（机械设计及理论专业论文）pc轨道梁锚固螺杆检测系统机械臂设计.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 跨座式单轨交通系统是日本和欧美等发达国家在2 0 世纪6 0 年代提出的一种 先导城市交通形式，但在p c 轨道梁铸钢支座锚固螺杆健康在线监测方面的技术开 发却至今未见大量报道。本文是结合p c 轨道梁铸钢支座锚固螺杆健康监测系统项 目，并依据课题进展过程中所不断出现的各种问题进行研究和解决而撰写完成的。 本文对p c 轨道梁锚固螺杆健康监测系统机械臂的结构型式进行详细分析，并 结合力平衡原理，求得机械臂所受载荷，对机械臂在实际约束状态下进行固有振 动特性分析，得出其前l o 阶模态的固有频率和振型。从提高其抗振性能和减少重 量的角度出发，根据计算结果，分析了各个零部件的薄弱环节以及可能出现的共 振区域，为优化设计提供参考依据。 关键词：锚固螺杆，运动方案，轴承，径向刚度，固有振动特性 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a so n eo ff o r e r u n n e ru r b a nt r a f f i cs y s t e m s , s t r a d d l e - t y p em o n o r a i lt r a f f i cs y s t e m w a sp r e s e n t e di nj a p a n e s oa n dt h eo c c i d e n ti n1 9 6 0 s b u tp u b l i c a t i o n sa b o u tt e c h n i c a l d e v e l o p m e n t o nm o n i t o r i n go n - l i n et h eh e a l t ho fa n c h o r s c r e w si nt h ec a s ts t e e lp e d e s t a l f o rp r e s t r e s s e dc o n c r e t et r a c kg i r d e rc a nn o tb ef o u n d d e p e n d i n go nt h ep r o j e c to f m o n i t o r i n gs y s t e mo nt h eh e a l t ho fa n c h o rs c r e w s i nt h ec a s ts t e e lp e d e s t a lf o r p r e s t r e s s e dc o n c r e t et r a c kg i r d e r , t h i sp a p e ri sa c c o m p l i s h e da c c o r d i n gt ot h es o l v i n g a n ds t u d yo f p r o b l e m sa p p e a r e dw i t ht h ep r o g r e s so f t h e p r o j e c t i nt h i sp a p e rt h es t r u c t u r a ls t y l eo fa n c h o rs e r e w sm e c h a n i c a la 舯i nt h ec a s ts t e e l p e d e s t a l f o rp r e s t r e s s e dc o n c r e t en 诎g i r d e ri sa n a l y z e dd e t a i l e d l y a n dt h e ni n r e s p o n s et oi t sd e f o r m a t i o na n d t h ep r i n c i p l eo ff o r c eb a l a n c e ，t h el o a do fm e c h a n i c a l a r l ni ss o l v e d a n a l y s i so nn a b l r a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fm e c h a n i c a la 衄i nt h e m e c h a n i c a ls y s t e mi sc a r r i e do u ti nc o n d i t i o no f p h y s i c a lc o n s t r a i n t , a n dt h e i rt e nl o w e s t n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e sa r eo b t a i n e d f o ri m p r o v i n gv i b r a t i o nr e s i s t a n c e a b i l i t yo ft h em e c h a n i c a ls y s t e ma n dr e d u c t i o no fw e i g h t ，a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o n r e s u l t s ，w e a kl i n k sa n dr e s o n a n o er e g i o n sa r ed i s c u s s e di no r d e rt og i v eo p t i m u md e s i g n s o m er e f e t e n c ef r a m e s k e yw o r d s ：a n c h o rs e r c a v , k i n e t i cp r o g r a m ，b e a r i n g ，r a d i a lr i g i d i t y , n a t u r a lv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：张笆涔签字日期：z 口。7年6 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽友堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：弘彬澎 签字日期：沙。7 年# 月g 日 导师签名：髫z 迎 签字日期：加。7 年f 月f 日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题来源及意义 1 1 1 轻轨的定义及特点 小汽车的过度发展使城市交通瘫痪、废气污染、噪声严重，城市中出现了发展 公共交通的呼声，促使人们重新评价无污染、经济的有轨电车，于是采用线路隔 离、自动化信号调度系统、开发高性能车辆等措施对有轨电车进行改造。新生后 的有轨电车在速度、能耗、噪声、振动、爬坡性能、制动能力、运载能力、转弯 性能上均优于原先的有轨电车，它是轨道交通家族的新成员。1 9 7 8 年，在布鲁塞 尔召开的国际公共交通联盟会议( u i t i ) 将其命名为l i g h tr a i l t r a n s i t ，译为轻轨交 通。当线路封闭程度较完善即享有“专用路权( e x c l u s i v er i g h t - o f - w a y ) ”时，称为轻 轨快速交通( 1 i g h tr a i lr a p i dt r a n s i t ) ，它在灵活性、适应性、工程造价和建设工期 上均优于地铁。国际公共交通联盟为轻轨下的定义认为，轻轨交通车辆施加在轨 道上的载荷重量，相对于铁路和地铁的载荷来说比较轻，因而称之为轻轨。 即使如此，目前各个国家对轻轨的定义始终还是不一致的【l 】，例如，美国轻轨 的定义【2 】是：市区街道上的电气铁路，列车由单节或多节车厢组成，利用受电弓从 线路上放的接触网获得电力，速度较慢，不使用信号系统，站台可高可低；而我 国出版的有关标准和书籍中将城市轻轨交通定义为：在通常情况下，凡能承担中 等客运量、车辆自重较轻，有专用轨道导向的交通系统，从广义角度而言，均可 统称其为轻轨交通系统。 因此，按照我国关于轻轨的定义，轻轨至少应该包括三种类型的交通系统，分 别是钢轮钢轨系统( 新型有轨电车) 、线性电机小型地铁、橡胶轮系统( 包括单轨 交通系统、日本新交通系统、法国v a l 系统) 。 轻型轨道交通吸取了地下铁道在车辆制造和信号控制等方面的技术，在有轨电 车的基础上发展起来。其运行轨道可以根据具体情况灵活变动，即路线一般在交 通繁忙的市中心进入地下，其余在地面或利用高架，因而轻轨交通很容易与路面 交通工具组合以满足市内、市郊的需要，因而它是一种新兴的交通系统。轻型轨 道交通是一种电气化的轨道交通工具，它的客运能力为每小时3 万至4 万人次， 比公共汽车高8 至1 0 倍，然而它的车公里能耗却只有公共汽车的五分之二。轻轨 车辆的平均运营速度每小时在4 0 公里左右，比公共交通车辆要快得多。它还具有 投资省、见效快，便于设站，适用范围广和保养费用低等许多优点，适用于人口 5 0 万至1 0 0 万的中等城市，也可用于大城市的支线交通。 因此，新型轻轨主要具有以下特点【3 】： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 线路是独立的，带了保护隔栏，某些区段可建成比汽车道高一些，或使用 高架线，个别区段可进入隧道： 与其他交通工具行驶线呈立交状态； 采用现代化车辆，其最高运行速度可达9 6 k m h 以上，载客量为3 0 0 人，加、 减速度达到1 3 r a m ； 车站上设有专门的站台，以利于乘客上下； 为降低噪音，采用改进的线路结构，还有的车辆上采用带橡胶的弹性车轮； 车辆具有较高的舒适度，有的装有空调，噪音和振动较小，地板面较低， 以利有乘客上下： 多数车辆装有电子控制系统，能保证在加速和制动时平稳，并能监督运行 工况，控制再生制动，以节约电能；有的还设有通信联络装置，监督行驶的车辆 和了解有关乘客的信息等。 1 1 2 轻轨在城市交通中的地位 3 8 】 根据德国专家提供的情况，汽车运输排到城市的有害物质悬浮在街道上空的数 米厚的空气薄层中，正是步行者和住宅所在区域。为了改变这种不良状况，许多 国家在利用现代科技的基础上，加速改进城市交通系统，并提出优先发展电动轨 道客运车辆的问题，其中包括发展新型快速有轨电车系统，即轻轨交通系统。 