摘要:介紹了無(wú)人梁底自動(dòng)檢測(cè)車(chē)的主要結(jié)構(gòu)與其進(jìn)行展臂展開(kāi)狀態(tài)穩(wěn)定性分析的重要性,建立三維實(shí)體模型,并運(yùn)用數(shù)值求解方法計(jì)算當(dāng)?shù)谝还?jié)展臂固定時(shí),在底盤(pán)旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下第二節(jié)和第三節(jié)展臂展開(kāi)角度與質(zhì)心坐標(biāo)變化的函數(shù)關(guān)系式,分析質(zhì)心坐標(biāo)超出傾覆坐標(biāo)點(diǎn)位的最危險(xiǎn)工況。研究發(fā)現(xiàn),在底盤(pán)未旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下,展臂同時(shí)展開(kāi)較大幅度時(shí)存在傾覆力矩過(guò)大而導(dǎo)致翻車(chē)的可能性,因此為防止出現(xiàn)傾覆現(xiàn)象,可在無(wú)人橋檢車(chē)尾部增加超過(guò)43 kg的配重。
關(guān)鍵詞:梁底橋檢車(chē);展臂;穩(wěn)定性;限位角
中圖分類(lèi)號(hào):U469 收稿日期:2023-05-20
DOI:1019999/jcnki1004-0226202311010
1 前言
目前的梁底橋梁檢測(cè)車(chē)多為桁架式結(jié)構(gòu)[1-4],裝備載人作業(yè)平臺(tái),由液壓控制桁架系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及桁架的收放和打開(kāi),旋轉(zhuǎn)幅度限位180°,且桁架式橋梁檢測(cè)車(chē)多為車(chē)載式,駕駛艙和桁架系統(tǒng)獨(dú)立分布控制,自重較大并帶有支撐臂或者平衡配重,不易發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象。隨著檢測(cè)技術(shù)的便捷性、高效性的要求,輕便的無(wú)人式梁底橋梁檢測(cè)車(chē)逐漸發(fā)展。無(wú)人式橋梁檢測(cè)車(chē)多采用車(chē)用底盤(pán)直接搭載展臂的一體式設(shè)計(jì),無(wú)獨(dú)立的駕駛艙,行走控制系統(tǒng)和展臂控制系統(tǒng)為同一動(dòng)力源,質(zhì)量較輕,移動(dòng)快捷。
展臂是梁底橋檢車(chē)將高清攝像設(shè)備或載人設(shè)備傳送至梁底的主要部件,無(wú)人式橋檢車(chē)在工作前需依次打開(kāi)展臂再將其移動(dòng)至橋底,第一節(jié)展臂首先需要展開(kāi)至與地面垂直,然后再依次展開(kāi)第二節(jié)和第三節(jié),期間底盤(pán)可任意旋轉(zhuǎn)。在展臂展開(kāi)的過(guò)程中整車(chē)的質(zhì)心坐標(biāo)處于不斷變化狀態(tài),當(dāng)質(zhì)心坐標(biāo)超過(guò)側(cè)翻點(diǎn)位時(shí)即可能發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象,通過(guò)數(shù)值分析計(jì)算底盤(pán)非旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下第二、三節(jié)展臂展開(kāi)角度與質(zhì)心的函數(shù)關(guān)系式。
2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明
