（机械电子工程专业论文）智能桥梁检测车臂架结构及液压系统的研究.pdf

摘要 摘要 对于桥梁缺陷的诊断，目前国内外普遍采用的方法是人工定期检测，对于人 员和设备不易到达的地方进行无损伤检测还存在困难；检测车都采用载人臂架， 结构复杂，工作展开半径大，占地面积大；人员处于悬空状态操作，存在一定危 险性；采用人工检测，效率低；对复杂机构桥梁如斜拉桥不适用。采用桥梁的自 动检测技术不仅能有效提高桥梁的寿命和减少安全隐患，且社会、经济效益重大。 因此，开展大型桥梁底部缺陷检测装备的技术研究开发工作具有十分重要的意义。 本课题研究的智能桥梁检测车，在硬件设备方面包括运载车、臂架、摄像装 置、清洗装置、标记装置、计算机主机和发射装置。从功能上分，它包括运输( 运 载车) 、检测仪载体( 臂架结构) 、图像识别( 摄像机) 、避障、清洗、标记和 无线( 有线) 通讯7 个子系统。本文属项目的前期研究阶段，为智能桥梁检测车进 行臂架结构设计，并为其设计出满足臂架动作要求的液压系统。研究内容如下：( 1 ) 根 据智能桥梁检测车的基本给定参数及相关资料，设计并建立智能桥梁检测车臂架 结构p r o e 实体模型。论证智能桥梁检测车臂架结构整体方案为最优方案；( 2 ) 建 立臂架结构仿真分析数学模型，利用m e c h a n i s m ，p r o 实现p r o e 与a d a m s 之间的 无缝接口，将智能桥梁检测车及其臂架结构p r o e 模型一次性导入a d a m s v i e w 环 境中，为臂架结构的运动学及动力学仿真实验作准备。利用a d a m s 对工作臂摆副 机构进行静力学仿真分析：在自重作用下分析工作臂摆幅机构油缸的受力情况， 得到一系列实验数据后，利用最小二乘法进行曲线拟合，找出油缸受力的最大值， 验证工作臂摆幅机构的可行性、实用性。( 3 ) 依据桥梁底部缺陷检测的要求，对智 能桥梁检测车的臂架动作进行分析，确立臂架展开顺序表和结构原理图；根据智 能桥梁检测车的工作范围、行程要求，对智能桥梁检测车臂架各段行程及运动速 度进行分析，确定各部分驱动形式、参数，决定各驱动部分液压控制策略，从而 建立智能桥梁检测车液压系统。建立工作臂摆副机构液压系统仿真模型，对工作 臂摆副机构液压系统进行仿真实验，验证工作臂摆副机构液压系统的可行性及其 与路径规划所提要求的一致性。 关键词：臂架结构；液压；a d a m s ；桥梁检测车 三垒三些至耋三兰堡圭兰堡垒圣 a b s t r a c t a st h eu n i v e r s a lm e t h o d si nt h ew o r l dt od e t e c t i o nt h ed e f e c t so fb r i d g e s ，d e t e c t i n g w i t hm a n u a lw o r kc a n n o tp e r f o 如aw e ut ot h ed e f e c t s 恤t h ep o 出i o nw h e r ei sh a r d l yt o b ea i v e d t h ed e t e c t i o nv e h i c l ew i t hc a r r y i n ga r mh a si t si n h e r e n tl i m i t a t i o n ss u c ha s c h ec o m p l e xm e c h a n i c a ls t r u c ! u r e ，t h eo v e r s 论ew o r k i n gs p a c e ，h ef a t a l n e s s ol h ew o r k e r o nt h ea r ma n dt h el o w e rp r o d u c t i v i t y f u r t h e r m o r e ，i tc a n n o tb ea p p l i e dt ot h ec o m p l e x b r i d g e ss u c ha sc a b l e - s t a y e db r i d g e t h ea p p l i c a t i o no fa u t o m a t i cd e t e c t i n gt e c h n i q u e s ， w h i c hn o to n l y1 e n g t h e n st h el o n g e v i t yo f b r i d g e sr e m a r k a b l ya n dr e d u c e st h es a 士e t y h i d d e nt r o u b l ee f b c t i v e l 弘b u ta i s op o s s e s s e sr e m a r k a b l es o c i a ja n d e c o n o m i cb e n e f i t s t h e r e f o r e i thd e e i r l e do fg r e a ti m p o n a n c et 0s t u d yt h et e c l 【1 1 q u ea n dd e v e l o