近3 0 年来，国外轻轨交通发展很快，轻轨的建设速度已经超过地铁的建设速 度。目前已经出现了数百个类型的轻轨系统，其中有的着重提高速度，有的着重 提高运输能力，还有的重点放在提高乘坐舒适度方面。总的目的是将乘汽车的人 们吸引到轻轨上来。尤其是美国和欧洲以及亚洲的一些国家，很重视轻轨系统的 应用，将已经废弃的有轨电车线，又重新改造成轻轨线，或者建设轻轨新线，开 始运行轻轨车辆。 美国首先在圣路易斯市修建了通往机场的2 3k m 轻轨线，车组最高时速达到 9 0k m h ；圣地亚哥的轻轨线路，长度为2 4 5k m ，于1 9 8 1 年投入使用，之后又延 长到5 6k m ，计划将来再修建2 5 6k m 。巴尔的摩轻轨线路于1 9 9 2 年建成，长度为 3 4k m ，也是通往机场的线路，最高运行速度为9 0k m h 。波特兰是美国第一个采 用低地板轻轨车辆的城市。此外，布法罗、卡加里、洛杉矶等大中城市相继引进 轻轨系统，使城区各种机动车辆减少，缓解了城市交通堵塞的现象。西雅图建设 有单轨轻轨系统。 英国主要采用建设轻轨新线的方式，在格拉斯哥有1 0 1k m 轻轨线在运营，最 高运行时速高达8 0 k m h ，设有1 0 0 个车站；布里斯托尔建成了长5 1 5k m 轻轨线， 1 9 9 6 年每天的运量就达6 40 0 0 人；在爱丁堡正在修建1 8 5k m 的轻轨线路；在曼 切斯特市，从1 9 8 9 年开始修建长度为3 0 4k m 的轻轨线路。此外，谢菲尔德、伯 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 明翰、克罗伊登、利兹、巴克夏郡、克利福兰、诺廷厄姆、普利茅斯和加的夫等 城市，也正在修建或者设计较长的轻轨线路，并陆续开通运营。 原西德是首创轻轨的国家。在2 0 世纪6 0 年代，原西德拟计划在1 0 余座城市 建设地铁，由于地铁造价高( 轻轨造价仅为地铁的2 0 0 o - 3 0 ) ，所以改为利用原有 的有轨电车发展轻轨交通的方式。这样一来不但大大缩减了经费，而且和地铁一 样起到了城市骨干交通的作用。现在世界上轻轨最发达的国家是德国，它已在3 0 个城市中建有轻轨交通，总长达22 0 0 多公里，每年总客运量约1 4 亿人次。其最 著名的轻轨线路是在汉诺威修建并运营的长度为6 8 8k m 的轻轨线路，将来将延长 至1 0 7 2k m ；而在科隆和不来梅采用的是低地板轻轨车辆。此外，德国乌珀塔尔 以及多特蒙德市的单轨轻轨系统均在城市客运中发挥了重要作用。 受欧美国家的影响，日本出现了城市交通轻轨化的趋势，如熊本市率先引起了 超低地板式轻轨车辆。该车是将不来梅的城市轻轨车辆改装的铰接式车辆，为 1 0 0 低地板车辆，熊本市轻轨线路长1 2k m ；广岛也引进了新型超低地板轻轨车 辆，目前还在计划修建连接城区东西方向的主要交通系统，计划引进轻轨。在日 本很多城市都建有跨座式轻轨交通系统。 此外，法国、比利时、瑞士、荷兰、加拿大、巴西、突尼斯、香港和菲律宾等 国家和地区也相继修建和筹建轻轨，如菲律宾首都马尼拉市的高架轻轨是贯通该 市南北的一条空中走廊，建在6 6 米高的铁架上，长达1 5 公里，每天可运送乘客 6 0 万人次，全部行程所需时间仅花了以往的四分之一至五分之一，大大改善了市 内交通状况。 轻轨交通在国内处于初始阶段。目前我国人口在1 0 0 万以上的城市有3 5 个， 这些城市不同程度地存在交通紧张问题，制约了城市经济的发展和市民的出行需 求。上海明珠线是我国第一条高架轨道交通线，也是上海轻轨交通网络的骨干线。 上海城市总体规划中有1 1 条地铁线路，与地铁相配合的还有l o 条轻轨线路。未 来的地铁和轻轨将是上海客运交通的主体。到2 0 0 4 年底，我国在上海、深圳、广 州、北京、南京、重庆、长春、武汉、大连9 个城市陆续建成l o 条轨道交通线( 指 地铁和轻轨) 。在今后2 0 多年内，我国将加快城市轨道交通建设，届时，一个以 快速轨道交通为骨干的公共交通新体系将承担起我国2 0 多个城市数千万人口的繁 重运输任务。 1 1 3 跨座式单轨交通的特点 9 - 1 3 1 单轨交通的车辆是承托在单根轨道梁上行驶的交通工具，由采用橡胶轮胎的 车辆以跨坐或者悬挂的方式在轨道梁上行驶。车体跨坐在p c 轨道梁上运行的称之 为跨座式单轨交通，如图1 1 所示；车体通过转向架连接而悬挂在轨道梁上运行的 称之为悬挂式单轨交通。跨座式单轨交通系统车辆不仅可在1 0 的坡道上运行， 重庆大学硕士学位论文i 绪论 还能适应最小曲线半径为3 0 - - 5 0m 的线路；由于车辆采用橡胶轮胎，在与转向架 的空间弹簧配合下，可以获得良好的乘车舒适度。 图1 1 跨座式单轨交通的结构 f i g 1 1c o n f i g u r a t i o no f s t r a d d l e - t y p em o n o r a i lt r a i no nat r a c kg i r d e r 作为轻轨交通类型中的一种，跨座式单轨交通系统是在日本、美国等国家的 很多城市修建的、成熟的轨道交通系统，并且已有4 0 余年安全运营的业绩。众所 周知，这种大运量的跨座式单轨车辆于上世纪六十年代起在日本诞生，主要由日 本日本公司为主进行开发推广，至今已有四十来年的历史。