所研究的用小型商務(wù)貨車(chē)運(yùn)載的梁底自動(dòng)檢測(cè)車(chē)收納尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為33 m×11 m×13 m,該機(jī)器人的豎臂和橫臂同時(shí)搭載5個(gè)超高清照相機(jī),能通過(guò)圖像處理軟件對(duì)照片進(jìn)行全自動(dòng)拼接,并能檢測(cè)是否存在裂縫、蜂窩麻面等損傷。該機(jī)器人搭載了激光測(cè)距、雷達(dá)等大量傳感器,能自動(dòng)識(shí)別判斷橋梁與梁底橋檢車(chē)間的坐標(biāo)距離,在作業(yè)時(shí)能自主防撞并回避橋墩等障礙,圖1所示為梁底橋檢車(chē)工作現(xiàn)場(chǎng)。
無(wú)人梁底橋檢車(chē)由7個(gè)大部件構(gòu)成,分別為底盤(pán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、展臂系統(tǒng)、高清攝像及激光雷達(dá)傳感系統(tǒng),各系統(tǒng)功能和材料如表1所示。
2.1 底盤(pán)行走機(jī)構(gòu)
無(wú)人梁底橋檢車(chē)底盤(pán)行走機(jī)構(gòu)為履帶式,載物能力大,穩(wěn)定性突出,增大了與地面接觸面積,降低了對(duì)橋面的壓力,減少了重型工程車(chē)輛對(duì)橋面的破壞。
22 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)
底盤(pán)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu),帶動(dòng)展臂系統(tǒng)旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)不同方位的梁底巡檢。
23 液壓支撐機(jī)構(gòu)
梁底橋檢車(chē)支撐機(jī)構(gòu)為液壓驅(qū)動(dòng),主要功能是提升展臂高度,兩節(jié)展臂間最大展開(kāi)角度為110°。
24 繩輪伸縮機(jī)構(gòu)
梁底橋檢車(chē)第三節(jié)展臂的小臂采用繩輪伸縮機(jī)構(gòu),液壓油作為主動(dòng)力帶動(dòng)各小臂通過(guò)繩輪機(jī)構(gòu)往前延伸,這樣能縮短液壓能的充能高度行程并加大液壓能量效率。
25 動(dòng)力系統(tǒng)
全車(chē)一共有5處動(dòng)力源,分別為:a.控制梁底橋檢車(chē)履帶行走裝置的電源,由15個(gè)33 V蓄電池串聯(lián);b.控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的電源;c.控制液壓閥件開(kāi)閉的無(wú)刷電機(jī)電源,產(chǎn)品型號(hào)HNMC-48 V/45 kW,額定電壓48 V,額定電流95 A,適合電機(jī)45 kW;d.控制液壓能在全車(chē)的運(yùn)輸?shù)囊簤罕?,型?hào)C08-41B0,最大排量240 mL,額定頻率60 Hz,額定功率225 kW;e.液壓泵的無(wú)刷電機(jī)電源,額定電壓48 V電壓,額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min,額定最大功率45 kW。
26 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)為集成電路控制,包含液壓油流向控制(控制液壓支撐及展臂伸縮)、行走機(jī)構(gòu)控制、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制和距離控制等。
27 高清攝像及激光雷達(dá)傳感器系統(tǒng)
