（机械电子工程专业论文）桁架式桥梁检测车结构分析与优化设计.pdf

摘要 鉴于桥梁检测方面存在的种种问题，目前国内外越来越多地使用安全、精确、高效 的专用检测设备桥梁检测车来对桥梁进行检测。通过对当今国内外各种类型的桥梁 检测车进行全面的调研后，结合我国桥梁建设的实际情况和工业水平，本课题组开发出 了高性能的桁架式桥梁检测车。 本文在详细介绍了检测车的主要结构和工作原理的基础上，计算分析了整车行驶时 的稳定性；利用有限元分析软件，对检测车的整体桁架结构的静力学和动力学特性进行 仿真分析；并以降低整体桁架结构的总质量为目标函数以及结构在各种工况下满足规范 要求为约束条件建立优化模型，借助a n s y s 面向对象程序设计技术对桁架结构的关键 部件尺寸进行了优化。 研究结果表明：该检测车在结构和自动化程度上相比过去都有了创新和提高；检测 车在行驶时整车稳定性处于安全范围之内；静力学分析结果表明桁架结构的强度、刚度 均满足设计要求；模态分析结果显示人的正常行走频率不会激发桁架结构的固有振动； 通过有限元优化，整车的总质量得到一定的下降，降低了制造成本。 本文的研究成果为桥梁检测车的进一步改进设计提供了有用的参考依据。 关键词：桥梁检测车、桁架结构、稳定性、有限元、模态分析、优化设计 a b s t r a c t i nv i e wo fav a r i e t yo fp r o b l e m si n b r i d g ei n s p e c t i o n ，as p e c i a le q u i p m e n tc a l l e dt h e b r i d g ei n s p e c t i o nv e h i c l ew h i c hi ss a f e 、p r e c i s ea n de f f i c i e n tf o rb r i d g ei n s p e c t i o ni sw i d e l y u s e d b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o n so fa l lk i n d so fb r i d g ei n s p e c t i o nv e h i c l e s a n da l s ot h ea c t u a ls i t u a t i o n o f ，b r i d g ec o n s t r u c t i o n ，t h e r e s e a r c hg r o u pd e v e l o p e da h i g h p o w e r e dt r u s sb r i d g ei n s p e c t i o nv e h i c l e b a s e do nt h ed e t a i l e di n t r o d u c t i o no ft h ep r i m a r ys t r u c t u r ea n dt h ew o r kp r i n c i p l eo ft h e v e h i c l e ，t h er u n n i n gs t a b i l i t yw a sa n a l y z e d t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e u n i t a r yt r u s ss t r u c t u r ew e r es i m u l a t e db yt h es o f t w a r eo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t h e o p t i m i z a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e db a s e do nr e d u c i n gt h em a s so ft h eu n i t a r yt r u s ss t r u c t u r e c h o s e na st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n s t h ed i m e n s i o n so ft h ek e yp a r t sw e r eo p t i m i z e db y a n s y s t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t r u c t u r ea n dt h ea u t o m a t i z a t i o no ft h ev e h i c l ea r e i n a u g u r a t e dc o m p a r e dt ot h eo t h e r s t h er u n n i n gs t a b i l i