毕业论文-高登平台救援消防车支承系统设计.doc

武汉理工大学硕士学位论文
分类号 密 级
UDC 学校代码 10497

学 位 论 文

题 目 登高平台救援消防车支承系统设计
Design on Electronic control System for Underground Lift Type
Compressed Garbage Station
英 文
题 目
申请学位级别 硕士 学科专业名称 机械工程
论文提交日期 2012.04 论文答辩日期 2012.05
学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期
答辩委员会主席 评阅人

2011年04月

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独 创 性 声 明
本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签 名： 日 期：

学位论文使用授权书
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研究生（签名）： 导师（签名）： 日期 目 录
第1章 绪 论 5
1.1 论文研究背景 5
1.2 论文主要研究内容的国内外研究现状及发展趋势 8
1.3 论文的研究目的和意义 12
1.4 论文的课题支撑及主要研究内容 12
第2章 支承系统结构设计 16
2.1底盘选型 16
2.2底盘副车架设计 18
2.2.1副车架结构形式 18
2.2.2副车架的前端形状 18
2.2.3材料的选用 20
2.2.4纵梁设计 20
2.2.5横梁设计 22
2.2.6连接及加固方式 24
2.3支腿形式设计 27
2.3.1支腿支撑方式选择 27
2.3.2支腿形式选择 28
2.4支腿跨距设计 30
2.4.1支腿横向跨距 30
2.4.2支腿纵向跨距 32
2.5支腿压力计算 33
2.6 支腿液压缸选型 35
2.7支承脚设计 35
2.7.1支承脚形式选择 35
2.7.2支承脚面积计算 36
2.8支撑系统稳定性分析 36
2.8.1 CAD/CAE技术介绍 36
2.8.2 支撑系统模型建立 37
2.8.3 支撑系统有限元分析 38
2.8.4 支撑系统结构优化设计 38
2.9本章小结 38
第3章 支承系统调平方法及策略 39
3.1调平思路 39
3.2调平原理 39
3.3调平方法设计 41
3.3.1调平方法选择 41
3.2.2 最高支腿的判断规则 43
3.2.3最低支腿的判断规则 44
3.4调平策略设计 44
3.5调平问题解决 46
3.6 本章小结 47
第4章 支承系统调平控制方案 48
4.1调平系统选择 48
4.2调平系统控制器选择 49
4.3调平控制系统的组成 51
4.4控制系统的软件设计 51
4.5调平系统核心部件选型 52
4.5.1登高平台救援消防车调平系统液压元件选型 52
4.5.2登高平台救援消防车调平系统传感器选型 54
第5章 全文总结与工作展望 56
5.1 全文总结 56
5.2 研究展望 56

第1章 绪 论
1.1 论文研究背景
消防车是装备各种消防器材、消防器具的各类消防车辆的总称，是消防队伍用来灭火，抢险救援的主要工具，消防车辆的水平，反映一个国家机械装备业的制造水平。近10年来，随着我国经济的发展，许多高层建筑、高大厂房及大型石化塔釜拔地而起。据统计，我国高层建筑有162,000栋，就大城市而言，上海差不多有10000多栋的高层建筑，其中30层以上的就有2000栋；另外，广东省有2,0000栋，北京有8000栋；杭州市近年来高层建筑的高度也不断被刷新，百米以上的超高层建筑有50多幢；沈阳市至少拥有超过50座的百米高楼。越来越多的高层建筑彰显着大都市的风采，同时也给高层建筑防灾装备和火灾救援能力提出了严峻挑战。高层建筑(超过24m或10层)火灾扑救是国际性的消防难题。高层建筑一旦着火，消防车如果作业高度不够，要么束手无策，任大火肆虐，要么另寻他路，而延误扑火战机，后果十分严重。为适应这种需要，传统的单一品种的消防车已从单一的水罐消防车逐步向大功率、高效能、多功能、多品种系列化发展。举高消防车是一种新技术消防车，作为消防车中的重要类别，是扑救高层建筑与火灾的重要装备，在现代都市中的灭火作用正显得越来越为重要。
举高消防车按底盘承载能力可分为轻型消防车、中型消防车和重型消防车。按用途可分为登高平台消防车、举高喷射消防车和云梯消防车，如图1-1、1-2、1-3所示。举高喷射消防车的特点：装备折迭式或折迭、伸缩组合式臂架、转台及灭火装置，杆状液压臂架和其顶部灭火喷射装置是其标志性配置。按臂架的结构型式可分为曲臂式举高消防车、直臂式举高消防车和组合臂式举高消防车。消防员在地面遥控操作臂架顶端的灭火喷射装置。但不能直接营救被困人员。登高平台消防车的特点：杆状液压臂架和其顶部的载人平台和灭火喷射装置是其标志性配置可扑救高层建筑、高大设施等火灾，营救被困人员、抢救贵重物资等。云梯消防车的特点：主要适用于将消防队员安全迅速地运到火灾现场,扑救高层建筑、高大厂房的火灾,营救高空被困人员,抢救贵重物资等作业。装备伸缩式云梯(可带有升降台)、转台及灭火装置，用于扑灭高层建筑火灾和抢救人员。

