懸索橋主纜探傷機器人的設計

趙文瑞 王大剛 劉暢 許善超 劉濤

摘? 要：為了解決懸索橋主纜自主檢修儀器搭載平臺問題，通過結構設計解決懸索橋主纜檢測機器人的自主行走的越障、振動穩定性、自適應軌跡等問題，最后實現懸索橋主纜損傷檢測機器人能搭載檢測設備并能沿著主纜軌跡自主移動進行主纜損傷檢測，同時能躲避主纜上障礙結構，并具有一定的抗震動、抗風的穩定性，該文提出一種懸索橋主纜損傷檢測機器人機械結構。

關鍵詞：懸索橋;主纜探傷;機器人設計

中圖分類號：TP242;U448.25? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）22-0130-03

Design of the Flaw Detection Robot for the Main Cable of Suspension Bridge

ZHAO Wenrui，WANG Dagang，LIU Chang，XU Shanchao，LIU Tao

（School of Mechatronic Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou? 221116，China）

Abstract：In order to solve the problem of the carrying platform for autonomous inspection instrument of the main cable of the suspension bridge，the structure design solves the problems of the autonomous walking of the suspension bridge main cable detection robot，such as obstacle crossing，vibration stability，and adaptive trajectory. Finally，it is realized that the main cable damage detection robot of the suspension bridge can be equipped with detection equipment and can move autonomously along the main cable trajectory for main cable damage detection. At the same time，it can avoid the obstacle structure on the main cable and has a certain degree of stability against vibration and wind. In this paper，a mechanical structure of main cable damage detection robot for suspension bridge is proposed.

Keywords：suspension bridge;flaw detection of main cable;robot design

0? 引? 言

懸索橋是以承受拉力的纜索或鏈索作為主要承重構件的橋梁，由主纜、鞍座、錨碇、吊桿、加勁梁等部分組成。主纜是懸索橋主要的承重結構，主纜的磨損、腐蝕和疲勞斷絲將導致主纜承載強度降低、服役安全性變差，一旦主纜失效，會致使懸索橋發生坍塌，嚴重危及生命安全，并會造成重大經濟損失。在懸索橋主纜損傷檢測行業，現有對于主纜越障機構的專利較少，主要有：鎮江藍舶科技股份有限公司相關生申請人采用主輔輪交替工作從而達到小車越障目的;無錫金誠工程技術服務有限公司相關申請人采用扶手繩行走軌跡和吊籃的上下移動實現多方位移動的行星式小車;鎮江藍舶工程科技有限公司相關生申請人采用排輪以及偏位糾正輪達到行走目的[1，2]。目前懸索橋主纜損傷檢測多采用人工檢修的方式，存在成本高、效率低、安全風險高的問題。

本項目指導老師王大剛致力于懸索橋主纜機械健康狀態監測與探傷機器人技術的研究，特別是主纜安全性及服役壽命評估研究。作者所在課題組為解決主纜檢修儀器搭載平臺問題設計了一種可用于懸索橋無人化檢測的懸索橋主纜探傷機器人，所設計結構可為檢測儀器提供檢測平臺。該機器人可降低檢測成本，提高檢測效率。設計的機器人結構可通過懸索橋主纜索夾、吊索等障礙，并通過M型展出架結構以及壓緊輪來確保機器人行駛的穩定性。對懸索橋主纜檢修工作具有重要意義。

1? 結構設計

1.1? 設計要求

具體設計要求如下：

（1）最大儀器載重10 kg;

（2）行駛速度范圍可變，適應不同檢測儀器速度要求;

（3）輕便、易于組裝拆卸;

（4）檢測功能要求。

1.2? 針對懸索橋主纜扶手繩、吊索、風速影響的結構設計

機器人在懸索橋中行走時，空間阻礙結構主要有扶手繩（圖1部件5）、吊索（圖1部件8），這要求機器人結構不能與其發生干涉;當主纜因橋體震動或高空風力影響時，主纜結構需提供應有的支撐穩定性，保證機器人檢測的安全性。

對懸索橋主纜扶手繩、吊索的避障問題，本項目提出通過形成類似“M”的展出半封閉式支架結構（圖1部件2）避開扶手繩及吊索。在結構設計中加入扶手繩導輪（圖1部件1），導輪內軸承選擇GB/T 276-94深溝球軸承，在減少支架因摩擦削弱扶手繩強度的同時規定機器人行駛路徑，避免偏離預期軌跡。

