消防车臂架铰接变幅机构仿真与优化

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登高平台消防车按臂架主要结构形式分为伸缩式 、折叠式以及伸缩折叠组合式。目前普遍应用的臂架形式为伸缩折叠组合式 ，即臂架系统由-组多级伸缩臂(1#臂)加另-组多级伸缩臂或折叠臂(2#臂)组成，两组多级臂架之间采用铰接变幅机构进行连接，实现两组臂架之间的相对变幅转动。两组多级臂架之间的铰接变幅机构不但要满足其运动轨迹的要求 ，而且要求其变幅油缸在变幅过程中压力峰值小，油缸冲击校王毅等对登高平台消防车变幅机构进行受力分析，王鑫等对 68 rfl登高平台消防车两组多级伸缩臂之间的铰接变幅机构基于MATLAB进行优化计算 ，为该类变幅机构的设计与优化提供了参考。

针对登高平台消防车臂架组合形式及铰接变幅机构进行分析研究 ，建立铰接变幅机构的力学模型，实现机构优化设 计 。

1 研 究对 象登高平台消防车臂架系统由-组多级伸缩臂加-组多节折叠臂及连杆(1)、连杆(2)、变幅油缸组成 ，如图 1所示 。

4 21-1#臂 2-2#臂 3-连杆(1)4-连杆(2)5-变幅油缸图 1 登高平台消防车臂架铰接变幅机构示意图1#臂为多级伸缩臂，2#臂为多节折叠臂。臂架铰接变幅机构运动过程分为两个步骤 ：第-步是 2#臂起臂至 15。(与水平夹角)，第二步是 1#臂起臂 86。(与水平消防科学与技术2013年 3月第 32卷第 3期夹角)后，2#臂变幅范围为[-71。，76。](与水平夹角)。

图 1中样机初始尺寸为： 1 100 mm，lAc-500 mm，Z∞ - 1 300 mm ，ZBE- 1 600 mm ，1Bu- 1 050 mm ，lEF-3 600 mm，其中 k为油缸安装尺寸，l#臂与 2#臂初始夹角为 劬--4。。

2 铰接变幅机构力学模型图2为 1#臂与 2#臂铰接变幅机构受力分析简图，G为 2#臂及以上部件重力和，0为质心点。

图 2 铰 接 亚 幅 机 构 受 力 分 析 衙 图对连杆(1)绕 B点求力矩平衡，可得式(1)。

F ×Z l-Fl×Zl (I)式中：F 为变幅油缸力，N；F 为连杆(2)对连杆(1)作用力，方向沿直线 CD，N；z 为变幅油缸力对 B点的力臂 ，mm；z 为作用力 F 对 B点的力臂，mm。

F ×Z F ×Z -G×Z。 (2)式中：z 为变幅油缸力对 A点的力臂，ram；z 为作用力F 对 A点的力臂 ，ram；z。为 2#臂及以上部件重力和对A点的力臂，mm。

f F -G×lG X 1/(1l×ly212× 1) ，1 F -G×z。×z /(z × z ×z )根据点到直线距离计算公式及图 2求出 ，如式(4)所示 。

z1- l(yD-Yc)·XB-(XD-Xc)·YBXD·Yc-yD·x l//(y。-Yc)。(X。-Xc) (4)同理，可求出 z 、z zy2。

设定各 铰点初始位置 坐标 为 A(X ，Ya)，B(X ，Y )，C(Xc，Y )，D(X。，Y。)，E(XE，YE)，F(XF，YF)，O(X。，Y。)。2#臂相对 1#臂变幅角度 a，即点 c、F绕点A旋转a角度 ，其位置坐标如式(5)所示。

f c-(1-COSG)·XAsing·yACOSG·Xc- ina·Yc1 c-sing·XA(1-cosG)·Yasina·XcCOSG·Yc(5)297 同理，可求出点 F坐标。

2#臂在变幅过程中，连杆(1)与连杆(2)始终交于 D点，且铰点 A与铰点 B为固定点，则可知 D点坐标符合如式(6)所示的关系式。

F ：，(a，G，XA，YA，XB，YB，Xc，Yc，XD，yD，XE，yE，XF，Y F，x。，Y0) (7)变幅油缸力值的大小与各铰点坐标值相关 ，除部分固定铰点外，其余铰点位置随 2#臂相对 1#臂变幅角度变化产生相应改变。根据以上计算可知，通过选择-组合适的铰点初始坐标值，不仅可使变幅过程中油缸力最大值最小，同时可使变幅过程中油缸力最大值与最小值的差值最校3 基于 ADAMS铰接变幅机构仿真与优化3.1 变幅机构动力学仿真根据图 1、图 2及样机初始尺寸建立简化运动仿真模型 ，以铰点 A 为坐标 原点 ，0点坐标 为(6 591，-1 682)，简化载荷 G-1.5×1O N。仿真中设定变幅油缸运动速度为 10 mm/s。运动第-阶段，即 2#臂起臂 15。(与水平夹角)，变幅油缸力仿真曲线如图 3所示。

Z- ×粤州 1li/s图3 运动第-阶段变幅油缸力仿真曲线变幅油缸力最大值为 1.245×10 N，随着 2#臂的展开，变幅油缸力呈减小趋势，2#臂起臂至与水平夹角 15。

