徐鵬1 張韻2

1.唐山亞特專用汽車有限公司 河北唐山 063000

2.漢陽專用汽車研究所專用汽車雜志社 湖北武漢 430056

1 前言

伴隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國內(nèi)相關(guān)行業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，新能源以及新型材料的應(yīng)用逐漸普及。此類由新技術(shù)或新材料引發(fā)的火災(zāi)，使得我國消防工作面臨新的挑戰(zhàn)。在國內(nèi)，為了更好地解決此類問題，大批新型履帶式消防類排煙、偵查以及滅火機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。相對應(yīng)的，為解決機(jī)器人的中間轉(zhuǎn)運(yùn)和維護(hù)問題，實(shí)現(xiàn)發(fā)生災(zāi)情時(shí)能夠快速開展消防工作并縮短消防設(shè)備響應(yīng)時(shí)間的目的，筆者研發(fā)了一種新型消防機(jī)器人運(yùn)輸類專用車輛。

2 專用車結(jié)構(gòu)和功能預(yù)期

此類專用車由汽車二類底盤、功能性箱體、機(jī)器人專用固定防護(hù)裝置、多功能尾門以及加強(qiáng)支腿等機(jī)構(gòu)組成。設(shè)計(jì)中尾門加裝液壓驅(qū)動系統(tǒng)，經(jīng)尾門下側(cè)翻轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)尾門翻轉(zhuǎn)開合，且尾門完全打開后可作為機(jī)器人上、下車通道。功能性箱體需滿足4臺消防機(jī)器人的運(yùn)輸空間要求，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)消防機(jī)器人的能源補(bǔ)充、消防指揮操作、災(zāi)情現(xiàn)場夜間照明以及現(xiàn)場監(jiān)控等系列功能。

裝備車整體外形如圖1所示。

2.1 底盤選取

首先，此類專用車主要使用群體為消防相關(guān)部門，故在底盤選擇中車輛可靠性與穩(wěn)定性成為首要指標(biāo)。其次，車輛二類底盤需在滿足承載要求的同時(shí)具有良好的動力性能以及路面通過性。

圖1 運(yùn)輸履帶式消防機(jī)器人裝備車外形簡圖

綜合考慮以上要求，選擇一款車輛二類底盤，其主要性參數(shù)如表1所示。

表1 車輛二類底盤性能參數(shù)

2.2 多功能箱體設(shè)計(jì)

如圖2所示，封閉式多功能箱體主體由裙板結(jié)構(gòu)組成，主體結(jié)構(gòu)共分前后兩部分。箱體前部裝有附件箱，消防水袋柜、防化服放置架和發(fā)電機(jī)安裝倉；箱體后部為機(jī)器人轉(zhuǎn)運(yùn)倉，內(nèi)部設(shè)置有機(jī)器人定位與固定裝置。

箱體外沿下側(cè)安裝有裙邊箱體，用作車輛工具箱以及電控、液壓控制系統(tǒng)的安裝。根據(jù)上述功能區(qū)域劃分與對應(yīng)的空間要求，多功能箱體整體尺寸（長×寬×高）設(shè)計(jì)為4 450 mm×2 450 mm×2 400 mm。箱體底板采用碳鋼骨架結(jié)構(gòu)，其上鋪裝鐵質(zhì)花紋板（或碳鋼骨架結(jié)構(gòu)上鋪竹膠板與鋁質(zhì)花紋板組合結(jié)構(gòu)）；箱體側(cè)板使用玻璃鋼夾心復(fù)合板材（或碳鋼骨架鋪裝鋁板）通過鉚接形式緊固組裝，多功能箱體整體結(jié)構(gòu)具有剛度強(qiáng)，質(zhì)量輕，外觀簡潔、美觀的特點(diǎn)。

圖2 多功能箱體示意圖

2.3 機(jī)器人專用固定與防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

多功能箱體內(nèi)機(jī)器人轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)設(shè)置有機(jī)器人固定裝置。通過安裝于箱體內(nèi)的收緊帶固定架實(shí)現(xiàn)消防機(jī)器人的履帶固定，最終達(dá)到固定機(jī)器人的目的。為方便人員進(jìn)入箱體后部進(jìn)行機(jī)器人固定操作或相關(guān)維護(hù)檢修，箱體側(cè)板安裝有卷簾門。箱體兩側(cè)安裝有踏板擋板裝置，一方面該裝置可用于人員由箱體側(cè)邊進(jìn)入車廂的輔助踏板，另一方面可作為機(jī)器人防側(cè)滑機(jī)構(gòu)。

