折叠臂式桥梁检测车的设计

摘 要 随着公路交通的发展，我国的桥梁数量也迅猛增加。虽然在经济发展方面创造了良好的交通条件，但随之而来的检验维修问题将比较严重。由于桥梁的隐患问题而导致的交通事故往往是很严重的， 因此，桥梁的安全越来越显得重要，从而产生了桥梁检测的问题，并由此衍生出一种新的检测工具 -桥梁检测车。 我国未来几年的桥梁将保持着较快的速度发展，桥梁检测车在桥梁检测方面具有十分广阔的市场。 桥梁检测车是一种搭载检测设备和工作人员的改装汽车，因此安全显得特别重要。本文针对桥梁检测车的特点，以折叠臂式桥梁检测车为例子，结合液压控 制系统，做如下研究 : 1. 折叠臂式桥梁检测车的工作原理； 2. 对汽车设备的选型； 3. 支腿受力分析； 4. 液压控制系统。 关键词：桥梁检测车；折叠臂式；受力分析；液压控制 Abstract With the development of highway traffic, the number of bridges in China is increasing rapidly. While in the aspect of economic development to create a good traffic conditions, but the subsequent inspection maintenance issues will be more serious. Due to the concerns of bridge caused by traffic accidents is often very serious, therefore, the safety of the bridge is more and more important, then produce the bridge detection problem, and thus derived a new detection tool - bridge inspection vehicle. Chinese bridge in the next few years will remain relatively high speed development, bridge inspection vehicle has a very broad market in bridge inspection. Bridge inspection vehicle is a kind of modified car carrying test equipment and staff, so is very important to safety. In this paper, according to the characteristics of the bridge inspection vehicle, with folding arm type bridge inspection vehicle car as an example, combined with the hydraulic control system, do the following research: 1. Folding arm bridge inspection vehicle automobile works； 2. Selection of automotive equipment； 3. Leg force analysis； 4. Hydraulic control system. Keywords: bridge inspection vehicle； the folding arm type； leg force analysis； hydraulic control system 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . III 1 绪 论 . 1 1.1 课题意义与背景 . 1 1.1.1 课题意义 . 1 1.1.2 课题背景 . 1 1.2 桥梁检测车主要结构形式及国内外发展状况 . 2 1.2.1 桥梁检测车主要结构形式 . 2 1.2.2 国内外发展状况 . 2 1.3 本文的主要研究内容 . 3 2 桥梁检测车主要结构的设计 . 5 2.1 折叠臂式桥梁检测车总设计方案 . 5 2.2 总运动方案 . 