梁底橋檢車(chē)可掛載高清攝像裝備,自動(dòng)識(shí)別病害,將拍攝的照片進(jìn)行拼接對(duì)病害處進(jìn)行定位。梁底橋檢車(chē)內(nèi)含激光測(cè)距雷達(dá)和傾角傳感器,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛距離路邊橋梁的距離,控制在安全范圍內(nèi)自動(dòng)行駛。同時(shí)傾角傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛側(cè)翻狀態(tài),在可能發(fā)生側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)時(shí)及時(shí)對(duì)駕駛員預(yù)警,通過(guò)收縮展臂、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)、調(diào)整姿態(tài)等,防止車(chē)輛側(cè)翻。
3 三維實(shí)體模型建立
無(wú)人橋檢車(chē)采用三維實(shí)體造型軟件SolidWorks逐一建立橋梁檢測(cè)車(chē)的履帶行走機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)基座、液壓支撐桿、繩輪伸縮臂機(jī)構(gòu)等三維實(shí)體模型,動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)利用箱體簡(jiǎn)化,但保留材料質(zhì)量和密度,最大限度地還原實(shí)體模型體積和質(zhì)量,整車(chē)采用自底向上的裝配方法完成動(dòng)力學(xué)仿真所需的三維實(shí)體模型,無(wú)人橋檢車(chē)整車(chē)三維實(shí)體模型如圖2所示。
該梁底橋檢在運(yùn)輸時(shí)保持收納狀態(tài),抵達(dá)工作現(xiàn)場(chǎng)后逐漸展開(kāi)三節(jié)展臂,同時(shí)旋轉(zhuǎn)底盤(pán)將展臂運(yùn)輸至橋梁外側(cè),施工人員操作展臂移動(dòng)至梁底直至第一節(jié)展臂和第三節(jié)展臂與橋面平行。為全面檢查橋梁底受損情況,繼續(xù)延伸第三節(jié)展臂的繩輪伸縮機(jī)構(gòu),將高清攝像機(jī)均勻覆蓋橋梁底部,利用高清攝影機(jī)拍攝合成梁底全尺寸圖,分析梁底受損情況。
4 展臂角度理論計(jì)算
國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于帶展臂或折臂的工程車(chē)輛的穩(wěn)定性分析,通常采用ANSYS和ADAMS等有限元軟件的協(xié)同分析,根據(jù)三維建模分析判定整車(chē)質(zhì)心變化[5-8],這種方法工作量較大,且需要建立精確的三維模型。本文的目的是通過(guò)一種簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算方法,在設(shè)計(jì)階段就能初步快速判斷梁底橋檢車(chē)各展臂展開(kāi)角度的相互關(guān)系是否滿(mǎn)足車(chē)輛穩(wěn)定性要求。當(dāng)樣車(chē)試制出來(lái)后,只要進(jìn)行常規(guī)的參數(shù)測(cè)量,就能較為準(zhǔn)確地計(jì)算出其側(cè)翻穩(wěn)定角,并且可計(jì)算出空載、滿(mǎn)載及各種其他條件下質(zhì)心坐標(biāo)的數(shù)值變化趨勢(shì)。
由于無(wú)人橋檢車(chē)在工作時(shí)需要同時(shí)完成底盤(pán)旋轉(zhuǎn)和展臂打開(kāi)兩個(gè)工作,為保證在使用過(guò)程中的安全性,同時(shí)分析在底盤(pán)未旋轉(zhuǎn)和底盤(pán)旋轉(zhuǎn)90°的兩種工作環(huán)境下,當(dāng)?shù)谝还?jié)展臂打開(kāi)垂直于地面后,第二三節(jié)展臂與質(zhì)心坐標(biāo)變化的函數(shù)關(guān)系。
4.1 底盤(pán)未旋轉(zhuǎn)展臂狀態(tài)