2.4 尾門設(shè)計(jì)

箱體后側(cè)裝有液壓驅(qū)動式翻轉(zhuǎn)尾門，通過油缸的伸/縮實(shí)現(xiàn)尾門旋轉(zhuǎn)座繞固定銷軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)尾門的開啟和收回。尾門設(shè)計(jì)應(yīng)具足夠的剛度，滿足機(jī)器人上下車時(shí)對其支撐機(jī)構(gòu)承載的要求。尾門收起后可作為多功能箱體的后門使用，為保證箱體具有一定的防雨/防水功能需要加裝配套的后門密封與防松裝置。

2.5 支腿的設(shè)計(jì)

專用車輛在實(shí)際使用中可能存在搭載更大自重的消防機(jī)器人的情況，在機(jī)器人上下車時(shí)，由于車輛裝載質(zhì)心發(fā)生變化容易對車輛后橋形成一定的沖擊，為避免這一現(xiàn)象，車架兩側(cè)加裝液壓支腿用于支撐車輛，保證箱體底板水平度，進(jìn)而提高車輛在作業(yè)中的穩(wěn)定性。

3 整車結(jié)構(gòu)布置

結(jié)合選定底盤與預(yù)期功能對專用車整車結(jié)構(gòu)與布局進(jìn)行設(shè)計(jì)。綜合考慮車輛質(zhì)心位置、整車高度、行駛風(fēng)阻等因素對車輛機(jī)械與外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中加入扶梯與蹬車踏板等操作輔助裝置，提高人機(jī)融合度，簡化功能操作。

裝備車結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 裝備車結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)運(yùn)輸履帶式消防機(jī)器人裝備車設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果，定義裝備車整車技術(shù)參數(shù)如表2所示，實(shí)際車輛圖片如圖4所

表2 裝備車整車參數(shù)

4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車輛尾門與支腿功能所需液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示。液壓油泵由車輛底盤變速箱取力器輸出端帶動向液壓系統(tǒng)提供動力，原理圖左側(cè)油路用于控制車側(cè)四條液壓支腿工作，支腿油缸油路裝有電磁截止閥與液壓鎖，用于支腿內(nèi)位置鎖止。原理圖右側(cè)回路用于尾門兩個(gè)油缸的控制，管路中加裝液壓鎖，避免駐車、停車過程中尾門受重力作用打開。電控系統(tǒng)通過對三位四通電磁閥與電磁截止閥的控制實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制。主油泵側(cè)加裝手動泵回路，用于應(yīng)對主油泵發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)的安全性能。

圖4 裝備車實(shí)物圖

圖5 液控原理圖

5 遠(yuǎn)程遙控的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足專用車遠(yuǎn)程操作以及可視化作業(yè)的需要，在液壓系統(tǒng)控制中加入遠(yuǎn)程遙控控制電路。其工作原理如圖6所示。電控系統(tǒng)主要由油泵控制模塊，支腿控制模塊、尾門控制模塊以及遙控信號接收模塊組成?？刂齐娐酚绍囕v低壓電池供電（24 V），通過遙控器面板按鈕實(shí)現(xiàn)各功能回路的選擇，各功能模塊中分別加裝保險(xiǎn)絲用于單獨(dú)模塊的保護(hù)，也使電控系統(tǒng)故障排除更為方便。支腿控制模塊與尾門控制模塊中各控制回路加入二極管實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能，提高電子元件的使用壽命。

6 整車穩(wěn)定性計(jì)算

以前橋中心點(diǎn)在地平面投影為坐標(biāo)原點(diǎn)，以車尾為X軸正向，車身右側(cè)為Y軸正向，車高為Z軸正向，建立坐標(biāo)系如圖7所示。