除东京成田机场线外， 大阪、多摩、小仓等城市相继建成了单轨交通系统。2 0 0 4 年，单轨交通系统在日 本冲绳也正式运行了。 跨座式轻轨交通之所以深受青睐，主要有下面五方面的原因：一是占地小， 充分利用空间。有关资料介绍，目前日本的单轨托梁支柱直径仅为1 2 m ，支柱间 距为2 0 m ，因此可以利用道路绿化带的面积设置，基本不占用线路空间：p c 轨道 梁的宽度也仅为lm 左右，遮光量可不考虑。二是高架行驶，不受地面交通拥堵 影响，可安全、正点运行，可适应灾害性天气。三是可根据城市形态和交通需求 实现复线、单线、急弯、打破道等最佳选择，实现从小型到大型各种尺寸的“量 身定做”，取得最佳效果。四是使用橡胶轮胎和空气弹簧，噪音和振动较小，适宜 在城市中修建；电机驱动，无废气排放。五是单轨立柱、p c 轨道梁等为预制构件， 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 施工期短，建设成本仅为地铁的1 3 。 重庆市是中国四个直辖市之一，是长江上游的经济中心和水路交通枢纽，也 是中国著名的“山城”，地势起伏不平，人口密集，道路狭窄，曲折多陡坡，交通 拥挤。为了促进城市发展，建设载客容量较大的城市单轨交通系统重庆轻轨 较新线，得到中央的大力支持，一期工程列入了国家西部大开发的十大重点工程 之一。重庆轻轨较新线是单轨交通在中国的第一个示范工程。重庆市根据线路所 经过的区域山高坡陡、地形复杂的特点，经过国内外专家多年论证，选择了适应 山城地形特征的爬坡能力强、转弯半径小的高架跨座式胶轮单轨交通系统。 1 1 4 重庆跨座式单轨p c 轨道梁系统 跨座式单轨交通系统中，轨道梁不仅是作为承重的结构物，同时也是车辆运 行的轨道，受车辆走行面控制，轨道梁均采用标准截面，正线及基地内全程均需 铺设轨道梁。根据施工工艺的不同，轨道梁分为预应力混凝土轨道梁( 简称p c 轨 道梁) 和普通钢筋混凝土轨道梁( 简称r c 轨道梁) 。p c 轨道梁采用工厂预制，通 过汽车吊或架桥机架设的施工方法，形成线路的质量及精度较高，同时制作成本 较高。r c 轨道梁制作精度较p c 轨道梁差。正线一般为载客行驶且行车速度较高， 考虑到行车的安全和舒适度需要，均采用预制p c 轨道梁。 重庆轻轨较新线一期工程是西部开发十大工程之一，是我国首次将跨座式单 轨交通系统作为城市轨道交通方式。一期工程包括正线、车辆段及综合基地，正 线线路长度1 43 3 6 双线米( 含站内折返线) ，车辆段即综合基地( 含出、入段线及 试车线) 线路长度60 3 8 7 单线米。本工程线路除道岔区外，都是由轨道粱组成， 轨道梁中除了部分区段采用中等跨度( 4 0 8 0m ) 钢轨道梁及在车辆段综合基区 段部分采用钢筋混凝士轨道梁外，其余区段上为p c 轨道梁。一期工程( 含基地、 出入线段及试车线) 轨道梁总长3 36 0 5 1 1m ，共计17 0 1 片。其中预制p c 轨道梁 3 29 1 8 8 1 m ，16 3 1 片；r c 轨道梁6 8 6 3 0 m ，7 0 片。 跨座式轻轨交通技术，在国内尚属首次引进，其技术的主要特点是以梁代轨， 这种桥梁不但具有传统桥梁的承载功能作用，更重要的还具有列车行驶的轨道功 能作用，通常称“p c 轨道梁结构系统”。在技术上p c 轨道梁结构系统的安全可靠 度，特别是在结构的设计寿命期内的安全度比一般桥梁要求更高。 在p c 轨道梁结构系统中，跨座式p c 轨道梁铸钢拉力支座是连接p c 轨道梁 与墩台的重要部件，它除了能够将p c 轨道梁上的载荷有效地传递到墩台上外，还 必须适应p c 轨道梁体的载荷与温度作用下的纵向水平位移和角位移，保证p c 轨 道梁与墩台连接在设计的寿命期内安全可靠并且有足够的疲劳寿命要求。铸钢拉 力支座结构部件的上端使浇筑在p c 轨道梁体内的，而下端是靠四根锚固螺杆固定 在墩台上。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 由于结构的特殊性，一旦承受铸钢支座的锚固螺杆固定在墩台上后，在日常 轨道梁线路的运营安全维护过程中无法通过常规方法监测锚固螺杆在墩台上锚箱 内的健康情况。因此，开发p c 轨道梁铸钢拉力支座锚固螺杆健康监测系统是十分 重要的。它不仅能保证轻轨交通系统的安全，预防重大公共安全事故的发生，同 时，可推动学科的交叉发展，并且可以创造出巨大的社会效益和经济价值。 1 2 锚固螺杆健康监测系统的研究现状 1 2 1 国外现状 在日本，轻轨交通系统的运营部门和供应部门都十分重视轻轨技术开发工作。 当前技术开发的优先课题是包括轻轨交通领域内已经高度发展的技术以及一些在 有关工业领域中已确立的应用技术。通常情况下，均要求对总体系统工程的各个 技术领域进行全面的研究和开发，重点体现在以下几个方面：一是改进轻轨交通 系统车辆的质量；二是改善轻轨交通系统的舒适性；三是提高轻轨交通系统的安 全性；四是提高轻轨交通系统的运营效率。 目前，国外公开发表的科技论文的研究内容主要集中在改进轻轨交通系统车 辆的质量 1 4 1 、改善轻轨交通系统的舒适性 1 s - i6 】以及提高轻轨交通系统的运营效率 【1 1 三个方面。