pe q u i p m e n t s f o rd e t e c t i n gc h ed e f e c t so nt h eb o t t o mo f b r i d g e s t h ei n t e l l i g e n tb r i d g ed e t e c t i o nv e h i c l ei sc o m p o s e do fc a r r y i n gv e h i c l e ，a r m s ， c a m e r ae q u i p m e n t m a r k i n ge q u i p m e n t ，c o m p u t e ra n de m i i t e r t h es y s t e mh a ss e v e n f u n c t i o n si n c l u d i n go fc o n v 。y a n c e ( v e h i c l e ) ，c a r r i e ro fi n s p e c t i n ga p p a r a t u s ( a r m s ) ， i m a g er e c o g n i t i o ( c a m e r a ) ，o b s t a c l ea v o i d a n c e ，c l e a n o u t ，m a r k i n g ，w i r e l es s ( w i r e ) c o m m u n i c a t i o n t h ea r m s s t r u c t u r ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gh y d r a u l i cp r e s s u r eh a v e b e e nd e s j g n e d ，t h e r ea r et h ec o n t e n t ss t u d i e do t h i sp a p e ra sf o l l o w ( 1 ) t h ea r ms t r u c t u r e so ft h ei n t e l l i g e n td e t e c t j o nv e h i c l ea r ed e v i s e d b a s e do nt h e f o r e g o n ep a r a m e t e r sa n dt h ep r o em o d e lj se s t a b l i s h e d t h eb l u e p r i n to ft h ei n t e l e n t b r i d g ed e t e c t j o nv e h i c l ei ss t u d i e da n dt h eo p t i m i z a t i o ns c h e m ei sv e r i f i e d ( 2 ) t h em a t h sm o d e lo fa r ms t r u c t u r ei se s t a b l i s h e d ；t h ei n t e r f a c eb e t w e e np r o e a n da d a m si sa c h i e v e do nt h eb a s eo fm e c h a n i s h p m ，t h ei m e l l i g e n tb r i d g ed e t e c t i o n v e h i c l ea n dt h ep r o em o d e l so ft h ea r ms t r u c t u r e sc a nb ei m p o r t e dt oa d a m s v i e w e n v i r o n m e n ts i m u 工t a n e o u s l yo n e o 或w h i c hi si np r e p a r a t i o nf o rt h ek i n e m a t i c sa n d d y n a m i c a le m u l a t i o ne x p e r i m e n t s t h ew o r k i n ga r ms t r u c t u r ei sa n a l y z e do ns t a t i cb a s e d o na d a m s ，as e r i e so fe x p e r i m e n td a t ai so b t a i n e df r o mt h ea n a l y s i so ft h ef o r c eo f t h eo i lp o o l ，w h i c bi su s e dt ol o o kf o rt h em a x i m u mf o r c eo fo i lp o o lt h r o u g hc u r v e a r s r t a c t f i t t i n gb a s e do nt h el e a s ts q u a r em u l t i p l e t h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b 订i t yo fc h e w o r k i n ga r m s t r u c t u r ei sp r o v e dn n a l l y 。 ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ef e q u i r e m e n to fd e t e c t i n gt h ed e f e c t so nt h eb o t t o mo fb r i d g e s t h ea r s m o t i o o ft h ei n t e u i g e n tb 【i d g ed e t e c t 沁v e h i c l ei sa n a l y z e dt om a k ec e r t a i t h eo r d e ro fo u t s p r e a da n dt h es t r u c t u r ep r i n c i p l ec h a r t a c c o r d i l l gt ot h ew o r k i n gr a n g e a n dj o u 硼e yd e m a n d ，t h ej o u r n e ya n dv e l o c i t yo fa up a r t so ft h ea r m so ft h ei n t e l l i g e n t b r i d g ed e t e c t i o nv e h i c l ea r ea 1 1 a l y z e dt od e c i d et h ed r i v ef o m a t ，p a r a m e t e r s l l 】dt h ec o n t r o l s t r a t e g i e so fa l ld i i v ep a r t s ，a n dt h eh y d r a u u cp i e s s u r ei se s t a b l i s h e dn n a l l y t h eh y d r a u l i c p r e ss u r ee m u l a t i o nm o d e lo ft h ew o r k i n ga r mi ss e tu p ，a n dag r e a td e a lo ft h e c o h e s p o n d i n ge m u l a t i o ne x p e r i m e n t so fh y d r a u l 主cp r e s s u r em o d e l t u m so u tt ob et h a t t h ef e a s i b n i t ya n dt h ec o n s i s t e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h er o u t el a y o u th a v eb e e s a t i s f j e d k e yw o r d s ：a r ms t r u c t u r e ，h y d r a u l i cs y s t e m ，a d a m s ，b t m g ed e t e c t i o nv e h i c l e i i i 第一章绪论 第一章绪论帚一旱珀化 1 1 课题研究的背景及意义 随着公路建设朝高等级化发展，低等级路加宽和旧桥加固改造任务不断增 加。据统计，2 0 0 1 年底全国共有公路桥梁2 8 4 万座、1 0 6 5 o 万延米，其中特大 桥梁1 5 8 0 座、1 4 1 6 万延米。目前广东省内有大小桥梁共2 0 0 5 6 座，总长度共 8 3 6 0 6 3 延米。对原有桥梁进行测试，鉴定它的实际承载能力，以确定加固改造 方案；同时对新建桥梁也须进行承载力检测，以检验其施工质量，为竣工验收提 供科学依据口】。因此桥梁检测工作相当重要。桥梁检测工作主要用桥梁检测车来 完成，桥梁检测车是一种适用于特大型公路桥、城市高架桥、特路桥、公铁两用 桥的预防性检查作业的专用车辆，主要功能是：对大桥下面结构进行全面的检查， 桥下检测。包括对大桥主粱梁底裂纹检测和全桥支座检查川。桥梁检测主要采用 无损检测方法获取桥梁结构内部的健康信息和分析结构裂缝的特性，了解桥梁长 期疲劳损伤和外部恶劣环境等因素造成的结构改变或损坏【4 j 。据不完全统计，混 凝土桥梁的损坏有9 0 以上是由裂缝引起的口】 。对桥梁的结构损伤采取有效手 段进行监测、预测和控制，对确保交通枢纽的安全和正常运行是十分重要的。 因此，开展大型桥梁底部缺陷智能检测装备的技术研究开发工作具有十分重 要的意义。本研究项目开发的智能桥梁检测车( i n t e l l i g e n tb r i d g e d e t e c t i o n v e h i c l e ，i b d v ) 综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、 仿生学等多学科的高新技术，能够自动判断并躲避桥梁底部的障碍物【9 】，对桥 梁底部灰尘覆盖的检测部位进行高压清洗，然后摄取桥梁底部健康状况图像，传 输后通过调用桥梁健康检测专家系统，对桥梁底部健康状况进行判断，同时能够 对有问题的区域进行喷射圆圈标记作出记录，以各后来检修工人准确的寻找到问 题区域。