桁架式橋梁檢測車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算

趙 睿

（山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030006）

桁架式橋梁檢測車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算

趙 睿

（山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030006）

以橋梁檢測車為研究對象，對其檢測臂架進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，研究和探討橋梁檢測車的開發(fā)及應(yīng)用。根據(jù)基本參數(shù)確定橋梁檢測車的總體設(shè)計方案和桁架機構(gòu)設(shè)計方案，建立橋梁檢測車Solidworks實體模型，并對檢測臂各部件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與計算；應(yīng)用Solidworks軟件對橋梁檢測桁架機構(gòu)進行虛擬裝配和運動學(xué)仿真研究。結(jié)果表明：各桁架結(jié)構(gòu)滿足強度要求，設(shè)計合理，可為下一步研發(fā)新型橋梁檢測車奠定理論基礎(chǔ)。

橋梁檢測車；桁架結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；運動仿真

0 引 言

橋梁在長期使用過程中會發(fā)生各種結(jié)構(gòu)損傷，從而引起一系列安全問題［1?5］，因此需要通過定期維修和加固來解決這些問題，而完成這些工作的基礎(chǔ)是對橋梁結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)檢測。目前橋梁的檢測工作主要使用多功能橋梁檢測車，在檢測車系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)為檢測臂，其設(shè)計優(yōu)劣直接決定了檢測車作用的發(fā)揮。本文針對桁架式橋梁檢測臂系統(tǒng)進行設(shè)計與計算，為新型橋梁檢測車的下一步研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

1 橋梁檢測臂整體方案

1．1 系統(tǒng)組成

橋梁檢測臂系統(tǒng)主要由主桁架、檢測桁架以及回轉(zhuǎn)機構(gòu)三部分構(gòu)成［6］，如圖1所示。

主桁架通過回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)與檢測桁架連接，將檢測臂從橋上伸到橋梁下部以檢測桁架；回轉(zhuǎn)機構(gòu)用來連接并控制桁架在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動［7?8］。

圖1 檢測臂結(jié)構(gòu)

1．2 運動形式的確定

橋梁檢測車檢測臂運動形式包括2個回轉(zhuǎn)運動和2個擺幅運動。2個回轉(zhuǎn)運動為底盤回轉(zhuǎn)機構(gòu)與回轉(zhuǎn)支撐的水平回轉(zhuǎn)運動；2個擺幅運動為主桁架、檢測臂桁架的擺幅運動［9?12］。底盤回轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動臂架結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)帶動檢測臂在水平面內(nèi)作0°～180°的轉(zhuǎn)動；四邊形擺幅機構(gòu)實現(xiàn)主桁架、檢測臂桁架的擺幅運動，使檢測臂在垂直面內(nèi)作0°～90°的轉(zhuǎn)動［13?15］。

1．3 三維造型

根據(jù)橋梁檢測車工況確定如下參數(shù)：橋下水平作業(yè)有效長度為13 m；橋面以下垂直作業(yè)范圍為0～9 m；跨越人行道距離為2．2 m；跨越護欄高度為2?1 m；跨越箱梁厚度為6 m；檢測速度不大于30 cm·s－1；系統(tǒng)定位精度不大于l cm·m－1；臂架總質(zhì)量不大于1 500 kg；采用多種防傾覆措施；承受風力不大于8級。

根據(jù)上述參數(shù)，在三維造型軟件Solidworks中對橋梁檢測臂進行全比例實體造型，如圖2所示。

圖2 橋梁檢測臂結(jié)構(gòu)模型

2 橋梁檢測臂桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算

橋梁檢測臂桁架主要包括主桁架和檢測桁架，以下根據(jù)檢測車參數(shù)對這2種桁架進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算。

2．1 主桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計要求檢測車垂直作業(yè)范圍為橋面下0～9 m，檢測車主桁架長度為11 m，截面為60 cm×60 cm。主桁架通過一對液壓缸帶動實現(xiàn)往復(fù)運動。主桁架采用燕尾滑槽與四邊形機構(gòu)連接，燕尾導(dǎo)軌放置于主桁架上，燕尾滑塊放置于四邊形機構(gòu)。工作過程中，燕尾滑槽不僅使主桁架隨滑塊往復(fù)運動，還可以減少擺動給液壓缸帶來的沖擊。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主桁架結(jié)構(gòu)