圖6 電控原理圖

圖7 裝備車質(zhì)心坐標(biāo)系圖

6.1 整備質(zhì)量計(jì)算

根據(jù)整備質(zhì)量計(jì)算公式，計(jì)算如下：

式中，M為整備質(zhì)量，kg；Mi為各部件質(zhì)量，kg。

6.2 整車質(zhì)心計(jì)算

整車質(zhì)心計(jì)算公式如下：

式中，X、Y、Z為整車質(zhì)心方向位置；Xi、Yi、Zi為各部件質(zhì)心方向的位置。

6.3 整車前后橋軸荷計(jì)算公式

式中，X為整車質(zhì)心距前橋距離；L為整車軸距；M前、M后分別為整車前、后橋軸荷，kg。

6.4 車輛橫向穩(wěn)定性計(jì)算

車輛橫向穩(wěn)定性計(jì)算公式如下：

式中，B為車輛后輪距；z為質(zhì)心距地面高度；φ為地面附著系數(shù)；Ly為質(zhì)心偏離中心線距離。

6.5 車輛縱向穩(wěn)定性計(jì)算

車輛縱向穩(wěn)定性計(jì)算公式如下：

式中，L后為整車質(zhì)心到后橋距離。

6.6 計(jì)算表制作

如表3所示，在主工作表的表頭上依次設(shè)置“質(zhì)量”/“X”/“Y”/“Z”項(xiàng)，該4項(xiàng)為數(shù)據(jù)輸入；再設(shè)置另3項(xiàng)數(shù)據(jù)輸出，即“M*X”/“M*Y”/“M*Z”。應(yīng)用Excel表格的函數(shù)計(jì)算功能，可以通過前4項(xiàng)計(jì)算出后3項(xiàng)的輸出數(shù)據(jù)，后3項(xiàng)輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系分別為“質(zhì)量”與“X”/“Y”/“Z”這3個(gè)方向距離的乘積。另設(shè)置主工作表連接于車輛總質(zhì)量、質(zhì)心位置、軸荷分配的參數(shù)表（見圖8右側(cè)）此表中除軸距L即輪距B需要輸入外，其余參數(shù)均為圖2左側(cè)表輸出參數(shù)，是車輛設(shè)計(jì)中需要的幾個(gè)基本參數(shù)。

表3 車輛質(zhì)心計(jì)算函數(shù)EXCEL表

應(yīng)用Excel表格的函數(shù)計(jì)算功能，該輸出的數(shù)據(jù)的計(jì)算公式為：

“總質(zhì)量M”=∑“質(zhì)量”

“X(質(zhì)心X方向位置)”=（∑“M*X”）/“總質(zhì)量M”

“Y(質(zhì)心Y方向位置)”=（∑“M*Y”）/“總質(zhì)量M”

“Z(質(zhì)心Y方向位置)”=（∑“M*Z”）/“總質(zhì)量M”

“后軸載荷G后”=（“總質(zhì)量M”*“X（質(zhì)心X方向位置）”）/“軸距L”

“前軸載荷G前”=“總質(zhì)量M”-“后軸載荷G后”

“質(zhì)心距后橋中心距L后”=“軸距L”-“X(質(zhì)心X方向位置)”

表4 裝備車（整備狀態(tài)）軸何分配與質(zhì)心位置計(jì)算結(jié)果表

“橫向穩(wěn)定性系數(shù)φ1”=(“輪距B”/2-“Y(質(zhì)心Y方向位置)”)/ “Z(質(zhì)心Z方向位置)”

“縱向穩(wěn)定性系數(shù)φ2”=“質(zhì)心距后橋中心距L后”/“Z(質(zhì)心Z方向位置)”

當(dāng)把各部件的質(zhì)量、位置參數(shù)輸入到圖2的計(jì)算表內(nèi)的“質(zhì)量”/“X”/“Y”/“Z”列表之中，并將軸距、輪距輸入到右側(cè)參數(shù)表中的”軸距L”/“輪距B”之后，輸出結(jié)果則會立即在輸出列表中顯示。

將樣車實(shí)測參數(shù)輸入表格，顯示結(jié)果如表4、5所示。數(shù)模坐標(biāo)系內(nèi)各功能組件質(zhì)心位置計(jì)算結(jié)果如表5。

表5 裝備車各功能組件質(zhì)心位置表

根據(jù)國標(biāo)GB 7258-2017《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中關(guān)于車輛縱向與橫向穩(wěn)定性的要求，結(jié)合表3計(jì)算結(jié)果可知裝備車整備狀態(tài)下縱向穩(wěn)定性為1.19，滿足縱向穩(wěn)定性不小于0.7的要求，橫向穩(wěn)定性0.81，滿足橫向穩(wěn)定性不小于0.5的要求，故該專用車輛設(shè)計(jì)符合要求。

7 結(jié)語

該運(yùn)輸履帶式消防機(jī)器人裝備車經(jīng)消防部門的列裝使用，各結(jié)構(gòu)和部件性能穩(wěn)定，操作便捷可靠。該類型專用車輛是消防部門和廠礦企業(yè)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)輸?shù)牡昧χ?，并為消防機(jī)器人滅火，消殺等作業(yè)以及相關(guān)維護(hù)提供有力保障。

該裝備車已經(jīng)申報(bào)發(fā)明專利（專利號：ZL 2017 1 0192284.2）。