòng)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜超長(zhǎng)臂架振動(dòng)特性的快速采樣[1]；陳剛、李平等人對(duì)通過對(duì)相關(guān)云梯消防車的液壓系統(tǒng)的建模仿真，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓動(dòng)作的精確快速控制，并成功運(yùn)用在實(shí)際系統(tǒng)控制中[2]；結(jié)合液壓精確快速控制，陳剛、李平等人也進(jìn)行了基于模糊規(guī)則的消防云梯車殘余振動(dòng)控制的相關(guān)研究，并通過仿真計(jì)算實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證[3]。

借鑒之前學(xué)者的相關(guān)理論與仿真分析，通過對(duì)云梯消防車進(jìn)行多次振動(dòng)特性分析、測(cè)試，本文提出了一種新的臂架振動(dòng)的主動(dòng)控制方法，并在云梯車上針對(duì)不同的工作狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試與驗(yàn)證，得到了有效減振的預(yù)期效果。

2 主動(dòng)減振控制方法

通過對(duì)云梯展開后多工況的測(cè)試與分析可知，這種長(zhǎng)臂架展開后，主要振動(dòng)產(chǎn)生在延臂架切線方向，類似懸臂梁振動(dòng)。對(duì)這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以近似采用等效剛度模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。其振動(dòng)形態(tài)主要取決于臂架當(dāng)前工況下的長(zhǎng)度、變幅角度及頂端平臺(tái)載荷。簡(jiǎn)化的等效剛度模型如圖2所示。

振動(dòng)特性可通過采用等效剛度的單自由度振動(dòng)模型進(jìn)行描述，針對(duì)每一個(gè)振動(dòng)過程，將其分解成無限小的n步，其振動(dòng)能量的衰減與變化都可以通過表1進(jìn)行描述。長(zhǎng)臂架的振動(dòng)能量實(shí)質(zhì)上是臂架動(dòng)能與彈性勢(shì)能互相轉(zhuǎn)換，通過阻尼逐漸消耗，直至衰減到振動(dòng)停止。

表1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化等效后的振動(dòng)能量變化分析

式中，v為當(dāng)前速度；Ev為系統(tǒng)動(dòng)能；H為彈性系統(tǒng)壓縮量；Ek為系統(tǒng)彈性勢(shì)能；α為當(dāng)前加速度；k為系統(tǒng)剛度；t為時(shí)間；S為約束處位移量。

當(dāng)臂架動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能時(shí)，給定約束點(diǎn)位移S（臂架變幅油缸運(yùn)動(dòng)）來逐步釋放勢(shì)能，同時(shí)為避免“釋放”過度造成動(dòng)能增加（加速度增加），加入常數(shù)項(xiàng)c，控制0＜c＜1，即保持釋放量Sn始終小于壓縮量Hn。最終，通過約束點(diǎn)（變幅油缸） 的 位 移Sn，實(shí) 現(xiàn) 釋 放由 動(dòng) 能EV逐步 轉(zhuǎn) 化 的彈 性 勢(shì) 能Ek，以達(dá)到消除臂架振動(dòng)的目的，主動(dòng)減振迭代算法如表2所示。

表2 主動(dòng)減振迭代算法

3 主動(dòng)減振仿真分析

結(jié)合以上分析，本文針對(duì)某25 m云梯消防車臂架，在臂架伸長(zhǎng)量為22 m，工作平臺(tái)載荷為200 kg，變幅角度為0°的狀態(tài)下，進(jìn)行主動(dòng)減振的仿真分析。在ANSYS環(huán)境中，對(duì)25 m云梯模型進(jìn)行了處理，采用了beam188梁?jiǎn)卧?，?duì)稱模型，忽略了一些細(xì)微非承載結(jié)構(gòu)，等效處理了整體質(zhì)量，針對(duì)當(dāng)前工況設(shè)置了相關(guān)的邊界條件（沖擊、約束），25 m臂架等效仿真模型如圖3所示。

結(jié)合實(shí)際測(cè)試，對(duì)仿真模型參數(shù)進(jìn)行修正，得出振動(dòng)曲線如圖4所示，其振動(dòng)周期達(dá)1.3 s，激勵(lì)振幅為0.48 m，對(duì)比當(dāng)前工況的測(cè)量值，仿真模型可以準(zhǔn)確地反映實(shí)際的臂架振動(dòng)情況。