當(dāng)無(wú)人梁底橋檢車(chē)未旋轉(zhuǎn)底盤(pán)時(shí),以第一節(jié)展臂起始位置為展臂系統(tǒng)原點(diǎn)[o],面對(duì)無(wú)人橋檢車(chē)側(cè)面建立二維平面坐標(biāo)系X軸和Y軸,建立第一節(jié)展臂與第二節(jié)展臂交界點(diǎn)為A;第二節(jié)展臂與第三節(jié)展臂交界點(diǎn)為B;第三節(jié)展臂尾部探頭點(diǎn)為C,無(wú)人梁底橋檢車(chē)三節(jié)展臂的展開(kāi)角度分別為[α1(0°~110°)]、[α2(0°~100°)]、[α3(0°~360°)],在三維模型上表示出來(lái)的具體示意圖見(jiàn)圖3a。根據(jù)三維模型圖畫(huà)出展臂的平面二維簡(jiǎn)化示意圖,假設(shè)第一節(jié)展臂的長(zhǎng)為0A=[L1]、第二節(jié)展臂的長(zhǎng)為AB=[L1]、第三節(jié)展臂的長(zhǎng)為BC=[L3],如圖3b所示。
根據(jù)平面二維簡(jiǎn)化示意圖,以第一節(jié)展臂起始位置為展臂系統(tǒng)原點(diǎn)[o],表示出A、B、C三點(diǎn)坐標(biāo)系,如圖4所示。
無(wú)人梁底檢測(cè)車(chē)整車(chē)采用結(jié)構(gòu)鋼材料,為保證在展臂完全展開(kāi)進(jìn)行檢測(cè)維修過(guò)程中展臂的輕質(zhì)和高強(qiáng)度的雙重要求,第二節(jié)展臂采用鋁合金材質(zhì),第三節(jié)展臂采用碳纖維材質(zhì),三節(jié)展臂和除展臂外車(chē)架的質(zhì)量和長(zhǎng)度如表2所示。
將三節(jié)展臂假設(shè)為一個(gè)整體,因此展臂系統(tǒng)整體在原點(diǎn)坐標(biāo)系[o]下表示的坐標(biāo)為:
以車(chē)底中心線和尾部電箱中心線的相交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)[o'],底盤(pán)中心線和尾部電箱中心線分別為X軸和Y軸,整車(chē)的坐標(biāo)軸系與展臂系統(tǒng)坐標(biāo)系的X軸和Y軸保持一致。以無(wú)人梁底橋檢車(chē)整車(chē)為主體,將展臂系統(tǒng)坐標(biāo)系原點(diǎn)轉(zhuǎn)移至整車(chē)坐標(biāo)系原點(diǎn)[o'],可在Solidworks軟件中得出原點(diǎn)[o]與新原點(diǎn)[o']的X軸、Y軸距離,新坐標(biāo)系下展臂系統(tǒng)整體的坐標(biāo)可表示為:
無(wú)人梁底橋檢車(chē)由于未旋轉(zhuǎn)底盤(pán),在展臂打開(kāi)過(guò)程中,整車(chē)質(zhì)心經(jīng)分析會(huì)在X軸上的坐標(biāo)變化量最大,根據(jù)力矩平衡原理,最危險(xiǎn)的工況即為整車(chē)質(zhì)心在X軸上的坐標(biāo)值超過(guò)與地面接觸的物件的最大X軸坐標(biāo)值,即超過(guò)履帶與地面接觸處的最遠(yuǎn)X軸坐標(biāo)值。無(wú)人梁底橋檢車(chē)在此時(shí)由質(zhì)心產(chǎn)生的彎矩會(huì)超過(guò)自重產(chǎn)生的平衡彎矩,導(dǎo)致車(chē)身向X軸正方向傾斜,嚴(yán)重時(shí)即會(huì)造成翻車(chē)現(xiàn)象,產(chǎn)生嚴(yán)重事故。經(jīng)實(shí)際測(cè)量可知,該無(wú)人梁底橋檢車(chē)履帶與地面接觸長(zhǎng)度為1 070 mm,履帶與地面接觸處距離尾部電箱中心線的垂直距離沿X軸方向最遠(yuǎn)達(dá)到1 700 mm。
根據(jù)以上分析和無(wú)人梁底橋檢車(chē)整車(chē)在新坐標(biāo)系下的坐標(biāo)表示,將以上函數(shù)關(guān)系在Mathematica中進(jìn)行編程計(jì)算,由于工作時(shí)在任何狀態(tài)下第一節(jié)展臂默認(rèn)首先需要完全展開(kāi)并于地面垂直,因此固定第一節(jié)展臂角度[α1=110°]。在展臂整體過(guò)程中,第二節(jié)、第三節(jié)展臂的展開(kāi)角度為變量,設(shè)置橫坐標(biāo)為[α2(0°~100°)],縱坐標(biāo)[α3(0°~360°)],Z軸輸出顯示為[μ=X?1 700] mm,[μ]表示為整車(chē)重心在X軸的距離與翻車(chē)點(diǎn)在X軸的距離的差值。當(dāng)[ μ>0]時(shí)整車(chē)會(huì)有翻車(chē)風(fēng)險(xiǎn),翻車(chē)概率與[μ]值成正比;反之則不會(huì),無(wú)人梁底橋檢車(chē)翻車(chē)概率如圖5所示。
