（机械电子工程专业论文）智能桥梁检测车臂架系统的研究.pdf

摘要 摘要 桥梁检测车是指装备有桥梁检测仪器和工作台，用于流动检测和( 或) 维修 作业的专用汽车。目前国内外检测车都采用载人臂架，结构较复杂；人员处于悬 空状态操作，存在危险性：采用人工检测，效率低；同时，对复杂机构桥梁如斜 拉桥不适用。因此，开展新型桥梁底部缺陷检测装备的技术研究开发工作具有十 分重要的意义。 本课题研究的对象为一种新型的智能桥梁检测车，为其进行臂架结构设计， 并设计出满足臂架动作要求的液压系统。研究内容如下：( 1 ) 根据智能桥梁检测 车的基本给定参数及相关资料，建立智能桥梁检测车臂架结构p r o e 实体模型； 并对臂架结构的各部件结构进行了探讨；对臂架动作进行分析，确立臂架展开顺 序表和结构原理图。( 2 ) 对智能桥梁检测车臂架各段行程及运动速度进行分析， 并详细计算了液压系统主要执行元件的参数，从而设计出智能桥梁检测车液压系 统。( 3 ) 将智能桥梁检测车三个关键臂架p r o e 模型导入a n s y s 环境中；利用 a n s y s 对关键臂架进行变形与应力仿真分析，分析结果表明各臂架变形、应力 均在允许的范围之内，验证了臂架设计的合理性。( 4 ) 采用先进的仿真软件 a m e s i m 对桥梁检测车臂架液压系统进行了电液比例控制仿真研究，仿真实验结 果表明：桥梁检测车液压系统具有良好位置控制特性，稳定性强、精度高的特点， 能够满足桥梁检测车液压系统控制性能的需要。 关键词：臂架结构；液压系统；a n s y s ；a m e s i m a b s t r a c t b r i d g e d e t e c t i o n v e h i c l ei s e q u i p p e dw i t hab r i d g et a b l ea n dd e t e c t i o n e q u i p m e n tf o rm o b i l ed e t e c t i o na n d ( o r ) t h em a i n t e n a n c eo p e r a t i o n so ft h es p e c i a l p u r p o s ev e h i c l e b r i d g ei n s p e c t i o nv e h i c l ea th o m ea n da b r o a dt ou s et h em a n n e d b o o m ，t h em o r ec o m p l e xs t r u c t u r e ；s t a f fi nav a c a n ts t a t eo fo p e r a t i o n ，p o s e sa d a n g e r m a n u a ld e t e c t i o n ，l o we f f i c i e n c y , a tt h es a m et i m e ，t h ec o m p l e xi n s t i t u t i o n s s u c ha sc a b l e - s t a y e db r i d g ei sn o ta p p l i c a b l e t h e r e f o r e ，t h en e wd e f e c td e t e c t i o n e q u i p m e n tt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r ko ft h eb r i d g eb o t t o mi so f g r e a ts i g n i f i c a n c e t h eo b je c to ft h i sr e s e a r c ho nan e wi n t e l l i g e n tb r i d g e d e t e c t i o nv e h i c l e ，a n d b o o ms t r u c t u r ew a sd e s i g n e d ，t h e h y d r a u l i cs y s t e md e s i g n e d t om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fb o o ma c t i o n s s t u d y a s f o l l o w s ：( 1 ) a c c o r d i n g t ot h eb a s i c p a r a m e t e r sa n dr e l a t e di n f o r m a t i o no fi n t e l l i g e n tb r i d g e d e t e c t i o nv e h i c l e 。