6 2.3 本章小结 . 6 3 折叠臂式桥梁检测车的设备装置 . 7 3.1 动力装置 . 7 3.2 工作装置类型 . 7 3.2.1 支腿机构 . 7 3.2.2 举升机构 . 8 3.2.3 回转机构 . 8 3.2.4 作业平台的分析 . 9 3.3 安全 装置 . 12 3.4 主题参数 . 12 3.4.1 尺寸参数 . 12 3.4.2 质量参数 . 12 3.5 折叠臂式桥梁检测车地盘的选择 . 13 3.6 本章小结 . 13 4 举升机构与回转机构的设计 . 14 4.1 举升机构设计 . 14 4.1.1 举升机构运动范围 . 14 4.1.2 动臂的结构设计和主要尺寸 . 14 4.2 回转机构设计 . 14 4.2.1 回转机构设计 . 15 4.2.2 确定圆柱滚子的允许载荷 . 15 4.3 本章小结 . 16 5 支腿机构和液压系统设计计算 . 17 5.1 支腿机构设计计算 . 17 5.1.1 支腿跨距 . 17 5.1.2 支撑脚接地面积 . 19 5.2 液压系统设计 . 19 5.2.1 液压系统原理分析 . 19 5.2.2 油缸选型 . 20 5.2.3 液压泵的选型与计算 . 21 5.2.4 油箱容积与管路内径计算 . 22 5.2.5 液压系统参数设计 . 23 5.2.6 液压泵的选型 . 23 5.3 本章小结 . 23 6 折叠臂式桥梁检测车稳定性能分析 . 24 6.1 支腿压力计算 . 24 6.2 本章小结 . 26 7 结 论 . 27 致 谢 . 28 参考文献 . 29 附 录 . 30 V 折叠臂式桥梁检测车的设计 1 1 绪 论 1.1 课题意义与背景 1.1.1 课题意义 桥梁 是国家 的重要基础设施 ，桥梁 是经济建设中的重要组成部分 。桥梁 的建设需要大量的资金投入 ，在经济社会中 又有着重要作用 ，使得人们对桥梁的安全性、耐久性越来越重视。与此同时 ， 桥梁长时间的使用 ，由于 各种外界环境的影响 ，桥梁结构将不可避免地产生自然老化、损伤积累等各种各样的疲劳和损伤 ， 这些损伤都将导致 严重的交通事故 ，造成巨大的经济损失和人员伤亡。此外， 早期设计与社会发展的不协调 ，很多桥梁承载能力 已经达不到社会的需求 、 桥面宽度 不能满足巨大的车流量， 这就需要对原有桥梁的结构安全进行检测评估，鉴定它的实际承载能力，以确定加固改造方案；同时新建桥梁也须进行承载力检测，以检验其施，工质量，为竣工验收提供科学依据 1。 对桥梁的结构损伤采取有效手段进行监测、预测和控制，不但可以发现桥梁当时的结构是否损坏或服务功能是否降低外，确保交通枢纽的安全和正常运行，并可获得下列的效益：（ 1） 准确提供桥梁信息 ；（ 2）提供桥梁损坏程度信息 ；（ 3） 对桥梁有完整的记录 ；（ 4）（ 5）及时维修；（ 6） 对新建设的桥梁提供有效的信息 2。 对桥梁裂缝进行 长期的监测和寿命评估是十分重要的。由于大多数桥梁的结构裂缝主要产生在桥梁底部，检测起来很困难，与此同时桥梁结构形式日趋发展向大型化和新颖化，使这个问题更加难于解决。由此，桥梁检测己经成为一个巫待探索的研究领域。 1.1.2 课题背景 目前我国桥梁检测存在的主要问题表现在： 设备不先进 ： 对于跨线桥等旱地上桥梁，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。 耗资高 ： 搭设脚手架需要耗费更多的人 力、物力、财力，而且从搭设到开始使用，最后再拆除也耗时较长，并且影响进度。 交通影响大： 安全小： 工作人员站在支架上或者船上进行工作， 容易造成事故 。 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，这样也就使降低了我们对桥梁使用状况的掌握，如果设备陈旧 、 手段落后自然无法反映桥梁的全部现状，影响了对桥梁的质量评估。 为了克服以上桥梁检测方式存在的问题，需要设计生产出一种可以为桥梁检测人员在检测过程中提供作业平台的 专用设备。这就是通常大家所说的桥梁检测车，它实际上是一种用于桥梁检测维修作业的专用汽车，可以让作业人员随时移动位置，安全、快速、高效地进入作业位置。 无锡太湖学院学士学位论文 有专家认为，由于“十五”期间及至少未来 10 年内我国公路及桥梁建设仍将保持较快的发展速度，所以预计我国今后大型桥梁检测车等在内的道路养护检测机械车将具有十分广阔的市场。 