t yi sa l s oi ns a f e t y t h es t a t i ca n a l y s i s r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei n t e n s i t ya n dt h er i g i d i t yo ft h et r u s ss t r u c t u r ea r ea c c o r dw i t ht h e d e s i g nd e m a n d s t h er e s o n a n c ep h e n o m e n o no ft h es t r u c t u r ei sn o ts e e ni nt h em o d ea n a l y s i s t h em a s so ft h ev e h i c l ei sd e c r e a s e db yt h ef e m o p t i m i z a t i o n t h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d es o m eu s e f u lr e f e r e n c e sf o rt h ei m p r o v e m e n td e s i g no ft h e b r i d g ei n s p e c t i o nv e h i c l e k e y w o r d s ：b r i d g ei n s p e c t i o nv e h i c l e ，t r u s ss t r u c t u r e ，s t a b i l i t y , f e m ，m o d ea n a l y s i s ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：弁丽梅如呕年5 月肜日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：年芝雨梅如口吕年月肜日 导师签名：似巾年r 窍f 毛e l 长安大学硕士学位论文 1 1 课题的提出与意义 第一章绪论 桥梁建设是国家重要的基础建设之一，桥梁工程是关系社会和经济协调发展的生命 线工程。随着桥梁建设的快速发展，巨大的资金投入，在经济社会中的显赫作用，使得 人们对桥梁的安全性、耐久性越来越重视。与此同时，我国的桥梁面临着与国际上众多 国家的桥梁同样的问题，那就是有一大批桥梁已进入“老龄 阶段，一些桥梁早已出现 各种“病害 ，却常年带“病 运营，潜伏着巨大的安全隐患。此外，因当初的设计荷 载标准与现今的实际荷载情况已不相称，导致很多桥梁承载能力不足、桥面宽度不符合 当前的行车要求。如果不及时消除桥梁建设、运行中的安全隐患，势必造成经济和人员 的巨大损失，而不合理的、过早的改造又是一项巨大的经济负担，并引发交通中断等许 多社会问题。超期超载使用的各种危桥、旧桥不在少数，车毁人亡的桥梁坍塌事故时有 发生”】。为提高桥梁使用安全性，必须重视桥梁检测，了解桥梁检测的工作程序、检 测项目及检测方法。为了更准确判断桥梁实际工作状况，为桥梁加固或大修提供依据， 在桥梁外观病害检查的基础上，则有必要进行深一步的桥梁结构材料的检测和荷载试 验。桥梁试验检测为养护管理提供了直接的数据和依据，其工作涉及面广，技术复杂， 难度较高，采用先进的检测设备则可大大提高检测的精度和工作效率。 目前我国桥梁检测存在的主要问题有【4 - 8 】： ( 一) 手段落后、机动性差 对于跨线桥等旱地上桥梁，目前的检测方法多采用在桥梁的下方搭架，然后人员在 架上工作的方式进行，对于跨河桥则采用船上搭架的方式进行，部分过高的桥梁或船只 没法靠近的桥梁基本上找不到好办法来解决检测检查问题。 ( 二) 成本高、耗时长 由于需要搭设脚手架才能完成检查工作，需要的人工也多。我国前期投入的检测费 用有8 0 是用在支架的搭设或船只的租用上。从支架的搭设到使用，需时间过长，直接 影响检测的进度。 ( 三) 交通影响大 以搭设支架或船上搭架的方式对桥梁进行检测，势必对桥梁的通行孔或通航孔进行 交通封闭。由于作业时间较长，容易造成交通堵塞，对交通造成不必要的影响。 第一章绪论 ( 四) 安全度较小 工作人员站在支架上或者船上进行工作，很容易造成人身伤亡的事故，安全性较差。 ( 五) 检测范围小 由于受到桥梁的具体环境和搭设支架的限制，现有的办法很难对桥梁的每一部分进 行检测，只能选择有代表性的部分进行检查，这样也就限制了我们对桥梁使用状况的全 面掌握，影响了对桥梁的质量评估。 鉴于桥梁检测方面存在的种种问题，目前国内外越来越多地使用安全、精确、高效 的专用检测设备( 比如桥梁检测车) 来对桥梁进行检测。桥梁检测车是指装备有桥梁检 测仪器和工作台，用于流动检测和维修作业的专用汽车。它由二类汽车底盘和上部专用 工作装置组成。 