p r o | e m o d e le n t i t i e so fb o o mh a ds e tu p b o o ms t r u c t u r ea n dc o m p o n e n t so ft h es t r u c t u r e w a sd i s c u s s e d b o o ma c t i o no nt h ea n a l y s i s ，t h eb o o ms t a r t e dt oe s t a b l i s ho r d e ri n s c h e m a t i cf o r ma n ds t r u c t u r e ( 2 ) t h et r i pa n dt h ev e l o c i t ya n a l y s i so fi n t e l l i g e n t b r i d g e d e t e c t i o nv e h i c l e ，a n dm a j o rc o m p o n e n t so ft h ep a r a m e t e r si so fd e t a i l e d c a l c u l a t i o n so ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，d e s i g n e dt o h y d r a u l i cs y s t e mo fb r i d g e d e t e c t i o nv e h i c l e ( 3 ) p r o em o d e lo ft h r e ek e yb o o mo fi n t e l l i g e n t b r i d g e d e t e c t i o nv e h i c l ei m p o r ti n t oa n s y se n v i r o n m e n t t h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s s s i m u l a t i o na n a l y s i so fk e yb o o mi si nt h eu s eo fa n s y s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e b o o md e f o r m a t i o na n ds t r e s sb o t hi nt h es c o p eo ft h ep e r m i t ，t h ec e r t i f i c a t i o no ft h e b o o md e s i g ni s r e a s o n a b l e ( 4 ) p r o p o r t i o n a lc o n t r o ls i m u l a t i o no ft h eh y d r a u l i c s y s t e mo fi n t e l l i g e n tb r i d g e d e t e c t i o nv e h i c l eb o o mh a db e e nd o n eb yu s eo f a d v a n c e ds i m u l a t i o ns o f t w a r ea m e s i m ，s h o w i n gt h a th y d r a u l i cs y s t e mo fi n t e l l i g e n t b r i d g e d e t e c t i o nv e h i c l ec o n t r o lh a sag o o dl o c a t i o n ，s t a b l ea n dh i g hp r e c i s i o n ， a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sm e e tb r i d g e d e t e c t i o nv e h i c l eh y d r a u l i cs y s t e mc o n t r o l p e r f o r m a n c en e e d s k e y w o r d s ：b o o m ；h y d r a u l i cs y s t e m ：a n s y s ；a m e s i m i i i 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含 本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签名啦 论文作者签名：a 彳气 珈僻移月尸日 第一章绪论 1 1 课题的背景与意义 第一章绪论 随着公路桥梁的数量迅速增加，公路桥梁设施的检测与维护是桥梁管理的一 项重要的内容n 1 。随着其服役时间的增加，桥梁结构难免会出现各种各样的疲劳 和损伤，如钢筋锈蚀、冻融破坏和碱骨料反应等。这些损伤都将导致混凝土的分 层与破裂，从而引发坍塌等恶性事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡。由于桥 梁早期破坏造成的灾难不断发生，对桥梁结构进行经常性的检查和健康诊断已受 到了广泛重视，并已成为国内外学术界、工程界的研究热点之一。