（机械制造及其自动化专业论文）新型河道工程根石探测系统的研究设计.pdf

摘要 摘要 河道工程根石探测系统是一种新型水下根石探测技术装备，进行深入地分析和研 究，对提高防汛抢险的科技水平及综合实力，提高防汛抢险预案的有效性，保护人民 生命财产安全，保障经济建设成果都具有十分重要的意义。 根据探测系统样机的试验情况和存在的问题，本文提出了新型河道工程根石探测 系统的总体设计方案。重点以优化设计技术和有限元分析软件a n s y s 为分析研究工 具，对探测系统作业装置的重要结构部件箱型伸缩式探测臂和变幅机构进行了结 构分析与优化设计研究。 采用a n s y s 软件的实体建模方法建立了箱型伸缩臂的三维实体模型。通过选择 单元类型和网格划分操作，完成了整个伸缩臂的有限元网格划分；利用节点自由度耦 合的方法模拟滑块接触处的实际联接，将各节臂及滑块作为一整体；在分析箱型伸缩 臂的结构和受载特点的基础上，建立了箱型伸缩臂的有限元分析模型。 通过对伸缩式探测臂在三种不同工况下进行的有限元静态分析，得出了不同工况 下探测臂的应力和变形情况，确定了危险工况和应力集中危险区域。论文通过对箱型 伸缩式探测臂的模念分析，确定了探测臂的固有频率和模态振型。为了验证有限元分 析结果的准确性和可靠性，利用材料力学的方法对箱型伸缩臂的强度和稳定性进行了 分析计算。根据有限元分析计算结果，对箱型伸缩臂的应力集中区域提出了结构改进 方法，这也为同类型作业装置的结构设计和改造提供了科学的理论依据。 以箱型伸缩臂有限元分析为基础，在保证伸缩臂的强度和刚度的前提下，以伸缩 臂自重为目标函数，以伸缩臂截面尺寸为优化设计变量，对伸缩臂进行了有限元优化 设计。优化后，伸缩传的截面尺寸明显减小，自重降低了2 6 4 。达到了减轻重量， 节约材料，减少成本的目的。 对河道工程根石探测车箱型伸缩臂的变幅机构进行了运动分析和受力分析，运用 优化设计方法，以变幅过程液压缸的压力和伸缩臂危险截面的弯矩为目标函数，建立 了变幅机构三铰点位茕优化设计的数学模型，利用线性加权法为多目标优化问题构建 了统一的目标函数。通过优化分析，获得了变幅机构三铰点位置的优化设计参数，优 化后变幅过程液压缸的最大工作压力和伸缩臂危险截面的最大弯矩值与优化前相比 分别降低了3 2 ，7 ，有效地改进了原始设计，减小系统的压力损耗，提高了系统 工作效率。 关键词：根石探测系统；变幅机构；箱型伸缩臂；有限元分析：优化设计 i 摘翟 ! ! ! ! ! ! ! i! - t i t s a b s t r a c t w a t e r c o u r s er e g u l a t i n gp r o j e c tb a s e r o c kd e t e c t i n gs y s t e mi s an e wt y p eo f t e c h n o l o g ye q u i p m e n tf o ru n d e r w a t e rb a s e - r o c ke x p l o r a t i o n i ti ss i g n i f i c a n tf o r p r o t e c t i n gp e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t i e sa n de n s u r i n gt h ep r o d u c t i o no fe c o n o m i c c o n s t r u c t i o nt o s t u d ya n de x p l o r et h i sd e t e c t i n gs y s t e m ，i m p r o v es c i e n c ea n d t e c h n o l o g yl e v e la n ds y n t h e t i cs t r e n g t ho fp r e c a u t i o n ，i n c r e a s et h ev a l i d i t yo fd r a f tf o r p r e c a u t i o n a c c o r d i n gt ot h et e s tc o n d i t i o na n de x i s t i n gp r o b l e mo ft h ep r o t o t y p ed e t e c t i n g s y s t e m ，t h i sp a p e rr a i s e st h eo v e r a l ls c h e m ed e s i g nf o ran e wt y p eo fw a t e r c o u r s e r e g u l a t i n gp r o j e c tb a s e r o c kd e t e c t i n gs y s t e m t a k i n gt h en e wd e t e c t i n gs y s t e ma st h e r e s e a r c ho b j e c t ，t a k i n go p t i m i z a t i o nd e s i g nt e c h n i