通過前述理論分析，選取臂架振動(dòng)動(dòng)能最大的時(shí)刻，見圖5中A點(diǎn)，此時(shí)臂架動(dòng)能最大并開始轉(zhuǎn)換為臂架勢(shì)能。

采用ANSYS命令流方式進(jìn)行主動(dòng)減振約束點(diǎn)Sn的求解。求解的Sn曲線如圖5所示。通過變幅油缸類似脈沖形式的運(yùn)動(dòng)，在1 s內(nèi)運(yùn)動(dòng)22 mm再返回原位，即可快速消除臂架當(dāng)前的振動(dòng)。振動(dòng)衰減效果如圖6所示，當(dāng)前振幅衰減在1 s內(nèi)達(dá)到90%以上。通過調(diào)整不同的c值，即可達(dá)到不同的衰減效果。

4 試驗(yàn)及測(cè)試

通過之前的理論分析以及仿真模擬，結(jié)合實(shí)車進(jìn)行測(cè)試，臂架采用25 m云梯消防車臂架，工況伸長(zhǎng)量為22 m，載荷為200 kg，變幅角度－2°的狀態(tài)，主動(dòng)減振測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。通過對(duì)工作平臺(tái)處施加約0.6 m的強(qiáng)制振動(dòng)，在振動(dòng)第二周期動(dòng)能最大時(shí)刻進(jìn)行主動(dòng)減振控制，對(duì)變幅油缸施加等同于Sn曲線的位移，實(shí)際測(cè)試效果如圖8所示。臂架振動(dòng)衰減效果與仿真分析結(jié)果一致，在1 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)了振幅90%的衰減。

5 結(jié)語

針對(duì)長(zhǎng)臂架的主動(dòng)減振算法，結(jié)合仿真分析求解了臂架系統(tǒng)約束點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)曲線，實(shí)現(xiàn)了臂架振動(dòng)的快速衰減。通過YT25云梯消防車的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，減振效果明顯，救援效率將會(huì)大幅提升，有必要在相似結(jié)構(gòu)車型上大量推廣和應(yīng)用。

a. 在工程應(yīng)用中，單自由度懸臂梁振動(dòng)模型可以等效模擬復(fù)雜的長(zhǎng)臂架的振動(dòng)特性；

b. 長(zhǎng)臂架的振動(dòng)可以通過變幅油缸的脈沖式小位移進(jìn)行快速衰減，衰減效果明顯。在不同的工況下測(cè)試，都具有良好的抑制效果；

c. 該技術(shù)針對(duì)類似的長(zhǎng)臂架，都可以進(jìn)行有效的減振處理：通過測(cè)試得出不同臂架的振動(dòng)簡(jiǎn)化模型，對(duì)變幅油缸（約束點(diǎn)）施加不同的脈沖式的小位移運(yùn)動(dòng)，即可快速消除臂架產(chǎn)生的振動(dòng)。

[1] 袁杰,崔壯平, 羅華等.應(yīng)用于柔性長(zhǎng)臂架的多傳感器振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015(11):71-96.

[2] 陳剛 ,李 平,崔壯平等.消防云梯車變幅液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建模仿真[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2014(12):7-12.

[3]崔壯平,陳剛,李平等.基于模糊規(guī)則的消防云梯車殘余振動(dòng)控制研究[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理,2014(2):121-124．

Active Control of Damping Oscillations of Flexible Aerial Ladder

ZHOU Lei

Aerial Ladder can be oscillated easily when extended. The oscillation will deduce the rescue efficiency and cause structure Fatigue etc. An active control method of damping oscillations of flexible ladder was mentioned in this article , and oscillation was acquired quickly dampened by test. A theory of active control method was described ：Absorb potential energy via motion of suspension which caused the system energy released and oscillation dampened. Using the theory to simulate an aerial ladder model in ANSYSTM，we have solved the motion curve of suspension to damping the oscillation. Applying this curve in reality aerial ladder test, we have achieved the oscillation dampened effectively.

aerial ladder; flexible ladder; oscillation dampened; active control; ANSYS

周磊，男，1981年生，工程師，現(xiàn)從事舉高消防車的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。

U469.6+8.03

A

1004-0226(2017)07-0092-03

2017-05-25