桁架式橋梁檢測車關鍵結構的設計與計算

趙 睿

（山西省交通科學研究院，山西太原 030006）

桁架式橋梁檢測車關鍵結構的設計與計算

趙 睿

（山西省交通科學研究院，山西太原 030006）

以橋梁檢測車為研究對象，對其檢測臂架進行結構設計，研究和探討橋梁檢測車的開發及應用。根據基本參數確定橋梁檢測車的總體設計方案和桁架機構設計方案，建立橋梁檢測車Solidworks實體模型，并對檢測臂各部件結構進行設計與計算；應用Solidworks軟件對橋梁檢測桁架機構進行虛擬裝配和運動學仿真研究。結果表明：各桁架結構滿足強度要求，設計合理，可為下一步研發新型橋梁檢測車奠定理論基礎。

橋梁檢測車；桁架結構；結構設計；運動仿真

0 引 言

橋梁在長期使用過程中會發生各種結構損傷，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是對橋梁結構進行系統檢測。目前橋梁的檢測工作主要使用多功能橋梁檢測車，在檢測車系統中最為關鍵的結構為檢測臂，其設計優劣直接決定了檢測車作用的發揮。本文針對桁架式橋梁檢測臂系統進行設計與計算，為新型橋梁檢測車的下一步研發奠定理論基礎。

1 橋梁檢測臂整體方案

1．1 系統組成

橋梁檢測臂系統主要由主桁架、檢測桁架以及回轉機構三部分構成［6］，如圖1所示。

主桁架通過回轉支承結構與檢測桁架連接，將檢測臂從橋上伸到橋梁下部以檢測桁架；回轉機構用來連接并控制桁架在水平面內的轉動［7?8］。

圖1 檢測臂結構

1．2 運動形式的確定

橋梁檢測車檢測臂運動形式包括2個回轉運動和2個擺幅運動。2個回轉運動為底盤回轉機構與回轉支撐的水平回轉運動；2個擺幅運動為主桁架、檢測臂桁架的擺幅運動［9?12］。底盤回轉機構帶動臂架結構、回轉支承結構帶動檢測臂在水平面內作0°～180°的轉動；四邊形擺幅機構實現主桁架、檢測臂桁架的擺幅運動，使檢測臂在垂直面內作0°～90°的轉動［13?15］。

1．3 三維造型

根據橋梁檢測車工況確定如下參數：橋下水平作業有效長度為13 m；橋面以下垂直作業范圍為0～9 m；跨越人行道距離為2．2 m；跨越護欄高度為2?1 m；跨越箱梁厚度為6 m；檢測速度不大于30 cm·s－1；系統定位精度不大于l cm·m－1；臂架總質量不大于1 500 kg；采用多種防傾覆措施；承受風力不大于8級。

根據上述參數，在三維造型軟件Solidworks中對橋梁檢測臂進行全比例實體造型，如圖2所示。

圖2 橋梁檢測臂結構模型

2 橋梁檢測臂桁架結構的設計與計算

橋梁檢測臂桁架主要包括主桁架和檢測桁架，以下根據檢測車參數對這2種桁架進行結構設計與計算。

2．1 主桁架結構設計

設計要求檢測車垂直作業范圍為橋面下0～9 m，檢測車主桁架長度為11 m，截面為60 cm×60 cm。主桁架通過一對液壓缸帶動實現往復運動。主桁架采用燕尾滑槽與四邊形機構連接，燕尾導軌放置于主桁架上，燕尾滑塊放置于四邊形機構。工作過程中，燕尾滑槽不僅使主桁架隨滑塊往復運動，還可以減少擺動給液壓缸帶來的沖擊。其結構如圖3所示。

圖3 主桁架結構

2．2 主桁架校合計算

2．2．1 抗拉伸強度計算

忽略主桁架偏心力矩及自身重量，由于桁架豎立，僅受檢測臂拉力和檢測車的支持力，受到的剪切力可忽略不計。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／壓縮強度計算公式可知

式中：F1為受力值；Ssum為受力總面積；S為槽鋼截面積；［σ］p為屈服強度。

由此可知，當主桁架受力小于1．740 5×106N時，主桁架滿足抗拉伸強度要求。

2．2．2 抗彎曲強度計算

Q235鋼的許用彎曲強度為158 MPa，槽鋼桁架橫截面對Y軸的抗彎矩截面系數最小為13 cm3，最易彎曲。考慮最惡劣情況，將受力簡化為一個作用于檢測臂單邊的集中力F2。根據力矩平衡原理可知