q u e sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s e s o f t w a r ea n s y sa sa n a l y s i s t o o l s ，t h eo p t i m a ld e s i g no fl u f f i n gm e c h a n i s mo f b a s e - r o c kd e t e c t i n gs y s t e ma n dt 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 ff i n i t e e l e m e n ta r i a l y s i sf o rt h eb o x 够p et e l e s c o p i cj i ba r er e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , a n d t h eo p t i m a ld e s i g no ft e l e s c o p i cj i bh a v eb e e nr e c o m m e n d e db a s e do nt h er e s u l t so f t h ef e ma n a l y s i s f i r s t t y , t h e3 dg e o m e t r ym o d e lw a sm a d ei nt h ep l a t f o r mo fa n s y su s i n gs o l i d m o d e l i n gm e t h o d m a k i n gu s eo ft h ep l e n t i f u le l e m e n tt y p e sa n dp o w e r f u lm e s h d i v i d i n ga b i l i t yo fa n s y s ，t h ef e mm e s hg e n e r a t i o nf o rt h et e l e s c o p i cb o xj i bh a s b e e na c c o m p l i s h e d u s i n gt h ec o u p l i n gm e t h o dt os i m u l a t et h eo s c u l a t i o no fs l i d i n g s h o eo ft h et e l e s c o p i cj i b ，t h ea u t h o rm a d et h ef i v ej i b sa n da l ls l i d i n gs h o e sa so n e w h o l ep a r t ，a n da f t e rt h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dl o a do ft h et e l e s c o p i cb o x j i b ，t h e f e mm o d e lo ft h et e l e s c o p i cb o xj i bh a sb e e nf o u n dw i t ht h es o f t w a r e t h ep a p e rg o tt h er e s u l to f s t r e s s e s ，t r a n s m u t a t i o n s ，d a n g e r o u sw o r k i n g c o n d i t i o n sa n dd a n g e r o u ss t r e s sc o n c e n t r a t i o n so ft h et e l e s c o p i cb o xj i bo nd i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n s a f t e rt h es t a t i cf e ma n a y s i sw h i c hw a sd o n eu n d e rt h r e e w o r k i n gc o n d i t i o n s i nt h i sp a p e r , t h ee n t i r et e l e s c o p i cb o xj i bh a sb e e na n a l y z e df o r m o d e b yu s i n ga n s y ss o f t w a r et o o ，a sar e s u l t ，t h es t a b l ef r e q u e n c ya n d c o r r e s p o n d i n go s c i l l a t i n gm o d eh a v e b e e ng o t t ot e s t i n gt h ec o r r e c t n e s s a n d r e l i a b i l i t yo ft h ef e ma n a l y