举高消防车活动支腿纵向跨距对支腿离地距离的影响

邹宁波 周敏 杨军

摘要：针对某采用H型支腿形式的举高消防车部分工况出现支腿离地距离较大的问题，建立了下车焊接装配体有限元模型，研究了活动支腿纵向跨距对支腿离地距离的影响，分析得出活动支腿纵向跨距对支腿离地距离的影响规律，并对深层次的原因探究，为举高消防车下车结构的合理设计提供参考依据。

关键词：举高消防车；活动支腿纵向跨距；支腿离地距离；有限元法

中图分类号：U469.97  收稿日期：2023-04-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.010

1 前言

举高消防车的下车钢结构主要由副车架、固定支腿和活动支腿等组成。救援灭火作业时，在整车的自重、风载与喷水反力等载荷的作用下，当臂架在安全工作范围内回转时，与臂架方位相反的一侧支腿有可能离开地面，形成三点支撑。根据《GB 7956.12-2015》规定，消防车处于三点支撑时，支腿的离地距离应小于20 mm，才能保证其作业时的安全性。

影响举高消防车支腿离地距离的因素包括上车倾翻力矩、上车剪切力、下车剪切力、支腿跨距、结构形式等[1]。在已有的文献中，有较多的文章研究了上车倾翻力矩、副车架扭刚度、支腿刚度对消防车支腿离地距离的影响，但关于支腿跨距对支腿离地距离影响的研究鲜有涉及。支腿跨距不仅会影响支腿离地距离，还会影响下车结构的布置、整车轴荷的分布，因此，研究支腿跨距对消防车支腿离地距离的影响规律具有重要意义。

以某种采用H型支腿形式的举高消防车的下车焊接装配体为研究对象，在Ansys中，利用壳单元构建了下车焊接装配体有限元模型。针对部分支腿离地距离较大的工况，以活动支腿的纵向跨距为研究变量，在保证整体自重不变的前提下调整活动支腿的纵向跨距，进行下车焊接装配体有限元计算，分析得出消防车活动支腿的纵向跨距对支腿离地距离的影响规律，并对产生这一规律的深层次原因进行探究。

2 下车结构力学模型

2.1 模型简化

下车焊接装配体主要承载部件由副车架、活动支腿、底盘大梁和垂直油缸等组成[2]。副车架为钢板焊接的箱形多室薄板结构，其内部焊接若干加强隔板以提高抗弯刚度和抗扭刚度。支腿分为固定支腿和活动支腿，固定支腿和副车架焊接为一个整体。该型举高消防车活动支腿采用一级支腿，活动支腿通过与固定支腿采用插入式搭接方式连接。

为了更高效地调整下车焊接装配体模型中活动支腿纵向跨距，研究举高消防车活动支腿纵向跨距对离地距离的影响，特别采用壳单元建立副车架、活动支腿、底盘大梁的模型，采用杆单元构建活动支腿垂直油缸的模型，采用梁单元构建副车架和底盘大梁之间、活动支腿和垂直支撑油缸之间的螺栓模型，采用接触单元构建活动支腿与固定支腿之间的接触模型[2-3]。构建的下车焊接装配体有限模型如图1所示。

2.2 载荷边界条件

建立如图2所示的坐标系，以回转中心O点为原心，底盘纵向为x轴，底盘横向为y轴，依据右手定则确定z轴。上车臂架自重载荷及喷水载荷通过O点的集中载荷P和倾翻力矩M来施加，其中倾翻力矩M与x坐标轴夹角为f。下车载荷G通过质心匹配的方式施加。

下车活动支腿与副车架的连接方式如图3所示，固定支腿与副车架在点D处通过共节点的方式实现刚性连接。活动支腿和固定支腿的接触点B处约束x、y、z向的平动自由度和y向的转动自由度。活动支腿和固定支腿的接触点C处约束x、z向的平动自由度和y向的转动自由度。支腿垂直油缸和活动支腿在A处通过节点耦合x、y、z向的平动自由度。

下车结构通过活动支腿垂直油缸与水平地面接触，由于上车倾翻力矩的作用，副车架结构出现扭转变形，以至于支腿在左右、前后方向发生滑动[4-5]。故在设置支腿液压油缸的约束时，应当考虑释放副车架前后、左右运动的自由度。