在跨座式单轨交通系统的安全性方面，文献 2 1 】研究了跨座式单轨 交通系统在轻轨车辆运行时p c 轨道梁的动态特性以及响应情况，这也是至今为止 所检索到的发表的唯一一篇的有关单轨交通系统轨道梁及锚固螺杆系统技术研究 的文章。 因此，可以得出这样的结论，虽然跨座式轻轨交通系统是日本和欧美等发达 国家在6 0 年代提出的一种先导城市交通形式，但是在p c 轨道梁拉力支座锚固螺 杆健康在线监测方面的技术开发却至今未见有大量报道。 1 2 2 国内现状 轻轨交通及其相关技术在国内尚属发展阶段，尤其是重庆轻轨较新线一期工 程是西部开发十大工程之一，是我国首次将跨座式单轨交通系统作为城市轨道交 通方式，有许多技术问题和产品开发有待解决。 2 0 0 4 年，重庆市在关于全面推进以三大先导产业为重点的高新技术产业发展 的工作意见中提出，要利用重庆市建设城市轻轨交通的契机，大力组织相关的车 辆、转向器、道岔，支座、p c 梁等技术和设备的攻关及国产化，形成重庆市在轻 轨快速交通系统方面的技术、产业及优势，为全国乃至国外提供成套设备和技术。 国内在p c 轨道梁的设计和施工以及单轨交通的轨道梁安全检测方面都有一 定的研究1 2 2 - 2 5 1 。文献【2 6 通过对重庆单轨交通p c 轨道梁铸钢拉力支座的有限元模 型分析，按照支座实际的动载荷应力寿命准则计算了其疲劳寿命。因此。p c 轨道 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 梁铸钢拉力支座锚固螺杆的健康监测系统的研究属于全新研究。 1 3 本文的研究内容 p c 轨道梁铸钢拉力支座锚固螺杆健康监测系统项目的目标是设计一套车载系 统，巡回监测轻轨p c 轨道梁锚固螺杆的各参数变化情况，实现对在线工作的锚固 螺杆健康( 安全) 状况变化及损伤情况的监测，评估p c 轨道梁锚固螺杆系统或其 中每一根锚固螺杆的健康状况，发出是否维修或更换零部件的预警。 作为p c 轨道梁铸钢拉力支座锚固螺杆健康监测系统主要研究内容p c 轨 道梁锚固螺杆监测系统机械臂的设计，其目标是在最短的时间内有效地定位传感 器，保证监测系统快速、有效的从p c 轨道梁锚固螺杆上拾取检测信号。 本文将主要从以下三个方面展开设计研究： 通过分析轻轨线路的地形和轻轨p c 轨道梁与墩台的结构型式，得出最适合 的机械系统工作原理，精心选择设计机械系统的运动方案，以最好地适应作业过 程中的操作范围和动作要求； 针对机械系统的实际布置形式和受力情况，对轴的载荷进行系统的定量分 析，并结合力平衡的方程式，得出角接触轴承径向载荷、轴向载荷和预紧力，选 用合适的工作接触角的角接触轴承，计算其理论预紧力的大小；，然后根据轴承弹 性支承的相应理论求其等效刚度理论值； 对机械臂进行动态特性分析，得出其振动固有频率及振型，并分析其薄弱 环节；对机械臂进行优化设计，并作动态特性分析，得出其振动固有频率及振型； 对机械臂优化前后进行对比分析。 7 重庆大学硕士学位论文 2 机械系统的方案设计 2 机械系统的设计 机械运动方案是根据机械产品的动作过程选用合适执行机构，用一定的组合 方式构成机构系统来完成机械产品的功能。机械运动方案就是机械系统的型综合。 机械运动方案的设计，除了需要掌握各种典型机构的工作原理、结构特点和设计 方法外，还要选择和构思灵巧的动作过程来完成机械的功能要求，要选用已有的 合适机构型式或者开发新的机构型式，要将选定或者开发的机构型式进行巧妙的 组合得到机械的运动方案，要在许多可能的方案中选择最佳方案。 机械产品的方案设计是先确定它的工作原理，再确定机械运动方案。机械产 品的工作原理方案和机械运动方案的好坏是决定产品性能、成本，关系到产品水 平和竞争能力的关键所在。因此，机械运动方案设计阶段是机械产品设计中的最 重要的设计阶段。因此，本章的主要任务就是根据机械系统在作业过程中的操作 范围和动作要求，进行不同运动方案的对比研究，确定机械系统运动方案。 2 1 机械系统的设计目标 p c 轨道梁铸钢拉力支座锚固螺杆健康监测系统主要研究内容p c 轨道梁 锚固螺杆监测调整系统的设计，是研制一套传感器的安置调整机械系统，以便于 能在最短的时间内有效地定位传感器，保证监测系统快速、有效的从p c 轨道梁锚 固螺杆上获取所需要的检测信号。 只有动作可靠有效的p c 轨道梁锚固螺杆监测调整系统，才能保证监测系统有 效监测所需p c 轨道梁锚固螺杆的各个参数，从而快速、高效地获得支座锚固螺杆 或支座锚固螺杆群的健康状况的报告及评估结果。 因此，机械系统应该能实现以下设计目标：当轻轨巡检车停稳后，根据c c d 摄像机提供的图像数据，通过移动或者转动，调整已经安装在机械系统的传感器 的位置姿态，使其位于最有利的检测位置。 2 2 机械系统的工作原理 要确定本机械系统的工作原理，首先应该对轻轨轨道和p c 梁的结构型式以及 轻轨车的位置姿态做必要的分析说明。 在上一章中提到，重庆轻轨线路所经过的区域具有山高坡陡、地形复杂的特 点。由于线路纵坡、平面曲线、竖曲线、横向曲线，几乎每一片轨道梁的线形都 不相同，在线路上的不同位置由不同的线形，这两者是一一对应的关系。但是p c 轨道梁的线形无论如何变化，从整个轻轨线路来考虑机械系统的工作范围，只要 8 重庆大学硕士学位论文2 机械系统的方案设计 能找出每个方向的变化极限点就 可以了。