基于Simulation 的桁架式橋梁檢測(cè)車工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張明月 寇洪彬

（湘潭理工學(xué)院，湘潭 411100）

橋梁的老化，受雨水、冰雪等自然因素侵蝕，以及車輛超載等惡劣服役條件，易導(dǎo)致橋面出現(xiàn)龜裂、梁板裂縫和露筋等問題。若未及時(shí)檢修和排除故障，會(huì)對(duì)人們的安全造成不可逆轉(zhuǎn)的危害，因此需要定期檢測(cè)橋梁。橋梁檢測(cè)車作為一種專用車輛可為工作人員提供作業(yè)平臺(tái)，將工作人員及檢修工具運(yùn)送到指定作業(yè)位置，大大提高了作業(yè)效率，保障了工作人員的人身安全。

橋梁檢測(cè)車主要分為臂架式和桁架式。臂架式橋梁檢測(cè)車吊籃容納的工作人員有限，且工作時(shí)需不斷調(diào)整工作位置，作業(yè)效率不高。桁架式采用大面積、穩(wěn)定的通道式工作平臺(tái)，整車不用復(fù)位亦可行走，保證了檢測(cè)工作的連續(xù)性，大大提高了檢測(cè)人員的工作效率[1-3]。

1 桁架式橋梁檢測(cè)車工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整車結(jié)構(gòu)

以桁架式橋梁檢測(cè)車為研究對(duì)象，工作平臺(tái)有效長(zhǎng)度為9 m，水平工作平臺(tái)最大承載質(zhì)量為600 kg，末端最大承載質(zhì)量為300 kg，采用3 軸一汽CA5260GYYP63 K1L3T1E5 型6×4 底盤。運(yùn)用SolidWorks 建立整車的三維模型，整車結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通過(guò)虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，排除運(yùn)動(dòng)干涉，保證工作裝置運(yùn)動(dòng)的正確性和可靠性[4-5]。

圖1 桁架式橋梁檢測(cè)車結(jié)構(gòu)

1.2 回轉(zhuǎn)裝置

第一回轉(zhuǎn)裝置支撐整個(gè)工作裝置，驅(qū)動(dòng)主臂回轉(zhuǎn)90°。主臂與底盤之間采用型號(hào)110.28.800 單排交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承連接。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用液壓缸驅(qū)動(dòng)形式。第二回轉(zhuǎn)裝置連接垂直臂和回轉(zhuǎn)臂，實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)的180°回轉(zhuǎn)。由于回轉(zhuǎn)角度較大，安裝空間有限，采用液壓馬達(dá)加行星減速機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承的形式。支撐采用型號(hào)010.30.710 單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承。

1.3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

如圖2 所示，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)架相對(duì)主臂轉(zhuǎn)動(dòng)。翻轉(zhuǎn)架與主臂鉸接，通過(guò)2 個(gè)翻轉(zhuǎn)油缸使翻轉(zhuǎn)支架從水平狀態(tài)變?yōu)榇怪睜顟B(tài)。主臂采用整體式，承載能力強(qiáng)。它的下部是回轉(zhuǎn)支承的安裝座，四面分別有3 塊焊接的加強(qiáng)筋。主臂最左側(cè)為配重，平衡橋梁檢測(cè)車的傾覆力矩，配重質(zhì)量為2 t。翻轉(zhuǎn)支架為焊接件，中部有耳座，一對(duì)為翻轉(zhuǎn)支架與主臂鉸接點(diǎn)，另一對(duì)為翻轉(zhuǎn)油缸鉸接座。翻轉(zhuǎn)支架另一面為T 形滑槽與垂直臂裝配。

圖2 翻轉(zhuǎn)與升降機(jī)構(gòu)

1.4 升降裝置

升降裝置可實(shí)現(xiàn)垂直臂相對(duì)翻轉(zhuǎn)支架滑動(dòng)，調(diào)節(jié)工作平臺(tái)與橋底面距離。垂直臂兩根縱梁上焊接有方形鋼管，與翻轉(zhuǎn)支架上的T 形滑槽相配合，由2 個(gè)升降油缸驅(qū)動(dòng)垂直臂移動(dòng)。垂直臂為環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)。由4 根縱梁、若干橫梁以及若干加強(qiáng)梁組成的截面為方形桁架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度約為9 m。底部為第二回轉(zhuǎn)支承的固定座。

1.5 工作平臺(tái)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

工作平臺(tái)與回轉(zhuǎn)臂通過(guò)銷軸相連，平臺(tái)油缸伸縮實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)翻轉(zhuǎn)。工作平臺(tái)展開狀態(tài)，如圖3 所示。

圖3 工作平臺(tái)展開狀態(tài)

