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(cè)車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

趙 睿

（山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030006）

以橋梁檢測(cè)車為研究對(duì)象，對(duì)其檢測(cè)臂架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究和探討橋梁檢測(cè)車的開發(fā)及應(yīng)用。根據(jù)基本參數(shù)確定橋梁檢測(cè)車的總體設(shè)計(jì)方案和桁架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，建立橋梁檢測(cè)車Solidworks實(shí)體模型，并對(duì)檢測(cè)臂各部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算；應(yīng)用Solidworks軟件對(duì)橋梁檢測(cè)桁架機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究。結(jié)果表明：各桁架結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)合理，可為下一步研發(fā)新型橋梁檢測(cè)車奠定理論基礎(chǔ)。

橋梁檢測(cè)車；桁架結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)仿真

0 引 言

橋梁在長期使用過程中會(huì)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(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)。目前橋梁的檢測(cè)工作主要使用多功能橋梁檢測(cè)車，在檢測(cè)車系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)為檢測(cè)臂，其設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接決定了檢測(cè)車作用的發(fā)揮。本文針對(duì)桁架式橋梁檢測(cè)臂系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，為新型橋梁檢測(cè)車的下一步研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

1 橋梁檢測(cè)臂整體方案

1．1 系統(tǒng)組成

橋梁檢測(cè)臂系統(tǒng)主要由主桁架、檢測(cè)桁架以及回轉(zhuǎn)機(jī)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(cè)桁架連接，將檢測(cè)臂從橋上伸到橋梁下部以檢測(cè)桁架；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用來連接并控制桁架在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)［7?8］。

圖1 檢測(cè)臂結(jié)構(gòu)

1．2 運(yùn)動(dòng)形式的確定

橋梁檢測(cè)車檢測(cè)臂運(yùn)動(dòng)形式包括2個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和2個(gè)擺幅運(yùn)動(dòng)。2個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為底盤回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)支撐的水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；2個(gè)擺幅運(yùn)動(dòng)為主桁架、檢測(cè)臂桁架的擺幅運(yùn)動(dòng)［9?12］。底盤回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)臂架結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)帶動(dòng)檢測(cè)臂在水平面內(nèi)作0°～180°的轉(zhuǎn)動(dòng)；四邊形擺幅機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主桁架、檢測(cè)臂桁架的擺幅運(yùn)動(dòng)，使檢測(cè)臂在垂直面內(nèi)作0°～90°的轉(zhuǎn)動(dòng)［13?15］。

1．3 三維造型

根據(jù)橋梁檢測(cè)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(hù)欄高度為2?1 m；跨越箱梁厚度為6 m；檢測(cè)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(fēng)力不大于8級(jí)。

根據(jù)上述參數(shù)，在三維造型軟件Solidworks中對(duì)橋梁檢測(cè)臂進(jìn)行全比例實(shí)體造型，如圖2所示。

圖2 橋梁檢測(cè)臂結(jié)構(gòu)模型

2 橋梁檢測(cè)臂桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

橋梁檢測(cè)臂桁架主要包括主桁架和檢測(cè)桁架，以下根據(jù)檢測(cè)車參數(shù)對(duì)這2種桁架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算。

2．1 主桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求檢測(cè)車垂直作業(yè)范圍為橋面下0～9 m，檢測(cè)車主桁架長度為11 m，截面為60 cm×60 cm。主桁架通過一對(duì)液壓缸帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。主桁架采用燕尾滑槽與四邊形機(jī)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(jī)構(gòu)。工作過程中，燕尾滑槽不僅使主桁架隨滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，還可以減少擺動(dòng)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(jì)算

2．2．1 抗拉伸強(qiáng)度計(jì)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(cè)臂拉力和檢測(cè)車的支持力，受到的剪切力可忽略不計(jì)。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(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度。

由此可知，當(dāng)主桁架受力小于1．740 5×106N時(shí)，主桁架滿足抗拉伸強(qiáng)度要求。

2．2．2 抗彎曲強(qiáng)度計(jì)算

Q235鋼的許用彎曲強(qiáng)度為158 MPa，槽鋼桁架橫截面對(duì)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(jiǎn)化為一個(gè)作用于檢測(cè)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(shí)，主桁架滿足抗彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