2．2 主桁架校合計算

2．2．1 抗拉伸強度計算

忽略主桁架偏心力矩及自身重量，由于桁架豎立，僅受檢測臂拉力和檢測車的支持力，受到的剪切力可忽略不計。桁架材料Q235鋼的屈服極限為235 MPa，槽鋼的截面積為18．516 cm2。

由拉伸／壓縮強度計算公式可知

式中：F1為受力值；Ssum為受力總面積；S為槽鋼截面積；［σ］p為屈服強度。

由此可知，當主桁架受力小于1．740 5×106N時，主桁架滿足抗拉伸強度要求。

2．2．2 抗彎曲強度計算

Q235鋼的許用彎曲強度為158 MPa，槽鋼桁架橫截面對Y軸的抗彎矩截面系數(shù)最小為13 cm3，最易彎曲?？紤]最惡劣情況，將受力簡化為一個作用于檢測臂單邊的集中力F2。根據(jù)力矩平衡原理可知

由此可知，主桁架受力小于16 432 N時，主桁架滿足抗彎曲強度設(shè)計。

綜合上述，可以確定當主桁架受力小于16 432 N時，結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)受力分析，主桁架受力約為8 820 N，因此本文對于主桁架的設(shè)計滿足要求。

2．3 檢測桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算

設(shè)計要求檢測臂橋下的檢測總長度為13 m，因此采用2節(jié)架結(jié)構(gòu)即可滿足條件。每節(jié)長度為6?5 m，2節(jié)間配合長度為0．5 m，2節(jié)桁架截面系數(shù)分別為60 cm×60 cm和50 cm×50 cm。檢測桁架工作過程中桁架1與桁架2依次水平展開，連接形式為移動副，如圖4所示。

圖4 檢測桁架結(jié)構(gòu)

根據(jù)檢測臂的受力情況，檢測臂單邊受力為主要受力，故只對檢測臂的彎曲強度進行校核。具體計算過程與主桁架相同，根據(jù)受力分析，檢測臂受力為4 900 N，小于16 432 N，因此本文關(guān)于檢測桁架的設(shè)計也滿足要求。

3 橋梁檢測臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計與計算

3．1 驅(qū)動方式的確定

檢測車通常利用液壓、電氣和機械等驅(qū)動方式實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。與其他驅(qū)動方式相比，液壓驅(qū)動方式除具有配置靈活方便、易于操縱控制、可實現(xiàn)過載保護等優(yōu)點外，還有功率?質(zhì)量比大、力?質(zhì)量比大及轉(zhuǎn)矩?慣量比大等優(yōu)勢［7］，所以本檢測車采用液壓方式驅(qū)動回轉(zhuǎn)機構(gòu)。

3．2 傳動方式確定

回轉(zhuǎn)運動的實現(xiàn)方式有齒輪傳動、渦輪蝸桿傳動和液壓缸直接驅(qū)動等。其中，齒輪傳動具有傳動平穩(wěn)可靠、使用壽命長、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊且能實現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)等優(yōu)點。因此，本檢測車2個回轉(zhuǎn)機構(gòu)均采用傳動比更大的一對齒輪傳動，即用液壓馬達驅(qū)動小齒輪來帶動大齒輪，大齒輪帶動被驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。

3．3 傳動載荷計算

當伸出臂、豎直臂、工作臂全部平行展開時，臂架重心偏離轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心距離最遠，臂架豎直方向迎風面積最大。此時，計算參數(shù)取值為：回轉(zhuǎn)支承裝置轉(zhuǎn)臺重力G0＝3．2 kN；臂架總重力G＝6 kN；臂架重心與轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心距離d＝2．5 m；臂架的迎風面積SW＝5．4 m；臂架承受風力FW＝370 N·m－3；風力作用線與回轉(zhuǎn)中心距離L＝12 m。