对桥梁的结构 损伤采取有效手段进行监测、预测和控制，对确保交通枢纽的安全和正常运行是 十分重要的2 引。 桥梁结构具有特殊性，绝大多数的结构裂缝产生在桥梁底部，同时由于桥梁 结构形式的复杂性，桥梁结构裂缝检测问题也日趋困难。当前国内外对于桥梁底 部缺陷的诊断方法，普遍采用人工定期检测的方法。具体实现是利用桥梁检测车 将检测人员送到桥梁的底部，然后通过伸臂机构沿着桥底运动输送检测人员到达 指定的地方，利用肉眼或者检测工具进行缺陷检测。这种方法存在的不足之处有： 设备庞大，价格昂贵，灵活性差；人工检测，劳动强度大，存在安全隐患；检测 效率低，结果具有一定的主观性h 1 ；结构迥异的桥梁导致设备不易到达的地方难 以检测，复杂结构桥梁无法检测。 特别是近十几年来桥梁向着大跨度、宽桥面、公铁两用等方向发展，桥梁结 构正变得宽、长、大、复杂，对桥梁结构裂缝的检测手段要求就越来越高，特别 是结构复杂的斜拉索桥检测难的问题就更加突出，大跨度桥梁健康诊断技术已经 成为一个亟待探索的研究领域，因此，对桥梁的结构损伤采取有效手段进行监测、 预测和控制，对确保交通枢纽的安全和正常运行是十分重要的。 因此，开展大型桥梁底部缺陷智能检测装备的技术研究开发工作具有十分重 要的意义。本项目来源于广东工业大学博士基金项目：全自动桥梁检测机械手的 关键技术研究。开发的智能视频桥梁检测车( i n t e l l i g e n tb r i d g ed e t e c t i o n v e h i c l e ，i b d v ) 综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能等 广东工业大学工学硕士学位论文 多学科的高新技术，能够自动判断并躲避桥梁底部的障碍物p 引，对桥梁底部灰 尘覆盖的检测部位进行高压清洗，然后摄取桥梁底部健康状况图像，传输后通过 调用桥梁健康检测专家系统，对桥梁底部健康状况进行判断，首次解决大型桥梁 底部缺陷自动检测的问题，具有高效率、安全和使用范围不受桥梁结构限制的特 点；本文针对臂架进行研究，为智能桥梁检测车进行臂架结构设计，并为其设计 出满足臂架动作要求的液压系统，主要显著特点如下： ( 1 ) 桥梁检测车臂架采用铝合金材料，与传统桥梁检测车相比，质量大大减 轻。 ( 2 ) 检测车臂架结构小、工作臂长，可以穿过斜拉索，能准确、高效率地解 决特大桥梁特别是斜拉桥底部缺陷的检测难题。 1 2 国内外研究现状 桥梁检测车最早出现在欧美，采用电子液压控制，并配置有应急装置、稳定装 置及发电设备。臂架结构型式有折叠臂式和桁架式2 种。 ( 1 ) 折叠臂式桥梁检测车( 见图1 1 ) 。采用吊篮式工作台，可检测桥下也 可升起检测桥梁上部结构；其基本结构充分体现了折叠臂式随车起重运输车、高 空作业车的特点。美国r e a c h a l l 公司生产的u b 系列折叠臂式桥梁检测车， 桥下吊篮最大水平伸长1 3 2 1 8 6m ，最大下桥深度1 5 8 - - 2 1 3m ，最大承载质 量2 7 2k g ，吊篮向上最大举升高度( 距离桥面) 1 0 7 1 4 4m ；奥地利p a l f i n g e r 公司生产的p a l 9 0 0 0 型折叠臂式桥梁检测车，桥下吊篮最大水平伸长1 6 2m ，最大 下桥深度1 4m ，最大承载质量2 8 0k g ，吊篮向上最大举升高度( 距离桥面) 2 4 5 m 7 1 。 2 第一章绪论 图1 - 1 折叠臂式桥梁检测车 f i g 1 - 1f o l d i n gb r i d g e - i n s p e c tv e h i c l e ( 2 ) 桁架式桥梁检测车( 图1 2 ) 。采用通道式工作平台，使用时检测人员能 方便地从桥面进入平台或返回桥面，如配置升降机则可大大增加下桥深度。意大 利b a r i n 公司自2 0 世纪6 0 年代便开始生产桥梁检车，a b c 系列桁架式桥梁检测车 工作平台长5 5 2 0 m ，最大下桥深度7 3 m ；德国m o o g 公司自2 0 世纪8 0 年代开始 生产桥梁检测车，其m b i 系列桁架式桥梁检测车工作平台长度6 2 1 m ，最大下桥 深度9 m ，且工作平台能从桥梁两侧下桥；美国h y d r ap l a t f o r m s g 公司生产的 桁架式桥梁检测车有自行式和拖挂式，工作平台长度分别为1 3 - - 1 8 5 m 和9 8 1 0 7 m ，配有声音通讯系统、自动推进系统、辅助支援系统、获专利的塔式分离 系统p 1 。 图1 - 2 桁架式桥梁检测车 f i g 1 - 2t r u s sb r i d g e i n s p e c tv e h i c l e 在我国，2 0 世纪9 0 年代中期由徐工集团液压气动机械公司、西安公路交通大 3 广东工业大学工学硕士学位论文 学与河南省公路局联合研制的x z j 5 1 4 0 j q j l o 型折叠臂式桥梁检测车，工作平台 额定载荷质量2 5 0 k g ，桥下水平作业范围0 1 0m ，桥下垂直作业范围1 1 2m ， 桥上垂直作业范围0 - - 8 m 哺1 。2 0 0 2 年徐工集团随车起重机有限公司又开发出o j l 2 型自行式桥梁检测车p 1 。