主纜防腐涂層許用壓強為2.50 Mpa，機器人行駛主纜處最大仰角α=26°行駛時因角度變化范圍以及主纜表面濕度影響，機器人行駛途中履帶所需摩擦力可能出現不足[3];在主纜下表面M型展出架下設置兩對壓緊輪（圖1部件7），壓緊輪伸縮由電機驅動滾珠絲杠（圖1部件4）進行順序動作，壓緊輪在不同工況下可根據需要展開，且可提供不同的壓緊力來確保機器人的穩定。當出現震動、強風等情況時，需要確保機器人可靠停車，同時壓緊輪可作為另一固定支點確保機器人不出現側翻。壓緊輪所選橡膠材質有利于保護主纜防腐涂層，同時輪面接觸壓緊變形為4.12 mm[4]，此時單個壓緊輪與主纜的接觸面積為A壓緊輪=14.02 mm×40.00 mm=560.80 mm2設計驅動機構提供最大壓緊力為1 200 N，則對于主纜防腐涂層的最大壓強為P壓緊輪=1 200 N/560.80 mm2=2.13 Mpa，小于許用壓強2.50 Mpa，安全系數為1.17。因行駛過程中壓緊輪需通過索夾表面，考慮到設計結構的力學平衡，在壓緊結構處設計多個彈簧緩沖裝置，使得壓緊輪自適應調整水平方向的力，保證機器人水平方向上始終受力平衡，以便于平順檢測。M型展出架上設有檢測儀器搭載平臺，沿主纜徑向軸向分設4個不同檢測機位（圖1部件3），可為其提供全方位損傷檢測位置。因兩展出架距離較大，故M型展出架設有三處橫梁保證前后展出架同步;展出架采用鋁合金材料，保證輕便的同時也保障展出架的結構強度。設計結構模型如圖1所示。

1.3? 針對懸索橋索夾結構的設計

如圖2所示，懸索橋主纜上每隔一段距離安裝有索夾，索夾起到箍緊主纜的作用，同時連接著吊索，承擔著吊起懸索橋的拉力，索夾是懸索橋必不可少的結構，擔任重要的角色。機器人要在主纜上運動，需要避開索夾及其產生的障礙。索夾的對于機器人行走的障礙主要表現在索夾在主纜上表面的螺栓連接處（圖2部件1）和吊索（圖2部件2）的分布。

針對索夾上表面連接處的障礙，機器人采用提高底座、增大履帶間空間來實現避障，同時將底座分布設計成“倒V”結構，增大下部空間的同時，也能使機器人上部分結構緊湊。履帶帶輪與底座通過輪轂裝配后，使履帶表面與主纜表面相切，達到增大接觸面積、履帶接觸正壓力方向沿徑向的目的（圖1部件6）。

針對索夾上吊索結構形成的障礙，機器人在下部設計了由滾珠結構連接的壓緊輪，由電動機驅動滾珠絲杠結構，使壓緊輪結構圍繞固定支點上下翻轉，待機器人行進至索夾結構處，電動機驅動滾珠絲桿結構使得壓緊輪結構向上翻轉，避開吊索，待經過索夾結構后，電機再反轉驅動滾珠絲桿結構使得壓緊輪復位，對主纜產生壓緊作用。機器人的受力情況如圖3所示。

對機器人進行受力分析，主纜所給的支反力并未處于同一平面，向兩支反力中點進行簡化，由于機器人行動比較緩慢，可看作靜態進行受力分析。主纜對左右履帶的支反力F1，F2與豎直方向夾角為θ;主纜對左右壓緊輪的正壓力Fa，Fb與豎直方向夾角為α;機器人自重G;簡化力系得出平衡方程為：

F1cosθ+F2cosθ=G+Facosα+Fbcosα，且滿足F1=F2，Fa= Fb，據已知條件α=70.27°，θ=17.49。當履帶出現最大壓緊力時，即靜止狀態壓緊輪力為最大時，履帶對表面的壓強最大，故取Fa=Fb=1 200 N;機器人支架及雙孔梁采用鋁合金材料，所占體積為15.36 dm3，為減少對主纜表面防腐涂層的破壞，機器人的履帶采用柔性橡膠材料，橡膠履帶體積9.56 dm3，考慮到電機、電源以及檢測儀器的重量，估算滿載總重為70 kg;帶入上述數據解得F1=360 050.45 N;履帶與主纜表面接觸面積S=1.52 m2;四條履帶平均壓強為0.12 Mpa，滿足涂層的許用壓強2.50 Mpa，其應力安全系數為20.8，滿足設計要求。因履帶接觸面積較大，平均壓強較小，爬坡時前后壓力比的變化可不予考慮。