由圖5可知,在底盤(pán)未旋轉(zhuǎn)情況下當(dāng)無(wú)人橋檢車(chē)的第二、三節(jié)展臂打開(kāi)到一定角度時(shí)存在翻車(chē)的可能性,為進(jìn)一步探究翻車(chē)危險(xiǎn)程度最大的展開(kāi)角度,在Mathematica中輸入Findmaximum函數(shù),尋找展開(kāi)角度范圍內(nèi)的最危險(xiǎn)處的坐標(biāo),如圖6所示??芍?dāng)?shù)诙?jié)展臂展開(kāi)約90°,第三節(jié)展臂展開(kāi)約180°時(shí),此時(shí)最有可能翻車(chē)。
4.2 底盤(pán)旋轉(zhuǎn)完成狀態(tài)
在實(shí)際工作情況中,底盤(pán)的旋轉(zhuǎn)往往和展臂的展開(kāi)同步進(jìn)行,在實(shí)際工作中甚至晚于展臂的展開(kāi)。為模擬所有可能存在的工作情況,假設(shè)無(wú)人梁底橋檢車(chē)底盤(pán)在已經(jīng)完全旋轉(zhuǎn)90°的情況下,展臂依次展開(kāi)后展臂間展開(kāi)角度與整車(chē)質(zhì)心變化的函數(shù)關(guān)系。
由于底盤(pán)旋轉(zhuǎn)展臂系統(tǒng)整體發(fā)生90°旋轉(zhuǎn),以原點(diǎn)[o]為坐標(biāo)系原點(diǎn)的展臂系統(tǒng)坐標(biāo)軸發(fā)生變化,且原點(diǎn)[o]與新原點(diǎn)[o']的X軸、Y軸、Z軸距離也均發(fā)生變化,根據(jù)Solidworks軟件自帶測(cè)繪功能,得到原點(diǎn)[o]在新坐標(biāo)系原點(diǎn)[o']下的坐標(biāo)改變?yōu)椋?13,1 203,74313)mm。
在Solidworks軟件中刪除展臂系統(tǒng),保留車(chē)架所有部件,根據(jù)軟件自帶測(cè)量功能顯示出除展臂外車(chē)架在底盤(pán)旋轉(zhuǎn)后的新坐標(biāo)系原點(diǎn)[o']下的坐標(biāo)位置變?yōu)椋? 509555,374116,92761)mm。
無(wú)人梁底橋檢車(chē)在旋轉(zhuǎn)底盤(pán)后,展臂與底盤(pán)履帶的幾何關(guān)系變?yōu)榇怪保贡巯到y(tǒng)在新坐標(biāo)系原點(diǎn)[o']下的坐標(biāo)完全發(fā)生改變,根據(jù)力矩平衡原理,最危險(xiǎn)的工況變?yōu)檎?chē)質(zhì)心在Z軸上的坐標(biāo)值超過(guò)與地面接觸的物件最大Z軸坐標(biāo)值,即超過(guò)履帶與地面接觸處的最遠(yuǎn)Z軸坐標(biāo)值。無(wú)人梁底橋檢車(chē)在此時(shí)由質(zhì)心產(chǎn)生的彎矩同樣可能會(huì)超過(guò)自重產(chǎn)生的平衡彎矩,導(dǎo)致車(chē)身向Z軸方向傾斜,嚴(yán)重時(shí)即會(huì)造成翻車(chē)現(xiàn)象。經(jīng)實(shí)際測(cè)量可知,履帶與地面接觸處距離尾部電箱中心線的垂直距離沿Z軸方向最遠(yuǎn)達(dá)到535 mm。