智能桥梁检测车，在硬件设备方面包括运载车、臂架、摄像装置、清洗 装置、标记装置、计算机主机和发射装置。从功能上分，它包括运输( 运载车) 、 检测仪载体( 臂架结构) 、图像识别( 摄像机) 、避障、清洗、标记和无线( 有线) 通讯7 个子系统。本文针对臂架( 即检测泌载体) 进行研究，属项目的前期研究 阶段，为智能桥梁检测车进行臂架结构设计，并为其设计出满足臂架动作要求的 三垒三些奎兰三兰堡圭兰堡篁圣 液压系统。 本项目来源于广东工业大学校博士基金项目( 0 5 3 0 0 3 ) ：全自动桥梁智能检测 机械手的关键技术研究。本项目将产生下述显著作用： ( 1 ) 开发出新型智能化的检测装备，检测全过程由微机控制，实现自动避障、 自动检测 1 0 】【1 1 。 ( 2 ) 检测车臂架结构小、工作臂长，可以穿过斜拉索，能准确、高效率地解 决特大桥梁特别是斜拉桥底部缺陷的检测难题。 ( 3 ) 将检测仪送到桥底的各个位置检测桥梁底部缺陷，取代人工探身桥底的 检测方式，建立安全、可靠的无危险工作环境。 ( 4 ) 有效降低桥梁检测车的生产成本，大幅度减少桥梁检测成本，产生重大 经济效益1 ”。 1 2 国内外研究现状 对于桥梁缺陷的诊断，目前国内外普遍采用的方法是人工定期检测，对于人 员和设备不易到达的地方进行无损伤检测还存在困难3 1 。就检测的实现方式来 看，通常用机械臂把人送到桥下或搭脚手架来进行检测。在检测车方面，美国 h y d r a 公司、a s d e na e r i a l s 赛奔驰公司、德国f a c h m a n 、m o o g 公司已有用 于桥梁检测的检测车，这些检测车利用大型臂架将人员送到桥梁底部直接进行检 测，仅限于人工检测，检查时间过长，且结果具有一定的主观性，装备庞大，价 格昂贵，适用面窄。我国桥梁检测车则以引进为主。2 0 0 1 年9 月徐工集团的随车 起重机有限公司，自主研制了q 儿2 型桥梁检测车j 目前徐工桥梁检测作业车己 形成7 米、1 2 米、1 6 米系列化“】，满足了不同用户日益增加的市场需求。上述 的检测车中都采用载人臂架，机械结构复杂，工作展开半径大，占地面积大；人 员处于悬空状态操作，存在一定危险性；采用人工检测，效率低；对复杂机构桥 梁如斜拉桥不适用。 1 3 本文的研究内容 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 设计出智能桥梁检测车臂架结构。建立臂架结构p r o e 实体模型 第一章绪论 ( 2 ) 论证臂架结构整体方案为臂架结构最优方案； ( 3 ) 建立臂架结构仿真分析数学模型： ( 4 ) 将智能桥梁检测车臂架结构p r o e 模型一次性导入a d a m s v i e w 环境 中，为臂架结构的运动学及动力学仿真分析作准备； ( 5 ) 利用a d a m s 对臂架结构的工作臂摆副机构进行静力学仿真分析； ( 6 ) 建立智能桥梁检测车臂架结构液压系统； ( 7 ) 对臂架结构液压系统液压元件进行选型； ( 8 ) 建立工作臂摆副机构液压系统仿真模型，对工作臂摆副机构液压系统进 行仿真实验。 1 4 本文仿真实验软件的选用 怎样才能在进行物理实验之前就能保证所设计的产品满足指标? 采取什么样 的设计参数才能保证系统的最佳性能? 所设计拥有众多零部件的产品能否保证在 真实载荷如重力、摩擦力作用下能够按照你所预想的方式运动? 现今的c a d 软 件包通常回避以上的问题。c a d 软件在作为运动学仿真工具时，通常仅仅预测运 动的范围和是否发生了运动干涉。面临激烈的市场竞争，工程技术人员不再满足 于简单的运动学分析功能，而是一个能够帮助他们满怀信心地将产品推向市场的 软件、对于开发高性能的机械产品而言，在制作和测试昂贯的物理样机之前就能 够模拟仿真得到准确的动力学响应结果显得至关重要 1 6 】。 目前，国内外工程仿真软件层出不穷，但各仿真软件都有其各自的应用范围。 1p _ c r s h 软件 p a m c r a s h 软件是法国e s i 公司的碰撞模拟有限元分析的程序包。它提供 了强大的有限元前后处理程序和算法优良的解题器，目前已被各大汽车制造厂商 广泛采用作为碰撞模拟有限元仿真的专用平台。 p a m c r a s c h 软件提供了运动铰单元( k i n e m a t i cj o i n te l e m e n t s ) ，非线性六 自由度弹性阻尼单元( n o n l i n e a r6 d o fs p r i n g d a s h p o te l e m e n t s ) ；焊点约束 ( s p o t w e l d s ) 等多种实体( e n t i t i e s ) 用于模拟机构各种复杂的运动关系。例如， 运动铰单元就有球铰( s p h e r i c a ) ，滑移铰( t n s l a t i o n a l ) 、转动铰( r e v o l u t e ) 、园 柱铰( c y l i n d e r ) 、平面副( p i a n a r ) 、万向节( u n i v e r s a l ) 。