专用的桥梁检测车通过液压伸臂机构，将检测装置 (摄像机、超声波探测器 等 )或工作人员承载到桥梁底面任意位置的有效探测距离内，检测桥梁底部缺陷或进行维修。这种桥梁底部缺陷的检测方式，具有 高 效率 ，安全性好，较强适应性 、 低 功率消耗等优点 3。 因此，本文研究的目的和意义在于： 1. 为研究和开发出新型智能化的检测装备，提供参考和基础。 2. 检测车析架结构小、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。 3.可将检测仪送到桥底的各个位置检测桥梁底部缺陷，取代人工探身桥底的检测方式，建立安全、可靠的无危险工作环境。 4.有效降低桥梁检测车的生产成本 。 1.2 桥梁检测车主要结构形式及国内外发展状况 1.2.1 桥梁检测车主要结构形式 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。它由汽车底盘和上装（上部工作装置） 2 部分组成。桥梁检测车最早出现在欧美，现在的装备技术已很先进，均采用电子液压控制，并配置有应急装置、稳定装置、遥控装置及发电设备。其上装结构型式有折叠臂式和桁架式 2 种。 （ 1） 桁架式桥梁检测车 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。 （ 2） 折叠臂式桥梁检测车 折叠臂式桥检车也叫吊篮式桥梁检测车，其结构小巧 ,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 ,可有线、无线操作 ,灵活方便 ,有时候还可以做为高空作业车使用 ,价格相对析架式桥检车低 4。 1.2.2 国内外发展状况 国外状况： 桥梁检测车最早出现在欧美，美国 HYDRA 公司、 Aspen Aerials(赛奔驰 )公司，德国MOOG 公司，意大利 BAR 工 N 公司等已有用于桥梁检测的检测车。现在的装备技术已很先进，均采用电子液压控制制，并配置有应急装置、稳定装置、遥控装置及发电设备。 意大利 BARIN（百灵）：公司生产的 ABC 系列桁架式桥梁检测车最大水平工作范围6 23 m，最大下桥深度 4 9.5m，最大承载质量 300 800 kg，最大跨越宽度 1.7 4.65m，最大跨越护栏高度 2.0 5.4m AB系列折叠臂式桥梁检测车桥下最大水平距离 6.5 22m，桥下最大垂直距离 10 25.5m，桥上最大垂直距离 8 20.5 m，吊篮最大载质量 200300kg5。 NIBL 系列吊篮式桥梁检测车桥下最大水平距离 12 16m，桥下最大垂直距离 15 19. 5m，桥上最大垂直距离 14 21m，吊篮最大载质量 280 kg。 折叠臂式桥梁检测车的设计 3 美国 Aspen Aerials(赛奔驰 )：公司只生产折 叠臂式桥梁检测车 6，主要产品型号有 A30， A d0， UB 50， A 62， A 75，其桥下最大水平距离 9.4 22. 8m，桥下最大垂直距离 12.1 22m，桥上最大垂直距离 9. 2 16.1m，吊篮最大载质量 272 318 kg。所有 Aspen Aerials 桥梁检测车系列均可在无须装设液压支腿和配重的情况下进行平稳、安全、可靠地操作。 奥地利 PALFINGER （帕尔菲格）公司研发生产的 PA19000 型折叠臂式桥梁检测车，桥下吊篮最大水平伸长可达 16.2m，最大下桥深度 14m,最大承载质 量 280 kg，吊篮向上最大举升高度 24.5m；美国 REACHALL 公司生产的 UB 系列折叠臂式桥梁检测车，桥下吊篮水平伸长可达到 13.2-18.6m，下桥深度可达 15.8-21.3m，最大承载质量 272 kg，吊篮向上最大举升高度 10.7-14.4m。 国内状况： 在我国，桥梁检测维修车尚处于研发的初级阶段。我国早在 20 世纪 80 年代末 90 年代初，由交通部公路规划设计院在北京起重机厂生产的 QY 8 型汽车起重机的基础上进行改造设计，最后以失败告终，后来国内又有几家单位研制也均以失败告终。最近 几年，国内一批大型工程机械厂家开始从事桥梁检测车的研制，主要有徐工集团、湖南宝龙等，其产品和性能均能达到国外设备的标准。 徐工集团：徐工集团成立于 1989 年，主要从事工程机械的研发和生产， 1997 年由徐工集团液压气动机械公司、西安公路交通大学和河南省公路局联合成功研制出XZJ5140JQJ10 型折叠臂式桥梁检测车，结束了我国无桥梁检测车的历史 7。 