鄒寧波 周敏 楊軍

摘要：針對(duì)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(wèn)題，建立了下車焊接裝配體有限元模型，研究了活動(dòng)支腿縱向跨距對(duì)支腿離地距離的影響，分析得出活動(dòng)支腿縱向跨距對(duì)支腿離地距離的影響規(guī)律，并對(duì)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(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：舉高消防車；活動(dòng)支腿縱向跨距；支腿離地距離；有限元法

中圖分類號(hào)：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(dòng)支腿等組成。救援滅火作業(yè)時(shí)，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(shí)，與臂架方位相反的一側(cè)支腿有可能離開(kāi)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(shí)，支腿的離地距離應(yīng)小于20 mm，才能保證其作業(yè)時(shí)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(duì)消防車支腿離地距離的影響，但關(guān)于支腿跨距對(duì)支腿離地距離影響的研究鮮有涉及。支腿跨距不僅會(huì)影響支腿離地距離，還會(huì)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(duì)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(duì)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(duì)部分支腿離地距離較大的工況，以活動(dòng)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(dòng)支腿的縱向跨距，進(jìn)行下車焊接裝配體有限元計(jì)算，分析得出消防車活動(dòng)支腿的縱向跨距對(duì)支腿離地距離的影響規(guī)律，并對(duì)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(jiǎn)化

下車焊接裝配體主要承載部件由副車架、活動(dòng)支腿、底盤(pán)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(dòng)支腿，固定支腿和副車架焊接為一個(gè)整體。該型舉高消防車活動(dòng)支腿采用一級(jí)支腿，活動(dòng)支腿通過(guò)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(dòng)支腿縱向跨距，研究舉高消防車活動(dòng)支腿縱向跨距對(duì)離地距離的影響，特別采用殼單元建立副車架、活動(dòng)支腿、底盤(pán)大梁的模型，采用桿單元構(gòu)建活動(dòng)支腿垂直油缸的模型，采用梁?jiǎn)卧獦?gòu)建副車架和底盤(pán)大梁之間、活動(dòng)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(dòng)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(pán)縱向?yàn)閤軸，底盤(pán)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(guò)O點(diǎn)的集中載荷P和傾翻力矩M來(lái)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(guò)質(zhì)心匹配的方式施加。

下車活動(dòng)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(guò)共節(jié)點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)剛性連接。活動(dòng)支腿和固定支腿的接觸點(diǎn)B處約束x、y、z向的平動(dòng)自由度和y向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度?；顒?dòng)支腿和固定支腿的接觸點(diǎn)C處約束x、z向的平動(dòng)自由度和y向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。支腿垂直油缸和活動(dòng)支腿在A處通過(guò)節(jié)點(diǎn)耦合x(chóng)、y、z向的平動(dòng)自由度。

下車結(jié)構(gòu)通過(guò)活動(dòng)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(dòng)[4-5]。故在設(shè)置支腿液壓油缸的約束時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮釋放副車架前后、左右運(yùn)動(dòng)的自由度。

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

3 活動(dòng)支腿縱向跨距對(duì)支腿離地距離的影響

3.1 移動(dòng)前固定支腿位置對(duì)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(jì)算臂架回轉(zhuǎn)角度在90°～135°之間，以5°為一個(gè)區(qū)間變化時(shí)，各個(gè)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(shí)，支腿離地距離最大，且活動(dòng)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(shí)的變形圖（圖5）中可以看出，活動(dòng)支腿縱向跨距變大時(shí)，扭轉(zhuǎn)中性層向后移動(dòng)，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(dòng)后固定支腿位置對(duì)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(jì)算臂架回轉(zhuǎn)角度在90°～135°之間，以5°為一個(gè)區(qū)間變化時(shí)，各個(gè)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(shí)，支腿離地距離最大，且活動(dòng)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(shí)的變形圖（圖6）中可以看出，活動(dòng)支腿縱向跨距變大時(shí)，扭轉(zhuǎn)中性層向前移動(dòng)，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(dòng)前固定支腿，改變支腿跨距對(duì)消防車支腿離地距離的影響與移動(dòng)后支腿，改變支腿跨距對(duì)消防車的影響截然相反，這個(gè)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(shí)，消防車支腿反力計(jì)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(jì)算出某個(gè)支腿反力為零或負(fù)數(shù)時(shí)，表示此時(shí)那個(gè)支腿已經(jīng)離地。設(shè)D支腿抬起，此時(shí)的支腿反力計(jì)算公式需要更改如下[5]：

式中，b為車輛兩個(gè)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(jì)算程序，計(jì)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(jiàn)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(shì)，消防車支腿離地距離也有先增大后減小的趨勢(shì)，前支腿反力之差最大時(shí)消防車支腿離地距離最大。說(shuō)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(shí)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(shí)，支腿離地距離最大，支腿離地距離最大時(shí)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(duì)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(guò)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(shí)，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(jì)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(lái)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(dòng)時(shí)，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(dòng)時(shí)，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(jì)算程序來(lái)驗(yàn)證。

5 支腿離地距離與活動(dòng)支腿縱向跨距的關(guān)系

5.1 影響關(guān)系驗(yàn)證——前活動(dòng)支腿移動(dòng)

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(jì)算程序，計(jì)算臂架回轉(zhuǎn)角度在0°～360°之間變化時(shí)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(dòng)導(dǎo)致副車架縱向跨距變小時(shí)，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(dòng)支腿移動(dòng)

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(jì)算程序，計(jì)算臂架回轉(zhuǎn)角度在0°～360°之間變化時(shí)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(dòng)導(dǎo)致副車架縱向跨距變小時(shí)，前支腿反力之差變小，因此支腿離地距離變小。

6 結(jié)語(yǔ)

本文分析了舉高消防車活動(dòng)支腿縱向跨距對(duì)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(duì)應(yīng)研究不同支腿移動(dòng)改變支腿跨距時(shí)，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(dòng)導(dǎo)致支腿縱向跨距變小時(shí)，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(dòng)導(dǎo)致支腿縱向跨距變小時(shí)，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(dòng)支腿、副車架設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：

鄒寧波，男，1987年生，工程師，研究方向?yàn)橄儡囕v設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。