s i s ，t h es t r u c t u r a ls t r e n g t ha n ds t a b i l i t ya r i a l y s i so ft h e t e l e s c o p i cb o xj i bw a st e s t i f i e dv i am a t e r i a lm e c h a n i c sm e t h o d ，a n dt h er e s u l to f m a t e r i a lm e c h a n i c sc o r r e s p o n dw i t ht h ef e ma n a l y s i s b a s e do na b o v ew o r k ，t h e m e t h o dt oi m p r o v i n gt h es t r u c t u r e , w h i c hp r o v i d e ds c i e n t i f i ct h e o r yf o u n d a t i o nf o r t h es t r u c t u r ed e s i g na n di m p r o v i n go fo t h e rs i m i l a rw o r k i n gd e v i c e s ，w a sp u tf o r w a r d l 山东人学硕十学何论文 b yt h ea u t h o r b a s e do nt h ef e ma n a l y s i so ft h et e l e s c o p i cb o xj i b t h i s p a p e rm a d ea o p t i m i z a t i o nu s i n ga n s y su n d e r t h ec o n d i t i o n ：r e g a r d i n gt h es t r e n g t ha n dr i g i d i t ya s r e s t r a i n t ，r e g a r d i n gt o t a lw e i g h ta so j e c tf u n c t i o na n dr e g a r d i n gt h ed i m e n s i o no ft h e j i bs e c t i o na sd e s i g nv a r i a b l e t h er e s u l to ft h eo p t i m i z a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h es e c t i o n d i m e n s i o n so ft h et e l e s c o p i cb o xj i bw e r el e s s e n e dc l e a r l ya n da sar e s u l tt h et o t a l w e i g h tc u td o w na b o u t2 6 4 a l lt h i ss h o w e dt h a tt h eo p t i m i z a t i o no b j e c to fs a v i n g m a t e r i a la n dr e d u c i n gc o s t sh a sb e e na r r i v e d t h i sd e s i g nm e t h o dc a ne f f e c t i v e l y r e d u c et h eb o xj i b sw e i g h t i nt h ee n d ，m o t i o na n df o r c ea n a l y s i so nt h et h r e ep i n - c o n n e c t e dj o i n t so fl u f f i n g m e c h a n i s mo ft h eb a s er o c ks y s t e ma r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h eo p t i m i z a t i o n m a t h e m a t i cm o d e lh a sb e e nb u i l tw i t ht h em u l t i - o p t i m i z a t i o nt a r g e to fm i n i m i z i n g t h ep r e s s u r eo fl u f f i n gc y l i n d e ra n dt h eb e n d i n gm o m e n to ft e l e s c o p i cb o xj i b t h e m e t h o do fm u l t i o b j e c t i v e o p t i m u m sd i s p o s a l i sl i n e a r w e i g h t e dm e t h o d b y o p t i m i z i n