吊篮式 (折叠臂式 )桥梁检测车主要有 QJ07， QJ12， QJ16、 QJ16L，其桥下最水平距离8 16. 37 m，最大下桥深度 10 20m，最大承载 质量 100 200 kg。 2006 年 1 月，徐工集团成功研制出 18m 桁架式桥梁检测车，标志着徐工跻身于全球 4大桥梁检测车生产领域，与意大利 BARIN，德国 MOOG、美国凯捷公司并驾齐驱，进入桥梁检测车系列化的快车道。目前该集团己经形成 9 22m 桁架式系列产品，最大水平工作范围 9 21. 9m，最大下桥深度 6 8.5m，最大承载质量 600 800kg，最大跨越宽度 2.12.5m，最大跨越护栏高度 2.0 3.2m。 湖南恒润高利有限公司湖南恒润高利有限公司，有多年的高速公路建设与养护经验，是以提供满足客户需求 的高品质道路养护机械为目标，集产品研发、制造、营销为一体的专业化工程机械企业。 2009 年 2 月，该公司根据市场行情和发展需要，参照德国 MOOG 桥梁检测车，在其基础上合理改进，井在吸取国内外桥梁检测作业车经验的基础上研制推出 16 in 桁架式桥梁检测作业车。该公司目前主要有 HHR5250JQJ16， HHR5250JQJ08 车型，其最大水平工作范围 8 16 m，最大下桥深度 7. 0m，最大承载质量 600 700 kg，最大跨越宽度 2. 12. 2 m，最大跨越护栏高度 2.2m。 1.3 本文的主要研究内容 1. 根据桥梁检测的要求 ,确定桥梁检测车的总体方案和臂架机构的方案。 2. 设计出检测车臂架结构。 3. 液压控制操作方案。 无锡太湖学院学士学位论文 4. 折叠臂式桥梁检测车的稳定性。 折叠臂式桥梁检测车的设计 5 2 桥梁检测车主要结构的设计 2.1 折叠臂式桥梁检测车总设计方案 桥梁检测车按照举升机构可以分为四种类型。 1、 交叉剪刀式举升机构 交叉剪刀式 举升机构 是按交叉布置，铰接成剪刀型的连杆框架结构。当改变连杆交叉的角度时即实现升降运动，如图 2.1（ c）所示。连杆交叉角度的改变 ，可通过液压油缸活塞杆的伸缩或钢丝绳的收放来实现。这种举升机构能完成较低高度的作业，工作平稳，作业平台较大，被广泛的应用于飞机、船舶制造、室内维修、清洁电车线路维修等作业场地。但是，这种作业车越障能力差、工作范围小 。 2、 套筒式举升机构 套筒式 举升机构 通过多节套筒的伸缩完成升降运动，如图 2.1(d)所示。驱动方式也可采用液压传动或钢丝绳滑轮传动，这种垂直升降式举升机构作业高度有限，工作范围小，但作业车平台较大，且支撑稳定 。 3、伸缩臂式举升机构 伸缩臂式举升机构由多节套装、可伸缩的箱型臂构成，如图 2.1（ a）所示。它包括基本臂和伸缩臂两部分。伸缩臂可为一节或多节，各节间装有液压缸。液压缸工作时，各节臂在液压缸活塞杆的推动下可沿导向元件（滑块）上、下滑动，从而改变臂架的长度。整个臂架系统支承在液压缸底部的铰支座和变幅液压缸的两端。通过变幅液压缸活塞杆的伸缩实现臂架摆动，从而达到变幅与升降的目的。这种型式的臂架其最大作业高度可达 60 80 米。由于伸缩臂式举升机构可获得较大的作业高度和变幅，因此，被广泛的应用于各种 桥梁检测车 上。但是，这种作业车的越障能力差 。 4、折叠臂式举升机构 折叠臂式举升机构由多节箱形臂折叠而 成，如图 2.1（ c）所示。这种型式一般采用2 3 节折叠臂组成。其折叠的方式可分为上折式和下折式两种。各节臂的折叠和展开运动由各节间液压缸完成。这种型式的举升机构可完成一定高度和幅度的作业，另外，下折式还可完成地平面以下的空间作业，扩大了 折叠臂式桥梁检测车 的作业范围 8。由于折叠臂式举升机构具有灵活多样、适应性好、越障能力强等优点，所以，应用非常广泛 。 综上所述，由于折叠臂式举升机构 比 交叉剪刀式和套筒式的工作范围大、越障能力好，且折叠式举升机构 比 伸缩臂式举升机构来说具有灵活多样、适应性好、越障能力强等优点。 如图 2.1(b)所示。 相比较而言，折叠臂式桥梁检测车有着更多的有点，因此，本设计选择折叠臂式桥梁检测车作为研究对象。 无锡太湖学院学士学位论文 (a) 伸缩式 (b) 折叠式 (c) 交叉剪式 (d) 套筒式 图 2.1 桥梁检测 车的结构简图 2.2 总运动方案 通过下臂液压缸的伸缩，可以实现下臂的收放，再通过中间的上臂液压缸的伸缩，实现上臂的收放。