现代化的桥梁检测车相比过去检测手段具有以下几方面的优点【5 川： ( 一) 效率高、机动性好 使用桥梁检测车能让检测者快速、安全地检测桥梁的每一部分，包括桥上、桥下、 桥暾等任何位置，能让用户在最短的时间内完成工作。汽车底盘的良好机动性使得检测 者只需慢速移动底盘车而不用先将整套设备收回，这样就可迅捷地到达桥梁的任何桥 段。 ( 二) 成本低、耗时短 如果不采用桥梁检测车，检测一座特大桥要花1 5 天，检测费用达2 0 万元。而应用 桥梁检测车检测一座特大桥仅需一至二天时间，检测效率及管理水平大幅提高，费用也 大幅减少。 ( 三) 交通影响最小 桥梁检测车均可在无须装设液压支腿和车外配重的情况下平稳、安全、可靠地操作。 操作时只占用一个车道，对桥下的净空影响也比较小，这样就对交通的影响能减至最小。 ( 四) 安全度较高 现代化的桥梁检测车可将检查人员安全地送至梁板以下的任何部位，整机工作平 稳，避免以往采取空中吊篮或搭建临时支架方式的危险性，确保了检测人员的安全。 ( 五) 检测范围广 它能让检测者快速、安全地检测桥梁的每一部分，包括桥上、桥下、桥暾等任何位 置。可实现对支座位置、梁板混凝土强度、裂缝情况及外观尺寸的检查，同时还可以安 装和维护桥下管道和电缆。 长安大学硕十学位论文 检测车的应用，可以使我国的桥梁检测有了更高的准确度，大大提高桥梁检测能力， 有效地实行桥梁动态数据管理，建立规范的桥梁检查工作制度，根据道路等级制定检测 计划，定期对桥梁进行检查，发现问题及时处理并将检测数据结果存入数据库，以便随 时掌握桥梁实际工作状况。对所有计划大修工程的桥梁，在制定大修方案前必须进行桥 梁结构检测，根据检测数据结果科学编制大修方案，避免盲目性。 近年来我国的公路和桥梁建设保持了持续发展的良好态势，至2 0 0 2 年底，全国公 路桥梁达2 9 9 万座，累计里程1 1 6 2 2 千米【9 d o 】。由于“十五 期间及至少未来1 0 年内 我国公路及桥梁建设仍将保持较快的发展速度，公路桥梁的数量和里程也在迅速增加， 公路和桥梁设施的检测与维护已成为当务之急。桥梁检测车作为能够满足桥梁检测与公 路维护的专业设备，在快速发展的高速公路建设及桥梁检测中正以绝对的优势成为市场 新宠，备受商家的欢迎，具有十分广阔的市场前景。目前国内已有武汉、广州、南昌、 福州、夏门、南京、深圳、济南等城市购买了桥梁检测车对已建成桥梁进行检查。 1 2 桥梁检测车主要结构形式及国内外发展状况 桥梁检测车最早出现在欧美，现在的装备技术已经很先进，均采用电子液压控制， 并配置有工作装置、应急装置、稳定装置、遥控装置和发电设备等l 鲫j 。我国国内目前 进口的产品主要有美国r e a c h a l l 公司生产的u b 系列桥梁检测车，意大利b a r i n 公司的a b c 系列桁架式桥梁检测车以及德国m o o g 公司m b i 系列桥梁检测车【1 0 , 1 7 l 。 桥梁检测车按照工作装置结构分类，主要分为折叠臂式和桁架式两种类型【1 1 1 3 】。 折叠臂式桥梁检测车( 见图1 1 ，图1 2 ) 。采用吊篮式工作台，受桥梁结构制约少， 工作灵活，既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 6 m ，最大下桥深度1 5 8 - - - 2 1 3 m ，最大承 载质量2 7 2 k g ，吊篮向上最大举升高度( 距离桥面) 1 0 7 1 4 4 m ；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 2 m ，最大下桥深 度1 4 m ，最大承载质量2 8 0 k g ，吊篮向上最大举升高度( 距离桥面) 2 4 5 m i 体1 6 】。 3 第一章绪论 图1 , 1 折叠臂式桥梁检测车行车外形图 图1 2 折叠臂式桥梁检测车工作状态图 折叠臂式检测车属于最早出现的专用桥梁车辆，其工作原理类似于我们常见的臂式 高空作业车，由于结构方面的制约，其展开工作时的整车稳定性远不如桁架式桥梁检测 车，加之负载太小，只适合于单人或双人作业，应用范围较小，已经逐渐的淡出主流桥 梁检测车的市场。 桁架式桥梁检测车( 图1 3 ，图1 4 所示) ，采用通道式工作平台，稳定性好，承载 能力大，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测车，其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 av e h i c l e 专用汽 车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，5 分钟可将平台架设完毕。目前国外的桥梁检测车还主要依靠人工检测桥梁病害， 检测效率和可靠性还有待于提高，而且国外产品价格昂贵，每辆车售价4 0 0 万人民币以 。_121151 4 长安大学硕十学位论文 图1 3 桁架式桥梁检测车行车状态外形图 图1 4 桁架式桥梁检测车工作状态外形图 在我国，桥梁检测车基本上处于研发初级阶段【1 7 。