图1-1举高喷射消防车 图1-2云梯消防车 图1-3登高平台消防车
举高消防车按臂架的结构型式可分为曲臂式举高消防车、直臂式举高消防车和组合臂式举高消防车。直臂式消防车依靠其多级伸缩臂的直线伸缩而举升，整个臂架不能折叠，其最大作业幅度有一定的局限性；折臂式由多节折叠臂及其折叠臂液压缸等组成，工作时靠折叠臂液压缸实现工作点的举升和移位。相对于直臂式来说，折臂式作业幅度大，但结构复杂，稳定性差。组合臂式举高消防车由多节伸缩臂加1节或多节曲臂组成，具有作业高度高、跨障碍能力强，且作业稳定性好等特点。
登高平台救援消防车作为消防车体系中的重要一员，既有优越的灭火性能，又有强大的救援性能，在现代城镇高层建筑消防救援中发挥着其它消防车无法替代的作用。时至今日，登高平台救援消防车已经成为现代消防不可或缺的工具。与其他举高类消防车相比，其主要优点如下：
1）登高平台车的箱筒型臂架结构远比云梯车的槽型桁架梯架结构的抗扭转、弯曲能力强，刚性好。当采用组合式臂架结构时，跨越能力强，工作适用性好。
2为操作人员提供更为安全、适宜的高空作业位置，便于进行救援、排风、外部检修与喷水作业。作业平台额定承载量相对较大，至少达到300Kg。
3）上车动作既可在转台，也可在作业平台中操作完成，设置功能齐全的多媒体显示系统，可随时显示整机的动态工作参数并进行安全控制。
4）遇险人员（尤其是老弱病残者）利用平台快速、安全转移。平台下部或侧面装有救援用辅助固定装置，利于营救和转移已伤残的人员。中小型平台车臂架侧面还附带云梯救援系统。
5）平台上设有水炮、出水口、探照灯、手动工具、火场监控器等设备，整车消防救援能力强，利于火场指挥员从高空平台上勘察大面积火灾的情况。
登高平台救援消防车分为下车和上车两大部分。下车包括汽车底盘、副车架总成、支腿总成、下车消防系统、油泵装置、应急动力、下车液压系统、下车电气系统等。上车包括回转支承、转台、回转机构、臂架变幅系统、臂架总成、电缆输送系统、液压输送系统、上车消防系统、作业平台、平台调平系统、上车液压系统、上车电气系统、安全限位装置等，并可选装云梯系统、空气呼吸系统、照明系统等。其总体结构简图如图1-4所示。

