多功能消防救援车应力测试与优化策略

摘要： 本文聚焦于多功能消防救援车，旨在提升其性能与安全性。鉴于城镇化发展中高层消防安全问题严峻，举高消防车臂架设计存在依赖经验、计算繁琐等难题，且现有研究不足。以某企业生产的多功能消防车为例，分析其臂架结构特点，包括主伸缩臂、铝合金伸缩攀爬架和消防泡。对其在高层建筑救援、复杂地形救援、长时间连续作业等工况下进行剖析，通过有限元分析得知转台及主伸缩臂采用的 BS700MCJ4 高强钢和铝合金伸缩攀爬架 6061-T5 材料的性能特点及应力分布情况。制定科学的应力布点方案并测试，结果显示主臂及攀爬架安全系数满足要求，但 6061-T5 材料在 100℃以上屈服强度衰减显著。故建议高温救援场景下将攀爬架材料升级为 2A02、2024 等耐热铝合金，以提升装备可靠性与安全性。

关键词： 多功能消防救援车；应力测试；臂架结构；有限元分析；耐热铝合金

1 前言

在城镇化快速发展的当下，城市高层建筑越来越多，高层消防安全问题日益严峻。举高消防车作为扑救高层火灾的重要装备，其性能对消防救援起着关键作用。近年来，国内举高消防车产业发展迅速，能自主生产多种类型产品，在工作高度和幅度等方面有较大进步。不过，多功能举高消防车的核心部件臂架，在设计和性能提升上存在难题。传统设计方法依赖经验，计算繁琐，设计出的臂架在实际使用中容易出现各种状况，且研发周期长，影响企业效益。并且，现有研究在满足新型举高消防车需求、结合先进仿真技术方面存在欠缺。本文基于多维度视角，运用实验研究与 ANSYS 数值模拟等方法，对多功能消防救援车进行应力测试，提出优化策略，在满足《GB 7956.12-2015》 消防车第12部分：举高消防车[1]，期望提升其性能与安全性，为消防救援事业贡献力量。

2 举高消防车臂架结构特点

常见的举高消防车有云梯消防车、登高平台消防车和举高喷射消防车，它们在应用场景上各有侧重。云梯消防车，凭借伸缩式臂架、重量轻的特点，适合在狭窄街道作业，可快速到达高层建筑特定位置，营救被困在窗口、阳台的人员，还能利用云梯顶端水枪进行较低楼层的外部灭火。登高平台消防车工作平台大且承载强，适用于高层建筑综合救援，像疏散大量被困人员、抢救贵重物资等，其工作臂展开角度和跨度大，能在复杂救援环境中避开障碍物，也可与多种救援设备联用，救助行动不便人员。举高喷射消防车则主要用于灭火，无论是高大建筑、石油化工场所，还是大空间建筑火灾，都能在远距离和高处利用顶端消防炮，喷射大量水或泡沫，有效控制和扑灭火灾。

本文研究的为泰州市某企业生产的多功能消防车（规格型号AQZ5260GXFAP60/B6）见图1，该消防车整合了云梯消防车和登高平台消防车的长处，臂架设计兼顾灵活性与高强度，既可以在狭窄街道灵活穿梭，快速抵达救援地点，又能稳定地伸展至高处，到达高层建筑特定位置实施救援。在救援功能上，它拥有较大且承载能力强的工作平台，可搭载多名救援人员和丰富的救援设备，实现高层建筑综合救援，满足不同救援场景和人员需求。同时该消防车配备了高流量、大射程的消防炮，能在远距离和高处喷射大量水或泡沫，有效扑灭高大建筑、石油化工场所及大空间建筑火灾。此外，还可能搭载破拆、照明等辅助设备，在复杂救援环境中，为救援行动提供全方位支持，大大提升了应对各类灾害事故的能力。