2 0 】。2 0 世纪9 0 年代中期，由徐工 集团液压气动机械公司、西安公路交通大学与河南省公路局联合研制的z j 5 1 4 0 j q j l 0 型 折叠臂式桥梁检测车，吸收和借鉴了国外先进技术，工作平台额定载质量2 5 0 k g ，桥下 水平作业范围0 - - - 1 0 m ，桥下垂直作业范围l - - 1 2 m ，桥上垂直作业范围0 - - 一8 m ，采用 e q l l 4 1 g 型载货汽车底盘。2 0 0 2 年徐工集团随车起重机有限公司又开发出q j l 2 型自行 式桥梁检测车。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。它还可做高空作业车使用，整车性能有了很大 的提高。 5 第一章绪论 近年来我国公路及桥梁建设保持了持续发展的良好态势。据2 0 0 3 年上半年交通部 发布的( 2 0 0 2 年公路水路交通行业发展统计公报，2 0 0 2 年底，全国公路总里程达到 1 7 6 5 万k m ，比2 0 0 1 年增加6 7 万k m ；全国等级公路里程1 3 8 2 9 万k m ，占公路总里 程的7 8 3 ；高速公路2 万5 1 3 0 k m ( 2 0 0 2 年新增5 6 9 3 k m ，是历史上增加最多的一年) ， 一、二、三、四级公路及等外路分别为2 万7 4 6 8k m 、1 9 万7 1 4 3 k m 、3 1 万1 4 1 k m 、8 1 万8 0 4 4 k m 及3 8 万2 2 9 6 k m 。2 0 0 2 年底，全国公路桥梁达2 9 9 万座、1 1 6 1 2 万延米，比 2 0 0 1 年末增加1 5 万座、9 6 2 万延米；全国公路隧道达1 9 7 2 处、8 3 5 万延米，比2 0 0 1 年末增加1 9 0 处、1 3 1 万延米。2 0 0 2 年底，全国公路养护里程已达1 6 6 1 万k m ，占公 路总里程的9 4 1 ，比2 0 0 1 年末增长3 9 ；全国公路绿化里程已达9 4 万k m ，占公路总 里程的5 3 2 ，比2 0 0 1 年末增长0 2 。有专家认为，由于“十五 期间及至少未来1 0 年内我国公路及桥梁建设仍将保持较快的发展速度，所以预计我国今后包括桥梁维修机 械( 如大型桥梁检测车) ，公路检测设备( 如路况路面检测车等) ，冬季养护机械( 如 适合国情的除雪除冰车、湿式撤布融雪车、干式药剂撒布车等) ，路面维修机械( 如沥 青路面多功能养护车、沥青稀浆封层车、就地热再生修路车等) ，路容机械( 如路况巡 视检测车、划线车、护栏标志清洗车等) 以及绿化养护机械( 如多功能洒水车等) ，交 通设施维修机械( 如高空作业车等) ，故障救援机械( 如清障车等) 等在内的道路养护 机械( 车) 将具有十分广阔的市场。道路养护车辆普遍拥有较高的技术含量，不少车种 在我国还不具备可靠生产的条件，因而对进口车型仍将保持较大的依赖性。因此，自主 开发我国的桥梁检测车有其非常重要的工程实用价值。 1 3 本文的主要研究内容 通过对当今国内、外各种类型的桥梁检测车进行全面的调研后，结合我国桥梁建设 的实际情况和工业水平，本课题组与山东省桥梁检测中心联合开发高性能的桁架式检测 车，该车既要充分吸收国外的先进经验，又要在结构上和检测车自动化方面有创新和提 高。检测车的桁架工作装置部分是整车中最为关键的部件，它承受着检测仪器及工作人 员的载荷，故它的结构安全性尤为重要。本文主要对检测车桁架结构的静力学及动力学 进行了深入研究，主要研究内容有：( 1 ) 整车及工作装置的稳定性分析：( 2 ) 整体桁架 结构的静力学有限元分析；( 3 ) 整体桁架结构的模态分析；( 4 ) 桁架结构关键尺寸的优 化设计。 6 长安大学硕+ 学位论文 第二章桥梁检测车主要结构及工作原理 2 1 桁架式检测车的主要结构组成 本课题所开发出的桁架式桥梁检测车型为h q l - 1 4 0 a ，整车结构如图2 1 所示，主 要由底盘车、上部工作装置、液压系统、电控系统四部分组成。底盘车可采用成熟的通 用汽车底盘，工作装置采用高性能桁架结构，液压系统主要元器件采用进口器件，电控 系统用于整车的动作控制和运动位置的检测。 1 底盘2 电控系统3 主桁架4 平衡重5 液压系统6 - 支撑轮7 转塔8 工作平台 图2 1i t q l 1 4 0 a 桁架式桥梁检测车总图 2 1 1 底盘车的选型 按照目前国内大吨位载重货车的发展现状，综合各种因素，我们课题组最后决定选 用陕西重型汽车有限公司生产的奥龙系列的s x l 2 5 4 u m 5 0 4 底盘作为整车的基础。奥龙 系列车型是陕汽集团在斯太尔汽车制造技术的基础上新近开发的车型，性能优越，其具 体参数见表2 1 。 