ga n a l y s i s ，t h er e a s o n a b l ep o s i t i o n so ft h et h r e ep i n - c o n n e c t e dj o i n t sh a v e b e e nd e t e r m i n e d c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a ld e s i g n ，t h em a xp r e s s u r eo ft h e h y d r a u l i cl u f f i n gc y l i n d e ri s r e d u c e db y3 2 a n dt h eb e n d i n gm o m e n to ft h e t e l e s c o p i cb o xj i b sc r i t i c a ls e c t i o n i sr e d u c e db y7 ，t h i sm e t h o dr e d u c ep o w e rl o s s e s a n di m p r o v et h et o t a lp e r f o r m a n c e so ft h eb a s er o c kd e t e c t i n gs y s t e me f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：b a s e - r o c kd e t e c t i n gs y s t e m ；l u f f i n gm e c h a n i s m ：t e l e s c o p i cb o xj i b ； f e m a n a l y s i s ；o p t i m a ld e s i g n n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 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。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名； 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：冱盘叠! 导师签日期姗小圹日期型：! ：? 第1 审绪论 第1 章绪论 洪水泛滥是对人类危害最大的一种自然灾害。防汛抗洪是关系到社会稳定、经济 发展和千百力| 人民生命财产安全的大事。我国由于降水时程分布高度不匀、人口庞大 和江河众多，自古以来，洪、涝灾害不断发生，而且往往比较严重。近年来的异常气 候使防汛减灾的任务愈发艰巨。目| i i ，我国1 1 0 的国土面积、5 亿人口、5 亿亩耕地、 1 0 0 多座大中城市、全国7 0 的工农业总产值都不同程度受到洪水灾害的威胁。1 9 9 6 年洪、涝灾情并非特) j l j 严重，但全国洪、涝灾害的直接损失已达2 2 0 0 亿元。1 9 9 8 年 江淮及东北地区洪灾和近年来的洪水灾害造成的巨大生命财产损失，给我们敲响了警 钟，更使全党全国人民都深刻认识到“洪患不除，国无宁日”i l l 。 研制丌发新型防汛技术及装备，提高防汛抢险的科技水平及技术含量，提高防汛 抢险预案的及时性和有效性，对保护人民生命财产安全，保障国家经济建设和社会稳 定具有十分重要的意义。 1 1 课题的研究背景 针对目前河道整治工程水下根石基础探测的技术难题，济南黄河河务局结合新型 非接触是水下探测技术、现代工程机械及自动控制技术和计算机技术等，研制开发出 了“河道根石探测系统”。本课题以浚系统为研究对象，根据探测系统样机在试验过 程中存在的问题和实际根石探测作业的需要，提出了新型河道工程根石探测系统的总 体方案，论文重点对作业装置中的重要结构一伸缩式探测臂及其变幅机构进行了有限 元分析和优化设计研究。由于伸缩式探测臂在作业时的外伸长度较大，因此需要有一 种较准确的设计计算方法，使探测臂在满足探测范围和保证探测结果准确性的前提 下。尽可能减轻重量，提高作业效率，降低成本，以提高整个探测系统的性价比，使 之能够进一步推广应用。 探测系统样机伸缩式探测臂的设计采用传统的力学计算方法来确定截面尺寸，这 种方法计算复杂，需投入较多的人力及时间，并且材科力学方法计算时需对结构作较 大的简化，对结构中应力及变形的分布没有直观的显示，难以准确计算应力集中处的 最大应力值，致使计算精度较低；同时，为保证结构的安全可靠，设计过程中选取的 安全系数较大，造成臂重偏大，成本增加等问题。而样机变幅机构铰点位置的原始设 计是通过作图和计算相结合的方法得到的，过程烦琐，不能真实反映机构的受力情况， 使用中样机出现负载过大、效率低、变幅动作不平稳的现象，影响了系统探测精度。 l d i 尔人学硕十学何论文 针对上述问题，本醒题利用优化设计技术和有限元分析软件a n s y s ，对伸缩式 探测臂及其变幅机构进j i 结构分析及优化没计，合理确定变幅机构铰点位置，找出探 测臂在各种危险工况下的应力集中区域，为设计提供理论依据，并在满足强度、刚度 等要求的基础上对探测臂的截面尺寸进行优化，以提高探测系统的整机性能。 