图1 多功能举高消防车实物图

该多功能消防车的臂架结构具有以下特点：

（1）主伸缩臂：赋予臂架可伸缩的功能，能根据救援与灭火场景的实际需求，灵活调整臂架长度，实现远距离、高高度的作业，帮助消防车快速抵达目标位置。

（2）铝合金伸缩攀爬架：采用铝合金材质，质量较轻，降低了臂架整体重量，且具备可伸缩性，方便消防员攀爬至高处开展救援行动，增强了救援作业的便利性和可操作性。

（3）消防泡：作为灭火的关键部件，集成在臂架上，可喷射大量水或泡沫，在远距离和高处对火灾进行有效扑救，实现臂架灭火功能的一体化。

主伸缩臂、铝合金伸缩攀爬架与消防泡相互配合见图2，使多功能消防车臂架在长度调节、人员攀爬作业与灭火作业上具备高效性和实用性，为多功能消防车执行各类消防救援任务提供了有力支持。

                             图2 多功能消防车臂架结构简图

3 工况分析

多功能消防车铝合金伸缩攀爬架在不同工况下有着不同的挑战与需求。在高层建筑救援工况中，火灾或紧急情况发生时，需迅速伸展至对应楼层，消防员负重攀爬带来额外重量考验结构强度与稳定性，周边强劲风力产生的风载荷加剧晃动影响攀爬安全与效率，消防泡工作的冲击载荷还会使结构受力更复杂，易引发局部应力集中。为确保攀爬架结构设计合理与安全，需通过有限元分析软件对臂架结构建模，模拟不同工况下受力情况分析应力分布和变形趋势，并在实际或模拟环境中用应变片等设备测量臂架关键部位应力值，与有限元分析结果相互验证。多功能消防车铝合金伸缩攀爬架的工况如下：

高层建筑救援工况：在高层建筑发生火灾或其他紧急情况时，铝合金伸缩攀爬架需迅速伸展至相应楼层。消防员负重携带救援设备攀爬，使攀爬架承受额外重量，对其结构强度和稳定性考验巨大。同时，高层建筑周边风力强劲，风载荷会显著增加攀爬架在伸展和使用过程中的晃动，严重影响消防员攀爬的安全性与效率。此外，若消防泡此时工作，其产生的冲击载荷也会通过臂架传递至攀爬架，进一步加剧结构的受力复杂性，可能导致攀爬架局部应力集中，影响其正常使用。

复杂地形救援工况：当火灾或事故发生在山地、狭窄街道等复杂地形时，消防车停放位置受限，攀爬架难以在理想状态下展开。例如在狭窄街道，需在有限空间内伸展，这要求攀爬架具备良好的灵活性与精准控制能力。复杂地形可能使消防车车身倾斜，攀爬架在这种情况下仍需保持稳定，确保消防员安全攀爬。多角度工作时，攀爬架的支撑结构需适应不同的倾斜角度，其连接部位和伸缩机构会承受额外的剪切力和扭矩。风载荷在复杂地形中方向多变，可能与攀爬架自身的受力方向叠加，而消防泡工作冲击载荷在多角度下也会对攀爬架产生不同方向的作用力，增加结构损坏风险。

长时间连作业工况：在大型火灾或救援行动中，铝合金伸缩攀爬架长时间连续使用。长时间的伸缩、承重以及暴露在高温、烟雾等恶劣环境下，会使零部件出现磨损、老化等问题。连接部位的螺栓可能松动，伸缩轨道可能因高温变形，影响正常伸缩和整体结构强度。在多角度工作时，频繁的角度变换会加剧零部件的磨损，风载荷和消防泡工作冲击载荷的持续作用，会让结构疲劳损伤加速，大大缩短攀爬架的使用寿命，增加故障发生概率。