为了清楚地说明轻轨p c 轨道梁和支座以及墩座的结构型 式，引进一个直角坐标系，如图 2 1 所示。定义其x 方向为巡检车 运行方向，y 方向为垂直于巡检 车运行的水平方向，z 方向为与 水平面垂直的方向。下面分别从 x 、y 、z 轴三个方向来说明p c 轨道梁和铸钢支座及墩座的位置 姿态。 x 方向的分析：从图2 2 中可以看出，由于锚固螺杆固定 于锚箱中，锚箱埋于混凝土墩台 中，锚固螺杆仅有端头部及部分 螺纹露出；墩座上铸钢支座的安 图2 1 坐标系示意图 f i g 2 1a b r i d g e dg e n e r a lv i e wo f c o o r d i n a t es y s t e m 装面与水平面有一定的角度。此外，p c 轨道梁的横截面在弯道处并不是呈长方 形的，而是梯形的；梯形的斜边与铸钢支座连接在一起，这样，梁的顶面与底面 之间也产生一个角度盯。因此在x 方向p c 轨道梁的倾斜角( 即与z 方向的夹角) 应该是这两个角度之和，即 0=口+(21) 根据重庆市轨道交通总公司专门制 定的详细具体的设计技术要求和技术标 准及工程验收标准，x 方向的最大横坡 斜度为1 2 ( 即每1 0 01 1 1 升高或降低 1 2 m ) ，0 约6 8 5 。 y 方向的分析：如图2 3 所示， 在p c 轨道梁的结合处，两个铸钢拉力支 座安装在一起，在有斜坡的地方，这两 个铸钢支座的水平安装高度是不一样 的。铸钢拉力支座的上摆是可以绕着下 摆旋转的，放p c 轨道梁与水平面呈一个 角度伊，这个角度矽就是p c 轨道梁的纵 9 b 图2 2 x 向截面图 f i g 2 2s e c t i o n a lv i e wo f x d i r e c t i o n 重庆大学硕士学位论文 2 机械系统的方案设计 坡斜度，其最大为6 ，约3 4 。 图2 3 y 方向视图 f i g 2 3v i e wo f yd i r e c t i o n 图2 4z 方向简化视图 f i g 2 4s i m p l i f i e dv i e wo f zd i r e c t i o n z 方向分析：从z 轴往下看，轻轨线路可以简化成一条曲线，线路在转弯 处，其曲线应该是一段圆弧。在轨道的拐弯处，p c 轨道梁有一定的倾斜。这样， 轻轨车辆在承重轮、导向轮和稳定轮的共同作用下，也会相应有一定的倾斜角， 所以在考虑本机械系统设计时应该注意这点。此外，由于车辆本身是刚体，是直 线的，这就相当于一个弦长，则p c 梁和轻轨车简化后的图形见图2 4 。安置在轻 轨车上的健康监测系统视车长及拐弯半径不同要远离所测锚固螺杆不同的距离a ， 这就要求在本机械系统研究中的横向进给距离要有很大的弹性，根据参考设计技 术要求和技术标准及工程验收标准，轻轨线路的最大转弯半径为10 0 0m 。 综上所述，我们现在可以得出这样的结果，p c 轨道梁与铸钢支座及墩台所组 成的系统虽然具有很多种不同的结构型式，并且相应地巡检车也会有不同的姿态。 机械系统固定在巡回检测车上，故要实现将传感器定位在锚锢螺杆的端头部位， 从理论上讲，机械系统需完成沿x 、y 、z 三个方向的移动和绕x 、y 、z 三根轴 的转动，共六个自由度的运动。另外，两铸钢拉力支座间的空间仅为7 3 0m m x 3 1 0 m m x 2 7 3i n i i l ( 长宽高) ，以及轻轨线路限界的限制，使得该机械系统极为复杂。 因此，结合机械系统最终所应具有的功能，确定机械系统的工作原理是：为了 保证达到传感器所需要的姿态，包括传感器与锚固螺杆垂直、平行等，机械系统 首先应该将传感器调水平；接着调整x 、y 、z 三个方向的平移，以确保传感器能 接近或者接触锚固螺杆；最后选择不同的传感器按顺序测量检测。 2 3 驱动系统的选择 传动机构的驱动系统是直接使各运动部件运动的机构，对工作机的性能和功 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 机械系统的方案设计 能影响很大。如果没有有效的驱动系统，无论是机械系统具有多么高的智能和优 越的传感器，也是无济于事。一个机械系统的驱动与控制方式是根据它的特点并 结合生产工艺的要求来选择的，应尽量选择控制性能好、体积小、维修方便且成 本低廉的方式。 目前，驱动系统的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动、电机驱动以及机械 联动等几种。它们各有其优缺点。一个机械系统可以只采用一种方式驱动，也可 以采用几种方式联合驱动。至于机械系统具体应该采用什么方式，这需要综合分 析各种因素，然后经过比较得出。为了便于比较选择，表2 1 【2 7 3 0 1 对这四种驱动方 式进行了分类比较。 现在对机械系统的工作状况迸行一些简单必要的分析： 巡检车上除了安装有本机械系统外，还有很多其他的设备，诸如监测分析 用的计算机、发电机以及车辆行走和操纵所需要的设备，所以留给本机械系统的 安装空间是比较小的； 巡检车是专门招标生产的，比一般的客运车要短小，故其载重量是有限的， 在设计本机械系统的过程中应该始终坚持这样的原则：在满足要求的条件下尽量 选择重量越轻越好； 巡检车上电子设备的数量较多，众所周知，电子设备的环境适应性较差， 对环境的要求很高，故巡检车应保持清洁干燥，以保证电子设备能正常工作。 