它可自行将作业人员和检测设备从桥面送至桥下纵深 处，在桥面下扇形工作区内，对桥梁进行病害检查和维修。 上述的检测车均采用载人臂架，机械结构复杂，工作展开半径大，占地面积 大；人员处于悬空状态操作，存在一定危险性；采用人工检测，效率低；对复杂 机构桥梁如斜拉桥不适用。 1 3 研究方法 随着计算机技术的广泛应用和系统工程、优化工程、价值工程、人机工程等 现代设计理论的不断发展，促使许多跨学科的现代设计方法出现，使起重机设计 进入高质量、高效率的阶段1 0 1 1 。 ( 1 ) 计算机辅助设计( c a d ) 计算机辅助设计是随着计算机及其外围设备发展而迅速形成的一门新兴的 现代设计方法。它的发展与应用，对提高设计质量和效率、提高产品的市场生存 和竞争力发挥十分明显的作用。电子技术和计算机技术的发展使计算机辅助设计 硬件设备性能得以提高，各种硬件设备不仅已形成了产品，而且己成为c a d 的 一般配置。目前，计算机辅助设计方法已成为工程技术人员进行创造性设计活动 不可缺少的手段。 ( 2 ) 有限元设计 有限元设计是根据变分原理求解数学、物理问题的一种数值计算方法。它能 整体、个而、多功能随意组合，进行静力、动力、电场、磁场等分析对完成结 构复杂的系统分析十分有效，现己在起重机结构计算中应用。 ( 3 ) 动态仿真设计 国外近年来在起重机设计中采用了动态仿真设计的新方法，即用计算机对机 构与结构在各种工况下承受载荷进行运行状态随时间变化过程的仿真模拟，得到 仿真输出参数和结果，以此来估计和推断实际运行的各种数据，并在对起重机进 行动态分析计算时采用。 4 第一章绪论 本文采用理论研究、计算机仿真相结合的研究方法。理论研究是基础，计算 机仿真是对理论研究成果的预估。对于桥梁检测车来说，由于涉及到许多学科， 而且结构复杂，凭实验室的条件短期内不能搭建实际的系统进行实验，计算机仿 真是主要研究手段，计算机仿真具有成本低、修改参数方便等优点。 1 4 本文的研究内容 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 设计智能桥梁检测车臂架结构，确立臂架展开顺序表； ( 2 ) 建立智能桥梁检测车臂架液压系统； ( 3 ) 对关键臂架的进行力学仿真分析； ( 4 ) 建立臂架液压系统仿真模型，并对工作臂液压系统进行仿真研究。 5 第二章臂架结构整体方案的确定 第二章臂架结构整体方案的确定 2 1 臂架结构的设计任务和要求 智能桥梁检测车臂架结构的设计参数及要求如下： ( 1 ) 伸出臂伸出长度6 m ； ( 2 ) 竖直臂伸出长度6 m ； ( 3 ) 工作臂伸出长度1 8 m ； ( 4 ) 能够穿过斜拉索，对斜拉桥进行检测； ( 5 ) 选用铝合金材料，体积小、重量轻，臂架总重量约6 0 0 k g ； ( 6 ) 控制灵活，能够自动避障，能完成预期的路径规划； ( 7 ) 防倾覆措施； ( 8 ) 承受风力不小于6 级。 2 2 智能桥梁检测车基本结构 由于智能桥梁检测车臂架的负载为视频摄像设备较小，而工作臂伸出长度为 1 8 m ，故其臂架结构主要受限于自重、伸缩机构间隙、加工工艺、外界清洗力及风 力、小负载等。臂架结构工作臂采用多级油缸伸缩机构，由于工艺限制，取油缸 行程s = 3 m 。根据2 1 节桥梁检测车臂架结构的设计参数及要求，参考文献 【9 】【1 2 儿1 3 】【1 4 儿1 5 】【1 6 】，建立智能桥梁检测车臂架结构模型如图2 - 1 所示。 从运动形式上看，智能桥梁检测车臂架结构可分为伸臂机构、回转机构及摆 幅机构。伸臂机构包括伸出臂4 、竖直臂9 、工作臂1 1 ，回转机构包括底盘回转机 构2 、竖直臂回转机构7 ，摆幅机构包括伸出臂摆幅机构5 、竖直臂摆幅机构8 、 工作臂摆幅机构1 0 。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 1 桥梁；2 转台回转机构：3 运载车；4 伸出臂；5 伸出臂摆幅机构： 6 斜拉索立柱：7 伸出臂回转机构；8 竖直臂摆幅机构：9 竖直臂； 1 0 工作臂摆幅机构；1 1 工作臂； 图2 1 智能桥梁检测车基本结构图 f i g 2 1b a s i cs t r u c t u r a lf i go fi b d v 2 3 桥梁检测车的展开过程 无人智能桥梁检测车臂架的展开顺序如图2 2 所示。其起始停靠位如图 2 2i 所示，停靠在右侧靠近斜拉索一侧，桥梁检测车占用一个车道。桥梁检测车 的最后展开位如图2 2 所示。 