表2 1s x l 2 5 4 u m 5 0 4 底盘车主要性能参数表 藉 罂 s x l 2 5 4 u m 5 0 4 尺寸长宽高1 0 2 4 0 2 4 8 0 3 1 7 0 参数 轴距 5 0 0 0 + 1 3 5 0 ( 1 1 1 1 1 1 1 ) 前后悬 1 5 7 6 2 31 4 轮距1 9 3 9 1 8 0 0 7 雏二章桥檠腧删午 要站构i ：忭原理 车架有效长度 8 0 3 4 总质量( k g ) 2 5 0 0 0 质量整备质量( 1 ( 罢) 参数空载轴前轴 ( 1 迎) 荷分靠 后桥 最高车速( 1 c a n h ) 最大爬坡度 3 0 性能 最小转弯半径 参数 接近角离去角( 。) 1 8 1 1 6 2 12 工作装置主要结构形式 工作装置为底盘车上部所有结构件，包括主桁架、旋转桁架、工作内外平台，底座。 t 作装置通过销轴与副车架连接，自重约5 3 0 0 k g ，是整个检测车的关键性装置。图22 所示为工作装置的三维模型图。 幽2 , 2 上作盐丑一维幽 主桁架采用无缝方铜管焊接成型后，对运动导轨一次加工成型主桁架通过回转支 承与旋转桁架连接，与底座的滑槽构成滑动运动副，总重约为1 2 2 0 k g 。 旋状桁架用于连接主桁架与工作平台，通过回转支承，与主桁架连接，通过销轴和 油缸与工作平台连接，总重约为3 0 0 k g 。 长安大学硕士学位论文 评价检测车性能优越的参数有很多，其中工作平台的长度是反映其性能的一个主要 参数，工作平台越长，检测工作时的作业范围就越大，检测的效率自然就越高。但是工 作平台长度越长，整车的自重就越大，制造成本剧增。因此选用一个合理的平台长度对 整个产品的开发至关重要。参照国外同类型车，结合国内实际情况，h q l - 1 4 0 a 型桥梁 检测车的工作平台通过销轴与旋转桁架连接，为伸缩结构，其主要性能参数见表2 2 。 表2 2 工作平台主要性能参数表 工作平台长度 1 4 m 工作平台宽度 1 3 m 工作平台有效载荷 6 0 0 k g 平台端部集中载荷3 0 0 k g 平台最大下降尺寸 8 m 工作装置展开时间 6 m i n 平台桥下摆动角度1 8 0 0 外形尺寸1 0 4 1 4 m m 2 4 8 0 m m 4 1 2 7 m m ( 长宽高) 人行道跨越宽度 2 1 m 工作平台总重 1 5 0 0 k g 底座是检测车工作装置的基础部件，既要承担上部工作装置，又要与底盘车联接， 提供了工作装置翻转、旋转以及整个装置举升的运动副，同时为主桁架的上下滑动提供 了导轨。因此底座的强度刚度要求很高，加工装配难度较大，回转支承及举升油缸安装 在底座内部，整个底座自重约为2 1 5 0 k g 。 2 1 3 液压系统 液压系统是桥梁检测车全部工作装置的动力源。它包括是桁架机构展开与回收，支 撑轮的升降与驱动，动平衡重的展开与收回等。 桥梁检测车的作业装置为全液压传动控制，液压系统的结构主要由两个齿轮泵、两 个柱塞液压马达+ 布特维尼减速机、两个叶片马达、两套手电一体多路组合阀、1 2 个 h g s 液压缸、管路系统及其他液压附件组成。 齿轮泵用于提供系统的液压能；柱塞马达+ 布特维尼减速机用于驱动整车在工作时 的前后低速行驶；叶片马达分别用于驱动平台伸缩和旋转，运行平稳，传动精度可靠； 液压系统分别设置了换向阀和溢流阀，换向阀主要是用来改变液压油的方向，溢流阀主 要是用于当系统压力急剧上升或做操作失当时，压力油直接回油箱，使工作装置停止工 9 第二章桥梁检测车主要结构及工作原理 作。 为保证液压缸工作时具有稳定的速度及锁紧性，在液压缸上设有单( 双) 向平衡阀 及双向液压锁，对执行液压缸进行位置锁定，以防止因意外事故造成工作机构下落发生 危险。为保证系统液压油的清洁度，在系统中设置了进回油过滤器。当过滤器堵塞时， 则电气控制系统中的蜂鸣器报警，此时应该停止作业，清洗过滤器中的滤芯或者更换滤 芯。 液压系统根据操作位置，主要分为桥面控制箱回路和工作平台控制盒回路，分别由 两组多路换向阀控制操作。桥面控制箱回路主要用于实现整个工作装置在桥面上的展 开，包括平衡重推出、主桁架整体翻转9 0 。、主桁架旋转9 0 。、工作平台展开、工作 平台下降、工作平台旋转、工作平台伸缩等，桥面控制箱的液压操作以手动为主。工作 平台控制盒回路主要用于工作装置展开后，对工作平台的操作，包括工作平台的旋转、 主桁架的升降、工作平台的旋转等，工作平台控制的液压操作以电动按钮开关来控制。 桥面控制回路和工作平台控制回路通过电磁阀的逻辑关系实现互锁，并通过电控系 统实现工作平台控制优先，避免了在工作装置展开时有任何误操作的可能性。两个回路 通过手电一体的多路阀进行控制，既可以手控操作也可以电控操作，在工作平台、车上、 桥面实现3 点互锁控制，多路阀选用负载敏感式，应用于几个负载压力不同的执行元件 同时工作。 2 1 4 电控系统 检测车电控系统由可编程控制器( p l c 机) 、控制盒、电磁阀、传感器、限位开关、 报警、监视、通讯设备等组成。用于控制整车的工作装置展开、工作装置位置检测以及 驾驶室、桥面、作业平台上三点之间的通讯。 