4 臂架结构有限元分析

转台及主伸缩臂采用高强钢 BS700MCJ4（屈服强度 777MPa，抗拉强度 833MPa）整体焊接成型，其主体结构为封闭式箱体梁，由双槽形板焊接构成大挖空率截面，在显著降低自重的同时预留充足内部空间。该截面形式具有优异的抗弯抗扭性能，应力分布均匀且中性轴居中，赋予结构对称的正负弯矩承载能力。根据工程设计经验，基于上下臂实际受力差异（上臂载荷较小），采用差异化截面与材料配置策略，有效实现轻量化与成本优化。材料高温性能研究表明：BS700MCJ4 高强钢在 200℃以下时极限强度降幅≤15%；当温度升至 200-400℃区间，强度衰减速率显著加快；400-800℃呈现持续线性下降趋势；至 800℃时强度折减系数仅余 0.10，需特别关注高温工况下的结构安全防护[2]。 铝合金伸缩攀爬架主要由材质由6061-T5构成，主要合金元素为镁（Mg）和硅（Si），并形成 Mg₂Si 相，其中硅含量在 0.4%-0.8%，镁含量在 0.8%-1.2%，其屈服强度为118MPa，抗拉强度为220MPa，弯曲极限强度为228MPa左右，疲劳强度为62.1MPa。由于相对于主伸缩臂，铝合金伸缩攀爬架的强度要低的多，同时高强铝合金在高温影响下容易强度降低，因此本文主要对铝合金伸缩攀爬架的结构进行分析，见图3，其应力最大值在三节臂的搭接处，最大达到77.253MPa，超过了该铝合金的疲劳强度。同时在高温下6061-T5强度会随温度升高而降低，温度超过 100℃时，其屈服强度会逐渐下降。在 150℃时，其强度相比室温会有较明显的降低；在 200℃时，强度下降会更显著。

图3铝合金伸缩攀爬架应力分析图

5 臂架应力布点及应力测试

臂架应力布点方案，主伸缩臂支撑座两侧轴：在主伸缩臂支撑座的两侧轴位置各布置 1 个点，共 2 个点。这两个点对于监测支撑座与轴之间的受力情况至关重要，能直接反映出支撑座在承受臂架重量和外部载荷时的应力状态。伸缩臂重叠区：每一截伸缩臂的重叠区布置 1 个点，假设伸缩臂有 3 截，那么重叠区共布置 3 个点。重叠区是伸缩臂在伸缩过程中受力较为复杂的部位，布点在此可以有效监测重叠部分在相对运动和承受载荷时的应力变化。每节根部：由于分析得知铝合金伸缩攀爬架的重叠部位存在应力集中现象，所以在每一节的根部布置 2 个点。对于 3 节的伸缩攀爬架，总共布置 6 个点。根部是连接上下节臂架以及传递载荷的关键部位，在根部布点能很好地监测臂架在整体受力时根部的应力情况。根据载荷布置最不利位置：另外还有 3 个点需要根据载荷布置在最不利位置。这些位置通常是在臂架承受特定载荷或在特定工况下，应力可能达到最大值或出现特殊应力分布的区域。比如在臂架伸出最长且承受最大重量时，某些部位可能会出现较大的弯曲应力或剪切应力，这些点就需要布置在这些可能的最不利位置上。对臂架在30°以及75°两种极限角度工况分别进行测试，攀爬架以挂重模拟人体重量，主臂以吊载模拟水载荷。由表1可知主臂的应力最大处在支撑座上，其安全系数达到1.32，攀爬架应力较大部位在第一节与第二节交界处安全系数为1.51。

表1 臂架应力测试值

6 小结

本文基于多功能消防救援车的有限元模拟与工况分析，制定了科学的应力测试方案。经实测验证，主臂及攀爬架的安全系数均满足设计规范要求。针对臂架结构耐热性能研究表明：主臂采用的 BS700MCJ4 高强钢在 100-200℃区间仍能保持稳定力学性能，可满足火场高温环境作业需求；而铝合金攀爬架选用的 6061-T5 材料在 100℃以上时屈服强度衰减显著，200℃工况下已无法满足安全承载要求。建议针对高温救援场景，将攀爬架材料升级为 2A02、2024 等耐热铝合金（工作温度可达 250-350℃），通过材料性能优化提升装备在极端环境下的可靠性与安全性。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB 7956.12-2015 消防车 第 12 部分：举高消防车 [S]. 北京：中国标准出版社，2015.

[2]吴香明.基于有限元的登高消防车上车机构研究[J].消防科学与技术,2015,34(07):919-921.