此外，本机械系统固定在巡回检测车上，需完成沿x 、y 、z 方向的移动和绕 x 、y 、z 的转动，共六个自由度的运动；设计要求巡检车必须在5m i n 中内完成 一个锚固螺杆的检测，为此目的其运动速度要快。 基于以上分析，驱动系统的设计必须做到体积小、重量轻、工作稳定可靠。 另外，由于要实现多点定位，工作程序又能灵活多变，所以采用的驱动系统能用 编程使其功能得以实现。 根据机械系统的工作状况和驱动方式的比较，可以得出以下结论： 液压虽然具有动作平稳，易控制等优点，但其对油液过滤和液压件密封要 求高，且油液易燃，一旦发生泄漏燃烧，后果不堪设想；况且其机构庞大，整体 重量较重； 气压驱动没有液压的易燃问题，并且防火防爆，但其速度不易控制，运动 不平稳，这对要求精度很高的检测工作来说是非常不利的； 机械联动的结构复杂。使得本来就已很复杂的系统变得更加复杂；结构复 杂的另一结果就是增加了机械系统的重量；况且其需要使用多种力源，显然无论 从控制的角度还是成本来说都是不易接受的； 电机驱动信号传递快，响应也快，动作平稳，易控制，并且可以方便地 重庆大学硕士学位论文 2 机械系统的方案设计 表2 i 驱动方式的比较 t a b l e2 1c o m p a r i s o no f d r i v em o d e s 驱动方式优点缺点成本适应范围 油压高，可获得较大的输出 功率，操作力大；动作快而对油液过滤和液压件密 平稳，有良好的无级调速能封要求高，泄露对环境有 液压驱动 较高广泛 力，能实现速度和位置的精污染；油液易燃；结构较 确控制；耐冲击振动：环境复杂 适应性较好 操作力一般，动作快；结构由于空气的可压缩性，对 易于标准化；易实现直接驱 速度、位置精确控制困 气压驱动动；较好的无级调速能力；难；阻尼效果差，低速不低较广泛 环境的适应性好，防火防易控制；响应慢，运动不 爆，漏气对环境无害平稳，有冲击 信号传递容易，响应快捷： 驱动力大；控制性能好，控 制灵活性强，有良好的无级 需要减速机构，而且须步 电机驱动 较高 广泛 调速能力，可实现位置和速进电机或伺服电机 度的精确控$ 1 h 维修和使用 方便，动力源简单 传动可靠，工作速度高，维 须使用液、电，气等力源， 机械联动 结构庞大，适用专一动作一般较窄 护要求简单 的场合，不易于调整 使用巡检车上的电源，此外，目前在电机控制方面的技术比较成熟，采用电气驱 动可以使运动控制变的更加灵活。 综上所述，鉴于电机驱动的许多优点，选用电机驱动方式来实现对机械系统 的驱动。 2 4 机械系统运动机构型式的选择 本机械系统需完成沿x 、y 、z 方向的移动和进行姿态调整的绕x 、y 、z 的 转动共六个自由度的运动。考虑到机械手的运动就是由直线移动和转动两种组成 多个自由度的运动。因此，机械手运动机构型式的设计值得借鉴。 重庆大学硕士学位论文 2 机械系统的方案设计 根据文献 3 0 、3 1 t 拘论述，机械手型式较多，按坐标型式而言，主要有四种基 本型式，分别是直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式，如图5 所示。其 中每种基本的坐标机构型式都可以提供三个方向自由度，至于选择何种机构型式， 要视具体情况设计成具体的类型，或者加以取舍组合，以达到设计目的。 s b ) 圆柱坐标式 b ) c y l i n d e rc o o r d i n a t es t y l e c ) 球坐标式 c ) g l o b ec o o r d i n a t es t y l e a ) 直角坐标式 a ) r e c t a n g l ec o o r d i n a t es t y l e d ) 关节式 d ) j o i n tc o o r d i n a t es t y l e 图2 5 机械手的机构型式 f i g 2 5t h em a c h i n es t y l e so f m a n i p u l a t o r s 下面对这四种机构型式的特点进行简述： 1 3 重庆大学硕士学位论文 2 机械系统的方案设计 圆柱坐标式( 图2 5 a ) 这种运动形式是通过一个移动，两个转动，共三个自 由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标式比较，在相同的 工作空间下，机体所占体积小，而运动范围大。 直角坐标式( 图2 5 b ) 的运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作 空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观 性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，结构简单，但机体占空间体积 大，灵活性较差。 球坐标式( 图2 5 c ) 又称极坐标式，它由两个转动和一个直线移动所组成， 即一个回转、一个俯仰和一个伸缩移动组成，其工作空间图形为一球体，它可以 做上下俯仰动作，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构较复杂。 