桁架式桥梁检测车关键结构的设计与计算

1、桁架式桥梁检测车关键结构的设计与计算桁架式桥梁检测车关键结构的设计与计算 赵 睿 （山 西省交通科学研究院，山西太原 030006 ） 摘 要：以桥梁 检测车为研究对象，对其检测臂架进行结构设计，研究和探 讨桥梁检测车的开发及应用。根据基本参数确定桥梁检测车 的总体设计方案和桁架机构设计方案，建立桥梁检测车 Solidworks 实体模型， 并对检测臂各部件结构进行设计与计 算；应用 Solidworks 软件对桥梁检测桁架机构进行虚拟装配 和运动学仿真研究。结果表明：各桁架结构满足强度要求， 设计合理，可为下一步研发新型桥梁检测车奠定理论基础。 关键词： 桥梁检测车； 桁架结构； 结构设计；

2、 运动仿真 0 引 言 桥梁在长期使用过程中会发生各种结构损伤，从而引起 一系列安全问题 1?5 ，因此需要通过定期维修和加固来解 决这些问题，而完成这些工作的基础是对桥梁结构进行系统 检测。目前桥梁的检测工作主要使用多功能桥梁检测车，在 检测车系统中最为关键的结构为检测臂，其设计优劣直接决 定了检测车作用的发挥。本文针对桁架式桥梁检测臂系统进 行设计与计算，为新型桥梁检测车的下一步研发奠定理论基 础。 1 桥梁检测臂整体方案 1 1 系统组成 桥梁检测臂系 统主要由主桁架、检测桁架以及回转机构三部分构成6 ，如图 1 所示。 主桁架通过回转支承结构与检测桁架连接，将检测臂从桥上伸到桥梁下部以

3、检测桁架；回转机构用来连 接并控制桁架在水平面内的转动7?8 。 图 1 检测臂结构12 运动形式的确定 桥梁检测车检测臂运动形式包括 2 个 回转运动和 2 个摆幅运动。 2 个回转运动为底盘回转机构与 回转支撑的水平回转运动； 2 个摆幅运动为主桁架、检测臂 桁架的摆幅运动 9?12 。底盘回转机构带动臂架结构、回 转支承结构带动检测臂在水平面内作0180 的转动四边形摆幅机构实现主桁架、检测臂桁架的摆幅运动，使检测臂 在垂直面内作 0 90的转动13?15 。 1 3 三维造型 根 据桥梁检测车工况确定如下参数：桥下水平作业有效长度为 13 m ；桥面以下垂直作业范围为0 9 m ；跨越

4、人行道距离为 22 m ；跨越护栏高度为 2?1 m ；跨越箱梁厚度为 6 m ； 检测速度不大于 30 cm s -4 ;系统定位精度不大于I cm m 1 ；臂架总质量不大于 1 500 kg ；采用多种防倾覆措施； 承受风力不大于 8 级。 根据上述参数，在三维造型软件 SoIidworks 中对桥梁检测臂进行全比例实体造型， 如图 2 所 示。 图 2 桥梁检测臂结构模型 2 桥梁检测臂桁架结构的设 计与计算 桥梁检测臂桁架主要包括主桁架和检测桁架，以 下根据检测车参数对这 2 种桁架进行结构设计与计算。2 1主桁架结构设计 设计要求检测车垂直作业范围为桥面下 09 m ,检测车主桁架

5、长度为11 m ,截面为60 cm X 60 cm。主桁架通过一对液压缸带动实现往复运动。主桁架采用燕尾滑槽与四边形机构连接，燕尾导轨放置于主桁架上，燕尾滑 块放置于四边形机构。工作过程中，燕尾滑槽不仅使主桁架 随滑块往复运动，还可以减少摆动给液压缸带来的冲击。其 结构如图 3 所示。 图 3 主桁架结构 2 2 主桁架校合计算 22 1 抗拉伸强度计算 忽略主桁架偏心力矩及自身重量， 由于桁架竖立，仅受检测臂拉力和检测车的支持力，受到的 剪切力可忽略不计。桁架材料 Q235 钢的屈服极限为 235 MPa ，槽钢的截面积为 18 516 cm2 。 由拉伸压缩强度 计算公式可知 式中： F1

6、 为受力值； Ssum 为受力总面积； S为槽钢截面积；b p为屈服强度。由此可知，当主桁架受力小于1 . 740 5 X 106N时，主桁架满足抗拉伸强度要求。 222 抗弯曲强度计算 Q235 钢的许用弯曲强度为 158 MPa ，槽钢桁架横截面对 Y 轴的抗弯矩截面系数最小为 13 cm3 ，最易弯曲。考虑最恶劣情况，将受力简化为一个作用 于检测臂单边的集中力 F2 。根据力矩平衡原理可知 假设平 衡力矩完全由槽钢提供，由弯曲强度计算公式可解得由此可知，主桁架受力小于 16 432 N 时，主桁架满足抗弯曲强 度设计。 综合上述，可以确定当主桁架受力小于 16 432 N 时，结构处于稳

7、定状态。根据受力分析，主桁架受力约为 8 820 N ，因此本文对于主桁架的设计满足要求。2 3 检测桁架结构设计与计算 设计要求检测臂桥下的检测总长度为 13 m ，因此采用 2 节架结构即可满足条件。每节长度为 6?5 m，2 节间配合长度为 05 m ，2 节桁架截面系数分别为 60 cmx 60 cm和50 cm x 50 cm。检测桁架工作过程中桁架 1与 桁架 2 依次水平展开， 连接形式为移动副， 如图 4 所示。 图 4 检测桁架结构 根据检测臂的受力情况，检测臂单边受力 为主要受力，故只对检测臂的弯曲强度进行校核。具体计算 过程与主桁架相同， 根据受力分析， 检测臂受力为 4