检测车电控系统的基本原理如图2 3 所示： 图2 3 电控系统原理框图 1 0 长安人学硕十学位论文 2 2 桥梁检测车的工作原理 作为一种特种车辆，工作装置要伸出车外要做伸缩翻转动作，因此对整车的平衡性 要求很高，确保在任何情况下都不允许发生整车的倾斜侧翻等危险状况。 在工作装置展开以前，首先确保车辆处于怠速或静止状态，桥面基本平整，坡度不 宜超过3 ，桥面风速不超过l o m s ，确保手刹工作，液压系统带载后，通过油缸推动平 衡重，以达到保持工作状态时整车的平衡，同时在工作装置的一侧伸出两个硬质的自行 支撑轮，以避免轮胎的弹性变形对工作装置的干扰。支撑轮的中心位置，就是整个装置 展开后的平衡中心。 通过车载发动机的驱动，液压系统按照操作者的指令，遵循设定的控制顺序，在液 压缸及液压马达等动力驱动元件的作用下，首先转塔侧翻9 0 。、然后旋转转塔9 0 。、 桁架垂直下降、展开工作平台、工作平台旋转至桥下、到达工作面，最后通过平台伸出， 整个工作装置的展开时间有一定的要求，在检测参数正常的情况下自动完成所有的动 作。( 参见图2 4 ) 工作装置回收时，按照展开相反的动作顺序进行。 广司 i 、， l “ 10 l l 炊 7 一 。弋n _ i 一阽捌j1 i i 篮 【l i 一 v 。、 肜刀 目盈日_ h 础 图2 4 桥梁检测车工作状态示意图 同时该桥梁检测车在两节水平桁架节各布置一套来回移动的变速摄像系统，在副驾 驶室安装有图像显示、处理和存储系统。通过检测车和摄像系统运行速度的协调工作， 可保证检测车行驶过程中能够完成图像采集、显示、数据处理和存储，这样不仅能够现 第二章桥梁检测车主要结构及工作原理 场实时自动检测和及时处理病害，而且储存图像数据可建立详细的桥梁档案，为桥梁的 检修、加固和旧桥梁改造提供可靠依据。 1 2 长安大学硕上学位论文 第三章桥梁检测车结构稳定性分析 桥梁检测车是采用载货汽车二类底盘改装而成的专用车辆，其总体参数( 如轮距、 重心高度、轴载等) 相对原载货车底盘有很大的变更，其行驶稳定性需要重新校核，以 预防改装后的车辆发生倾翻，尤其是桥梁检测车工作装置需要伸出车外，其稳定性校核 更为必要【弧3 列。 3 1 检测车稳定性设计 桥梁检测车在工作状态时，需将工作装置伸出车外，到达桥下，在这个过程中，由 于工作装置桁架自身重量对轮胎支点将产生力矩作用，车身有发生倾翻的趋势，故需对 危险工况时的整车稳定性进行计算，设计出静平衡及动平衡重量。图3 1 所示检测车静 止和工作状态时的受力对比图。 图3 1 检测军静止及工作状态受力图 图中：g 。底盘车与副车架的总重，g 1 ；1 1 0 0 8 0 k n ； g 2 底座重力，g 2 = 1 2 4 5 0 k n ； g 3 滑动架与旋转架的重力，6 3 = 2 1 9 5 0 k n ； g 。行走架重力，g 4 = 1 1 2 8 0 k n ； 最静平衡重的重力；最动平衡重的重力； 1 3 第三章桥梁检测车结构稳定性分析 a 行走架的重心至车的纵向轴线的距离，a 一0 6 9 m ； b 静平衡重的重心至车的纵向轴线的距离，b = 1 0 9 m ； c 底座及滑动与旋转桁架的重心至车纵向轴线的距离，c ；0 5 4 m ； d ，动平衡重的重心至倾覆轴线的距离，d 。一1 9 4 m ； d ：静平衡重的重心至倾覆轴线的距离，d ：- - 1 9 9 m ； d 。底盘车与副车架的重心至倾覆轴线的距离，d ，= 0 9 0 m ； d 。底座的重心至倾覆轴线的距离，d 。一1 3 6 m ； d ，行走架和滑动架与旋转架的重心至倾覆轴线的距离，d ，一2 9 6 m 。 3 1 1 静平衡重量设计 设计人员在桥梁检测车的一侧设计了静平衡块，主要用以平衡底座重力及滑动架与 旋转架的重力所产生的力矩。为了计算出静平衡块的重量，取检测车未将工作装置展开 静止状态为研究工况，以车身的纵向轴线为倾覆轴线( 见图3 1 中左图) 建立车身的力 矩平衡方程： m 。；m 。 ( 3 1 ) o e口 由图4 1 可得，m 左一g 4 a + 日b ；m 右= g 2 。c + g 3 c 。 将各已知值代入上式，可求得号= 9 9 0 2 k n 。 3 1 2 动平衡重量设计 桥梁检测车在工作时将工作装置伸出车外，当整个桁架处于竖直方向时，该工况为 整个展开过程中最危险的时刻，故需对此工况进行稳定性计算。在原有静平衡的基础上， 又增加了动平衡重量。考虑到安全性，在平衡基础的基础上再取个安全系数，暂取 k = 1 4 。 该工况的平衡方程为： m 稳；k m 倾 ( 3 2 ) 其中，m 稳= 最d 1 + 置d 2 + g i d 3 ； m 倾= g 2 。d 4 + g j d 5 + g 4 d 5 。 1 4 长安大学硕上学位论文 将各已知值代入上式，可求得最= 2 1 9 7 6 k n 。 3 2 纵向行驶稳定性校核 检测车在行驶过程中，上破行驶和下坡制动这两种工况较为危险，故需分别进行稳 定性校核计算。 