8 第二章臂架结构整体方案的确定 9 工工工 工v v v 工 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 2 智能桥梁检测车展开顺序 f i g2 2o u t s p r e a ds e q u m c eo fi b d v i o v 工工 v 工工工 工 i 工工 第二章臂架结构整体方案的确定 上图的工作过程：工位图i ，无人智能桥梁检测车整个机械臂平行于桥梁则 面的护栏一工位图i i ，通过伸出臂摆副机构上的液压缸伸缩使得整个机械臂与桥 面夹一定的角度，便于臂架穿过斜拉锁一工位图，转台液压马达转动从而带动 整个臂架绕固定在卡车上的转台旋转，从而使得臂架穿过斜拉锁一工位图，过 伸出臂摆副机构上的液压缸伸缩使得整个机械臂与桥面保持平行一工位图v ，通 过伸出臂上的液压缸伸缩，使得伸出臂的第二节往外伸出，使得臂架跨过桥梁的 护栏一工位图，通过竖直臂回转液压马达的转动，带动竖直臂绕伸出臂转动， 使得竖直臂保持与伸出臂垂直的工作状态一工位图，通过竖直臂摆幅液压缸驱 动竖直臂下摆，使其保持竖直状态一工位图，通过竖直臂回转液压马达的转动， 使竖直臂及工作臂外旋一工位图，通过竖直臂伸缩液压缸的运动，带动第二节 竖直臂及工作臂向下运动一工位图x ，通过工作臂摆副机构的液压缸伸缩使得工 作臂保持与桥面平行一工位图，通过竖直臂回转液压马达的转动，使工作臂向 桥梁底面摆动一工位图i ，通过各工作臂伸缩液压缸使工作臂在桥梁底部展 开。通过上述的工作过程使得桥梁检测车的工作臂和探测机构到达桥梁底部。 2 4 臂架结构材料的选择 桥梁检测车整个臂架的外负载很小，因此轻量化是的重要目标，即在保证臂 架的强度、刚度、稳定性及寿命的同时，使结构更轻。采用铝合金材料可最大限 度地减轻臂架自重，从而提高臂架的加速度，降低运能消耗，牵引及制动能耗低， 减轻了磨耗及冲击，减小振动和噪声，增加了臂架的使用寿命。 铝合金的密度( 2 7 9 c m 3 ) 仅为钢( 7 8 9 c m 3 ) 的1 3 左右，与传统桥梁检测车臂 架相比，质量大大减轻。因此，铝合金的比强度大大高于钢材，利于车体结构的 轻量化，是铝合金的弹性模量( e ，17 0 g ! l p 口) 只是钢的弹性模( e - 2 1 p a ) l 3 【1 7 l ， 因此在相同的断面惯性矩受到相同的弯曲力矩作用下，铝合金车臂架结构的挠度 将比钢质臂架要大，材料的刚度与弹性模量有关，也与材料的长细比有关。当长 细比在2 0 以内，材料的弹性模量对刚度不起作用，长细比超过8 8 ，材料的弯曲 应力仅是弹性模量的函数，因此在设计时需要考虑n 引。 总之，铝合金用于用于臂架具有质量轻、加工性能好、耐腐蚀性能好、动力 性能好、维修量低等特点，成为桥梁检测车臂架结构的首选材料。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 5 臂架回转机构的探讨 由于齿轮加工容易、传动平稳、成本低等优点，桥梁检测车及工程机械的回 转机构多采用一对大传动比齿轮并由液压马达直接驱动小齿轮来实现n 4 儿1 扪，该桥 梁检测车的转台回转机构、竖直臂回转机构采用这种结构。 2 5 1 转台回转机构 2 5 1 1 支撑装置的载荷计算与选型 图2 3 臂架水平展开图 f i g 2 - 3b o o ml e v e lm a p l a u n c h e d 图2 - 4 回转支承受力图 f i g 2 4l o a d sa c t e do ns w i n gb e a r i n g 伸出臂、竖直臂和工作臂全部展开，且伸出臂、竖直臂与伸出臂平行( 如图 1 2 第二章臂架结构整体方案的确定 2 3 ) ，此时，臂架重心偏离转台回转中心距离最远，此时，臂架竖直方向上迎风 面积最大，作用在回转支承装置转台重量取g o = 3 2 k n ，臂架总重gig l + g ：= 6 k n ， 取臂架重心到转台回转中心的距离d = 1 2 m ，考虑六级风力作用，吹在臂架上的 k = 1 5 0 n m 2 ，臂架的迎风面积为s 。1 5 4 m 2 , 取风力作用线到回转中心的距离 l 。= 1 2 m ( 如图2 4 ) ，： 睨一ex s 盯x l ,( 2 1 ) g pig o + g i + g 2 ( 2 2 ) m k ( a o + g 1 v + e l( 2 3 ) 计算不同工况下支承所受载荷计算如下，取桥梁检测车全伸开状态： ( 1 ) 考虑六级风力时的工作载荷： w 一0 1 5 5 4 1 2i i9 7 2 ( k n m ) g p = 3 6 + 2 4 + 3 2 = 9 2 ( k n ) m = 1 2 x 6 + 9 7 2 = 8 1 7 2 ( k n m ) ( 2 ) 考虑1 2 5 试验载荷时的最大工作载荷： g p = 1 2 5x ( 3 6 + 2 4 + 3 2 ) = 1 1 5 ( k n ) m = 1 2 5 8 1 7 2 = 1 0 2 7 ( k n m ) ( 3 ) 不计风力时最大载荷： g p = 3 6 + 2 4 + 3 2 - - 9 2 ( k n ) m = 1 2 ( 3 6 + 2 4 ) = 7 8 ( k n m ) 工况( 2 ) 可作为静态容量计算载荷，工况( 1 ) 可作为动态容量计算载荷。回转 支承结构采用单排四点接触球式。根据文献【2 2 】表2 5 2 ，表2 5 3 ，工况参数和载 荷换算系数如下： ，肺1 1 2 5无1 1 5 5 回转支承当量载荷不计( 径向载荷数值较小忽略不计) 静态： l 1 1 2 5 9 2 x 1 0 31 1 1 5 ( 埘) m 。