基于汽車起重機的傘形跨越架建模與仿真分析

李志軍，劉 敏，甘利紅，楊 玄，王志斌

（1.國網湖北省電力有限公司咸寧供電公司，湖北咸寧 437000；2.湖北科技學院自動化學院，湖北咸寧 437100）

0 引言

送電線路的三大工序包括基礎、桿塔及架線。其中，架線是三大工序中技術要求高、施工難度大的一道工序，需要滿足質量的要求標準[1]。在送變電行業(yè)的架線施工中，跨越是常見的施工工況[2]。跨越架是線路施工過程中用來支撐導、地線，臨時通過公路、鐵路、電力線以及弱電線路的架子[1-2]。為了保證架線工序順利進行，當架線施工段有障礙物時需要根據障礙物的大小、重要性及其他條件確定是否搭設跨越架和搭設跨越架的型式。傳統(tǒng)跨越架在搭設前需要實地勘測，考慮天氣等因素，經過嚴格的審批流程、多方協(xié)調，搭設和拆除成本比較高，同時存在安全隱患，容易造成架體坍塌、人員傷亡事故。文獻［3］研究了跨越架坍塌的原因，包括搭設不規(guī)范、極端天氣因素以及施工現(xiàn)場環(huán)境復雜。

針對傳統(tǒng)跨越架在應用中的存在問題，開展了新型跨越架研究。通過對比文獻［4-7］中跨越的結構形式，文獻［7］中的設計方案更具優(yōu)勢。因此，本文基于文獻［7］中設計方案，結合實際應用中使用情況，進行結構的升級優(yōu)化設計，使其結構形式更加合理。

1 傘形跨越架設計

1.1 載體

汽車起重機是目前應用非常廣泛的一種起吊搬運機械，由起升、變幅、回轉、起重臂和汽車底盤組成，依靠起重臂的伸縮來搬運物品。新型跨越架是基于汽車起重機載體，實現(xiàn)機動性強、轉移迅速，并利用汽車起重機的回轉、起升、伸縮功能滿足跨越架的位置調整。

1.2 原理設計

文獻［7］設計的跨越架由于結構形式原因，致使其位置和姿態(tài)的調整功能受限。因此，本文提出了3 個自由度的設計方案，以滿足跨越架的架體在架線過程中位置和姿態(tài)調整功能，其工作原理如圖1 所示。

圖1 傘形跨越架工作原理

跨越架安裝位置與汽車起重機的末端相連接。文獻［7］中跨越架的架體設計靈感來源于雨傘，其傘骨架的結構形式如圖2 所示。本文架體結構沿用該形式。回轉支承部件在工業(yè)中應用廣泛，被稱為“機器的關節(jié)”，是兩物體之間作相對回轉運動的重要傳動部件。因此，圖1 中跨越架的傳動部件采用回轉支承結構形式。關節(jié)01（自由度01）采用一側是回轉支承，另一側采用軸承的組合形式；關節(jié)02（自由度02）采用回轉支承。對自由度03 的原動件進行改進，將液壓缸更改為電動缸，實現(xiàn)架體的展開和折疊功能。

圖2 傘骨架示意

1.3 建模

基于SolidWorks 軟件進行三維建模，由于跨越架的結構構件由若干個零部件組裝焊接而成。因此，本文采用多實體零件的建模思路[8-9]。為了進行仿真模擬分析并節(jié)省計算機運算資源，對跨越架的實體結構和線體結構進行了簡化處理。傘形跨越架的三維模型如圖3 所示，其中主體結構由鋼板焊接而成；支臂采用桁架結構，由矩形管、方管及鋼板焊接而成；支臂之間采用繩網連接。

圖3 傘形跨越架三維模型

2 仿真分析

基于跨越架的模型復雜程度較高，對模型進行劃分網格、接觸設置及求解等操作，要求計算機的性能比較高，因此本文采用局部仿真的方式進行計算分析。跨越架的主支臂是主要的承載結構，直接受到落線的沖擊。其中，一部分沖擊力通過主支臂傳遞到主體結構；另一部分通過主支臂傳遞到繩網，再傳遞到主體結構。只考慮主支臂傳遞到主體結構的部分，忽略其他影響，分別對跨越架的主支臂和主體結構進行模擬分析。跨越架的主支臂和主體結構材料均選用Q345 鋼。

2.1 主支臂仿真分析

主支臂是跨越架的重要承載結構，是一種可折疊的機構，組成構件的零件之間采用綁定約束，構件之間采用鉸接的形式，約束條件如圖4 所示。

圖4 主支臂約束條件

主支臂的載荷主要包括重力和沖擊力，加載情況如圖5 所示。

圖5 主支臂加載情況

基于主支臂的約束條件和加載情況，主支臂的變形分布情況如圖6 所示，最大變形量為54.291 mm。

圖6 主支臂變形分布

主支臂的應力分布情況如圖7 所示，構件中零件之間的連接導致出現(xiàn)應力奇異，不能反映真實情況。主材的應力值比較小，在160 MPa 左右。

圖7 主支臂應力分布

主支臂支反力的提取主要是用于跨越架的主體結構的加載，通過探針顯示結果（圖8、圖9）。

圖8 主支臂Joint Probe 1

2.2 主體結構仿真分析

跨越架的主體結構的加載根據實際情況，選用綁定約束、接觸約束；載荷根據圖8、圖9 中探針的探測結果進行加載。主體結構的約束和加載情況如圖10 所示。

圖10 主體結構約束條件和加載情況

基于主體結構的約束條件和加載情況，主體結構的變形分布情況如圖11 所示，其最大變形量為3.1726 mm。

圖11 主體結構的變形分布

主體結構的應力分布情況如圖12 所示，構件中零件之間的連接導致出現(xiàn)應力奇異，不能反映真實情況。主材的應力值比較小，在100 MPa 左右。

圖12 主體結構應力分布

3 結束語

本文設計的基于汽車起重機載體的3 自由度傘形跨越架，能夠滿足跨越架的架體在架線過程中位置和姿態(tài)調整功能。基于Solid Works 軟件進行三維建模，并且進行了模型簡化處理。在靜載荷作用下對傘形跨越架的主支臂、主體結構進行仿真分析。仿真結果表明，傘形跨越架的主支臂、主體結構滿足設計要求，符合材料Q 345 鋼的許用應力要求。