3 2 1 上坡行驶 检测车上坡时，通常是以较低的速度在硬实路面上等速行驶，其运动的惯性力、风 对汽车的阻力以及地面对轮胎的滚动摩擦力都可以忽略不计。对检测车进行受力分析， 如图3 2 所示。 图3 2 上坡受力图 车辆在上坡时，易发生向后倾翻的趋势。故为了保证不发生向后倾翻，则前轮必须 要和地面相接触，且相互间作用力要大于零。以后轮与地面的附着点为倾翻支点，建立 整车的力矩平衡方程： z 2 + g s i n a h = g c o s a 。l 2 ( 3 3 ) 式中：z ，地面对前轮的反作用力； g 汽车连同工作装置的总重，g = 2 2 7 5 0 0 k n ； 汽车前后轮轴线距离，l = 6 6 7 5 m ； l 汽车重心到后轮轴线的距离，l ，= 2 m ； h 汽车重心离地面的高度，h = 1 5 m ； 口坡度角，二级城市道路纵坡不超过5 ，高速公路平原 0 ，满足条件。 上坡过程中，除了保证车辆不向后倾翻之外，还要使车辆不下滑，坡度应满 足以下条件： g s i n as g c o s a 妒 ( 3 5 ) 式中：缈轮胎对地面的附着系数，取妒= 0 8 ( 良好的混凝土或沥青路面上) 。 即要满足条件t a n as 砂， 又t a n a = 0 1 0 。 经计算得z ，= 9 3 7 2 6 k n 0 ，满足条件。 3 3 横向行驶稳定性校核 在讨论完检测车纵向行驶的稳定性后，接下来要进行横向行驶稳定性的校核。横向 行驶时，易发生车辆倾翻的工况主要有两个，分别是转弯行驶和横坡行驶两种。下面就 两种行驶工况分别进行讨论。 3 3 1 转弯行驶 汽车转弯时受离心力f 作用向外侧倾( 如图3 4 ) ，则另一侧轮必须要和地面相接触， 且相互间作用力要大于零。所受离心力与转弯时的车速成正比，与转弯半径成反比，所 以取汽车以最小转弯半径。转向时校核。 图3 4 转弯受力图 1 7 第三章桥梁检测车结构稳定性分析 根据力矩平衡得： f 。h + n 2 2 e = g e 其中：f ：笪 哦；。 且要保证车辆转弯时不发生侧滑：条件为： f 量g 。妒 上面几式中：f 转弯时的离心力； g 检测车的总重，g 一2 2 7 5 0 0 k n ； 2 转弯另一轮胎所受地面的作用力； h 汽车重心离地面的高度，h = 1 5 m ； e 汽车轮距的一半长度，e = 0 9 m ； g 重力加速度； ，车辆行驶速度； 心；。最小转弯半径，。= l l m ； 妒轮胎对地面的附着系数，矽= 0 8 。 由式( 3 8 ) 得： ；g ：星二! ：垒 2 e 为了不发生向外侧倾，n 2 0 。 经计算转弯时车速不能超过8 锄5 时，才能保证不倾翻。 3 3 2 横坡行驶 检测车有时会遇到横坡行驶的工况，由于横坡斜度的存在， 翻的危险，故也需对该工况进行稳定性校核。 1 8 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 车辆也易发生向一侧倾 长安大学硕士学位论文 图3 5 横坡行驶受力图 车辆在横坡上的受力如图3 5 所示，为了保证不侧向倾翻，则n 2 0 。根据力矩平 衡得： g s i n f l h + 2 2 ei g c o s e ( 3 1 2 ) 式中：g 检测车的总重，g 一2 2 7 5 0 0 k n ； m 另一侧轮胎所受地面的作用力； h 汽车重心离地面的高度，h = 1 5 m ； e 汽车轮距的一半长度，e ；0 9 m ； 卢横坡斜度。 由上式得： n ；g c o s f l e - g s i n f l h ( 3 1 3 ) 2 e 经计算 0 。 且车辆在横坡上不发生侧滑的条件为： g s i n 声sg c o s f l 妒 ( 3 1 4 ) 经计算 a r c t a n 0 8 i i3 9 。，才能满足上述条件。 综合起来，只要 基 垂 l 图45 主桁架变形图 第h 荜桥梁捡w 乍桁架结构柯毗，l 分析 图4 6 旋转桁架和内外平台变形图 从图43 叶1 可看出，整体桁架结构的晟大应力为2 1 i m p a ，最大应力点位于旋转桁架 端板处，即 翊伽苦2 m = 2 3 0 m p a ( 42 3 ) 从图4 3 中办可看出桁架部分最大应力为1 1 7 m p a ，即 。1 1 7 m p ac 裔巾】2 1 5 7 m p a 【42 4 ) 其中，j 5 为安全系数。由此可见，整体桁架结构满足强度要求。端板应力的局部放大 图见图dd 。 从图4j 和图4 6 i _ l 可看山，主桁架结构的最大变彤位于和端板连接处的下端部， 最大变形量为74 4 5 r a r n ：而内外平台的最大变形位于平台端部，最大变形量为9 97 3 1 肌， 可满足实际工作需要。 4 3 2 平台均匀受载 其次研究整体桁架结构完全展开状态下平台均匀受载的工况，根据实际情况，考虑 整个内外平台均匀所受的最大载荷为6 0 0 k g ，所建的有限元模型见图47 ，整体桁架结 构总应力云图见图4 8 。 