一1 2 5 8 1 7 2 x 1 0 i1 0 2 1 5 ( 拼j ，1 ) 动态： e - 1 5 5 9 2 1 0 3 - 1 4 2 6 ( 七) m 。i1 5 5 8 1 7 2 x 1 0 一1 2 6 7 ( 枷j ，1 ) 1 3 广东工业大学工学硕士学位论文 根据计算结果，对照承载能力曲线h q 可选用0 1 0 3 0 5 0 0 型回转支承。 2 5 1 2 转台回转驱动装置的计算 1 回转机构回转阻力矩的确定 回转机构的工作载荷是回转阻力矩m 删，它主要由回转支撑装置的摩擦阻力 矩m ，、回转平台倾斜时引起的回转阻力矩m 。、风压引起的阻力距m 。以及回转 惯性引起的回转阻力矩m 。组成。 回转支撑装置的摩擦阻力矩： 肘，一矽。2 ( 2 4 ) 起动时摩擦阻力矩最大： m ，一= 1 跏， ( 2 5 ) - 1 4 1 4 g p + 翰日 ( 2 6 ) z ， “、7 v n 。1 4 1 4 x 1 4 2 6 x 1 0 3 + 3 4 4 x 1 4 2 6 1 0 3 = 2 6 1 k n 滚动综合摩擦系数滚球式取0 0 0 7 ，一= 1 5 2 5 1 x 1 0 3 0 0 0 7 x 0 4 3 4 2 0 0 5 ( k n m ) 回转平台倾斜时引起的回转阻力矩m ，回转阻力矩最大值： m ，一一0 0 2 6 g r ( 2 7 ) m ，一= 0 0 2 6 x 6 x 1 0 3x 1 2 - 2 0 2 8 ( k n m ) 风压引起的阻力距： m 。1 只s 螂砌g 厶( 2 8 ) e ：风压值根据设计规范e = 1 5 0 n m 2 s 蛳蝴：臂架水平方向上迎风面积s 蛳嘞曙= 7 m 2 m l 0 1 5 x7 x 1 2l 1 2 6 ( k n m ) 回转惯性引起的回转阻力矩m p 由臂架和其它回转部分的惯性以及旋转零件 的惯性所引起的阻力距，旋转零件的惯性所引起的阻力距较小计算时可省略。 m p i n ( 9 5 5 t ) ( 4 g l 2 ) 3 9( 2 9 ) 刀：回转速度n - 3 r m i nt ：起动时间t = 4 s g ：伸出臂重量g = 6 0 0 0 nl ：臂架重心到转台中心的水平距l 1 2 m 可得： m p i 1 3 ( 9 5 5 2 ) j ( 4 x6 0 0 0 x 1 4 4 ) ( 3 x 1 0 ) = 8 6 4 k n m 回转阻力矩： 1 4 第二章臂架结构整体方案的确定 m 删= 0 0 5 + 2 0 2 8 + 1 2 6 + 8 6 4 = 2 3 3 ( k n m ) 2 回转机构功率计算 回转马达最大回转功率： 厶一阻伽九) i i ：( m 。n ) 9 5 5 , 1 ) 】 ( 2 1 0 ) h ：系数液压马达取1m ：- b 达数m = 1 九：液压马达取1 1 1 回转速度n = 3 r m i n r ：机械总效率r = 0 9m 。：回转阻力矩( n m ) 厶= 1 ( 1 x 1 ) 2 3 3 x 1 0 3x 3 ( 9 5 5 0 9 ) 】一6 6 k w 采用低速大转矩液压马达回转机构，低速大转矩液压马达回转机构的转速在 每分钟0 1 5 0 转的范围内，因此，可以直接在油马达轴上安装回转机构小齿轮。 采用低速大转矩液压马达可以省去减速装置，所以机构很紧凑。 2 5 2 竖直臂架回转机构 竖直臂回转机构主要由上耳、回转液压马达、回转齿轮盘和下耳组成；上耳 旋挂在第二节工作臂端部；下耳连接竖直臂液压缸和第一节竖直臂；液压马达带 动齿轮盘转动，从而驱动竖直臂作回转运动( 见图2 1 0 ) 。 2 6 臂架伸缩机构的探讨 为实现大跨度桥梁诊断，从运动形式上看，智能桥梁检测车伸臂机构宜采用 伸缩机构n 叭，在一些设备的安装、维修或某些专业的特殊工作中需要在长度上能 作伸缩的装置，或需要在高度上能升降的机构，这些装置或机构被称作伸缩机构 和装置。选型中必须注意伸缩或升降轻便灵活、安全可靠。 2 6 1 臂架伸缩方式 具有臂架伸缩机构的桥梁检测车，不需要接臂和拆臂，缩短了辅助作业时间， 臂架全部缩回以后，桥梁检测车外形尺寸减小，提高了机动性和通过性。臂架采 用液压伸缩机构，可以实现无级伸缩和带载伸缩，扩大了桥梁检测车在复杂使用 条件下的使用功能。 臂架伸缩方式 1 5 广东工业大学工学硕士学位论文 具有三节或三节以上的吊臂，各节臂的伸缩，基本有三种方式：顺序伸缩、 同步伸缩和独立伸缩。顺序伸缩是指各节伸缩臂按一定先后次序完成伸缩动作。 伸缩顺序一般为先2 后3 ( 图2 5 a ) ，即先外后里。缩臂顺序与伸臂顺序相反，先3 后2 ，即先里后外。同步伸缩是指各节伸缩臂以相同的行程比率同时伸缩( 图 z - s b ) 。 衄衄 删口船 碑 冲 1 - 基本臂 2 - - - 节臂( 第一伸出臂) 3 - - - 节臂( 第二节伸出臂) 图2 5 臂架伸缩方式 f i g2 - 5t e l e s c o p i cw a yo fa r ms t r u c t u r e 独立伸缩是指各节伸缩臂无关联地独立进行伸缩动作显然，独立伸缩机构 同样也可以完成顺序伸缩或同步伸缩的动作。 