2? 電機電源選型

懸索橋主纜探傷機器人主要用于懸索橋主纜的日常檢測，減小檢修工人的工作強度，降低檢修車對主纜可能造成的損傷。在運行過程中，由于需要跨越鎖夾等障礙物的阻礙，所需要的驅動功率為P=500 W。考慮工作能力及經濟因素，要求機器人能雙向正反運動，故選用80BL110S50-445TK9無刷直流電機（額定電壓48 V，額定轉速3 000 r/min，額定轉矩1 600 N，空載電流1.5 A，額定電流14.8 A）。

為使機器人在懸索橋上行走平穩，需要下方的四個壓緊輪提供1 200 N壓力，且可以視行走狀態進行調節，選用32位DSP數字式86全閉環恒轉矩電機，可為壓緊輪提供恒定力矩且能夠自由調節。

機器人需要在遠離地面的位置持續工作，電源使用可移動電源，便于更換、維護且可以多次充電。最終我們選擇了技術較成熟，安全、綠色、環保的鋰電池作為機器人的動力供給源。具體型號為松下48 V鋰電池組，工作電壓48 V，電池容量32 Ah，續航時間為滿電狀態下空載6 h，載重3 h。

3? 三維建模以及工作順序概述

本文設計的機器人運用SolidWorks以及AutoCAD軟件，設計出了機器人的三維整體模型，同時根據懸索橋數據建立典型懸索橋模型;通過建立的機器人整體模型進行簡單的運動分析，檢查有無干涉等問題;可采用3D打印技術等比例搭建實驗平臺，進一步驗證裝置的可靠性。

懸索橋主纜探傷機器人的工作原理是：機器人通過第二驅動電機驅動履帶，進而使機器人沿著主纜上表面移動，M型展出架下方的壓緊輪通過彈簧的壓緊作用增大驅動履帶與主纜的正壓力，增大摩擦力;壓緊輪上方通過第一驅動電機驅動滾珠絲杠結構轉動，從而帶動移動桿移動，移動桿驅動壓緊輪繞固定支點上下翻轉，當機器人運動到索夾和吊索處，先控制運動在前面的M型展出架上的兩臺第一驅動電機旋轉使得壓緊輪向上翻轉，后面兩個壓緊輪保持原有狀態，當前面的兩個壓緊輪通過障礙后，通過控制第一驅動電機反轉使得壓緊輪向下翻轉，最后當后面兩個壓緊輪運動到障礙處，后兩個第一驅動電機再重復前兩個第一驅動電機的運動，最后使得機器人通過障礙，以此實現針對索夾和吊索的越障功能。M型展出架上方設置了導輪結構與主纜的扶手繩接觸配合，使得機器人的運動始終沿著扶手繩的方向，防止偏離既定的運動路線，確保機器人移動過程的穩定性。這些結構的優勢有：

（1）能適應不同斜度等狀況防止失穩，且不會對主纜造成二次破壞;

（2）能在懸索橋所處風速、震動下穩定行駛并工作;

（3）行駛平穩，不會與主纜扶手繩、索鞍等配件發生干涉;

（4）便于攜帶動力設備以及檢測儀器。

懸索橋機器人總體結構三維模型如圖4所示。

4? 結? 論

隨著懸索橋的大量建造與服役，懸索橋主纜的損傷檢測與安全性問題越來越受重視。本文設計了一種懸索橋主纜損傷檢測機器人機械結構，以幫助檢修人員在進行懸索橋檢修時降低成本、提高效率、降低安全風險。本機器人采用履帶傳動，500 W直流電機驅動，可進行大范圍無級調速，能適應不同檢測儀器的速度要求;履帶布局相對主纜豎直中心線呈17°分布;設有兩個M型展出架，下設壓緊輪等主要避障機構，壓緊輪由全閉環恒轉矩電機驅動，最大壓緊力達1 200 N;搭載48 V鋰電池組，可供機器人實現搭載檢測設備自主移動且能平穩越障。對于懸索橋纜索檢修無人化的發展具有重要意義。

參考文獻：

[1] 無錫金誠工程技術服務有限公司.一種懸索橋主纜和吊索檢測維護用行星式行走小車：CN202010392153.0 [P].2020-05-11.

[2] 鎮江藍舶工程科技有限公司.懸索橋主纜工作車：CN2012 10234414.1 [P].2012-07-09.

[3] 衡亞霖.自行走懸索橋主纜檢修車研究與設計 [D].成都：西南交通大學，2016.

[4] 成大先.機械設計手冊：第5版 [M].北京：化學工業出版社，2008.

作者簡介：趙文瑞（1998—），男，漢族，寶雞隴縣人，本科，研究方向：機械工程。