新型车载式桥梁检测机械臂的设计分析及优化

吴启 刘向明 毛金城

[摘 要]以我国目前桥梁检测机构技术还在日益完善的背景下，提出并设计了一款新型的车载桥梁机械臂检测机构，以桥梁检测规范要求和技术指标作为依据，完成了该机构总体方案的设计，同时运用有限元分析软件ANSYS对其进行结构静力学分析，证实了其机构稳定性，同时对危险杆件进行了模态分析和优化设计，提高了此机械臂的性能。

[关键词]机械臂，有限元分析，模态分析，优化设计

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0084-01

0 引言

随着我国当今社会的快速发展，桥梁检测技术也在不断深层的发展中，而桥梁检测车作为一种新型的，用于对高速桥梁和铁路桥梁进行流动检测和维修的专用车辆，在社会生活中的需求量也在不断升高，由于我国桥梁检测车臂架结构的研究少，还不够深入，所以提出一种适用于我国高速铁路桥梁的检测车设计方案，具有比较重要的理论意义和实际价值[1]。

1 机械臂结构设计和运动过程

车载式桥梁检测机械臂主要由回转机构、伸长机构和检测臂机构三部分组成，回转机构主要是通过回转使检测机构从检测车上伸出桥梁外部；伸长机构可以通过伸缩杆调节检测杆下降的深度，使其达到最佳的检测位置；检测机构主要是用于安装摄像装置并将摄像装置送到桥梁底部用于检测[2]，大体结构可以分为三部分：分别为回转机构、伸长机构和检测机构，而根据我国目前通用的高速公路桥梁和铁路桥梁的尺寸标准，确定了该机械臂机构的每个臂展长度：回转机构为4500mm，伸缩机构原始长度为3200mm，检测臂1和检测臂2长度分别是2300mm与2350mm。

2 机械臂静力学分析

静力学分析[3][4]主要目的是分析固定的载荷对结构产生的变形量。分析时可以忽略阻尼和惯性，相当于静态载荷，随后可进行静态分析。

（1）普通情况下机械臂静力学分析：

一般工作情况下，该机械臂的受力基本上为杆件的重力，此时通过ANSYS分析软件得到的受力云图和位移云图如图3所示：

（2）极端情况下机械臂静力学分析：

在极端工作条件下，如遇大风天气及涵洞检测等，机械臂会受到很大的横向风载荷的影响，目前我国规定，一般工程机械的工作环境风速不能超过6级，当风速超过6级时，桥梁检测车应该停止工作。所以考虑到6级风速V=40km/h，通过风压公式得到该机械臂所受的横向风载荷大约为F=779.71N，此时通过ANSYS分析软件得到的受力云图如图1所示。

由上图可以知道：在一般状态下最大有效应力大小为92.058Mpa，其发生点出现在回转关节与伸缩关节的连接处，而整体机构采用的是铝合金材料，通过查询资料可以知道，铝合金的屈服强度σs=246N/mm2，在这里取安全系数s=1.2.其许用应力[σ]=σs/1.2=205N/mm2，所以整机结构的最大有效应力大小小于其材料的许用应力。而在极限风载荷下，，该整体机械臂受到的最大应力为183.05Mpa，小于铝合金材料的许用应力205MPa。所以在以上两种工作情况下整机各零部件的静应力强度均满足所选材料的性能要求，在工作的极限位置下结构的静力分析结果满足设计指标。

3 危险杆件的优化设计

根据第二小节的静力学分析内容，回转机构的受力和位移形变量最大，考虑为最危险杆件，所以对此杆件进行进一步的模态分析和优化设计。

优化设计[5]是一种寻找確定最优设计方案的技术，所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出最小。也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。在ANSYS软件的Design Explorer模块中以回转机构的横截面积作为自变量，最大应力和最大形变、最小安全系数作为应变量的分析结果如图2所示：

在系统自动生成的十个有代表性的观察点中，第四组和第五组得到的结果的应力应变结果落差改变比较小，属于该优化设计分析中的最优解。以此可以得到满足要求的最合适的截面参数。

4 结束语

本文主要提出了一个新型的机械臂结构形式的桥梁检测设备，所有的设计和分析结果表明：本文所提出的车载式桥梁自动检测机械臂方案能达到任务的基本要求，该机械臂结构满足强度要求，符合安全性要求，能够为其物理样机的研制和其他新型桥梁检测装置提供合理的参考依据。

参考文献

[1] 王凡.智能桥梁检测车臂架系统的研究[D].广州：广东工业大学.2008.5

[2] 崔文毅，潘夏表.桥梁检测车在桥梁检测中的应用[J].筑路机械与施工机械化，2006，（12）

[3] 郝少楠，王彪，李鑫勇.基于ANSYS的桥梁检测车检测臂有限元分析[J].机械工程师.2010（9）：85-87

[4] 王运.基于ANSYS的桥式起重机多目标动态优化设计.浙江工业大学硕士学位论文，2012

[5] 和丽梅.析架式桥梁检测车结构分析与优化设计[D].西安.长安大学，2008.5

作者简介

姓名：吴启，出生年月：1993.1，性别：男，民族：汉族，籍贯：湖北省荆门市，学历：硕士，研究方向：精密机械控制，作者单位全称：武汉工程大学，单位所在地：湖北省武汉市，单位所在地邮编：430000。