劉 敏,丁登峰,甘利紅,劉 帆,劉胤辰,張 陽,王志斌
(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司咸寧供電公司,湖北咸寧 437000;2.湖北香城智能機電研究院有限公司,湖北咸寧 437000;3.湖北科技學(xué)院自動化學(xué)院,湖北咸寧 437100)
在送變電行業(yè)的架線施工中,跨越是常見的施工工況[1]??缭郊苁蔷€路施工過程中用來支撐導(dǎo)、地線,臨時通過公路、鐵路、電力線以及弱電線路的架子。依據(jù)不同分類標(biāo)準(zhǔn),跨越架的種類繁多,施工方式、跨越物的型式是影響分類的主要因素。常規(guī)跨越架采用架體和封頂絕緣網(wǎng)的結(jié)合模式。其中,架體的作用是承擔(dān)導(dǎo)、地線的放線沖擊,封頂絕緣網(wǎng)的作用是保護落線??缭郊艿拇钤O(shè)、拆除需要投入大量的人力、物力,每次搭設(shè)、拆除的成本較高,同時存在安全隱患,容易造成架體坍塌、人員傷亡事故。文獻(xiàn)[2]中陳述了跨越架坍塌的原因,包括搭設(shè)不規(guī)范、極端天氣因素、施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜等。
基于常規(guī)跨越架存在的問題,開展新型跨越架的設(shè)計研究。文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了移動式快速跨越架的研制,形成長度18 m、寬度8 m 的防護平面,防護平面距離地面高度為6.5 m,其特點是機動性強、搭設(shè)速度快、可折疊的形式、重量輕等。文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了移動式可伸縮雙向回轉(zhuǎn)輸電線跨越架的結(jié)構(gòu)設(shè)計,由U 形架、水平回轉(zhuǎn)支承、電動液壓推桿、底部固定支架、側(cè)方載人平臺等組成,安裝在定型的汽車起重機上。文獻(xiàn)[5-6]進(jìn)行了移動展開式跨越架設(shè)計,由車體、轉(zhuǎn)臺、下液壓柱、上液壓柱、轉(zhuǎn)軸裝置、支撐桿、主桿以及臂架等組成。文獻(xiàn)[7]基于雨傘的工作原理進(jìn)行了車載移動式跨越架的研制,由汽車起重機、跨越架本體以及附件等組成。
綜上所述,與常規(guī)跨越架相比,文獻(xiàn)[3-7]中新型跨越架不需要復(fù)雜的搭設(shè)、拆除流程,操作簡單其中文獻(xiàn)[7]中的跨越架工作原理最為簡單,實用性強。因此,基于文獻(xiàn)[7]中跨越架的工作原理,進(jìn)行跨越架的機構(gòu)設(shè)計及仿真分析,為新型跨越架的設(shè)計提供參考。
汽車起重機是目前應(yīng)用非常廣泛的一種起吊搬運機械,由起升、變幅、回轉(zhuǎn)、起重臂和汽車底盤組成,依靠起重臂的伸縮來搬運物品(圖1)。
圖1 汽車起重機
移動式跨越架基于汽車起重機載體,機動性強、轉(zhuǎn)移迅速。利用汽車起重機的回轉(zhuǎn)、起升、伸縮功能滿足跨越架的位置調(diào)整??缭郊艿淖藨B(tài)調(diào)整需要依靠自身的結(jié)構(gòu)實現(xiàn),其主體結(jié)構(gòu)采用折疊式。跨越架安裝于汽車起重機的主臂末端,有3 個自由度(圖2)。其中,自由度01、自由度02 滿足跨越架的姿態(tài)調(diào)整功能,自由度03 滿足跨越架的撐開、收縮功能。
圖2 跨越架工作原理
基于雨傘的工作原理,跨越架主體結(jié)構(gòu)采用折疊式。首先,引入鉸鏈四桿機構(gòu)以及機構(gòu)的演化方法;其次,跨越架折疊機構(gòu)設(shè)計。
由于機構(gòu)各部分的運動是由原動件的運動規(guī)律、機構(gòu)中運動副的類型及機構(gòu)的運動尺寸共同來決定,與構(gòu)件外形、斷面尺寸、組成構(gòu)件的零件數(shù)量及固定方式等因素?zé)o關(guān)。因此,根據(jù)機構(gòu)的運動尺寸,按一定的比例尺寸確定運動副的位置,通過運動副、常用機構(gòu)運動簡圖的代表符號及一般構(gòu)件的表示方法將機構(gòu)的運動傳遞情況表示出來。