在实践中，三节和三节以上伸缩的伸缩机构，往往是上述几种伸缩方式的综 合，很少单独采用某一种伸缩方式14 1 。 2 6 2 伸出臂伸缩机构 伸出臂臂架结构如图2 - 6 所示，伸出臂主要由第一节伸出臂、第二节伸出臂 和伸缩液压缸组成，伸缩液压缸内嵌于伸出臂内，第二节伸出臂由伸缩液压缸驱 动沿第一节伸出臂外伸，最大行程3 m ，第二臂设计如图2 - 6 所示，为了适应整 个臂架伸出回收的需要，第二伸出臂设计成l 形状。 图2 6 伸出臂臂架 f i g 2 - 6e x t e n d e da r m 1 6 第二章臂架结构整体方案的确定 2 6 3 竖直臂伸缩机构 伸出臂臂架结构如图2 - 6 所示，伸出臂主要由第一节竖直臂、第二节竖直臂 和伸缩液压缸组成，伸缩液压缸内嵌于竖直臂内，第二节竖直臂由伸缩液压缸驱 动沿第一节竖直臂外伸，最大行程3 m ，竖直臂简图如图2 7 所示。 2 6 4 工作臂伸缩机构 图2 7 竖直臂臂架 f i g 2 - 7e r e c ta r m 工作臂伸缩机构如图所示，主要由五节伸缩臂架，五个驱动液压缸组成，各 臂架可以单独伸缩也能联合运动，除第五个伸缩液压缸外，其他液压缸均外置各 臂架之上；这种结构采用铝合金材料设计，不仅质量轻，体积小，大部分液压缸 置于外部，便于维修等优点而且臂架伸缩形式多样，可以根据自己设计的轨迹规 划的需要，自己决定控制方式。 2 7 臂架摆幅机构的探讨 图2 8 工作臂臂架 f i g 2 - 8w o r k i n ga r m 为了经济、灵活、方便地实现智能桥梁检测车臂架结构的运动，除伸缩机构、 回转机构外，还需合理确定摆幅机构的结构形式。 根据臂架结构展开及工作时的位置及运动要求，工作臂应能绕竖直臂做1 8 0 度范围内的摆幅运动，竖直臂应能绕伸出臂做9 0 度范围内的摆幅运动，伸出臂 应能对水平面做4 5 度范围内的俯仰运动。由平面机构组成原理知，工作臂摆副 机构采用2 - 9 所示由二个二杆三幅机构组成的机构，竖直臂摆副机构采用图2 1 0 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 所示二杆三幅机构，伸出臂摆副机构采用图2 2 所示二杆三幅机构；由机构组成 原理知：该三种摆副机构的结构简单、杆组的级别最低、构件数和运动副的数目 最少，为智能桥梁检测车的最理想机构。 图2 9 工作臂摆副机构图2 1 0 竖直臂摆副机构 f i g2 - 9w o r k a r ms w i n gm e c h a n i s mf i g2 - 1 0e r e c t a r ms w i n gm e c h a n i s m 本章小结 本章依据智能桥梁检测车臂架结构的设计参数及相关资料，智能桥梁检测车 臂架基本结构图，由此确立臂架动作展开顺序；对桥梁检测车的转台回转机构分 析了其受力状况，为臂架选择了合适的回转支撑，并且对转台回转驱动装置进行 了计算；详细阐述了臂架各单元的组成，驱动形式和工作原理。 1 8 第三章桥梁检测车液压系统 3 1 设计任务 第三章桥梁检测车液压系统 3 1 1 主要用途和适用范围 使用条件：环境温度为2 0 4 0 ；工作场地要求坚实，风速不大于6 级风， 不适用于电磁波感应较强的地区。 3 1 2 设计任务和要求 主要技术参数： 伸出臂上摆时间t l - 7 5 s ，回收时间：t 2 = 5 s 竖直臂下摆时间：t l = 7 5 s ，上摆时间：t 2 = 5 s 工作臂下摆时间：t l = 7 5 s ，上摆时间：t 2 - 5 s 第二节伸出臂伸出时间：t l = 3 0 s ，缩回时间：t 2 = 1 5 s 第二节竖直臂伸出时间：t l = 3 0 s ，缩回时间：t 2 - 1 5 s 第一节工作臂伸出时间：t l = 3 0 s ，缩回时间：t 2 = 1 5 s 第二节工作臂伸出时间：t l = 3 0 s ，缩回时间：t 2 = 1 5 s 第三节工作臂伸出时间：t l = 3 0 s ，缩回时间：t 2 = 1 5 s 第四节工作臂伸出时间：t l = 3 0 s ，缩回时间：t 2 = l s s 第五节工作臂伸出时间：t l = 3 0 s ，缩回时间：t 2 = 1 5 s 第六节工作臂伸出时间：t l = 3 0 s ，缩回时间：t 2 = 1 5 s 桥梁车装置支腿收放时间；放支腿t l = 1 5 s ，收支腿t 2 = 7 5 s 转台回转时间：t = 5 s ，竖直臂回转时间：t = 4 s 技术性能要求： ( 1 ) 首先要保证液压系统有足够可靠性。要选择可靠、耐冲击、抗污染能力强 的液压元件。 ( 2 ) 桥梁检测车工作臂、竖直臂和伸出臂既要单独工作，又要保证同时动作互 相不干扰。 1 9 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 各液压缸、液压马达要有良好的过载保护措施。液压缸回路为防止重力超 速，需有限速措施，例如液压缸可用单向节流阀。 ( 4 ) 为保证液压油的清洁度，必须设置可靠，高效能滤油装置，这是确保液压 元件正常、可靠工作必不可少的措施。 ( 5 ) 良好的工作性能：保证工作装置工作平稳，操作灵活、轻便及具有较高的生 产率等： ( 6 ) 保证液压元件和辅助装置在高温和高寒条件工作下，可靠性和较长的使用 寿命，并且具有适应外载荷急剧变化的能力忙叫1 2 t 。 3 2 拟定液压系统原理图 液压系统原理图是用液压元件职能符号( 无职能符号者用结构示意图) 表示的 系统工作原理图，它能清楚地表示出各元件之间的关系、动作原理、操纵和控制 方式等。 初拟液压系统原理图的依据是机器的技术要求。能满足同一台机器需要的液 压系统原理图不是唯一的，可能因元件供应条件和设计者的观点与水平不同而异， 目前尚无成熟的优化设计方法眵2 11 2 3 1 。 3 2 1 转台和竖直臂回转回路 桥梁检测车的回转机构运动时，由于臂架转动惯量大，在启动、制动和突然换 向时会引起很大的液压冲击。液压冲击会使整个液压系统和元件产生振动和噪音， 甚至破坏。因此回转机构常采用特殊回路来保证安全，保护元件。回转回路如图 3 - 1 所示。 2 0 第三章桥梁检测车液压系统 图3 一l 回转回路 f i g 3 1r o t a r yl o o p 缓冲回路 本设计中的回转机构采用并联缓冲阀式缓冲回路。这种缓冲回路在高、低压 油路之间并联有缓冲阀，每一缓冲阀的高压油口与另一缓冲阀的低压油口相通。 当回转机构制动、停止或反转时，高压腔的液压油经过缓冲阀直接进入低压腔减 小了液压冲击。缓冲阀的调定压力应略大于回路的额定工作压力；两个单向阀起 补油作用m 1 。这种缓冲回路的特点是补油量少，背压低，工作效率高。 3 2 2 伸出臂、竖直臂、工作臂摆幅回路 臂架伸缩机构主要用以改变作业高度和作业幅度。要求臂架作业时，摆幅液 压缸不能缩回，回缩时，伸缩油缸不能超速缩回，所以也要有限速措施，设置平 衡阀组成平衡回路。平衡阀作用：一、使液压缸以一定的速度回缩，防止液压缸在 负载作用下超速缩回。二、当平衡阀与换向阀之间管路破裂时，防止液压缸突然 缩回2 4 1 。 图3 - 2 摆幅回路 f i g 3 2s w i n gl o o p 2 1 广东工业大学工学硕士学位论文 3 2 3 支腿回路 液压支腿在桥梁检测车工作时，支撑着整个机重重量，要求安全可靠。压力 油经分流集流阀、液压锁( 双液控单项阀) ，分别进入两个支腿液压缸的无杆腔， 支腿伸出；当压力油经油管，液压锁分别进入支腿液压缸的有杆腔，支腿缩回。支 腿液压缸上的液压锁是为了保证在臂架工作时支腿在负载作用下不会缩回。此外， 如油管破裂时，液压缸活塞不会突然缩回。防止发生车辆剧烈颤动眵5 1 。 图3 - 3 支腿回路 f i g 3 - 3o u t r i g g e rl o o p 3 2 4 液压油源和液压油过滤系统 3 3 1 1 开式系统与闭式系统的选择 按液流循环方式的不同，液压系统可分为开式系统与闭式系统两类。在某些 情况下，还采用开、闭混合型式。 桥梁检测车液压系统采用的开式系统，其特点是液压泵直接从油箱中吸油，供 执行元件使用后又返回油箱，即油液的循环必须经过油箱交换。 开式系统的主要优点是：系统结构简单；有一个较大的油箱，能起良好的自 然散热作用；油中污物可在油箱中沉淀，降低了对滤油器的要求；可采用单泵、双 泵或多泵，可以是定量泵或变量泵；系统中各回路之间可以串联，亦可并联；可以用 节流调速，亦可用容积调速，或两者兼用。因此，开式系统构成灵活，调速范围大b 们。 第三章桥梁检测车液压系统 开式系统的缺点是：油箱体积较大，油与空气接触，增加了混入空气的机会； 为增加系统的稳定性，一般要在回路上增加背压阀，增加了回油阻力；g i 油泵无自吸 能力时，需增设一个流量为主泵流量1 2 倍的供油泵。 3 3 1 2 单泵、双泵和多泵系统的选择 按系统中主供油泵的数量，可分为单泵、双泵和多泵系统。单泵系统构造简 单，造价便宜，维修方便。但在系统中有几个执行元件时，油泵压力必须满足工 作压力最高的执行元件的要求，流量必须满足流量最大的执行元件的要求，因而 不能充分发挥油泵的作用。单泵开式系统用于无需几个执行元件同时做复合动作 的机器，例如推土机等；或者虽然机器的几个机构需做复合动作，但总功率和压力 不超过油泵能力的工况。这种液压系统使用单泵时，各机构回路之间是串联关系。 在各负载差别很大、复合动作要求较高的工程机械中，常用双泵或多泵系统。 桥梁检测车采用的双泵系统，优点是各泵可单独为某独立机构供油，回转、， 摆幅、伸缩能互不干扰地同时动作，完成复杂的复合动作，提高作业效率；各泵 可按对应机构的需要选择，因而能充分发挥液压泵的作用；当无需做复合动作时， 两个泵还可合流回转、摆幅、伸缩、支腿机构的执行元件供油，扩大该机构的调 速范围或提高承载能力，充分发挥液压泵和发动机的功率作用，与单泵系统比较， 双泵系统的主要缺点是系统构造比较复杂，造价较高。但随着液压元件的发展， 双泵或多联泵系统愈来愈便宜，性能也愈来愈好，安装使用均很方便，上述缺点 也就变的不明显或者消除了。 3 3 1 3 定量和变量系统的选择 当系统中使用定量泵和定量马达或液压缸时，称定量系统；使用变量泵或者变 量马达时，称变量系统。 桥梁检测车采用的定量系统主要优点是：定量泵构造简单、价格便宜、维修、 使用方便。开式定量系统可用换向阀控制执行元件的开、停、换向，简单，方便， 适于多数工程机械的需要。 定量系