关节式( 图2 5 d ) 关节式又称回转坐标式，这种运动形式与人体上肢类 似，其前三个关节都是回转关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂做回转和 俯仰摆动，小臂做俯仰摆动。其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强。 经过初步比较考虑后，拟采用直角坐标式和除去一个直线运动的圆柱坐标式 的组合形式。之所以选择直角坐标式作为机械系统的主要运动机构形式，其原因 在于，和其它的机构型式相比，直角坐标式的易于编程计算其位置和姿态的变化， 而且定位精度很高，结构又简单，这些特点对于p c 轨道梁的健康检测所要求的精 度和控制可靠性来说非常重要，其系统的所占空间大的缺点可以通过其它的途径 解决。至于三个方向的回转运动( 自由度) 的机构型式采用除去了一个直线运动 的圆柱坐标式和另一个回转运动组成，这样的组成结构简单，很容易在保持精度 的前提下通过电机控制回转的角度。 2 5 机械系统传动方案 经过以上几节的比较和分析，初步分别确定了水平调整机构以及三坐标移动 机构的方案。 2 5 1 水平调整机构方案 水平调整机构，即为绕y 轴和x 轴旋转以调整水平的机构，该机构的工作目 的就是使得传感器安置调整系统的工作基础与锚固螺杆保持一定姿态，以利用传 感器的安置检测。 为了满足轨道梁6 的纵坡和1 2 横坡的要求，机械结构系统需实现绕x 和 y 方向的转动。选用结构简单、控制可靠、应用广泛的凸轮机构，如示意图2 6 所 示，图2 7 为平面图。 考虑到轻轨梁在弯道处都随横坡变化而倾斜，故将绕x 轴旋转的凸轮机构考虑 为手动。 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 机械系统的方案设计 髓台2 驱动 圆弧凸轮2 图2 6 凸轮机构示意图 f i g 2 6a b r k l g e dg e n e r a lv i e wo f c a mm e c h a n i s m 驱动2 圆弧凸轮对2 图2 7 凸轮机构平面图 f i g _ 2 7f l a t - f a c ev i e wo f c a mm e c h a n i s z a 1 5 重庆大学硕士学位论文 2 机械系统的方案设计 图2 8 为平底摆动从动件偏心圆盘凸轮机构示意图，其工作原理为偏心圆盘的 上下两侧同时与从动件接触，而且在任意位置时其上下两侧接触点之间的距离为 一定值，从而使圆盘与从动件之间始终保持接触。偏心圆盘凸轮与其他不同，其 等宽是一个限制框，仅允许圆盘在1 8 0 。内运动，其余1 8 0 。必须是前1 8 0 。运动 的镜像对称，以保持一定宽度。在此机构中，圆盘的从动件做成长方形的框架形 图2 8 平底摆动从动件偏心圆盘凸轮机构示意图 f i g 2 8a b r i d g e dg e n e r a lv i e wo f o s c i l l a t i n gf l a t - f a c ec a mm e c h a n i s mw i t he c c e n t r i cw h e e lc m 图2 9 平底摆动从动件偏心圆盘凸轮机构结构图 f i g 2 9s t r u c t u r a ld r a w i n go f o s c i l l a t i n gf i a t - f a c ec mm e c h a n i s mw i me c c “cw h e e lc a m 状，而且相切于框架内侧两面之间的距离，因此圆盘与从动件之中保持接触，这 也称称为等宽凸轮。显然，等距活性具有任意对应的两条相互平行的切线距离相 等的性质。 图2 9 是初步设计出的本机械系统水平调整机构中平底摆动从动件偏心圆盘 凸轮机构的结构图。该凸轮机构简单，选用传动比较大的行星齿轮减速器与动力 驱动器配合，使得该机构调整灵活，精度高；选用圆盘为凸轮，几何形状较简单， 易于制造加工。由于凸轮和凸轮环问为线接触，按流体润滑理论【3 2 1 ，则 粘性参数； 1 6 重筮；兰i i 堡主堂垡垒奎 ! 垫塑墨竺堕銮壅堡盐 g ，= ( 石a , 丽2 c 0 3 ) 0 5 = o 2 3 弹性参数： g 。2 盎) ”= o 0 6 式中口调滑油粘压系数 节 润滑油粘度 e 。当量弹性模量 国凸轮接触线单位长度的载荷 r - 一综合曲率半径 【户一卷吸速度 粘 性 参 数 学 h ，= 5 0 0 r 2 ，一 影 2 0 0 五矿区 一 e - 矿区 1 0 0 叫 5 0 上 | 2 0 | ， ， 1 0 j 7 、价 、 占jx 一 r ，区 5 、 o 1 1 1 0 1 0 01 0 0 0 弹性参数 图2 1 0h o o k c 线接触润滑状态图 f i g 2 1 0h o o k e sl u b r i c a n ts t a t u sd i a g r a mo f l i n ec o n t a c t ( 2 2 ) ( 2 3 ) 以上的粘性参数和弹性参数的计算结果是根据凸轮的直径为8 01 1 1 1 1 1 ，厚度 为2 0m m ，负荷为1 6 0k g f , 减速器的传动比为4 0 ，步进电机的转速为3 0 0 r p m ， 凸轮和保持架皆为金