8、 900 N ， 小于 16 432 N ，因此本文关于检测桁架的设计也满足要求。3 桥梁检测臂回转机构的设计与计算31 驱动方式的确定检测车通常利用液压、电气和机械等驱动方式实现回转运动。 与其他驱动方式相比，液压驱动方式除具有配置灵活方便、 易于操纵控制、可实现过载保护等优点外，还有功率? 质量比大、力 ?质量比大及转矩 ?惯量比大等优势 7，所以本检 测车采用液压方式驱动回转机构。3 2 传动方式确定 回转运动的实现方式有齿轮传动、涡轮蜗杆传动和液压缸直接 驱动等。其中，齿轮传动具有传动平稳可靠、使用寿命长、 传动效率高、结构紧凑且能实现 360回转等优点。 因此，本 检测车 2 个回转

9、机构均采用传动比更大的一对齿轮传动，即 用液压马达驱动小齿轮来带动大齿轮，大齿轮带动被驱动机 构实现回转运动。3 3 传动载荷计算 当伸出臂、 竖直臂、工作臂全部平行展开时，臂架重心偏离转台回转中心距离最 远，臂架竖直方向迎风面积最大。此时，计算参数取值为： 回转支承装置转台重力 GO = 3.2 kN ;臂架总重力 G = 6 kN ; 臂架重心与转台回转中心距离 d = 2. 5m ;臂架的迎风面积SW = 5. 4 m ;臂架承受风力 FW = 370 N m七；风力作用 线与回转中心距离 L = 12 m。不同工况下支撑所受载荷的 计算如下，其中工况 1 为动态容量计算载荷，工况 2

10、为静态 容量计算载荷。 工况 1 下八级风力时的工作载荷为 其中： K 为安全系数。 工况 2 下不计风力时的最大载荷为 回转 支撑结构采用单排四点接触式，由相关文献可知，工况参数 和载荷换算系数分别为 fm = 1?25、fs = 1?55，回转支撑当 量载荷不计，则静态载荷为 动态载荷为 34 驱动装置 计算 341 驱动力矩计算 回转机构的工作载荷是回转阻 力矩Msw，它主要由摩擦阻力矩 Mf、倾斜时引起的回转阻 力矩 Ms 、风压引起的阻力矩 Mw 以及回转惯性引起的阻力 矩 Mp 组成。 以下对上述力矩分别进行计算。 回转支撑装置 的摩擦阻力矩 回转平台倾斜时引起的回转阻力矩 其中：

11、 R 为回转驱动旋转半径。 风压引起的阻力矩 其中：风压 值FN = 150 kN m2;臂架水平方向迎风面积 SL = 6.25 m2 ; Ln 为臂长。 回转惯性引起的回转阻力矩 其中：回转速度 n = 3 r min上启动时间t = 4 s ;伸出臂重力 G = 12 500 N ; 臂架重心到转台中心的水平距离 L = 2. 5 m。基于上述计 算，驱动装置驱动力矩值为 3. 4. 2 驱动功率计算 驱动 马达最大回转功率为 式中：液压马达系数H、m、入m的值 均为1 ;回转速度n = 3 r mini;机械总效率 卩=0. 9。本系统采用低速（0150 r mini）大转矩液压马达回

12、转机构，可以直接在油马达轴上安装回转机构小齿轮，系统结构紧凑。4 结 语 本文以桥梁检测车为研究对象，对检测臂进行设计 与计算。根据基本参数确定了桥梁检测车及检测臂总体设计 方案，并对检测臂桁架结构进行了设计及校合计算。分析结 果表明，设计的各桁架结构满足强度要求。此外，确定了回 转机构的驱动方式和传动方式，并计算了传动载荷及驱动装 置的各参数。本文的分析计算结果可为下一步研发新型桥梁 检测车奠定理论基础。 参考文献： 1 高怀志， 王君杰桥 梁检测和状态评估研究与应用 J .世界地震工程，2000 , 16（ 2） ： 57?64 2 廖海峰，黄德义混凝土桥梁的 检测技术及其新发展述论 J

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14、测车在桥梁检测中的应用J:.筑 路机械与施工机械化， 2006 ，23(12)：46?48 9 王 秀敏，杨世华，沈建明，等桥梁检测车机械臂监控系统设计与研究J .计算机仿真，2011 ,28 ( 9 ):338?341 . : 10: 龚栋梁桥梁检测车的研究与开发D 武汉：武汉理工大学， 2009 11 邓国红，陈超超，欧 健，等桥梁检 测车臂架结构风振响应分析 J 重庆理工大学学报， 2010 ， 24( 5): 12?17 12 李淑慧，杨一明桁架式桥梁检 测车仿真设计与应用研究J.筑路机械与施工机械化，2010 , 27( 3): 75?78 13 杨晓乾，田 瑶基于某桥梁检 测车设计

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16、tion Research Institute ， Taiyuan 030006 ， Shanxi ， China ) Abstract : Taking the bridge inspection vehicle as the research object ， the structuraldesign of the main parts of the boom was studied， and thedevelopment and application of the bridge inspectionvehicle were studied and discussedThe genera

17、l design ofthe bridge inspection vehicle and the truss mechanism was determined in terms ofthe fundamental parameters， andthe entity modelwas established with Solidworks Thedesign 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