不同工況下支撐所受載荷的計算如下，其中工況1為動態(tài)容量計算載荷，工況2為靜態(tài)容量計算載荷。

工況1下八級風力時的工作載荷為

其中：K為安全系數(shù)。

工況2下不計風力時的最大載荷為

回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)采用單排四點接觸式，由相關(guān)文獻可知，工況參數(shù)和載荷換算系數(shù)分別為fm＝1?25、fs＝1?55，回轉(zhuǎn)支撐當量載荷不計，則靜態(tài)載荷為

動態(tài)載荷為

3．4 驅(qū)動裝置計算

3．4．1 驅(qū)動力矩計算

回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作載荷是回轉(zhuǎn)阻力矩Msw，它主要由摩擦阻力矩Mf、傾斜時引起的回轉(zhuǎn)阻力矩Ms、風壓引起的阻力矩Mw以及回轉(zhuǎn)慣性引起的阻力矩Mp組成。以下對上述力矩分別進行計算。

回轉(zhuǎn)支撐裝置的摩擦阻力矩

回轉(zhuǎn)平臺傾斜時引起的回轉(zhuǎn)阻力矩

其中：R為回轉(zhuǎn)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)半徑。

風壓引起的阻力矩

其中：風壓值FN＝150 kN·m－2；臂架水平方向迎風面積SL＝6．25 m2；Ln為臂長。

回轉(zhuǎn)慣性引起的回轉(zhuǎn)阻力矩

其中：回轉(zhuǎn)速度n＝3 r·min－1；啟動時間t＝4 s；伸出臂重力G＝12 500 N；臂架重心到轉(zhuǎn)臺中心的水平距離L＝2．5 m。

基于上述計算，驅(qū)動裝置驅(qū)動力矩值為

3．4．2 驅(qū)動功率計算

驅(qū)動馬達最大回轉(zhuǎn)功率為

式中：液壓馬達系數(shù)H、m、λm的值均為1；回轉(zhuǎn)速度n＝3 r·min－1；機械總效率μ＝0．9。

本系統(tǒng)采用低速（0～150 r·min－1）大轉(zhuǎn)矩液壓馬達回轉(zhuǎn)機構(gòu)，可以直接在油馬達軸上安裝回轉(zhuǎn)機構(gòu)小齒輪，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。

4 結(jié) 語

本文以橋梁檢測車為研究對象，對檢測臂進行設(shè)計與計算。根據(jù)基本參數(shù)確定了橋梁檢測車及檢測臂總體設(shè)計方案，并對檢測臂桁架結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計及校合計算。分析結(jié)果表明，設(shè)計的各桁架結(jié)構(gòu)滿足強度要求。此外，確定了回轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動方式和傳動方式，并計算了傳動載荷及驅(qū)動裝置的各參數(shù)。本文的分析計算結(jié)果可為下一步研發(fā)新型橋梁檢測車奠定理論基礎(chǔ)。

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［責任編輯：王玉玲］

Design and Calculation of Key Structure of Trussed Bridge Inspection Vehicle

ZHAO Rui
（Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan 030006，Shanxi，China）

Taking the bridge inspection vehicle as the research object，the structural design of the main parts of the boom was studied，and the development and application of the bridge inspection vehicle were studied and discussed．The general design of the bridge inspection vehicle and the truss mechanism was determined in terms ofthe fundamental parameters，and the entity modelwas established with Solidworks．The design and calculation ofthe components ofthe inspection arm were carried out．The virtualassembly and motion simulation of the truss mechanism were conducted by using Solidworks software．The results show that each truss structure can meet the requirement of strength and has reasonable design，which provides further research and development of bridge inspect vehicle with theoretical basis．

bridge inspection vehicle；truss structure；structural design；motion simulation

U446．3

B

1000?033X（2017）08?0081?04

2017?01?31

趙 睿（1965?），女，山西太原人，高級工程師，研究方向為交通機電工程。