根據(jù)以上分析和無(wú)人梁底橋檢車(chē)整車(chē)底盤(pán)旋轉(zhuǎn)后在新坐標(biāo)系下的坐標(biāo)表示,將以上函數(shù)關(guān)系在Mathematica中進(jìn)行編程計(jì)算,同樣固定第一節(jié)展臂角度[α1=110°]。在展臂整體過(guò)程中,第二節(jié)和第三節(jié)展臂的展開(kāi)角度為變量,設(shè)置橫坐標(biāo)為[α2(0°~100°)],縱坐標(biāo)[α3(0°~360°)],Z軸輸出顯示為[μ=Z''?535] mm,[μ]表示為整車(chē)質(zhì)心在Z軸的距離與翻車(chē)點(diǎn)在Z軸的距離的差值。當(dāng)[μ>0]時(shí)整車(chē)會(huì)有翻車(chē)風(fēng)險(xiǎn),翻車(chē)概率與[μ]值成正比;反之則不會(huì),無(wú)人梁底橋檢車(chē)翻車(chē)概率如圖7所示。
由圖7可知,在底盤(pán)旋轉(zhuǎn)情況下,無(wú)人橋檢車(chē)的第二三節(jié)展臂打開(kāi)到任意角度質(zhì)心在Z軸的距離均不超過(guò)翻車(chē)點(diǎn)坐標(biāo)在Z軸的距離,因此不存在翻車(chē)的可能性。
5 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)數(shù)值分析,得到了無(wú)人梁底橋檢車(chē)在第一節(jié)展臂完全打開(kāi)的狀態(tài)下,第二、三節(jié)展臂展開(kāi)角度與整車(chē)質(zhì)心變化的關(guān)系函數(shù),發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)妆P(pán)未旋轉(zhuǎn)時(shí),第二、三節(jié)展臂同時(shí)展開(kāi)較大幅度時(shí)存在傾覆力矩過(guò)大導(dǎo)致翻車(chē)的可能性,而當(dāng)?shù)妆P(pán)旋轉(zhuǎn)90°完成后,此時(shí)無(wú)論無(wú)人橋檢車(chē)二、三節(jié)展臂如何旋轉(zhuǎn)均不存在發(fā)生翻車(chē)的可能性。底盤(pán)的旋轉(zhuǎn)有助于質(zhì)心的穩(wěn)定,在設(shè)計(jì)過(guò)程可將底盤(pán)未旋轉(zhuǎn)時(shí)的函數(shù)關(guān)系作為展臂的展開(kāi)角度限制函數(shù)輸入控制系統(tǒng),最大程度地防止施工人員在還未將底盤(pán)旋轉(zhuǎn)完成,便同時(shí)控制展臂展開(kāi)過(guò)大角度而導(dǎo)致無(wú)人梁底橋檢車(chē)發(fā)生側(cè)翻的情況出現(xiàn)。
若想進(jìn)一步解決翻車(chē)危險(xiǎn)的問(wèn)題,利用Methematica軟件進(jìn)一步計(jì)算可知,在無(wú)人橋檢車(chē)尾部增加超過(guò)43 kg的配重后,即能保證在底盤(pán)未旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下,第二、三節(jié)展臂展開(kāi)任意角度均不發(fā)生傾覆現(xiàn)象。
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作者簡(jiǎn)介:
張余,男,1997年生,助理工程師,研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。
王翔,男,1986年生,正高級(jí)工程師,研究方向?yàn)闃蛄褐悄軝z測(cè)以及監(jiān)測(cè)技術(shù)。
王梓宇,男,1992年生,工程師,研究方向?yàn)闃蛄褐悄軝z測(cè)技術(shù)及裝備、橋梁智能建造技術(shù)及裝備。
基金項(xiàng)目:中國(guó)中鐵股份有限公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題(2019-重點(diǎn)-28,2021-專(zhuān)項(xiàng)-04-1);中鐵大橋局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)課題(2019-24-重點(diǎn),2021-04-重大)