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原文传递云梯高喷消防车举高作业稳定性研究

论文题名：	云梯高喷消防车举高作业稳定性研究
关键词：	云梯消防车;稳定性;流体力学;有限元模拟
摘要：	目前，云梯消防车普遍存在面对火场复杂恶劣条件下操作安全性不足以及只能在驻车支腿支撑条件下举高喷射灭火等问题，在火灾应急救援技术与装备需求日益迫切的背景下，难以满足城市安全和工业安全的要求。因此，高效能载液云梯高喷消防车孕育而生。一方面，作为同时配置梯顶消防炮和罐顶消防炮的特种车辆，双炮同步喷射可大幅增加消防液覆盖范围，实现单车立体化分层空间灭火。另一方面，因其具备行进状态下高低炮同步灭火的新型作战模式，对于减小人员伤亡以及提高作业效能具有重要意义。然而，在行进举高灭火的复杂模式下，整车稳定性与多方面因素相关。　　本课题依托于国家重点研发计划项目“高效能载液云梯高喷消防车辆关键技术研究及产品研发”（项目编号：2016YFC0802909），结合流体力学、有限元模拟、信号处理和虚拟样机技术等相关理论和方法，深入开展了云梯高喷消防车举高作业稳定性研究。旨在掌握影响云梯高喷消防车稳定性的因素，揭示其安全灭火作业范围，以期为研制出场地适用性强、消防能力突出的云梯高喷消防车辆提供必要的理论支撑。本文的主要研究内容可总结如下：　　（1）在对云梯高喷消防车整车布局及各系统工作机理介绍的基础上，分析了影响车辆稳定性和安全灭火的因素，指明了本文研究工作的重点。搭建了消防炮喷射反力测试、梯架振动测试和消防车轮胎载荷分布测试等相关实验平台，为验证本课题所涉及研究内容的可靠性和准确性提供了必要实验数据支撑。　　（2）开展消防炮单向流固耦合特性研究。采用流体力学分析理论，推导了消防炮喷射反力求解方程，获取了不同作业工况下的理论计算结果。采用单向流固耦合的分析方法，实现了对消防炮不同流量和俯仰角度下的喷射反力、结构形变和应力分布特性的仿真模拟研究。通过与实验结果之间的误差对比分析，验证了数值仿真结果和理论计算结果的准确性。　　（3）开展梯架不同作业工况振动特性研究。基于梯架系统物理模型，研究了三维简化模型以及结构数值仿真模型的建模方法。采用模态分析、预应力模态分析和瞬态动力学分析方法，通过设置有效的边界条件以及接触算法，探究了梯架不同作业工况下的固有模态振动特性。结合实验测试平台，研究了突变速度、缓冲装置、负载质量和变幅角度等因素对梯架振动特性的影响规律，并验证了模拟结果的有效性。基于数值分析结果，采用数据拟合的方法，建立梯架振动频率预测模型。　　（4）开展云梯高喷消防车举高灭火稳定性研究。考虑到整车系统结构的复杂性以及对其进行动态特性研究的困难性，采用虚拟样机模拟方法，实现了对云梯高喷消防车参数化虚拟样机模型的构建，并对模型的可靠性和有效性进行了验证。基于上述模型，以各车轴轮胎垂向载荷大小为依据，研究了梯架作业姿态和消防炮喷射反力等装备作业参数对车辆匀速运动工况、制动工况、稳态回转工况以及侧翻工况下的稳定性影响规律，揭示了车辆安全作业范围。
作者：	孙建平
专业：	机械电子工程
导师：	李伟
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国矿业大学(江苏)
学位年度：	2022