云梯消防车的柔性长臂架主动减振控制方法

周磊

长沙中联消防机械有限公司 湖南长沙 410200

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云梯消防车的柔性长臂架主动减振控制方法

周磊

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针对云梯消防车臂架在工作中容易出现振动，产生交变应力引起结构疲劳，从而导致救援效率降低等问题，提出了一种针对复杂长臂架的主动减振控制方法。通过对弹性系统约束点的运动，吸收已转化的势能，运用ANSYS软件，结合某型云梯仿真分析，通过对臂架弹性系统约束点运动位移的求解，实现了臂架振动快速衰减。通过实际测试可以发现，采用这种控制方法，可以有效地实现臂架在不同工况下的振动衰减，具有良好的工程应用价值。

云梯消防车 柔性长臂架 振动衰减 主动控制 ANSYS

1 前言

随着城市建设的快速发展，高层建筑越来越多，救援难度也显著增大。云梯消防车作为现代都市高层建筑救援与火灾扑救中坚力量的地位尤为突出。

云梯消防车主要由工作平台、伸缩臂架、回转平台、支腿支撑系统及底盘构成。各种臂架、支撑、平台动作都通过电气控制液压驱动实现，如电气控制臂架变幅油缸实现臂架的变幅、伸缩油缸实现臂架的伸缩等，60 m云梯消防车及其工作状态如图1所示。

目前市场上云梯消防车的救援高度范围为20～60 m。随着救援高度的增加，臂架的长度也随之增长。这种超长的悬臂结构，极易受到外界干扰，如：被救人员跳跃进工作平台、顶部水炮冲击载荷、风载偶然载荷等，都会导致臂架产生剧烈的振动，且振动很难短时间内消除，从而引发如长时间振动导致救援效率下降、工作斗平台人员的不适、臂架结构由交变应力导致结构疲劳、寿命降低等各种问题。

为解决消防车长臂架振动及快速消除振动的问题，国内已经有部分学者进行了相关的研究，如：袁杰、崔壮平等人通过对柔性长臂架采用多传感器振动测量，实现了复杂超长臂架振动特性的快速采样[1]；陈刚、李平等人对通过对相关云梯消防车的液压系统的建模仿真，实现了对液压动作的精确快速控制，并成功运用在实际系统控制中[2]；结合液压精确快速控制，陈刚、李平等人也进行了基于模糊规则的消防云梯车残余振动控制的相关研究，并通过仿真计算实现了验证[3]。

借鉴之前学者的相关理论与仿真分析，通过对云梯消防车进行多次振动特性分析、测试，本文提出了一种新的臂架振动的主动控制方法，并在云梯车上针对不同的工作状态进行了测试与验证，得到了有效减振的预期效果。

2 主动减振控制方法

通过对云梯展开后多工况的测试与分析可知，这种长臂架展开后，主要振动产生在延臂架切线方向，类似悬臂梁振动。对这种复杂结构，可以近似采用等效刚度模型进行简化。其振动形态主要取决于臂架当前工况下的长度、变幅角度及顶端平台载荷。简化的等效刚度模型如图2所示。

振动特性可通过采用等效刚度的单自由度振动模型进行描述，针对每一个振动过程，将其分解成无限小的n步，其振动能量的衰减与变化都可以通过表1进行描述。长臂架的振动能量实质上是臂架动能与弹性势能互相转换，通过阻尼逐渐消耗，直至衰减到振动停止。

表1 结构简化等效后的振动能量变化分析

式中，v为当前速度；Ev为系统动能；H为弹性系统压缩量；Ek为系统弹性势能；α为当前加速度；k为系统刚度；t为时间；S为约束处位移量。

当臂架动能转化为弹性势能时，给定约束点位移S（臂架变幅油缸运动）来逐步释放势能，同时为避免“释放”过度造成动能增加（加速度增加），加入常数项c，控制0＜c＜1，即保持释放量Sn始终小于压缩量Hn。最终，通过约束点（变幅油缸） 的 位 移Sn，实 现 释 放由 动 能EV逐步 转 化 的弹 性 势 能Ek，以达到消除臂架振动的目的，主动减振迭代算法如表2所示。

表2 主动减振迭代算法

3 主动减振仿真分析

结合以上分析，本文针对某25 m云梯消防车臂架，在臂架伸长量为22 m，工作平台载荷为200 kg，变幅角度为0°的状态下，进行主动减振的仿真分析。在ANSYS环境中，对25 m云梯模型进行了处理，采用了beam188梁单元，对称模型，忽略了一些细微非承载结构，等效处理了整体质量，针对当前工况设置了相关的边界条件（冲击、约束），25 m臂架等效仿真模型如图3所示。

结合实际测试，对仿真模型参数进行修正，得出振动曲线如图4所示，其振动周期达1.3 s，激励振幅为0.48 m，对比当前工况的测量值，仿真模型可以准确地反映实际的臂架振动情况。

通过前述理论分析，选取臂架振动动能最大的时刻，见图5中A点，此时臂架动能最大并开始转换为臂架势能。

采用ANSYS命令流方式进行主动减振约束点Sn的求解。求解的Sn曲线如图5所示。通过变幅油缸类似脉冲形式的运动，在1 s内运动22 mm再返回原位，即可快速消除臂架当前的振动。振动衰减效果如图6所示，当前振幅衰减在1 s内达到90%以上。通过调整不同的c值，即可达到不同的衰减效果。

4 试验及测试

通过之前的理论分析以及仿真模拟，结合实车进行测试，臂架采用25 m云梯消防车臂架，工况伸长量为22 m，载荷为200 kg，变幅角度－2°的状态，主动减振测试现场如图7所示。通过对工作平台处施加约0.6 m的强制振动，在振动第二周期动能最大时刻进行主动减振控制，对变幅油缸施加等同于Sn曲线的位移，实际测试效果如图8所示。臂架振动衰减效果与仿真分析结果一致，在1 s内实现了振幅90%的衰减。

5 结语

针对长臂架的主动减振算法，结合仿真分析求解了臂架系统约束点的运动曲线，实现了臂架振动的快速衰减。通过YT25云梯消防车的现场测试，减振效果明显，救援效率将会大幅提升，有必要在相似结构车型上大量推广和应用。

a. 在工程应用中，单自由度悬臂梁振动模型可以等效模拟复杂的长臂架的振动特性；

b. 长臂架的振动可以通过变幅油缸的脉冲式小位移进行快速衰减，衰减效果明显。在不同的工况下测试，都具有良好的抑制效果；

c. 该技术针对类似的长臂架，都可以进行有效的减振处理：通过测试得出不同臂架的振动简化模型，对变幅油缸（约束点）施加不同的脉冲式的小位移运动，即可快速消除臂架产生的振动。

[1] 袁杰,崔壮平, 罗华等.应用于柔性长臂架的多传感器振动测量系统[J].仪表技术与传感器,2015(11):71-96.

[2] 陈刚 ,李 平,崔壮平等.消防云梯车变幅液压驱动系统的建模仿真[J].中国工程机械学报,2014(12):7-12.

[3]崔壮平,陈刚,李平等.基于模糊规则的消防云梯车残余振动控制研究[J].建设机械技术与管理,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，工程师，现从事举高消防车的研发设计工作。

U469.6+8.03

A

1004-0226(2017)07-0092-03

2017-05-25