由此可知，主桁架受力小于16 432 N時，主桁架滿足抗彎曲強度設計。

綜合上述，可以確定當主桁架受力小于16 432 N時，結構處于穩定狀態。根據受力分析，主桁架受力約為8 820 N，因此本文對于主桁架的設計滿足要求。

2．3 檢測桁架結構設計與計算

設計要求檢測臂橋下的檢測總長度為13 m，因此采用2節架結構即可滿足條件。每節長度為6?5 m，2節間配合長度為0．5 m，2節桁架截面系數分別為60 cm×60 cm和50 cm×50 cm。檢測桁架工作過程中桁架1與桁架2依次水平展開，連接形式為移動副，如圖4所示。

圖4 檢測桁架結構

根據檢測臂的受力情況，檢測臂單邊受力為主要受力，故只對檢測臂的彎曲強度進行校核。具體計算過程與主桁架相同，根據受力分析，檢測臂受力為4 900 N，小于16 432 N，因此本文關于檢測桁架的設計也滿足要求。

3 橋梁檢測臂回轉機構的設計與計算

3．1 驅動方式的確定

檢測車通常利用液壓、電氣和機械等驅動方式實現回轉運動。與其他驅動方式相比，液壓驅動方式除具有配置靈活方便、易于操縱控制、可實現過載保護等優點外，還有功率?質量比大、力?質量比大及轉矩?慣量比大等優勢［7］，所以本檢測車采用液壓方式驅動回轉機構。

3．2 傳動方式確定

回轉運動的實現方式有齒輪傳動、渦輪蝸桿傳動和液壓缸直接驅動等。其中，齒輪傳動具有傳動平穩可靠、使用壽命長、傳動效率高、結構緊湊且能實現360°回轉等優點。因此，本檢測車2個回轉機構均采用傳動比更大的一對齒輪傳動，即用液壓馬達驅動小齒輪來帶動大齒輪，大齒輪帶動被驅動機構實現回轉運動。

3．3 傳動載荷計算

當伸出臂、豎直臂、工作臂全部平行展開時，臂架重心偏離轉臺回轉中心距離最遠，臂架豎直方向迎風面積最大。此時，計算參數取值為：回轉支承裝置轉臺重力G0＝3．2 kN；臂架總重力G＝6 kN；臂架重心與轉臺回轉中心距離d＝2．5 m；臂架的迎風面積SW＝5．4 m；臂架承受風力FW＝370 N·m－3；風力作用線與回轉中心距離L＝12 m。

不同工況下支撐所受載荷的計算如下，其中工況1為動態容量計算載荷，工況2為靜態容量計算載荷。

工況1下八級風力時的工作載荷為

其中：K為安全系數。

工況2下不計風力時的最大載荷為

回轉支撐結構采用單排四點接觸式，由相關文獻可知，工況參數和載荷換算系數分別為fm＝1?25、fs＝1?55，回轉支撐當量載荷不計，則靜態載荷為

動態載荷為

3．4 驅動裝置計算

3．4．1 驅動力矩計算

回轉機構的工作載荷是回轉阻力矩Msw，它主要由摩擦阻力矩Mf、傾斜時引起的回轉阻力矩Ms、風壓引起的阻力矩Mw以及回轉慣性引起的阻力矩Mp組成。以下對上述力矩分別進行計算。

回轉支撐裝置的摩擦阻力矩

回轉平臺傾斜時引起的回轉阻力矩

其中：R為回轉驅動旋轉半徑。

風壓引起的阻力矩

其中：風壓值FN＝150 kN·m－2；臂架水平方向迎風面積SL＝6．25 m2；Ln為臂長。

回轉慣性引起的回轉阻力矩

其中：回轉速度n＝3 r·min－1；啟動時間t＝4 s；伸出臂重力G＝12 500 N；臂架重心到轉臺中心的水平距離L＝2．5 m。

基于上述計算，驅動裝置驅動力矩值為

3．4．2 驅動功率計算

驅動馬達最大回轉功率為

式中：液壓馬達系數H、m、λm的值均為1；回轉速度n＝3 r·min－1；機械總效率μ＝0．9。

本系統采用低速（0～150 r·min－1）大轉矩液壓馬達回轉機構，可以直接在油馬達軸上安裝回轉機構小齒輪，系統結構緊湊。

4 結 語

本文以橋梁檢測車為研究對象，對檢測臂進行設計與計算。根據基本參數確定了橋梁檢測車及檢測臂總體設計方案，并對檢測臂桁架結構進行了設計及校合計算。分析結果表明，設計的各桁架結構滿足強度要求。此外，確定了回轉機構的驅動方式和傳動方式，并計算了傳動載荷及驅動裝置的各參數。本文的分析計算結果可為下一步研發新型橋梁檢測車奠定理論基礎。

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［責任編輯：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，高級工程師，研究方向為交通機電工程。