臂架在①区作业时，A支腿约束x、y、z向的平动自由度，B支腿约束y、z向的平动自由度，C支腿约束z向的平动自由度，D支腿约束x、z向的平动自由度；臂架在区域②③④内作业时[1]，下车各支腿的约束方式见表1。

3 活动支腿纵向跨距对支腿离地距离的影响

3.1 移动前固定支腿位置对支腿离地距离的影响

调整有限元模型中前固定支腿到回转中心的距离，使得支腿纵向跨距分别为8 660 mm、9 260 mm、9 860 mm，计算臂架回转角度在90°～135°之间，以5°为一个区间变化时，各个工况的支腿离地距离，并录于表2。表中结果显示，三种纵向跨距的消防车在臂架回转角度为110°时，支腿离地距离最大，且活动支腿纵向跨距越大，支腿离地距离越小。

从消防车支腿离地距离最大时的变形图（图5）中可以看出，活动支腿纵向跨距变大时，扭转中性层向后移动，在载荷相同的前提下，扭转中性层距离后固定支腿越近，支腿离地距离越小。

3.2 移动后固定支腿位置对离地距离的影响

调整有限元模型中后固定支腿到回转中心的距离，使得支腿縱向跨距分别为8 660 mm、9 260 mm、9 860 mm，计算臂架回转角度在90°～135°之间，以5°为一个区间变化时，各个工况的支腿离地距离，并录于表3。表中结果显示，三种纵向跨距的消防车在臂架回转角度为110°时，支腿离地距离最大，且活动支腿纵向跨距越大，支腿离地距离越大。

从消防车离地距离最大时的变形图（图6）中可以看出，活动支腿纵向跨距变大时，扭转中性层向前移动，在载荷相同的前提下，扭转中性层距离后固定支腿越远，支腿离地距离越大。

4 原因分析

移动前固定支腿，改变支腿跨距对消防车支腿离地距离的影响与移动后支腿，改变支腿跨距对消防车的影响截然相反，这个规律较难从直观上理解。为了探究这一规律产生的深层次原因，依次分析前支腿反力之差、前支腿受到的倾翻力矩、支腿离地距离之间的关系。

4.1 前支腿反力之差与支腿离地距离的关系

四点支撑时，消防车支腿反力计算公式为：

式中，G为下车重力；P为上装重力；Mx为上装倾翻力矩在x方向分量；My为上装倾翻力矩在y方向分量；l1为支腿纵向跨距；l2为支腿横向跨距；l3为下车质心与前固定支腿的纵向距离；l4为上装质心与前固定支腿的纵向距离；F1为右前支腿反力；F2为右后支腿反力；F3为左后支腿反力；F4为左前支腿反力。

当根据四点支撑的方式计算出某个支腿反力为零或负数时，表示此时那个支腿已经离地。设D支腿抬起，此时的支腿反力计算公式需要更改如下[5]：

式中，b为车辆两个后支腿油缸撑地点连线与车辆纵轴线的夹角；f1为右前支腿反力；f2为右后支腿反力；f4为左前支腿反力。

将式（1）～式（4）编制成举高车稳定性计算程序，计算臂架在0°～360°之间回转的该车型的支反力数据，并绘制成曲线图，见图7。观察到消防车抬腿区域的前支腿反力之差，有先增大后减小的趋势，消防车支腿离地距离也有先增大后减小的趋势，前支腿反力之差最大时消防车支腿离地距离最大。说明消防车前支腿反力之差与支腿离地距离正相关。

为了更清晰地展现这一规律，绘制前支腿反力之差与回转角度的关系曲线图（图8）。图中显示，前支腿反力之差与回转角度的关系曲线斜率突变处，支反力最大，支反力最大时的回转角度与试验基本一致。前支腿反力之差与回转角度的关系曲线斜率为零，即前支腿反力之差最大时，支腿离地距离最大，支腿离地距离最大时的回转角度也与试验[6]基本一致。

4.2 前支腿所受倾翻力矩与支腿离地距离的关系

对副车架受力状态进行理想假设：a.消防车前支腿着地，后支腿不着地；b.副车架纵向跨距增大的过程中，扭转刚度不变。

如图9所示，根据材料力学可得，消防车副车架扭转角度与前支腿所受倾翻力矩的关系为：

式中，G为材料剪切模量；Ip为截面极惯性矩。

当副车架截面一定时，G、Ip为常量，上述公式可知消防车副车架扭转角度与前支腿所受倾翻力矩成正比，而支腿横向跨距为定值，副车架扭转角度[θ]与消防车支腿离地距离成正比。

