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.湖北科技學院自動化學院，湖北咸寧 437100）

0 引言

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)不同分類標準，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［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［3］進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［4］進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［5-6］進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［7］基于雨傘的工作原理進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［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［7］中的跨越架工作原理最為簡單，實用性強。因此，基于文獻［7］中跨越架的工作原理，進行跨越架的機構(gòu)設(shè)計及仿真分析，為新型跨越架的設(shè)計提供參考。

1 跨越架設(shè)計

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。跨越架的姿態(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

2 跨越架折疊機構(gòu)設(shè)計

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。

2.1 鉸鏈四桿機構(gòu)及機構(gòu)的倒置演化

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無關(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

2.2 折疊機構(gòu)設(shè)計

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)

3 機構(gòu)分析

本文利用ADAMS 軟件進行機構(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。滑塊的初始位置為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

4 結(jié)論

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)，采用圖解法進行機構(gòu)的設(shè)計；利用ADAMS 軟件進行機構(gòu)分析，驗證機構(gòu)設(shè)計的合理性，滿足設(shè)計要求。