周磊

長沙中聯(lián)消防機械有限公司 湖南長沙 410200

技術(shù)論壇

云梯消防車的柔性長臂架主動減振控制方法

周磊

長沙中聯(lián)消防機械有限公司 湖南長沙 410200

針對云梯消防車臂架在工作中容易出現(xiàn)振動，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，提出了一種針對復(fù)雜長臂架的主動減振控制方法。通過對彈性系統(tǒng)約束點的運動，吸收已轉(zhuǎn)化的勢能，運用ANSYS軟件，結(jié)合某型云梯仿真分析，通過對臂架彈性系統(tǒng)約束點運動位移的求解，實現(xiàn)了臂架振動快速衰減。通過實際測試可以發(fā)現(xiàn)，采用這種控制方法，可以有效地實現(xiàn)臂架在不同工況下的振動衰減，具有良好的工程應(yīng)用價值。

云梯消防車 柔性長臂架 振動衰減 主動控制 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)撲救中堅力量的地位尤為突出。

云梯消防車主要由工作平臺、伸縮臂架、回轉(zhuǎn)平臺、支腿支撐系統(tǒng)及底盤構(gòu)成。各種臂架、支撐、平臺動作都通過電氣控制液壓驅(qū)動實現(xiàn)，如電氣控制臂架變幅油缸實現(xiàn)臂架的變幅、伸縮油缸實現(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，臂架的長度也隨之增長。這種超長的懸臂結(jié)構(gòu)，極易受到外界干擾，如：被救人員跳躍進(jìn)工作平臺、頂部水炮沖擊載荷、風(fēng)載偶然載荷等，都會導(dǎo)致臂架產(chǎn)生劇烈的振動，且振動很難短時間內(nèi)消除，從而引發(fā)如長時間振動導(dǎo)致救援效率下降、工作斗平臺人員的不適、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。

為解決消防車長臂架振動及快速消除振動的問題，國內(nèi)已經(jīng)有部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，如：袁杰、崔壯平等人通過對柔性長臂架采用多傳感器振動測量，實現(xiàn)了復(fù)雜超長臂架振動特性的快速采樣[1]；陳剛、李平等人對通過對相關(guān)云梯消防車的液壓系統(tǒng)的建模仿真，實現(xiàn)了對液壓動作的精確快速控制，并成功運用在實際系統(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控制的相關(guān)研究，并通過仿真計算實現(xiàn)了驗證[3]。

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

2 主動減振控制方法

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

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

表1 結(jié)構(gòu)簡化等效后的振動能量變化分析

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

當(dāng)臂架動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能時，給定約束點位移S（臂架變幅油缸運動）來逐步釋放勢能，同時為避免“釋放”過度造成動能增加（加速度增加），加入常數(shù)項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（變幅油缸） 的 位 移Sn，實 現(xiàn) 釋 放由 動 能EV逐步 轉(zhuǎn) 化 的彈 性 勢 能Ek，以達(dá)到消除臂架振動的目的，主動減振迭代算法如表2所示。

表2 主動減振迭代算法

3 主動減振仿真分析

結(jié)合以上分析，本文針對某25 m云梯消防車臂架，在臂架伸長量為22 m，工作平臺載荷為200 kg，變幅角度為0°的狀態(tài)下，進(jìn)行主動減振的仿真分析。在ANSYS環(huán)境中，對25 m云梯模型進(jìn)行了處理，采用了beam188梁單元，對稱模型，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)合實際測試，對仿真模型參數(shù)進(jìn)行修正，得出振動曲線如圖4所示，其振動周期達(dá)1.3 s，激勵振幅為0.48 m，對比當(dāng)前工況的測量值，仿真模型可以準(zhǔn)確地反映實際的臂架振動情況。

通過前述理論分析，選取臂架振動動能最大的時刻，見圖5中A點，此時臂架動能最大并開始轉(zhuǎn)換為臂架勢能。

采用ANSYS命令流方式進(jìn)行主動減振約束點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動，在1 s內(nèi)運動22 mm再返回原位，即可快速消除臂架當(dāng)前的振動。振動衰減效果如圖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 試驗及測試

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

5 結(jié)語

針對長臂架的主動減振算法，結(jié)合仿真分析求解了臂架系統(tǒng)約束點的運動曲線，實現(xiàn)了臂架振動的快速衰減。通過YT25云梯消防車的現(xiàn)場測試，減振效果明顯，救援效率將會大幅提升，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模型可以等效模擬復(fù)雜的長臂架的振動特性；

b. 長臂架的振動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。在不同的工況下測試，都具有良好的抑制效果；

c. 該技術(shù)針對類似的長臂架，都可以進(jìn)行有效的減振處理：通過測試得出不同臂架的振動簡化模型，對變幅油缸（約束點）施加不同的脈沖式的小位移運動，即可快速消除臂架產(chǎn)生的振動。

[1] 袁杰,崔壯平, 羅華等.應(yīng)用于柔性長臂架的多傳感器振動測量系統(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)動系統(tǒng)的建模仿真[J].中國工程機械學(xué)報,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控制研究[J].建設(shè)機械技術(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)計工作。

U469.6+8.03

A

1004-0226(2017)07-0092-03

2017-05-25