1-底盘 2-臂架系统 3-作业平台 4-转台 5-副车架 6-支腿系统 7-水罐和泡沫罐
图1-4登高平台救援消防车总体结构图
本文主要研究作业平台3、副车架5、支腿系统6三个部分，每部分功能如下：
（1）作业平台
作业平台是承载工作人员和作业器材的装置。作业平台的放置位置有前置式、中置式和后置式三种形式，应该结合臂架和底盘形式来确定。图2-2中臂架形式为折叠臂式，所以作业平台选用了后置式放置形式。
（2）副车架
副车架是登高平台救援消防车非常重要的刚结构件，承载着整个上车的重量。副车架不仅强化了车架，而且可将登高平台救援消防车专用装置和装备的集中载荷较均匀地分布在车架上，并起到缓冲作用，改善车架的受力情况。
（3）支腿系统
登高平台救援消防车在作业时臂架容易受到风力、重力、喷射反力等作用力的影响而发生倾覆的危险。因此，为了保证整车作业时的安全、稳定，必须增大支撑面，这就需要在副车架或底盘上加装支腿装置。加装支腿之后，在作业前必须将支腿伸出并调平。
1.2 论文主要研究内容的国内外研究现状及发展趋势
1.2.1国内外总体发展现状
我国的消防车辆起步于20世纪40年代。60多年来,国产消防车行业经历了引进仿制、自主改装、合资生产到独立研发的过程。国产消防车的设计技术、制造工艺均有了突破性进展,已形成了系列化、功能化、多元化的产品特点。自上世纪90年代以后，我国国产举高消防车开始推向市场。近些年，国内举高消防车行业普遍存在技术风险大、行业管制严格、市场化不成熟等状况。主要厂家和产品有：锦州重型机械有限公司，生产锦重牌：eDQ22型、eDz32型、eDzso型；上海格拉曼国际消防装备有限公司，生产上格牌：DG22型；上海申龙消防设备器材有限公司，生产菱箭牌:KP22型、YTSO型；沈阳捷通消防车有限公司，生产金猴牌：DG22型、DG51型、DG32型、DG40型；沈阳消防车厂，生产金猴牌：eDQ24型、CDQ228型、CDZ32型、DG40型；抚顺重型机械有限公司，生产抚起牌：CDZ20型、CDZ25型、CDZ32型、CDZ40型、CJQ25型、CJZ30型；苏州市捷达消防车辆装备有限公司，生产苏捷牌：DG22F型、DG犯型；重庆大江车辆总厂，生产鳖鱼牌：KP20型；徐州工程机械集团有限公司，生产徐工牌：CDZ22型、CDZ32型、CDZ40型、DG22型、DG24型、DG32型、DG34型、DG40型、DG53型、DG68型。徐工还有重型两款消防车新品—DG42C、DG54C。徐工重型新推出的系列产品既充分吸收了国内外同类车型的亮点，又结合了我国消防装备的需求和发展趋势。新产品主作业参数和消防性能国际领先、多功能和动力性国内领先、控制系统先进、安全可靠，已顺利通过国家消防装备质量监督检验中心的型式试验，标志着徐工重型的多功能举高平台车系列DG42C、DG54C的成功问世。国内登高平台消防车现在可实现88m的最大工作高度、25m的最大工作幅度，创造了世界巨型登高车第三高度。
以上是中国登高平台消防车行业目前的整体现状，但其发展仍有诸多不足。首先存在救援高度上的局限。我们目前的消防援救设备高度普遍在30~50米之间，最大高度虽已达到88m，但普遍应用的不会超过60米，这意味着火灾一旦发生，登高车对于60米以上的救援任务几乎无能为力；其次，它还有外伸方面的局限，现在绝大部分消防车辆的外伸能力仅能达到17米左右；再次，还有承载能力的局限，现有的绝大部分登高车承载能力在210公斤到330公斤，这意味着登高车一次只能承载3-5个成年人，其中还要包括1名消防人员，承载能力决定了救援人数。还有就是水炮灭火能力的局限，现在的状况是每分钟灭火车的水流量限制为1800升到2200升，使得灭火强度并不理想。还有登高平台救援消防车的调平系统较缓慢，影响了整车作业时的稳定性。由于以上这些局限，一旦高层建筑发生火灾，除了利用现有高层自身灭火设备之外，很多外部的消防设备并不足以解决超过30米以上的楼层救援。除了以上几条，还有高科技产品和关键部件仍需进口、产品结构不太合理、专用底盘较为缺乏等诸多不足：。
国外发达国家对登高平台救援消防车的研究较早，且很多国家也已经取得了很好的成就。自20世纪40年代开始，一些发达国家就出现了20~30m的直臂云梯消防车，30~40m的组合臂举高平台车是后期出现的，在20世纪九十年代出现了组合臂举高平台车，其作业高度为68m。国际最著名的举高平台车生产厂家—芬兰的波浪涛公司 (BRONTO)生产的112m车，是现在世界上额定高度最大的举高平台车作业面可达37层高楼。该公司注重对用户要求的个性化匹配设计，从16~90米之间共有50多个产品型谱，车辆的性价比优异，系列非常完备，多样化达到5000余种，迄今为止全球累计销售超过10000台。
1.2.1国内外结构设计现状
我国消防车生产是在对国外同类产品进行消化吸收的基础上发展起来的，参照汽车起重机的设计方法来设计各臂段长度、臂与臂之间的搭接以及吊臂外露部分，吊臂截面主要通过同行业经验数据进行设计，粗略进行强度、稳定性校核。校核合格后生产样机，并进行样机试验，试验时在吊臂的各个部分贴上应变片测局部应力。如果某些部分应力过大，就焊装加强板，反之，则认为可以进行生产。这种处理方式导致臂架车架等结构件笨重，整车重心提高，消防车的稳定性降低。