弯曲一扭转铰( f l e x i o n t o r s i o n ) 以及用户自定义铰( g e n e r a l ) 八种类型。并且各种类型的运动铰自其 垩三! ! 奎兰三兰塑圭兰竺鎏兰 未受约束的自由度上可以自定义刚度、阻尼、摩擦系数等多种参数。p a m c r a s c h 软件有强大的机构运动模拟功能模拟碰撞时如发动机及变速器、悬架及转向机构 的运动及变形。它与其他有限元分析软件相比，在模拟大变形、大位移时有其优 越性。 2 d a d s 软件 d a d s 软件是模拟机械系统的真实行为专业软件。d a d s 允许你在计算机上 建立、分析、优化机械系统的真实的物理行为。通过建立系统的虚拟样机，你可 以在进行物理实验之前验证系统运行是否正常和可靠。 其基本功能如下： ( 1 ) 根据系统多体造型自动产生运动学和动力学方程并求解。 ( 2 ) 计算载荷、位置、速度和加速度。 ( 3 ) 装配、运动学、动力学、逆动力学、静力和预加载分析。 ( 4 ) 采用先进的显式或隐式求解器求解微分代数方程。 ( 5 ) 分析和求解复杂系统行为，如接触、摩擦、柔性部件。 ( 6 ) 基于位置和方位仿真结果的照片真实感动画。 ( 7 ) 可视化高亮显示进入干涉的部件。 ( 8 ) 矢量显示力、速度、加速度，矢量长度表示其值的大小。 ( 9 ) 仿真结果与测试数据在时域和频域内进行相关分析。 ( 1 0 ) 通过与其它仿真工具如控制、有限元、疲劳等相连接，完成更复杂的 设计。 3 e a s y 5 软件 e a s y 5 是波音公司的一个产品，是一个以图形为基础的软件工具，用于模拟 和设计具有微分和代数方程特征的动态系统。波音公司在七十年代初期首先发展 了这种软件，但只作为一个内部软件。八十年代商品化以来，e a s y 5 首先渗透到 航空市场，现在己应用于汽车和其它多个工业领域。 e a s y 5 现已成为m d i 公司的一部分。m s c 软件公司收购m d l 和e a s y 5 将 会导致一个强有力的c a d 和c a e 工具组合：n a s t r a n p a t r a n 、a d a m s 和e a s y 5 。a d a m s 和d y n a m i cd e s 远n e r 模拟系统运动、振动、耐久力和机械 系统的控制。m d i 的产品利用c a d 模型作为输入，输出随时间变化的系统载荷 和边界条件，适用于多种软件产品作进一步的结构性能分析。e a s y 5 模拟系统控 第一苹绪沧 制、水利学、气体力学、机械和热的集合系统等。系统能够被功能块快速的模拟， 构件如泵、齿轮等能够被快速的预定义。a d a m s 对3 d 系统的表示和e a s y 5 对 块图表的表示结合起来的建模能力，加上结合起来的各软件能模拟的子系统的类 型，意味着系统仿真能力的重大突破。用户能够使用一套协同工作的工具，而不 是三种或四种，来建立包括机械、控制、水利学和其它类型于系统的完整的虚拟 样机，进行包括结构动力学分析、机械运动仿真和机械控制的设计和分析。 4a d a _ s 软件 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a i c a ls y s t e m ) 软件，是由美 国机械动力公司( m e c h a n i c a ld y n a m o si n c ) 开发的最优秀的机械系统动态仿真 软件，是世界上最具权威性的、使用范围最广的机械系统动力学分析软件。使用 a d a m s 建立虚拟样机非常容易。通过交互的图形界面和丰富的仿真单元库，用 户快速地建立系统的模型。a d a m s 与先进的c a d 软件( u g 、p r o e ) 以及 c a e 软件( a n s y s ) 可以通过计算机图形交换格式文件相互交换以保持数据的一 致性。a d a m s 软件支持并行工程环境，节省大量的时间和经费。利用a d a m s 软件建立参数化模型可以进行设计研究、试验设计和优化分析。为系统参数优化 提供了一种高效开发工具。 5 _ a t l a b 软件 m a t l a b 是当今国际上科学界尤其是自动控制领域最具影响力、也是最有活 力的软件。它起源于矩阵运算，并己经发展成一种高度集成的计算机语言。它提 供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、 便捷的与其他程序和语言接口的功能。m a t l a b 语言在各国高校与研究单位起着 重大的作用。 m a t l a bs i m u l i n k 是一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环 境。它的出现使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机 因素，从而大大提高了人们对非线性随机动态系统的认知能力。 m a t l a b 主要应用于电学、自动控制、工程运算。它可以与其它机械系统仿 真软件( 如d a d s 、a d a m s 等) 一起组成联合仿真系统。 