臂架展开第二阶段，1#臂变幅展开至 86。(与水平夹角)后，2#臂变幅角度(与水平夹角)为[～71。，76。]，变幅油缸力仿真曲线如图4所示。

2981 5Z宝 1 0×譬 O 5It基时 间/s图4 运动第二阶段变幅油缸力仿真曲线变幅油缸力在 2#臂与水平面的夹角为-7l。时取得最小值 7.414×10 N。运行至 -188 S，即 2#臂变幅角度至 30。(与水平面的夹角)时，变幅油缸力最大值 为1.247× 10。N。

3.2 多变量试验设 计根据图2所示，铰点 B、C、D、E、F初始坐标值为 B(110，-1 200)、C(500，10)、D(1 30O，- 1 100)、E(1 700，- 1 000)、F(5 300，-1 600)。对铰点 B、C、D、E、F的横坐标与纵坐标建立设计变量，实现参数化：P。(DV1，DV- 2)、P (DV3，DV4)、PF(DV5，DV-6)、P。(Dv-7，DV- 8)、P。(DV9，Dv10)。根据变幅机构布置与运动空间限定各设计变量赋值变化范围为[DV-100，DV1OO]。

f OBJECTIVE：厂-min(F )1 DV：X-(DV-1～DV-10)利用 ADAMS附加拈 ADAMS/Insight可快速分析多个设计变量、试验，分析多个设计变量对目标响应的影响因子，从而针对影响较大的设计变量进行计算优化。

对上述 10个设计变量建立因素集 ，对 目标 函数建立响应，运行试验，得到各设计变量对 目标响应的影响大小，如表 1所示 。

表 1 各设计变量对目标响应的影响百分比目标响应 ：0BJECTIVE(，)目标函数 影 响百分 比 设计变量 最小值/ram 最大值/mm 影响值/N (绝对值)DV-4 - 1.10× 10a - 9.00× 10 2 2.72× 1O4 2.23DV 7 4.00×10e 6.00×10e -1.25×1O 1.O3%DV 6 - 1.70× 10 a - 1.50× 10s - 9.95× 103 0.82- DV 8 - 9O 1.1O× 1O2 - 9.19× 1O 0 0.75- DV-2 - 1.3O× 1O0 - 1.10× 1O0 7.82× l03 0.64DV-3 1.60× 10 3 1.80× 10a 5.31× lO 0 0.44DV-9 1.20× 1O0 1.40× 10 3 5.25× 100 0.43DV-10 - 1.2O× 100 - 1.00× 10a 3.85× 10a 0.32DV-1 1O 2.10× 10 2 - 2.56× 1O 2 0.21DV-5 5.2O× lO 0 5.40× 10a - 1.94× 103 0.16 0 o根据表 1可知 ，铰点.B、E、F的纵坐标 DV-2、DV-4、Dv6对目标影响较大，铰点 C的横坐标 DV-7与纵坐标DV8对目标影响较大，铰点 F的横坐标 Dv5对目标影响最小 。

3.3 多变量优化计算对试验设计中对目标影响最大的 5个变量进行优化计算 ，即得式(9)。

fOBJECTIVE：厂-min(F )1DV：X(DV-2、DV-4、DV-6、DV-7、DV-8)Fire Science and Technology，March 2013，Vol 32，No.3 根据铰点变幅机构运动原理建立约束 函数，如式(1O)所示 。

S.T.-Z脏-Z∞≥ OZ舾Z -Z口≥0Z雎Z口-Z ≥0ZBCZ口-Z口≥O (i0)Z ZEF-ZcF≥0Z口ZcF-Z口≥0ZcFZ口- Z ≥ 0基于 ADAMS优化拈进行分析计算 ，得到如表 2所示迭代计算结果。

表 2 各设计变量对目标响应的迭代优化计算目标函数 设计变量，DV- 2 DV-4 DV 6 DV 7 D 8 l厂(N)/ram /ram /mm1.218 0× 106 - 1 197 --984 - 1 692 493 119.697 0× 1O ～ 1 297 --1 084 - 1 592 593 11O9.696 8× 10s - 1 297 --1 084 - 1 592 593 110根据表 2可知 ，设计变量 DV-2取值为-1 297 mm、Dv4取值为-1 084 mrfl、DV 6取值为-1 592 mm、DV- 7取值为 593 Film、Dv8取值为 110 ITtm时，变幅油缸力最大值减小至 9.696 8×1O N，其优化曲线如图 5所示。

日 I司/s圈5 变幅油缸力优化曲线综合表 2与图 5可知，优化计算后的各铰点坐标为B(110，- 1 297)、C(593，110)、E(1 700，- 1 084)、F(5 300，-1 592)。变幅油缸力最大值减小，且运动过程变幅油缸力变化更平缓 。

4 结 论(1)对登高平台消防车臂架铰接变幅机构进行分析，建立机构变幅油缸力力学模型，并基于 ADAMS/Insight分析各设计变量对 目标响应的影响因子，为臂架铰接变幅机构铰点优化提供理论基矗(2)对影响较大的设计变量进行优化计算，得到优化后 各 铰 点 坐 标 为 B(1l0，- 1 297)、C(593，110)、E(1 700，-1 084)、F(5 300，-1 592)。变幅油缸力最大消防科学与技术2013年 3月第 32卷第 3期值由 1.247×10。N减小至 9.696 8×1O N，且运动过程中油缸力变化更平缓。经试验验证，变幅油缸力最大值由 1.271×10 N减小至 9.816×10 N，优化效果明显。

(3)对举高类消防车臂架铰接变幅机构的优化计算可为后续的多变幅机构多 目标函数联合优化提供参考。