1 2 水下根石基础探测技术现状及发展趋势 河道整治工程水下根石基础探测技术一直是困扰黄河下游防洪安全中急需解决 的重大难题之一，解决根石的智能化探测技术，及时掌握根石的分布情况，对制订防 洪抢险预案、减少河道整治工程出险、保证防洪安全至关重要。 1 2 1 水下根石基础与河道整治工程坝岸稳定性的关系 黄河河道整治工程一般包括险工和控导工程，其整治建筑物主要有坝、垛、护岸 3 种形式。其中坝、垛屯要由坝体( 土胎) 、护坡、护根3 部分组成，如图1 - 1 所示。 护根是坝的防护重点，也是用料最多的部位。由于护根的主要物料是石料，因此习惯 上称为“根石”。根石_ 般位于浑水下面，非主流坝垛较深部分的根石又埋于淤泥层 之下。险工坝岸是防御洪水、确保大堤行洪安全的主要控制工程。坝岸工程稳定与否 直接影响到大堤安全，而坝岸工程的稳定程度又直接取决于坝岸根石的稳定与完整程 度。多年的实践证明：坝岸发生坍塌、蛰陷等险情，6 0 以上是由坝岸根石走失引起 的。山东黄河现有各类堤防约1 4 7 0 k m 、险工1 2 1 处、控导工程1 3 0 处。这些工程的 存在对堤防起着重要的保护作用，但这些工程在大洪水时常因洪水冲刷造成水下基础 根石大量走失从而造成坝岸墩蛰和坝体坍塌险情，严重时将造成垮坝，直接威胁到堤 防的安全例。 圈1 1 坝垛结构示意图 现有的根石结构大体分两种：一是散抛乱石结构。这种结构实际上是散乱石块的 松散集合体，石块之间的约束力较小，整体性较差，但对坝岸变形的适应性较强，根 石走失后易于补充。二是丁扣根石，即根石的上部和顶部用块石进行干丁扣。这种结 构增强了石块之间的约乘力，整体性较强，整齐美观，对变形部位易于观察。 2 第1 章绪论 受根石坡度不足、根石深度和根石基础的不均衡以及根石排整方式和石块大小不 当、工程布局不合理等因素的影响，水下基础根石经常大量走失。根石走失的方式大 体有两种，即冲揭走失和坍塌走失。冲揭走失就是水流的携带能力增大到一定程度足 以将表层根石冲揭而起造成的根石走失。坍塌走失的机理就是受水流冲刷，坝前形成 冲刷坑，随着冲刷坑的不断加深加大，坝岸根石自身稳定条件遭到破坏，导致根石坍 塌下滑而走失i 3 i “。 根据专家对黄河下游险工坝岸根石稳定计算和黄委会的有关规定及多年的实践 经验，黄河下游根石坡度达到1 ：1 1 1 ：1 5 、根石顶宽1 5 2 o m 、顶高与3 0 0 0 m 3 s 洪水位平，根石深度达1 2 1 4 m ，方能满足坝岸稳定性的要求1 2 i 。根据目前黄河流域 的水文状况，其水流量一般在8 0 3 0 0 0 m 3 ，s 之间，来大洪水汛期时，流量一般也不 会超过6 0 0 0 m 3 s 。因此，河道整治工程坝垛根石的探测范围由图1 - 2 所示。 一1 ：1 3 1 3 m 一 幽1 2 典艰某险i ：堤蜘 结构、探测范围示意图 如坝垛水下根石走失严重而未及时发现和抢护。坝身将会发生裂缝、墩蛰、滑塌 和倾覆等险情，导致坝岸出险。及时发现水下根石变动的部位、数量，是采取预防和 补充措旌、防洪保安全的关键。 1 2 2 水下根石基础探测技术概况 几十年来。水下根石基础状况完全靠人工探摸估计，因此，水下基础探测技术始 终是黄河防洪中亟待解决的关键技术难题。从1 9 8 0 年开始，黄河河务部门投入了大 量的人力物力对黄河根石现代化的探测技术进行研究，但由于探测技术装备歼发、研 究水平的局限性，穿过混水、淤泥层探测的困难性以及黄河高含沙水流的特殊性等原 因，均未能彻底攻破这一难题。 3 f _ 自i 人学硕士学何论文 ( 1 ) 常规接触式探测方法 目前，常用的根石探测方法仍然是延续己久的水中锥探。探测时由2 名技术人员、 4 - - 6 名锥探操作人员、2 3 名船工组成探测小组，测点间距一般为2 m ，遇有特殊变 化时酌情加测，通过人 二测量绘制根石断面图再进算缺石量，如图l - 3 所示。探测工 具般为直径1 4 1 8 m m 的钢锥，当探测深度超过1 0 m 时，为防止锥杆弯曲一般改 用钢管。这种探测方式存在的问题主要有：一是费工费时，劳动强度大；二是探模深 度有限，一般情况下最大只能达 到1 0 m ：三是水深流急时船只不 易定位，探测人员的安全也没有 保证；四是对新结构坝( 如土工织 物沉排坝) 探模危害性较大，容易 使坝体受到破坏引。但由于它的 技术要求低、易掌握，再加上目 前还没有其他可行的探测方法能 幽i - 5 人上锥探法 够取代，所以人工锥探仍然是水下根石探测的主要方法。这种探测方法准确度较低， 不能准确地反映根石现状，为下一步进行根石加固将带来一定的影响。 ( 2 ) 新型非接触式探测方法 自1 9 9 2 年丌始，“- 丁坝根石探测技术研究”被列入国家“八五”重点科技攻关项 目“黄河治理与水资源丌发利用”的子专题进行试验研究以来，结合黄河河道整治工 程根石的特殊地质条件，在实地调查和分析国内外基础资料的基础上，黄委及中科院 等多家单位在黄河河道够治工程上进行过多次试验，选择了多种物探方法进行了研究 和试验，主要包括直流电阻率法、声纳探测技术、x - s t a r 剖面仪、地质雷达探测试 验、瞬变电磁法、反射法地震勘探等训，试图采用新技术用非接触的方法解决根石 探测的技术问题。 