综上可知，p a m c r a s h 为有限元分析软件，在模拟大变形、大位移时有其 优越性；d a d s 软件是模拟机械系统的真实行为专业软件，d a d s 允许你在计算 机上建立、分析、优化机械系统的真实的物理行为；e a s y 5 是一个以图形为基础 的软件工具，用于模拟和设计具有微分和代数方程特征的动态系统，模拟系统控 制、水利学、气体力学、机械和热的集合系统等；a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i c a 丑a l v s i so f m e c h a l l i c a ls v s t e m ) 软件，是由美国机械动力公司( m e c h a n i c a ld v n 锄o sl n c ) 开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是世界上最具权威性的、使用范围最广 的机械系统动力学分析软件；m a t l a b 是当今国际上科学界优其是自动控制领域 最具影响力、也是最有活力的软件。它可以与其它机械系统仿真软件( 如d a d s 、 a d a m s 等) 一起组成联合仿真系统。 本文针对智能桥梁检测车的仿真实验包括两部分，即机械系统动力学、静力 学、运动学仿真实验及液压系统仿真实验。根据以上分析可知，拟采用a d a m s 进行智能桥梁检测车臂架结构动力学、静力学、运动学仿真实验；采用m a t l a b 的s i m u l i n k 软件进行液压系统仿真实验。 第二章臂架结构p r o e 模型的建立及整体方案的论证 本章在参考国内外多种桥梁检测车臂架结构的基础上，结合智能桥梁检测车 的设计要求，建立臂架结构p r o e 模型，确定其展开顺序，最后从机构的角度论 证臂架结构整体方案为最优方案。 2 1 臂架结构的设计参数及要求 智能桥梁检测车臂架结构的设计参数及要求如下： ( 1 ) 伸出臂伸出长度6 m ； ( 2 ) 竖直臂伸出长度6 m ； ( 3 ) 工作臂伸出长度18 m ： ( 4 ) 能够穿过斜拉索，对斜拉桥进行检测； ( 5 ) 体积小、重量轻，此处限定臂架结构在未展开状态总长l = 3 ，5 m ( 6 ) 控制灵活，能够自动避障，能完成预期的路径规划： ( 7 ) 只占用一个车道； ( 8 ) 防倾覆措施； ( 9 ) 刚度好、清洗及外界风力干扰时振动小： ( 1 0 ) 清洗装置及探测仪总重g = 1 2 0n 。 2 2 臂架结构p r o e 模型的建立及其基本结构 由于智能桥梁检测车臂架的负载很小( g = 1 2 0 n ) ，而工作臂伸出长度为1 8 m ， 故其臂架结构主要受限于自重、伸缩机构间隙、加工工艺、外界清洗力及风力、 小负载等。臂架结构工作臂采用多级油缸伸缩机构，由于工艺限制，取油缸行程 s = 3 m ，缸径d = 5 0 m m ，杆径d = 2 8 m m 。根据2 1 节智能桥梁检测车臂架结构的设计 参数及要求，参考文献 1 7 儿1 8 1 9 2 0 2 1 ，可设计并建立智能桥梁检测车臂架 结构p r o e 模型如图2 1 所示，从而得其基本结构如图2 2 所示，详细图纸资料 见附录l ：智能桥梁检测车结构图。从运动形式上看，智能桥梁检测车臂架结构 三查三些尘! ：三兰堡圭兰堡篁圣 图2 一l 智能桥梁检测车p r 0 e 模型 f i g2 1p r o em o d e lo f i b d v l 桥梁；2 底盘回转机构；3 运载车；4 申出臂；5 伸出臂摆幅机构；6 斜拉索立柱；7 伸出臂回转机构；8 竖直臂回转机构；9 竖直臂摆幅机 构；1 0 竖直臂；1 1 工作臂摆幅机构；1 2 工作臂；1 3 探测仪回转机构； 1 4 探测仪摆幅机构；1 5 探测仪伸出机构 图2 2 智能桥梁检测车基本结构图 f i g2 2b a s i cs t r u c t u r a lf i go fi b d v 可分为伸臂机构、回转机构及摆幅机构。伸臂机构包括伸出臂4 、竖直臂1 0 、工 第二章臂架结构p r o e 模型的建立及整体方案的论证 作臂1 2 及探测仪伸出机构1 5 ，回转机构包括底盘回转机构2 、伸出臂回转机构7 、 竖直臂回转机构8 及探测仪回转机构1 3 ，摆幅机构包括伸出臂摆幅机构5 、竖直 臂摆幅机构9 、工作臂摆幅机构l l 及探测仪摆幅机构1 4 。 2 3 臂架结构展开过程 智能桥梁检测车臂架的展开顺序如图2 3 所示。其起始停靠位如图2 3i 所 示，停靠在右侧靠近斜拉索一侧，桥梁检测车占用一个车道。桥梁检测车的最后 展开位如图2 3 所示。智能桥梁检测车工作位展开过程详细说明见表2 1 。 表2 1 智能桥梁检测车展开过程工作位详细说明 t a b l e2 1e l a b o r a t eo no u t s p r c a dl o c a t i 彻o f i b d v 幅值 工位号动作名动力速度时间f s ) ( 度米) ( 1 ) i i i上摆油缸i 7 5 摆弧4 5 0 ( 2 ) i i 一旋转液压马达i2 0 r m i n 1 5 9 0 0 ( 3 ) 一下摆油缸i 7 5摆弧4 5 0 ( 4 ) 一v伸出臂二节外伸伸出臂油缸1 0 1 i “s 3 03 m ( 5 ) v 一工作臂六节外伸工作臂油缸v o 1 i “s1 515 m ( 6 ) 一竖直臂外摆油缸 1 59 0 。 ( 7 ) 一竖直臂下摆液压马达 2 0 r m i n1 59 0 0 ( 8 ) 一工作臂外摆 油缸i i 1 59 0 0 ( 9 ) 一x竖直臂外伸竖直臂油缸1 0 1 】，s1 51 5 m ( 1 0 ) x 一工作臂转至桥底液压马达i i 2 0 r ，m i n3 01 8 0 0 ( 1 1 ) 一( a )工作臂外伸第六节油缸1 0 1 i i l s 1 51 5 m ( 1 2 ) 一( b )工作臂外伸第五节油缸1 0 1 m s3 03 m ( 1 3 ) 一( c )工作臂外伸第四节油缸i o 1 m ，s3 03 m ( 1 4 ) 一( d )工作臂外伸第三节油缸i o 1 i “s3 03 m ( 1 5 ) 一( e )工作臂外伸第二节油缸1 01 m s3 03 m 奎三些奎兰三兰些圭兰堡! ! 圣 忒 盯v 丝三薹星鍪篁塑! ：堡堡竺塑壅兰垒兰竺查童塑兰垩 图2 3 智能桥梁检测车展开顺序 f i g2 3o u t s p r e a ds e q u e c eo fi b d v 广东工业犬学工学硕士学位论文 2 4 臂架结构整体方案的论证 2 4 1 智能桥梁检测车伸臂机构的探讨 为实现大跨度桥梁诊断，从运动形式上看，智能桥梁检测车伸臂机构宜采用 伸缩机构22 1 ，故此先对伸缩机构作如下探讨： 在一些设备的安装、维修或某些专业的特殊工作中需要在长度上能作伸缩的 装置，或需要在高度上能升降的机构，这些装置或机构被称作伸缩机构和装置。 选型中必须注意伸缩或升降轻便灵活、安全可靠。 依伸缩机理的不同，伸缩机构可分为如下8 种：手动方式；剪刀架方式；平行 四边形方式；爬行机构；输送机构；螺旋机构：油缸机构；钢丝绳方式。 1 手动方式 手动方式可分为偏心套伸缩套管式和销钉伸缩套管式 1 ) 偏心套伸缩套管式 见图2 4 ，偏心环2 以偏心距e 与外管3 偏心固定在一起。偏心套l 活套 在偏心环2 的外侧，且上下两端卷边包住环2 ，套l 的上端只需稍稍卷边，其下 端卷边后的端面孔应与外管3 同一心，孔径稍大于内管4 的外径，包卷后不影响l 、 2 间的相对转动。当相对2 旋转l 时，内管4 随偏心套下端面孔的偏摆与外管3 楔紧，从而实现内外套管伸长、缩短后的紧固联接。 2 ) 销钉伸缩套管式 见图2 5 ，方形内伸缩套管l 上固定有弹簧片2 ，在弹簧片上固定销钉3 ， 钉3 可嵌入方形外伸缩套管4 上的定距孔5 内，固定内外套管的伸缩位置。销钉 3 嵌入4l 的不同孔5 ，可得到不同长度的套管。 崦 图2 4 偏心套伸缩套管式图2 5 销钉伸缩套管式 f i g 2 4e c c e n t r i c1 0 c k i n gc o l l a r ss h r i n k a b l ec u b e f i g 2 5d o w e ls h r i n k a b l et u b e 12 第二章臂架结构p r 。e 模型的建立及整体万案的论证 2 剪刀架方式 剪刀架方式可分为大行程剪式伸缩架和剪式升降平台 1 ) 大行程剪式伸缩架 见图2 6 ，杆1 上端铰接于a ，杆2 下端铰接于滚子b ，b 可在铅垂的导槽 中滑动，l 、2 铰接于e ，中间通过若干平行四边形铰接组成剪式伸缩架。它的右 上端c 与托叉3 铰接，而右下端铰接滚子d 紧贴3 的铅垂面，并可沿该面上下滑 动。这样，托叉3 可在水平方向左右移动。这种多个平行四边形伸缩架可获得较 大的伸缩行程。铅垂升降的检修平台和仓库用升降台均可采用这种伸缩机构。 2 ) 剪式升降平台 见图2 7 ，图a ，支撑杆a b 和c d 的长度相等，二杆的中点铰接于e ，滚 轮1 、2 与支撑杆铰接于b 、d 点，并可在上下平板的导槽内滚动，支撑杆另一端 与上下平板铰接于c 、a 。驱动气缸3 的下部固定在下平板上，上部的活塞杆4 以球头与上平板球窝接触于f 点。气缸3 通过活塞杆4 驱使上平板铅垂升降。该 机构为平行四杆机构的变态。图b ，等长支撑杆a b 、c d 铰接于二杆的中点e ， 二杆的b 、d 端分别与滑块3 、活塞杆1 较接，卧式液压缸驱动活塞杆1 控制平 台2 铅垂升降。 雾骧 图2 6 大行程剪式伸缩架 f i 9 2 61 a 昭e 仃a v e lr a i 培es c i s s o r ss l 】r i n k a b l eb e n c h 3 平行四边形方式 a ， h i 图2 7 剪式升降平台 f i 9 2 7 s c i s s o r s1 i f t i n gp l a t f o r m 见图2 8 平行四杆平移升降台，液压缸驱动活塞杆1 伸缩，由活塞杆l 控制 平行四杆机构a b c d ，使工作平台2 平移升降，但平台2 平移升降的轨迹并非直 线，而是按圆弧轨迹平移。 4 爬行机构 见图2 9 齿轮齿条升降装置，电动机带动齿轮2 逆时针转动，使齿轮2 沿齿 条1 爬行，并推动构件3 沿移动副4 举升( 移动副4 与齿条l 平行) 。 