目前该行业广泛应用的CAD软件仅限于：
1）图形处理技术，如二维交互图形技术、三维几何造型及其它图形输入输出技术。
2）数据管理和数据交换技术，如数据库管理、不同CAD系统间的数据交换和接口等。
3）文档处理技术，如文档制作、编辑及文字处理等。
CAD的另外两种用途还未广泛应用，即：
1）工程分析技术，如优化设计方法、物理特性计算（如面积、体积、惯性矩等）、模拟仿真等。
2）软件设计技术，如窗口界面、软件工程规范及其工具系统的使用等。
1.2.3稳定性研究现状
登高平台救援消防车的稳定性，几乎全部由消防车本身的质量维持，消防车的金属结构件，应有足够的强度和刚度，以承受外载荷，防止由于其质量不能平衡产生倾料力而失去稳定。如果仅仅是为了保证工作状态下的稳定，选用过大的汽车底盘，加大下车质量，在设计上是不台理的，在经济上也是不可取的。因此，对登高平台救援消防车的稳定性进行设计甚为重要。登高平台救援消防车的稳定性是用以表述消防车在消防灭火或高空救援状态下，抗御整机倾覆的能力。登高平台救援消防车在作业时，由于负荷过大，操作失误而引起过大的惯性力，或由于风载过大或支承面下沉等原因，往往会丧失稳定，甚至倾翻。因此，必须对登高平台救援消防车的稳定性给予足够的重视与研讨。
国内外对登高平台救援消防车调平与支撑系统设计及分析的研究主要集中在以下五个方面：
（1）登高消防车国内外发展现状及稳定性研究
（2）支腿调平系统设计及研究方法
（3）作业平台调平系统设计及研究方法
（4）支撑系统设计及稳定性分析
（5）软件设计平台、实物模型搭建
综合比较发现，国外在超高型登高平台救援消防车上优势明显，比如芬兰的博浪涛公司已经制造出的作业高度达112m的云梯车。在稳定性上，如在作业允许的风速上，国内的DG68登高平台消防车为14m/s，国外的则不管作业高度如何一律为16m/s。同时在诸如臂架变幅稳定性控制、支腿调平以及作业平台调平性能上，国内相对于国外产品也有一定差距。从整体上来说，国外高端产品无论从功能还是性能上都要高于国内产品，要跻身世界举高消防车的先进行列还有很长一段路要走。
1.2.2发展趋势
目前，登高平台救援消防车整体正向着巨型化、智能化、轻量化、省力化、安全化、舒适化、多功能化、整机制作精美宜人化方向发展。
国产消防车辆的向以下几个方向发展：
1.车辆类型将不断增多,产品结构趋于合理
2.底盘生产企业与改装企业合作,生产出消防车辆专用底盘
3.国外产品更向着通用化和专用化方向发展。一是消防车小型化、二是制造特大功率的巨型消防车。
设计手段滞后极大地影响我国消防车行业的发展。随着现代工业的迅速发展和国内外市场竞争的加剧，消防车的设计计算方法需不断充实和完善，研发过程中主要运用的现代设计理论及方法如下：
1）反求设计
反求设计是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。反求设计是通过实物或技术资料对已有的先进产品进行分析、研究、解剖和试验，了解其参数、性能、构造和功能，掌握其关键技术、工作机理和工艺原理，以进行仿制、改进和发展创造新产品的一种方法。通过反求分析，对反求对象从功能、原理、方案、结构、尺寸、材料、加工装配工艺等有全面深入的了解，明确关键功能和关键技术，对设计中的特点和不足之处做出必要的评估，在此基础上进行测绘仿制，变参数设计，适应性设计或开发性设计。
2）优化设计
由于消防车设计长期以来采用经验类比设计方法，不仅需要花费较多的设计时间，而且只限于在少数几个候选方案中进行比较分析，同时选择的方案也没有十分精确的评价标准来衡量其优劣，一般很难得到最优的设计方案。随着电子计算机技术的发展与应用，可以建立设计过程能自动择取最优方案的一种迅速有效的方法，即优化设计。这种设计方法是数学规划与计算机技术相结合的产物，成为解决复杂设计问题的一种有效方法。消防车设计采用优化方法，能根据产品要求，合理确定和计算各项参数，以期达到最佳的设计目标，例如重量、成本、性能和承载能力等。现代产品设计向有限元优化、成本优化、系统优化等全方位、深层次方向发展。
3）模块化设计
模块化设计可将消防车上同一功能的基本部件、元件、零件设计成具有不同用途、不同性能的模块，这些模块具有相同的联接要素，可以互换。选用不同的模块进行组合，可形成各种不同类型和规格的通用或专用消防车。设计新型消防车只需选用不同模块重新进行组合，车辆改进只需针对某几个模块。某些最新技术可应用于模块中，待试验研究达到结构可靠、性能稳定后，即可加到新产品中，取代已有结构。模块化设计加快了老产品的更新换代和新产品的研制速度。由于提高了通用化程度，可使单件小批量产品的生产转换成大批量的模块化生产，实现标准化生产。生产厂家也能以较少的模块形式，组合成不同功能和不同规格的消防车，以满足市场多品种要求，增强竞争能力。模块化设计方法主要适用于批量生产的消防车系列。
1.3 论文的研究目的和意义