2 傾覆力矩計(jì)算

工作時(shí)，垂直臂和工作平臺(tái)的重心已經(jīng)從車體偏移到車體外側(cè)。若垂直臂與工作平臺(tái)對(duì)橋梁檢測(cè)車支點(diǎn)的傾覆力矩MQ大于整車的穩(wěn)定力矩MW，就會(huì)發(fā)生側(cè)翻的危險(xiǎn)。分析可知，橋梁檢測(cè)車最不穩(wěn)定的工況為工作裝置展開，主臂旋轉(zhuǎn)到位，垂直臂豎直且工作平臺(tái)未展開。此時(shí)，橋梁檢測(cè)車的受力情況如圖4 所示。其中：G為各部件的自身質(zhì)量，N；L為各部件到重心的距離，mm；G1為配重塊的質(zhì)量，為20 000 N；G2為底盤車的質(zhì)量，為74 200 N；G3為主臂的質(zhì)量，為6 010 N；G4為翻轉(zhuǎn)支架的質(zhì)量，為7 300 N；G5為垂直臂和工作平臺(tái)的質(zhì)量，為20 050 N；F為支撐輪的支撐力，最大為40 000 N；L1=1 350 mm；L2=900 mm；L3=1 136 mm；L4=2 982 mm；L5=3 482 mm；L6=580 mm。

圖4 不穩(wěn)定工況受力分析

橋梁檢測(cè)車整車的穩(wěn)定力矩MW和支點(diǎn)的傾覆力矩MQ的計(jì)算公式為

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）和式（2），有MW=116 980 N·m和MQ=98 410 N·m。可知，MW＞MQ，滿足要求，整車在最不穩(wěn)定工況時(shí)不會(huì)側(cè)翻。

3 關(guān)鍵部件有限元分析

3.1 翻轉(zhuǎn)支架銷軸應(yīng)力分析

橋檢車工作時(shí)，垂直臂、回轉(zhuǎn)臂、工作平臺(tái)及其他很多部件的重量都需要翻轉(zhuǎn)架與主臂之間的銷軸承載。翻轉(zhuǎn)架銷軸在整車的安全保障方面具有重要地位，需要校核該銷軸是否滿足工作要求。該銷軸直徑為50 mm，長(zhǎng)度為580 mm，材料為45 鋼。

SolidWorks Simulation 是一個(gè)虛擬測(cè)試環(huán)境，用于設(shè)計(jì)、評(píng)估零件性能并進(jìn)行相關(guān)決策，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。文章運(yùn)用Simulation 進(jìn)行有限元分析，按照銷軸真實(shí)的受力情況對(duì)銷軸添加夾具，把與主臂接觸的面選為固定面，添加固定約束，對(duì)與翻轉(zhuǎn)架接觸的面加載27 350 N 的力并劃分網(wǎng)格。運(yùn)行軟件，得出分析結(jié)果如表1、圖5 和圖6 所示。

表1 翻轉(zhuǎn)支架銷軸分析結(jié)果

圖5 翻轉(zhuǎn)支架銷軸位移圖解

圖6 翻轉(zhuǎn)支架銷軸應(yīng)力圖解

翻轉(zhuǎn)架銷軸連接可作為兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的連接，受大小相等、方向相反的剪力。工作過(guò)程中，要求銷軸不能被剪斷。根據(jù)表1 的分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力為20.18 MPa，小于銷軸材料的屈服強(qiáng)度375.00 MPa，最大位移為0.001 8 mm，在安全范圍之內(nèi)，所以銷軸的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 工作平臺(tái)應(yīng)力分析

工作平臺(tái)為懸臂式結(jié)構(gòu)，要求其自重盡可能輕，強(qiáng)度盡可能高，故工作平臺(tái)采用桁架式結(jié)構(gòu)，選用材料為Q235。工作平臺(tái)繞上鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，上鉸接點(diǎn)添加固定幾何體約束。下鉸接點(diǎn)為液壓缸的鉸接點(diǎn)，添加固定鉸鏈約束。上鉸接點(diǎn)的合力和下鉸接點(diǎn)的合力分別如表2 和表3 所示。在工作平臺(tái)上添加載荷，載荷為均勻分布在工作平臺(tái)上的600 kg 的承載質(zhì)量，以及桁架553 kg 的自身質(zhì)量。

表2 工作平臺(tái)上鉸接點(diǎn)合力

表3 工作平臺(tái)下鉸接點(diǎn)合力

劃分網(wǎng)格、運(yùn)行分析，所得應(yīng)力、位移、應(yīng)變結(jié)果如表4 所示，相應(yīng)的圖解分別如圖7 和圖8 所示。計(jì)算結(jié)果顯示：工作平臺(tái)的最大應(yīng)力為94.62 MPa，小于材料Q235 的屈服強(qiáng)度235.00 MPa；最大位移為6.98 mm，在工作平臺(tái)最末端處。對(duì)于10 m 的桁架，該位移量在可接受范圍內(nèi)，故設(shè)計(jì)的工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)合理。

表4 工作平臺(tái)分析結(jié)果

圖7 工作平臺(tái)位移圖解

圖8 工作平臺(tái)應(yīng)力圖解

4 結(jié)語(yǔ)

在三維建模軟件SolidWorks 中對(duì)桁架式橋梁檢測(cè)車工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，完成了整車的設(shè)計(jì)及裝配，并對(duì)整車的安全性進(jìn)行校核，保證車輛作業(yè)時(shí)不會(huì)傾翻，滿足工作需求。運(yùn)用Simulation 模塊對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的桁架式橋梁檢測(cè)車工作裝置滿足工作要求。