因此可以得出，前支腿所受倾翻力矩与消防车支腿离地距离成正比。

4.3 前支腿反力之差与前支腿受到的倾翻力矩的关系

引用式（1）中前支腿反力F1、F4的计算公式做差得：

式中，l2为支腿横向跨距，在本文中属于常量；l1为支腿纵向跨距；l4为上装质心与前固定支腿的纵向距离，为变量。

由式（5）可以推导出前支腿反力之差与前支腿受到的倾翻力矩成正比，从而可以推导出前支腿反力之差与支腿离地距离之间正相关。

分两种情况来详细讨论前支腿反力与支腿离地距离的关系：

a.前支腿移动时，l1增大，l4增大，[l4l1]增大，则F4-F1减小，支腿离地距离减小。

b.后支腿移动时，l1增大，l4不变，[l4l1]减小，则F4-F1增大，支腿离地距离增大。

下文将运用举高车稳定性计算程序来验证。

5 支腿离地距离与活动支腿纵向跨距的关系

5.1 影响关系验证——前活动支腿移动

调整前固定支腿到回转中心的距离，使得支腿纵向跨距分别为8 660 mm、9 260 mm、9 860 mm，依据举高车稳定性计算程序，计算臂架回转角度在0°～360°之间变化时前后支反力之差，并绘制的关系曲线，如图10所示。

图10中显示，在臂架倾翻力矩相同，副车架截面相同的前提下，当前支腿移动导致副车架纵向跨距变小时，前支腿反力之差变大，从而导致支腿离地距离变大。

5.2 影响关系验证——后活动支腿移动

调整后固定支腿到回转中心的距离，使得支腿纵向跨距分别为8 660 mm、9 260 mm、9 860 mm，依据举高车稳定性计算程序，计算臂架回转角度在0°～360°之间变化时前后支反力之差，并绘制关系曲线，如图11所示。

图11中显示，在臂架倾翻力矩相同，副车架截面相同的前提下，当后支腿移动导致副车架纵向跨距变小时，前支腿反力之差变小，因此支腿离地距离变小。

6 结语

本文分析了举高消防车活动支腿纵向跨距对支腿离地距离的影响，结果发现：影响消防车离地距离大小的根本因素是前支腿分到的倾翻力矩，前支腿受到的倾翻力矩越大，支腿离地距离越大；受到的倾翻力矩越小，支腿离地距离越小。

对应研究不同支腿移动改变支腿跨距时，有以下结论：

a.在臂架倾翻力矩相同，副车架截面相同的前提下，当前支腿移动导致支腿纵向跨距变小时，前支腿受到的倾翻力矩变大，因此消防车支腿离地距离变大。

b.在臂架倾翻力矩相同，副车架截面相同的前提下，当后支腿移动导致支腿纵向跨距变小时，前支腿受到的倾翻力矩变小，因此消防车支腿离地距离变小。

本文研究结论可以为消防车的活动支腿、副车架设计提供一定的参考依据。

参考文献：

［1］夏梽超，孙永君，刘宝隆，等.起重机下车刚度对支腿离地距离的影响[J].起重运输机械，2013（8）：74-77.

［2］张艳伟，孙国正，石来德.混凝土泵车支腿反力计算及基于ASNYS的支腿结构分析[J].中国工程机械学报，2004，2（7）：253-258.

［3］莊维林，曹富龙，张俊成，等.混凝土泵车支腿离地距离计算[J].工程机械，20016，48（4）：41-46.

［4］康辉梅.混凝土泵车支腿反力与离地距离分析[J].建设机械技术与管理，2002（15）：7-10.

［5］曾庆礼，刘召华，杨军.消防车支腿反力理论计算及有限元验证[J].专用汽车，2022（8）：40-44.

［6］苏复兵，刘志斌，胡步云，等.基于有限元分析的混凝土泵车底架支腿整体计算及测试[J].建设机械技术与管理，2022（3）：58-60.

作者简介：

邹宁波，男，1987年生，工程师，研究方向为消防车辆设计开发。