登高平台救援消防车的稳定性是决定其能否安全、顺利工作的重要因素，支腿调平系统能否快速有效的工作是整车开始作业的前提。登高平台救援消防车在工作时需要—个高精准的水平平台，在其到达救援目的地后，就必需对平台的水平度进行调节，为正式工作做好准备。平台是否调平不仅关系到作业人员和被救人员的人身安全，而且也关系到消防车的机动性能的好坏。因此，对于调平系统的调平精度和调平的速度以及稳定性和可靠性都有一定的要求。如何能够有效地提高设备自动化程度使之易于操作，降低对人员技巧的要求，有效减少调平时间、提高调平精度，是近年来该领域专家研究的热点之一。
登高平台救援消防车的整车稳定性能主要由副车架及支腿组成的支撑系统来保证。支撑系统主要是金属结构件，应有足够的强度、刚度，以承受车身自重和外载荷，因此需对登高平台救援消防车支撑系统的稳定性进行分析，以保证整车稳定。
通过研究相关举高类援消防车、高空作业车及起重机械的支腿调平系统和作业平台调平系统，设计出一种适合登高平台救援消防车的快速、有效的调平系统。将其应用在现有登高平台救援消防车上，有效地提高设备自动化程度及调平精度，有效减少调平时间，使之易于操作并降低对人员技巧的要求。
1.4 论文的课题支撑及主要研究内容
1.4.1课题支撑
校企合作项目：登高平台救援消防车关键技术研究与总体方案设计
1.4.2研究对象选择
截止2008年末，我国建制城市数量达655个，其中直辖市4个，副省级城市15个，地级市（区）333个，其他为303个，其中全国地级及以上城市（不包括市辖县）GDP占全国62％。据估测，2008年之后的10年内，我国建制城市数量将突破1000个。
根据国家工信部相关政策法规，结合市场调研得出如下结论：
1）全国百万人口城市30余个，对作业高度为30~50米的登高平台救援消防车的年需求量约为120台；
2）全国人口数量在20~100万的城市近500个，对作业高度为16~20米的登高平台救援消防车的年需要量约为1000台；
3）全国大型油田、炼油厂和大型储油库系统对大型登高平台救援消防车的年需要量约为70台；
4）电力部门对作业高度为12~30米的各类高空作业车年需求量约为20台；
5）城市路灯园林部门对作业高度为6~16米的高空作业车年需求量约为1000台；
6）国防军工系统对作业高度为20~40米的越野高空作业车需求量较大；
7）中国船舶系统对作业高度为16~25米的高空作业车年需求量约为80~100台。
由调研数据可以发现，作业高度为15~35米的登高平台救援消防车的市场需求量最大。同时，30万~200万人口城市在全国城市中数量最多，而这类城市现有楼层平均高度为24m。因此，本论文选择市场需求量最大，额定作业高度为20~30米的车型进行设计，并以额定作业高度为25米的车型作为基本型产品进行研究。
1.4.3主要研究内容：
在查阅大量关于国内外举高类消防车、高空作业车、举重机械相关产品功能和性能特点的文献以及对国内各主要生产厂商的产品调研的基础上，本论文分析国内登高平台救援消防车在底盘调平系统、作业平台调平系统以及整车支撑系统目前存在的主要问题，发现与国外登高平台救援消防在调平及支撑系统上存在的差距，最后提出相应的改进措施；分析登高平台救援消防的功能需求，针对我国现有的技术条件和登高平台救援消防的发展情况，提出更加合理的调平及支撑系统方案及开发设计方法和流程；在完成设计方案的基础上，通过Visual Basic软件搭建调平及支撑系统设计平台，从而实现高效、程序化设计；最后购买相关元件，搭建高平台救援消防实际模型，并模拟其调平系统工作状态，以验证所设计调平系统能否自动快速、高效的调平。具体研究内容如下：
（1）调平算法理论分析及应用比较
通过对现有调平算法理论进行研究及应用比较，确定适合国内支腿调平算法、作业平台调平算法，设计出合理的调平策略。
（2）支腿、作业平台调平系统设计
①进行支腿调平系统的设计
通过对传统支腿调平系统和现代调平系统优缺点的比较，设计适合登高平台救援消防车的支腿调平系统；通过对不同控制方法、不同控制体系结构的对比，设计出适合登高平台救援消防车调平系统的控制方案；通过分析调平系统的3种不同支腿支撑方式的优缺点，选择合理的支撑方式；分析现有几种支腿形式（主要是X型、H型）的优缺点及应用范围，设计出适用于登高平台救援消防车的支腿形式；对支腿的支承脚形式进行分析对比，设计出一种最适合的支承脚形式；最后分析研究支腿调平系统应注意的一些事项，如虚腿问题、调平过程振荡问题等，并针对此调平系统进行解决。
②进行作业平台调平系统的设计
通过对现有不同调平机构进行优缺点比较及应用范围分析，选择合适的调平结构，设计出适用于本研究的调平方案；分析现有调平控制方法，结合本研究实际应用，设计出合理的调平控制方法；对作业平台工作过程中可能出现的危险情况进行分析，设计出合理的安全保护装置。
③对调平系统核心部件选型
对支腿调平系统、作业平台调平系统在工作过程中所用核心部件进行选型。分析市场上现售液压元件和调平系统传感器的优缺点、价格合理性及应用范围，对调平系统所用核心部件进行选型。
（3）支撑系统设计
根据汽车设计手册及特种车改装设计手册，参考相关法规、标准，考虑整车防倾覆极限条件，计算前、后倾覆边的稳定力矩，设计支腿横向及纵向跨距。根据登高平台救援消防车上车系统的总质量及质量分布，结合改装底盘的实际情况，设计承载副车架的外形、尺寸及材质以及支腿结构。