綜合上述，可以確定當(dāng)主桁架受力小于16 432 N時(shí)，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(duì)于主桁架的設(shè)計(jì)滿足要求。

2．3 檢測(cè)桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

設(shè)計(jì)要求檢測(cè)臂橋下的檢測(cè)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(cè)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(dòng)副，如圖4所示。

圖4 檢測(cè)桁架結(jié)構(gòu)

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

3 橋梁檢測(cè)臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

3．1 驅(qū)動(dòng)方式的確定

檢測(cè)車通常利用液壓、電氣和機(jī)械等驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。與其他驅(qū)動(dòng)方式相比，液壓驅(qū)動(dòng)方式除具有配置靈活方便、易于操縱控制、可實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)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(shì)［7］，所以本檢測(cè)車采用液壓方式驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

3．2 傳動(dòng)方式確定

回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式有齒輪傳動(dòng)、渦輪蝸桿傳動(dòng)和液壓缸直接驅(qū)動(dòng)等。其中，齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)可靠、使用壽命長、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊且能實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此，本檢測(cè)車2個(gè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)均采用傳動(dòng)比更大的一對(duì)齒輪傳動(dòng)，即用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)小齒輪來帶動(dòng)大齒輪，大齒輪帶動(dòng)被驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3．3 傳動(dòng)載荷計(jì)算

當(dāng)伸出臂、豎直臂、工作臂全部平行展開時(shí)，臂架重心偏離轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心距離最遠(yuǎn)，臂架豎直方向迎風(fēng)面積最大。此時(shí)，計(jì)算參數(shù)取值為：回轉(zhuǎn)支承裝置轉(zhuǎn)臺(tái)重力G0＝3．2 kN；臂架總重力G＝6 kN；臂架重心與轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心距離d＝2．5 m；臂架的迎風(fēng)面積SW＝5．4 m；臂架承受風(fēng)力FW＝370 N·m－3；風(fēng)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(jì)算如下，其中工況1為動(dòng)態(tài)容量計(jì)算載荷，工況2為靜態(tài)容量計(jì)算載荷。

工況1下八級(jí)風(fēng)力時(shí)的工作載荷為

其中：K為安全系數(shù)。

工況2下不計(jì)風(fēng)力時(shí)的最大載荷為

回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)采用單排四點(diǎn)接觸式，由相關(guān)文獻(xiàn)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(dāng)量載荷不計(jì)，則靜態(tài)載荷為

動(dòng)態(tài)載荷為

3．4 驅(qū)動(dòng)裝置計(jì)算

3．4．1 驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算

回轉(zhuǎn)機(jī)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(shí)引起的回轉(zhuǎn)阻力矩Ms、風(fēng)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(duì)上述力矩分別進(jìn)行計(jì)算。

回轉(zhuǎn)支撐裝置的摩擦阻力矩

回轉(zhuǎn)平臺(tái)傾斜時(shí)引起的回轉(zhuǎn)阻力矩

其中：R為回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)半徑。

風(fēng)壓引起的阻力矩

其中：風(fēng)壓值FN＝150 kN·m－2；臂架水平方向迎風(fēng)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(dòng)時(shí)間t＝4 s；伸出臂重力G＝12 500 N；臂架重心到轉(zhuǎn)臺(tái)中心的水平距離L＝2．5 m。

基于上述計(jì)算，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)力矩值為

3．4．2 驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

驅(qū)動(dòng)馬達(dá)最大回轉(zhuǎn)功率為

式中：液壓馬達(dá)系數(shù)H、m、λm的值均為1；回轉(zhuǎn)速度n＝3 r·min－1；機(jī)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(dá)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以直接在油馬達(dá)軸上安裝回轉(zhuǎn)機(jī)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(cè)車為研究對(duì)象，對(duì)檢測(cè)臂進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。根據(jù)基本參數(shù)確定了橋梁檢測(cè)車及檢測(cè)臂總體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)檢測(cè)臂桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及校合計(jì)算。分析結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的各桁架結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。此外，確定了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式和傳動(dòng)方式，并計(jì)算了傳動(dòng)載荷及驅(qū)動(dòng)裝置的各參數(shù)。本文的分析計(jì)算結(jié)果可為下一步研發(fā)新型橋梁檢測(cè)車奠定理論基礎(chǔ)。

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［責(zé)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(jí)工程師，研究方向?yàn)榻煌C(jī)電工程。