上述实验方法大多数受地质条件和作业场地条件限制，以及黄河浑水及淤泥的影 响，实验效果不好，加之操作繁琐、技术条件要求高等因素制约还不能满足实际探测 作业的要求，仍停留在试验改进阶段。1 9 9 3 年黄委引进了美国e d g e t e c h 公司的 x s t a r 全谱扫频式数字水底剖面仪，并做了大量的试验。它可穿透淤泥层探测到根 石，具有速度快、精度- 每、结果完整等优点，减轻了探测人员的作业强度，是当时根 石探测的有效设备1 8 引。但该设备过于笨重，仅拖鱼重量就达2 0 0 k g ，需专用载体( 双 4 第1 章绪论 体船) 拖动，且价格昂贵，操作复杂( 需专门培训) 。所以，虽然试验效果较好，但难以 大范围推广应用。 从上述试验情况可以看出：水下根石探测问题，虽经近2 0 年多部门、多渠道的 试验研究，尤其是经过国家“八五”重点科技攻关的专门研究，仍未能彻底解决这一 长期困扰黄河防洪安全的难题。水下根石探测问题既是防洪保安全急需解决的问题， 也是十分困难的科学技术难题。目| ，新型非接触式探测技术用于水下基础的实际探 测作业已有使用r i o - t 2 i ，随着科技水平的日臻提高，采用非接触式探测技术的新型根石 探测技术装备必将逐步取代现有常规的人工接触式探测作业，应用于河道整治工程的 实际探测作业。 2 3 河道根苍探测系统的市场需求前景 黄河自古以来就是一条桀骜不驯、举世闻名的多沙多难的河流，自公元前2 0 6 年至1 9 3 8 年问，黄河决溢次数竞达1 5 9 0 余次，洪水波及范围北抵天津，南达江淮， 纵横2 8 万k m 2 ，洪水所到之处，水毁沙埋，人畜荡然无存。黄河以水少沙多闻名于 世，黄河下游每年平均输沙量为1 6 亿吨，其中约有4 亿吨的泥沙淤积在下游河道内， 致使河床不断升高，形成“悬河”或“多级悬河”。由于黄河下游河床逐年不断淤积 抬升，河道的过洪能力f 1 趋减小。 为了生存和发展! e 产，黄河下游两岸的人民不停地与洪水进行着抗争，修建了大 量的堤防、险工和河势控导工程。新中国成立以来，四次对堤防进行加高加固，大规 模地进行淤l 临淤背1 程，大大增强了黄河下游的抗洪能力。但黄河下游两岸大堤是在 历代民埝的基础上不断加高培修而成的，基础条件复杂，堤身多为沙质土，历史上决 口口门众多，存在许多险点隐患。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，黄河防汛暴露了许多新情况、新问题，不仅在大水情 况下出险，而且在中小水条件下，河道工程险情仍频频发生，工程抵御洪水的能力依 然有限，同时防汛抢险技术水平还远不能适应迅速发展的国民经济建设的形势要求。 因此，加强对河道整治工程的险情研究，研制新型防汛抢险装备以解决黄河下游河道 工程水下根石基础探测的技术难题是非常迫切的。 按现行标准一般于汛前、汛后各进行一次根石探测，并绘制根石断面图，计算缺 石量，以了解根石现状。到目前为止，黄河下游共有各类堤防工程长度2 2 9 1 k m ，其 中临黄堤1 3 7 1 k m ，分滞洪区堤防3 1 4 k m ，支流堤防1 9 6 k m 和其他堤防2 6 4 k m ，河 口堤防1 4 6 k m 。计有各类险工2 1 5 处，坝、垛和护岸6 3 1 7 道，工程长度4 1 9 k m ；控 5 山尔人宁硕十学何论文 导护滩工程2 3 1 处，坝垛4 4 5 9 道，工程长度4 2 7 k m ；防护坝工程7 9 处，防护坝4 0 5 道。如此众多的河道整治工程若完全采靠人工锥探的传统作业方法来完成探测，其 投入的人力物力是十分巨大的。基于这些原因，开发探测效率高，探测结果准确的新 型河道根石探测系统应具有很好的市场需求前景。 因此，针对目前河通工程水下根石探测的实际需求，丌发研制出机动灵活、使用 操作安全方便、探测结果准确、数据处理智能化程度高，能够在实际探测作业中推广 应用的新型根石探测技术装备具有重大的研究意义，河道根石探测系统的研制成功将 会产生巨大的经济效益和社会效益。 1 3 论文的主要研究内容及章节结构 本文的研究主要是针对根石探测系统作业装置中的伸缩式探测臂及其变幅机构 进行的。利用优化设计技术完成变幅机构铰点位置的设计，以解决样机试用过程中出 现的变幅机构负载过大、效率低、动作不平稳、影响探测精度的问题；利用有限元分 析软件a n s y s 及其优化分析模块，在完成探测臂静力分析和模态分析的基础上，在 满足设计要求的前提下，对探测臂的截面尺寸进行了优化计算，以减轻臂量，降低制 造成本。本文的研究为河道根石探测系统作业装置的设计提供了相应是理论依据和技 术支持，为制造出一种机动灵活、高效、准确、使用安全方便，满足黄河河道整治工 程水下根石探测要求，能够大范围推广应用的新型根石智能化探测系统打下了一定的 技术基础。 论文章节结构安排如下： 第1 章：首先介绍了目前河道整治工程水下根石探测技术的现状和发展趋势，并 结合黄河下游河道整治工程根石探测的实际，对河道根石探测系统的市场需求前景进 行了分析。明确了课题的研究对丌发高效准确的根石探测技术装备，保证防洪安全的 重要性及意义。 