妊安人学颐学论文 图47 平台均匀受载有限元模型 图4 8 整体桁架总应力云图 第日章桥梁精d 1 ：桁* 结构有“h * 图49 端扳应力云图 图4 1 0 主桁架变形图 长立大学硕i 学位论立 图41 1 旋转桁架和内外平台变形图 从图48 中可看出，整体桁架结构的培大应力为2 1 2 m p a ，最大应力点仍位于旋转桁 架端板处，即 。= 2 1 2 m p a 嚣2 h “3 0 m p a “2 5 从图4 8 中亦可看出桁架部分最大应力为1 1 8 m p a ，即 c r m a , = 1 1 8 m p ac 嚣巾h 5 7 m p a 2 6 由此可见整体桁架结构满足强度要求。端板应力的局部放大图见图49 。 从图41 0 和图4l i 中可看出，主桁架结构的最大变形位于和端板连接处的下端部， 虽大变形量为74 6 2 m l ；而内外平台的晟大变形位于平台端部，最大变形量为9 93 2 1 f f f l ， 可满足实际工作需求。 4 33 伸缩结构强度刚度校核 整车伸缩机构在工作状态承担着整个桁架结构的全部重量，其强度和剐度影响到整 车的安全性。伸缩臂的有限元模型见图41 2 ，对其进行1 l j 载得到伸缩臂的强度及刚度值， 结果见幽4 1 3 至图4 1 4 。 第川章桥粱榆“1 桁架结栅冉m ，c n 析 图41 2 伸缩臂有限元模型 图41 3 伸缩臂应力云图 龊蠢人 t 。学位论业 图4 1 4 伸缩臂变形图 从图41 3 和图4 1 4 中可看出，端部变形量虽太为02 6 m l ，变形量为安全许可范围 内，强度也在安全许可范围内。 4 4 整体桁架结构模态分析 模态分析计算整体桁架结构在小刚工况下结构的固有频率和相应的振型，如果桁架 结构固有频率和工作频率相吻台或者比较接近，检测车工作时，桁架结构就会发生较大 振动，从而产生较大的动应力，引起结构的疲劳破坏。凼此模态分析的目的在于计算结 构的固有频率和振型，考察工作时是否出现共振现象，为结构动态修改提供理论依据。 4 4l 结构模态分析的基本理论 在模态分析计算中，对于n 自由度的线性振动系统一般可用n 维的二阶运动微分方 程组来描述，即： m 聒 + c 戤 + k 妊 = f q ) ( 42 7 ) 其q j ：陋 质量矩阵，为正定或对称的月阶方阵： 【c 】阻尼矩阵， n 阶对称方阵； 第四章桥梁检测车桁架结构有限冗分析 】刚度矩阵，l 阶正定或不正定的对称方阵； 仁) 、仁) 、仁卜一分别为玎维加速度向量、速度向量及位移向量； ，o ) 卜一万维力向量。 一般桁架机械结构系统中的阻尼值相对来说很小，阻尼比系数通常远远小于其临界 阻尼，故在计算桁架结构系统的固有频率与固有振型时，一般不考虑阻尼的影响，则以 自由度结构系统的自由振动的微分方程可表示为： 【m ) “k ) = 1 0 ) ( 4 2 8 ) 可令方程( 4 2 7 ) 的解为如下形式： z ) 一 ) p 7 科 ( 4 2 9 ) 式中： ) 为振形向量，0 3 为圆频率。 将此解及其二阶导数代入方程( 4 2 8 ) 后得： 征k 卜0 9 2 m ) 一0 ( 4 3 0 ) 驴) 要有非零解，必须满足系数矩阵的行列式为零的条件，即： d e t - 2 阻少= 0 ( 4 3 1 ) 由此可得= 偿。 对应每个固有频率可以求得方程( 4 3 0 ) 的特征向量 驴) 。 4 4 2 结构模态的提取方法 有许多数值方法可用于求解上面的方程，a n s y s 提供了7 种模态提取方法。像子空 间迭代法、分块法、缩减法、非对称法、阻尼法、q r 阻尼法、p o w e r d y n a m i c s 法等n 刳。 对于桁架结构的特征值求解，其刚度矩阵和质量矩阵为正定或半正定矩阵，具有大型、 稀疏对称的特点，并且规模很大，带宽很小，而且只要求求出前若干阶较低的特征值和 模态。对于这类特征值问题宜采用子空间迭代法，它对求解自由度数较大的系统较低的 前若干阶固有频率及主振型非常有效。子空间迭代法的计算步骤概括如下【4 4 i ： ( 1 ) 选取初始迭代矩阵： d o = 【磊，五，磊】 长安大学硕上学位论文 ( 2 ) 作下列矩阵迭代，求出珂s 阶矩阵p ： p m d o ( 3 ) 从下列代数方程组解出n s 阶矩阵q ( 此过程称为矩阵反迭代) ： k d l = p ( 4 ) 由下式计算n x s 阶矩阵q ： q m d i ( 5 ) 计算自由度数缩减后的刚度矩阵霞和质量矩阵庸： ( 4 3 2 ) 。 ( 4 3 3 ) ( 4 3 4 ) k - i , - d 珥z ik d i ma i d , 3 5 ) 一纠i ( 6 ) 求解下列矩阵特征值问题： ( 霞卜历2 厨】) 万) ；0 ( 4 3 6 ) 得到全部s 个特征值和相应的特征向量，记为： x = d i 口g 【砰，哆- - 2 ，霹】 ( 4 3 7 ) = 【识，如，妒，