姒 _ _ 东工业大学工学硕： 学吐论文 5 输送机构 输送机构可分为链轮升降装置和皮带轮升降装置 1 ) 链轮升降装置 见图2 1 0 ，构件4 与链条2 一链结通过联结块3 固定在一起，链轮l 逆时 针转动，推动构件4 沿移动副5 举升。 2 ) 皮带轮升降装置 见图2 1 1 ，构件4 与皮带2 通过联结块3 固定在一起，皮带轮1 逆时针转 动，推动构件4 沿移动副5 举升。 图2 8 平行四杆平移升降台 f 培2 8p a r a l l e lf o u r _ b a rt r a n s l a t i o n 图2 1 0 链轮升降装置 f i 9 2 - 1 0c h a i nw h e e ll i f c i gm e c h a n i s m 图2 9 齿轮齿条升降装置 f 培2 - 9 g e a r _ r a c kl i f t i n gm e c h a n i s m 5 丑 图2 1 1 皮带轮升降装置 f 嘻2 1 ls t r a pw h e e l l i f t i n gm e c h a n i s m 1 4 第二章臂架结构p r o e 模型的建立及整体方案的论证 6 螺旋机构 见图2 1 2 螺旋副升降装置，电动机l 驱动丝杠2 转动，带动丝母3 及构件 4 沿移动副5 举升。 7 油缸伸缩机构 见图2 1 3 油缸伸缩机构，油缸3 驱动构件1 沿构件2 与构件1 之间的移动 副运动。 8 钢丝绳方式 钢丝绳方式可分为钢绳联动伸缩架和叉车三级门架升降机构 1 ) 钢绳联动伸缩架 见图2 1 4 ，钢绳1 1 的下端与滑架5 的a 点联接，另一端绕过固定架2 上部 的滑轮3 缠绕在卷筒1 上。钢绳1 0 的下端与滑架7 的b 点联接，另一端绕过滑 架5 上部的滑轮4 与固定架2 的d 点联接。钢绳9 的下端与滑架8 的c 点联接， 另一端绕过滑架7 上部的滑轮6 与滑架5 的e 点联接。当顺时针方向转动卷筒l 时，三个滑架同时外伸。反之，则同时收缩。 2 ) 叉车三级门架升降机构 见图2 1 5 ，滑动门架l 、2 、3 由多级液压缸4 带动升降，链条5 的一端与 链轮架6 上的a 点固联，另一端绕过货叉7 上的链轮8 和架6 上的链轮9 与液压 缸4 上的b 点固联。当液缸驱动活塞杆外伸时，带动门架升高，并通过链条控制 货叉7 由最低位置升高到最高位置。货叉的导向架未在图上表示。 3 己 l 图2 一1 2 螺旋副升降装置 f i 9 2 一1 2s p i r a lp a i rl i f t i n gm e c h a n i s m 3 图2 一1 3 油缸伸缩机构 f i g 2 1 3r e m o t ec y l i n d e rs 岫l k a b l em e c h a n j s m 1 6 广东工业大学工学硕士学缸论文 丽 产 f ，： 护 旧冲，艘 图2 1 4 铡绳联动伸缩架图2 1 5 叉车三级门架升降机构 f i g 2 1 4s t e e l 一c o r dl i i l k a g es b r i i l k a b l e b e n c h f i g 2 1 5f o r i 啦t h r e e l e v e l1 i f 【i n gm e c h a i l i s m 本桥梁检测车为多自由度超长臂小型智能桥梁检测车，故手动方式1 不予考 虑：剪刀架方式2 伸缩灵活，但关节多，误差积累大：平行四边形方式3 运动平稳， 特别适宜于人工检修平台，但不适宜于远距离多级伸缩机构；爬行机构4 、输送 机构5 及螺旋机构6 易于实现单级伸缩，当用于远距离多级伸缩时，因每一级需 要个原动机，结构复杂，安装不方便；钢丝绳方式8 用于远距离多级伸缩时， 每一级的运动由钢丝绳联动装置实现，只需一个原动机，但增加了钢丝绳轮，减 速机，且张紧装置需很好解决；油缸机构7 用于远距离多级伸缩时，每级的原 动机就是液压油缸，动作可靠，安装方便。 从以上分析可以看出，智能桥梁检测车最理想的伸臂结构为油缸机构。 2 4 2 智能桥梁检测车回转机构的探讨 由于齿轮加工容易、传动平稳、成本低等优点，桥梁检测车及工程机械的回 转机构多采用一对大传动比齿轮并由液压马达直接驱动小齿轮来实现 2 ”，该桥梁 检测车的底盘回转机构、竖直臂回转机构及工作臂回转机构仍采用这种结构。 2 4 3 智能桥梁检测车摆幅机构的探讨 1 平面机构的基本概念 为了经济、灵活、方便地实现智能桥梁检测车臂架结构的运动，除伸缩机构、 第二苹臂架结构p r o 肛模型的建立及整体万案的论证 回转机构外，还需合理确定摆幅机构的结构形式。为此，先对平面机构进行如下 探讨： 1 ) 构件与零件 从运动的观点分析机械时，构件是参加运动的最小单元体。构件可以是一 个零件，也可以是由多个零件组成的刚性系统。从制造的观点分析机械时，零 件是组成机械的最小单元体。任何机械都由许多零件组合而成的。 2 ) 运动副及其分类 运动副指两构件直接接触所形成的可动联接，运动副元素即两构件直接接 触而构成运动副的点、线、面部分；运动副按运动副的接触形式分为低副和高 副，按相对运动的形式分为平面运动副和空间运动副，按运动副引入的约束数 分为l 级副、2 级副、3 级副、4 级