第2 章：对新型防汛抢险装备一河道根石探测系统样机的主要组成部分：探测仪 器系统、探测系统载体、探测作业装置、液压控制系统、计算机软件系统平台等分别 进行了介绍：根据探测系统样机在试验试用情况，结合根石实际探测需要，提出了系 统样机存在的问题和产生问题的原因。 第3 章：根据探测系统样机存在的问题和实际根石探测作业需要，提出了新型河 道工程根石探测系统的总体方案，并对改进后探测系统的主要技术指标和探测范围予 以了说明：依据总体改造原则对探测系统各组成分系统提出了相应的改进方案，以确 6 第1 章绪论 保改进后的探测系统符合根石探测的实际作业需要，便于进一步推广应用。 第4 章：对伸缩式探测臂的初始设计进行有限元静态分析和模态分析，通过静态 分析得出探测壁不同工况下的变形和受力情况，并依据分析结果提出了结构改进方 案；通过对探测臂的模态分析，得出了探测臂的固有频率和模态振型，提出了提高探 测臂结构固有频率的措施，同时对探测系统可能产生振动而影响探测精度的原因进行 了相应分析，以便在设计与改进时使探测臂的固有频率避开其在使用过程中的外部激 励频率。有限元分析并不是简单地在a n s y s 有限元软件包中建立探测臂的模型，为 得到准确的有限元分析结果还有许多问题值得探讨：模型建立是否合理，是否与实际 结构相符，建模是否简单不易出错且便于修改：载荷分析计算是否能反映结构的实际 受载；约束的处理是否合理；有限元网格的划分是否采用了最佳方案；最后有限元分 析的结果是否正确可靠等。这些问题在本章均作了相应探讨。 第5 章：从探测臂初始设计方案的有限元分析结果可知，其整体强度和刚度还有 相当的富余。为了减小重量、降低制造成本，减少探测系统作业负荷，提高作业效率， 本章首先基于大型有限元分析软件a n s y s 的优化设计模块，在满足探测臂作业强度、 刚度等设计指标的前提下，以降低自重、减少成本为目标，对伸缩式探测臂的截面尺 寸参数进行了优化设计，合理确定了各节臂的截面尺寸参数，到达了优化目标，提高 了探测臂的整体性能。之后，论文对探测臂变幅机构进行了运动分析和受力分析，运 用优化设计方法，以变幅过程液压缸的压力和探测臂危险截面的弯矩为目标函数，建 立了变幅机构三铰点位置优化设计的数学模型，利用线性加权法为多目标优化问题构 建统一的目标函数。通过优化分析，获得了变幅机构三铰点位置的优化设计参数，优 化设计的结果有效地改进了原始设计，减小系统的压力损耗，提高了探测系统整机的 工作效率。 7 山尔人学硕十学侍论文 第2 章河道根石探测系统( 样机) 简介 河道根石探测系统是出济南黄河河务局和山东大学建材与建设机械研究中心联 合研制丌发的新型非接触式水下根石探测装备，主要用于汛前、汛后河道整治工程水 下护坝根石的r 常探测，通过探测结果对河道整治工程的坝岸稳定性进行评估，并作 出护坝根石结构的断面图，计算缺石量、提出根石补充方案， 图2 - 1 河道根石探测系统样机 2 1 探测系统样机的功能描述 可道根石探测系统( 以下简称探测系统) 的探测仪器采用的s t r a t a b o x 浑水剖面测 深仪，能够穿透浑水和淤泥探测出淤泥覆盖下的根石分布，并可实现对浑水深度、淤 泥厚度的准确测量。探测系统以小型挖掘机底盘为配套移动载体，通过控制伸缩式探 测臂的外伸和摆动束完成规定的探测作业轨迹。探测作业控制采用电液比例控制技 术。系统配套的计算机软件平台功能涵盖了从探测议原始回声数据解码显示，水平空 间定位并显示和测量数掘的修正计算到自动计算根石缺失数量，测量结果及相关文字 信息的数据库存储、查咖，以及数据的导出及备份等多个方面。 探测系统的作业流程是：首先，探测系统在坝顶测点定位，支承稳定后通过人工 控制探测作业装置使探洲仪置于初始探测位置：之后，开启配套的计算机软件系统平 台并设定初始状态参数和探测控制参数后，通过计算机配合人工控制完成探测仪按设 定的探测轨迹进行断面 1 描，其问探测仪将探测到的水下根石状态信息传输至配套的 计算机软件系统：探测作业动作结束后，利用软件平台的界面识别功能将探测结果数 据进行分析整理，形成根石断面图，之后进入软件平台的录入界面，完成测量断面的 根石数掘整理，自动计鲜缺石面积并保存探测结果：最后，人工控制探测作业装置回 8 第2 章河道根石探测系统( 样机) 简介 位至行走运输状，奈，转场到下一测点进行下一次测量。 探测系统样机的主要特点： 1 ) 探测仪器测量精度高，效果好 该探测系统选用的仪器安装操作简单、测量精度高、速度快、能够适应水流速度 大的情况：穿透能力强，能够测出浑水以及淤泥覆盖下的根石界面，能够较清晰地分 辨出淤泥、根石，适合于黄河堤坝的根石测量，且测量结果完整、直观及实时性好。 2 l 系统机动灵活、安全可靠 探测系统采用小型履带式挖掘机底盘作为岸上载体，伸缩式探测臂和前端作业支 撑，具有技术成熟，安全性高，易于操作，机动灵活且成本低等特点；同时采用这种 方式受河流环境的影响较小；载体本身就能实现定位，不需借助其它仪器( 如g p s ) 进行定位，是满足黄河根石智能化探测要求的较理想方案。 3 ) 软件系统功能齐全、实用性好 配套的计算机软件系统功能全面，不仅使探测工作更加方便快捷，而且通过数据 库对照显示历史测量的根石界面结果，能帮助了解根石的变动情况，便于管理工作， 实用性好。 