鉸鏈四桿機構(gòu)是平面四桿機構(gòu)的基本形式,鉸鏈四桿機構(gòu)包括3 種形式,分別為曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)及雙搖桿機構(gòu)(圖3)。其他形式的四桿機構(gòu)是其演化形式,如曲柄滑塊機構(gòu)等。
圖3 鉸鏈四桿機構(gòu)的形式
運動鏈選用不同的構(gòu)件作為機架,可以演化出不同形式的機構(gòu),這種演化方法沒有改變運動鏈的尺寸和構(gòu)件之間的相對運動關(guān)系,這種演化方法稱為機構(gòu)的倒置(圖4)[8]。
圖4 曲柄滑塊機構(gòu)的倒置
跨越架折疊機構(gòu)屬于滑塊搖桿機構(gòu),由鉸鏈四桿機構(gòu)、機構(gòu)倒置演化而來。其中,滑塊是原動件,在行程范圍內(nèi)移動,實現(xiàn)折疊功能。在機構(gòu)中,常用傳動角大小及變化情況來評價機構(gòu)傳力性能。傳動角越大,對力的傳遞越有利。為了保證機構(gòu)性能良好,應(yīng)使最小傳動角不小于40°~50°,對于受力小或不經(jīng)常使用的操縱機構(gòu),允許傳動角小一些,不能發(fā)生自鎖。設(shè)計要求滑塊的行程為1000 mm,搖桿角度變化范圍為0°~90°,不能發(fā)生自鎖,即傳動角要求大于0°。
機構(gòu)的設(shè)計方法通常包括圖解法、解析法。
圖解法是利用鉸鏈之間相對運動的幾何關(guān)系,通過作圖確定各鉸鏈的位置,從而定出各桿的長度。圖解法的特點是直觀、簡單、快捷,對于要求機構(gòu)滿足的位置不多于3 個時設(shè)計十分方便,設(shè)計精度也能滿足工作要求,能為解析精確求解和優(yōu)化設(shè)計提供初始值。
解析法是建立包含機構(gòu)各尺度參數(shù)、運動變量在內(nèi)的解析式,根據(jù)已知的運動變量求機構(gòu)的尺度參數(shù)。解析法的特點是借助計算機求解,計算精度高,適應(yīng)于對3 個或3 個以上位置設(shè)計的求解,對機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和精度分析十分有利。
綜合考慮上述機構(gòu)設(shè)計方法及特點,本文跨越架折疊機構(gòu)的設(shè)計采用圖解法,滿足上述設(shè)計要求?;瑝K搖桿機構(gòu)的運動簡圖如圖5 所示,圖中位置ABCD 為打開狀態(tài)、位置AB′C′D′為折疊狀態(tài)。
圖5 滑塊搖桿機構(gòu)
滑塊搖桿機構(gòu)的參數(shù)見表1,距離OA、距離OD、行程DD′及桿長CD 是根據(jù)實際情況確定的初始參數(shù);桿長AB、桿長BC 是利用圖解法得出的設(shè)計結(jié)果。
表1 滑塊搖桿機構(gòu)參數(shù)
本文利用ADAMS 軟件進(jìn)行機構(gòu)分析,驗證滑塊搖桿機構(gòu)設(shè)計結(jié)果的合理性,是否滿足設(shè)計要求?;瑝K的初始位置為1500 mm,行程為1000 mm,速度為100 mm/s,仿真時間為10 s(圖6)。
圖6 滑塊位移曲線
搖桿的轉(zhuǎn)角曲線仿真結(jié)果如圖7 所示,在0 s 時搖桿轉(zhuǎn)角為88.28°,為最大值;在10 s 時搖桿轉(zhuǎn)角為13.04°,為最小值。因此,搖桿的轉(zhuǎn)角變化在0°~90°范圍內(nèi),滿足設(shè)計要求。
圖7 搖桿轉(zhuǎn)角曲線
滑塊搖桿機構(gòu)的傳動角曲線仿真結(jié)果如圖8 所示,在0 s時搖桿轉(zhuǎn)角為59.23°,為最大值;在10 s 時搖桿轉(zhuǎn)角為36.97°,為最小值。因此,滑塊搖桿機構(gòu)的傳動角始終大于0°,不會發(fā)生自鎖,滿足設(shè)計要求。
圖8 滑塊搖桿機構(gòu)傳動角曲線
基于汽車起重機,本文提出了一種三自由度的移動式跨越架,主體結(jié)構(gòu)采用折疊式、滑塊搖桿機構(gòu),采用圖解法進(jìn)行機構(gòu)的設(shè)計;利用ADAMS 軟件進(jìn)行機構(gòu)分析,驗證機構(gòu)設(shè)計的合理性,滿足設(shè)計要求。