（4）支撑系统结构分析
运用SolidWorks软件对副车架、支腿系统进行三维建模，计算出支撑系统最危险工况以及危险工况时支撑系统受力情况，对比结构分析可用方法的优缺点及应用范围，应用ANSYS软件对支撑系统模型进行有限元分析。
（5）搭建调平设计平台
应用Visual Basic进行编程设计，搭建一体化调平设计软件平台，实现快速设计。
（6）整车系统实物模型搭建
购置相关元件，根据设计方案，搭建出整车调平系统实物模型，并进行调平演示，以验证设计合理性。
第2章 支承系统结构设计
登高平台救援消防车在工作时，主车架受到较大的附加集中载荷，为了保证车架的强度和提高整车的举高救援能力，必须设置支腿，其对登高平台救援消防车作业时整车的工作稳定性有较大的影响，要求坚固可靠，操作方便。
由于登高平台救援消防车的结构和使用条件复杂，使车架承受较大的动载荷和扭矩，所以必须加强车架。现有登高平台救援消防车的底盘多为生产厂商直接购买应用，未对其主车架进行改装，在不破坏主车架结构的情况下增加一个副车架过渡，以改善主车架的承载情况，避免集中载荷。副车架不仅强化了车架，而且可将登高平台救援消防车专用装置和装备的集中载荷较均匀地分布在车架上，并起到缓冲作用，改善车架的受力情况。因此在登高平台救援消防车设计中，必须对副车架进行设计。
通过近几年对专用汽车使用情况的调查发现，专用汽车副车架出现裂纹、断裂及焊缝撕裂现象是专用汽车使用中存在的主要问题，而副车架的载荷分析是否正确、结构设计是否合理，则是产生这些现象的重要原因。对登高平台救援消防车作业时，其基准平面由主车架、副车架、支撑支腿组成。
本章首先对25m登高平台救援消防车支腿形式进行设计，并设计计算合理的支腿跨距，之后对整车所需副车架进行设计，并对支腿及副车架所组成支撑系统进行三维建模和稳定性有限元分析，以验证设计合理性。
2.1底盘选型
2.1.1登高平台救援消防车底盘介绍
底盘是登高平台救援消防车非常重要的组成部分，通常选用通用车二类底盘或消防车专用底盘，其载重能力直接影响到登高平台救援消防车能达到的最大作业高度。底盘不仅为整车提供行驶能力，并且也是整车动力的提供者，其性能的优劣直接影响整车性能。
目前，我国消防车一般选用国产载重汽车底盘，主要集中在中国重汽、一汽、东风、庆铃（五十铃）、北方奔驰等。由于受到底盘自身的限制，国产消防车往往在加速性能与爬坡性能上无法同时达到令人满意的表现。国外消防车，尤其是美国消防车多采用消防车专用底盘，性能远优于采用普通商用车底盘的消防车，但其生产量小、价格高、维修不方便，因此消防车专用底盘只在普通商用底盘无法满足要求时才使用。
消防车底盘的选型改装应符合《消防车通用底盘系列、型式、基本参数和技术要求》的规定。设计登高平台救援消防车时，可优先选用以柴油机为动力的中、重系列底盘，以发挥其功率范围宽、转矩大和电气故障少的优势。
2.1.2登高平台救援消防车底盘使用现状
通过调查消防车生产厂商现有产品，得到信息如表2-1所示。
表2-1 国内三家大型生产厂商现有产品调查
序号
品牌
型号
工作高度（m）
底盘型号
满载质量（kg）
1
徐州重工
DG22A
22
德国奔驰Atego1523
14750
2
徐州重工
DG22C
22
东风EQ1141KJ2
14650
3
徐州重工
CDZ22A
22
德国奔驰Atego1523
14600
5
徐州重工
CDQ24
24.5
东风EQ1118G6DJ15
11510
8
徐州重工
CDZ32
32
德国奔驰Axor2628
25800
9
徐州重工
CDZ32C
32.5
德国奔驰Axor2628
23850
10
徐州重工
DG34C
34.5
德国奔驰Actros3344
31450
6
中联重科
ZLJ5310JXFYT25
25
德国奔驰 Actros3341
31000
7
中联重科
ZLJ5330JXFYT30
30.5
德国奔驰 Actros3341
32850
11
抚顺重机
DG20
20
解放牌CA1142
12000
12
抚顺重机
DG25
25
北方奔驰ND1255B44
19800
13
抚顺重机
DG32
32
北方奔驰ND1255B44
24200
由以上统计数据发现，高度在22~25m的登高平台救援消防车主要采用德国奔驰、北方奔驰、东风牌以及解放牌底盘，而高度在25m以上的登高平台救援消防车主要采用德国奔驰以及北方奔驰底盘。根据市场现有东风汽车底盘及北方奔驰底盘供应情况，结合整车作业高度25m的要求，备选的底盘型号有东风EQ1118G6DJ15和北方奔驰ND1255B44两款。经查询两款底盘的具体参数可知，东风EQ1118G6DJ15底盘排放标准为“国Ⅱ”，而北方奔驰ND1255B44底盘排放标准为“国Ⅲ”。根据国家工信部要求，登高平台救援消防车底盘排放标准达到“国Ⅲ”才能上产品公告，因此从两者中选择北方奔驰ND1255B44底盘作为本次设计对象所用底盘。抚顺重机25m登高平台救援消防车（DG25）也是选用此底盘，其作业实际高度为25m，与本设计对象情况相同，如图2-1所示。