2 2 探测系统样机的结构组成 根据黄河河道丁程根石探测的技术要求、根石结构分析和作业环境特点，整个探 测系统由5 各子系统组成：探测仪器系统、探测系统载体、探测作业装置、液压控制 系统、计算机软件系统平台。 2 2 1 探测仪器系统 探测仪器采用s t r a t a b o x 便携式超声波浑水剖面测深仪。该仪器是一种便携、低 功耗、高分辨率的水下沉积物图像探测仪，性能介于剖面仪和测深仪之间，如图2 2 所示，图2 - 3 为探测仪器系统的连接图。它采用单传感器，但传感器采用了专门设计 的高性能环形换能器，使用穿透能力强的低频超声波。通过设置不同直流增益，可接 收水下多层界面的反射信号，换算出相应深度；该仪器特还增加了探底增益调整功能， 在仪器探到河底时，在直流增益的基础上增加增益，使仪器声波具有更强的河底介质 穿透能力，即使在高含沙量水域中，对浑水深度、淤泥厚度的测量精度仍然较高，能 够成功地穿透淤泥探测出淤泥覆盖下的根石分布。仪器的主要性能指标见表2 - 1 。 9 山东人学硕十学傍论文 图2 - 2s t r a t a b o x 便携式浑水剖面测深仪圈2 3s t r a t a b o x 浑水剖面测深仪系统连接图 表2 - 1s t r a t a b o x t ”浑水剖面测深仅主要性能指标 测深地嗍水深：1 5 0 米淤泥厚度：4 0 米 地理坐标输入r s - 2 3 2 c o m 2 ，q ，选敷捌格式和波特率 分辨半水深：0 i 米，淤泥：6 厘米打标于动或自动 测深精度0 s 声波频牢1 0k h z 声速1 5 0 0 水秒发射声脉冲功率 3 0 0 w 1 0 0 0 w 修正町j 2 i = 行换能器吃水深度修i f电源 1 0 3 0v d c 址爪多种址卅i 板一供垃定额定输入功率8 w 2 2 2 探测系统载体 探测系统在4 吨小型全液压履带挖掘机底盘的基础上设计了配套的载体。具有结 构稳定可靠、转向灵活，现场作业能力强的特点。为保证探测系统作业时的稳定性， 载体前端加装了支承装置。即在车架前设计了两个液压支腿，以实现载体的调平作业。 探测作业时，将支承支起至履带前部将要离丌地面，载体横向水平为止。 探测系统的作业动力源为载体底盘发动机。其动力由取力器从发动机曲轴取出， 带动液压泵工作，从而将发动机的机械能转为液压能，为系统提供动力。发动机为直 立、四冲程、强制水冷z n 4 9 0 q a 型柴油机，标定功率( k w r p m ) 3 8 3 2 0 0 ；齿轮泵型 号为c b g 2 0 4 0 。载体电气设备的供电来源于探测系统的车载电瓶，配套计算机系统 用电通过2 4 - 2 2 0 d c a c 逆变器供电。 2 2 3 探测作业装置 探测系统的探测作业装置由同步伸缩式探测臂，变幅机构和换能器调整装置组 成。探测作业时，系统载体于坝上定位后，控制系统通过控制探测臂的外伸和变幅束 实现探测臂前端探测仪换能器沿规定探测轨迹( 沿水面的水平直线) 的探测运动，运动 过程中换能器调整装置保证换能器的准确角度位置。 同步伸缩式探测臂，如图2 - 4 所示，其结构类似起重机的伸缩臂。该机构的同步 伸缩原理是由单级液压缸带动第二节臂伸缩，再由三级伸缩钢丝绳分别通过第二节臂 依次带动第三、四、五节臂同步伸缩运动。 1 0 第2 章河道根f i 探洲系统( 样机) 简介 圈2 4l 司步伸缩式探测臂结构原理| ! l 1 第一节臂( 持奉臂)2 第一二节臂3 第三节臂4 第心节臂5 第五节臂6 f 中缩液_ f i 缸 7 、3 、9 仲臀绳总j j 殳i o 、l l 、1 2 。缩臀绳总成1 3 滑块1 4 支承引导架1 5 导向支承轮1 6 导轨堡扳 变幅机构由探测臂根部铰点、变幅油缸上下铰点和变幅油缸组成，用于探测作业 时产生变幅动作配合探测臂的运动形成规定的探测运动轨迹，如图5 1 6 所示。 换能器调整装置安装在探测臂前端，通过调整油缸动作保证探测过程中换能器的 准确姿态。 2 2 4 液压及控制系统 一 液压系统采用定量齿轮泵供油，系统工作压力为1 6 m p a ，油路中设有安全溢流 阀，以保证系统安全。液压系统通过电液比例流量阀对伸缩臂油缸的动作进行自动控 制、变幅油缸的动作b 手动换向阀控制，以实现规定的探测运动轨迹。此外，行走马 达及液压支腿等出手动换向阀控制。 幽2 - 5 探测运动轨迹控制原理图 n j 尔人学硕十号 幸论文 探测系统的作业控制主要采用单片机控制器，通过传感器将探测臂伸缩的状态信 息直接反馈到单片机控： ；j 】器中，单片机控制器将位置信息输出到探测软件的同时将反 馈的实际状态信号与理论状念信号进行比较，通过对偏差进行修正，改变电液比例流 量阀的供油量大小，从祈实现探测运动轨迹控制。控制系统原理如图2 5 所示。 2 2 5 计算机软件系统平台 由于s t r a t a b o x 探测仪随机配套软件只能输出原始回声数据，软件系统自身没有 横向水平定位能力，且玎：能识别和标志水、淤泥、根石的界面分布，不能自动匹配理 想的根石界面分布来计算根石的缺失量。为了满足探测系统的设计需求，针对随机软 件系统进行二次开发，研制了适用于根石探测的专用计算机软件系统平台。 ( 1 ) 计算机软件系统平台的功能 探测系统配套软件系统平台具备如下功能：