图2-1 抚顺重机DG25登高平台救援消防车
2.2底盘副车架设计
登高平台救援消防车的各种专用装置都直接或间接地安装在底盘车架（简称主车架）上，即主车架是登高平台救援消防车上专用装置的主要承载构件。设计中，为了防止主车架纵梁的应力集巾，使纵梁载荷均匀分布，一般在专用装置与主车架之间采用副车架过渡。因此本文对登高平台救援消防车的副车架进行设计，并对其结构设计及受载合理性进行分析。
2.2.1副车架结构形式
主车架主要结构形式主要包括框式、脊梁式和综合类三大类，框式又可分为边梁式和周边式两种。
边梁式车架的结构便于安装车身（包括驾驶室、车厢乃至特种装备等）和布置其他总成，有利于满足改装变型和发展多品种的需要，所以被广泛采用在货车、大多数特种汽车、直接利用货车底盘改装的大客车上。
周边式车架广泛采用在高级和中级以上的轿车上；脊梁式车架被采用在高越野性汽车上，但由于制造工艺较复杂且维修不便，故应用不广。综合式车架多采用在轿车上，也由于制造工艺较复杂，所以用得并不太广。
由于本登高平台救援消防车为特种汽车，由二类汽车底盘改装而成，所以主车架形式为边梁式结构，副车架是加装在主车架上的，因此也采用边梁式结构。
边梁式结构主要包括在进行副车架整体设计时，首先应确定纵梁的走向以及横梁布置位置和数量。根据所选底盘情况，纵梁主要沿底盘长度方向布置，在前后支腿及回转台作用位置加设X形梁，其他位置布置若干横梁，副车架具体尺寸要在底盘及底盘布局确定后才能得到。
2.2.2副车架的前端形状
为了避免由于副车架截面高度尺寸的突然变化而引起主车架纵梁的应力集中，副车架的前端形状应采用逐步过渡的方式。例如采用如图2-2所示的3种过渡方式。

(a)U型 (b)角型 (c)L型
图2-2 副车架的前端形状
对于这3种不同形状的副车架前端，在其与主车架纵梁相接触的翼面上都加工有局部斜面，其斜面尺寸如表2-2所示，其中：h。= 1mm；l。=15~20mm。
表2-2 副车架前端的结构尺寸
序号
类别
l
L0
h
h0
a
a
U型
（1.0~1.2）H
15~20mm
（0.6~0.7）H
1mm

b
角型

15~20mm
（0.2~0.3）H
1mm
<30°
c
L型
>H
15~20mm
（0.25~0.35）H
1mm
<50°
如果加工上述形状困难时，可以采用如图2-3所示的副车架前端简易形状，此时斜面尺寸较大。

图2-3 副车架前端简易形状
其中：h0=57mm；l0200~300mm。
副车架的抗扭特性可以通过改变其截面形状、结构形式、连接方式、结构尺寸等来解决。此登高平台救援消防车的副车架是根据车辆上装部分以及主车架来设计的，有时可在相应的位置设置抗扭管状梁或对角线梁来提高副车架的抗扭刚度。
副车架在底盘上布置时，其前端应尽可能靠近驾驶室后围。图2-4为登高平台救援消防车的支架、副车架相对于汽车底盘的安装位置。在满足轴荷分配的前提下， B为副车架的前端离主车架拱形横梁的距离，一般在100mm之内；C为固定副车架的前面第一个U形螺栓距拱形横梁的距离，一般控制在500~800mm的范围内。

图2-4 副车架的安装位置
2.2.3材料的选用
专用汽车副车架的材料一般选用低碳钢A3材料的型材(如槽钢、I字钢等〕。材料自身强度的不足也是引起车架各种缺陷的主要原因之一，选用A3材料，必须设置较多的腹板才能满足其强度。如果工艺条件允许，副车架材料可采用疲劳强度高的16Mn钢板冲压成型以提高其抗疲劳扭转强度及其他机械性能。本设计中采用16Mn钢板冲压成型的槽钢作为副车架的材料。
2.2.4纵梁设计
（1）纵梁长度
主车架的纵梁是车架中的主要承载元件，它的长度大致上和整车总长相当。副车架安装在驾驶室后，其长度大致为整车非驾驶室长度。本消防车底盘为北方奔驰ND1255B44，底盘总长为9500mm，非驾驶室长度为8000mm，因此纵梁长度设计为8000mm。
（2）纵梁截面尺寸
本设计中采用抗弯强度大的槽形截面梁，其上翼缘面都做成平直的，以适应平底板的通用车箱，同时也便于安装和布置其他各总成。为了充分利用材料，可将纵梁设计成等强度的简支梁，其中部截面高度较大，两端逐渐减小。
重型货车车架纵梁多数为焊接结构或型材，通常采用闭口(箱形)或工字形截面。登高平台救援消防车作为一种专用汽车，其副车架纵梁的截面形状一般和主车架纵梁的截面形状相同，多采用如图2-5所示的槽形结构，截面形状尺寸取决于其承受载荷的大小。钢板厚度根据质量的不同，轻、中型冲压纵梁的钢板厚度为5~7mm，重型冲压纵梁的厚度取7~9mm。

图2-5 副车架的槽形截面
由于当纵梁变形时，上下翼缘分别受到压缩和拉伸的作用而导致翼缘的破裂。因此，应按薄板理论进行校核，此时临界弯曲应力为

式中 µ—泊松比，一般取µ=0.3；
E—弹性模数，E=2.1×105N/mm2。
由于纵梁采用的钢板材料为16Mn，其σ=340～360N/mm2。
由于所选底盘北方奔驰ND1255B44的额定总质量为25000kg，查阅表2-1得本登高平台救援消防车属于重型货车一级，重型冲压纵梁的厚度取7~9mm，本设计中初取t=8mm。
表2-3 载货汽车依公路运行时厂定最大总质量（GA）分类
微型货车 
轻型货车