工作平台的旋转，是通过下边后车体上的电机通过轴带动齿轮，再带动旋转平台上的大齿轮实现的。 工作人员站在工作平台上，由举升臂的收放实现在高空 3.5m 到 8m 的工作空间。 汽车的行走可以带动工作设备的移动，实现多地方的工作。 总装配图如下： 2.3 本章小结 本章通过比较，选择一种合适的桥梁检测车，最终确定了折叠臂式桥梁检测车。并确定了由电机带动回转平台，由液压缸实现举升的工作原理。 折叠臂式桥梁检测车的设计 7 3 折叠臂式桥梁检测车的设备装置 3.1 动力装置 动力传动装置包括 折叠臂式桥梁检测车 各工作装置的动力传动部分，其设计要求如下： (1)对作业功能，在规定的载荷范围内，不论载荷大小，要求动力传动装置具有稳定的工作转速 ； (2)在同一工作循环内，工作装置的回转机构、举升机构等是正向和 逆向运动交替进行的 ， 因此要求能适应运动方向的不断改变 ； (3)在工作过程中，各工作装置的工作速度应能随作业进度及时调整，且调速范围大，如举升机构需要有很低的微动速度。 1、内燃机 机械传动 这种传动方式仅在用途单一的 桥梁检测车 上使用。动力源为汽车发动机，动力经变速器传出后，还要经分动器、离合器、减速器、卷扬机、滑轮以及钢丝绳等传递到工作装置，传动路线长，结构较复杂。 2、电力 机械传动 这种传动方式是利用外接电源或车载电源（蓄电池），通过电动机将电能转换成机械能，再经机械传动装置将动力传递到各工作装置。 由于电动机具有逆转性和在较大转速范围内实现无级调速等特点，并且各机构可由独立的电机驱动，简化了传动和操纵机构，而且噪声小、污染少，适用在外接电源方便或流动性不大的场地作业。 3、 内燃机 电力传动 这种传动方式的路线是汽车发动机 发电机 电动机，然后带动各工作装置运转。其优点是利用直流电动机的优良工作特性，使 桥梁检测车 获得 良 好的作业性能 ， 但这些传动装置质量较大，价格昂贵。 4、 内燃机 液压传动 大部分 折叠臂式桥梁检测车 都采用这种工作方式，它可充分利用液压传动的优点，简化传动结构，并且易于实现无级调 速和运动方向的变换，传动平稳、操作简单、方便、省力、能防止过载 9。 综上所述，通过以上各种动力传动装置的结构、经济性、适用范围以及操作性能等多方面性能的分析，将动力传动装置选定为内燃机 液压传动这种形式。 3.2 工作装置类型 3.2.1 支腿机构 支腿机构是大多数 折叠臂式桥梁检测车 所必备的工作装置，目前均采用液压支腿。这类装置是利用从汽车发动机取出的动力来驱动液压泵，通过控制阀把液压泵产生的液压油供给液压支腿的工作缸，实现支腿伸缩。其优点是操作简单，动作迅速。 液压式支腿按数量来分有双支腿和四支腿两 种。双支腿的两个支脚布置在起重装置下的车体两侧，起支撑点只有两个，因而支撑能力低，稳定性差。 1、 单缸双支腿 无锡太湖学院学士学位论文 这 是用一个双作用液压缸来驱动两侧支腿伸缩的。这种支腿结构简单，操作方便，但液压缸行程长，且是浮置于箱形长槽内，动作慢，强度差，一般较少采用。 2、 双缸双支腿 其各支腿均由单独的液压缸驱动，其具有结构紧凑，动作迅速，制成效能高等特点。 3、 四支腿 其中两个支腿安装在汽车的后部，另两个支腿安装在前后轮之间。在作业车的两侧，一般具有操纵杆，可使前、后、左、右 4 个液压支腿单独地伸出或缩回，所以即 使在不平整或倾斜的地面上，也能把车调整到水平状态，提高了整车作业时的稳定性 10。 液压支腿按其结构形式又可分为：蛙式支腿、 H 式支腿和 X 式支腿。 1、 蛙式支腿 蛙式 支腿的伸缩动作由一个液压缸完成。这种支腿结构简单，液压缸数少，一支腿一液压缸，结构质量小。但支腿在伸出过程中受摇臂尺寸的限制，支腿的跨距不能很大，调平性能较差，且在支反力变化过程中有爬移现象。 2、 H 式支腿 这种形式的支腿对地面适应性好，易于调平，且在支反力变化过程中无爬移现象，是 桥梁检测车 车较理想的支腿形式。 H 式支腿由两个液压缸驱动即水 平推力液压缸和垂直的支撑液压缸。这种支腿形式的稳定性良好。 3、 X 式支腿 这种支腿的垂直液压缸作用在伸缩腿的中间，四个伸缩腿是同步工作的，而垂直液压缸可同时顶升，也可单独工作，以便对车架进行调平。由于 X 式支腿的垂直支撑液压缸作用在横梁的中间，而横梁又直接支撑在地面上，这就比 H 式支腿更加稳定。 综上所述， H 型支腿稳定性较蛙式支腿好，虽然 X 型支腿的稳定性比 H 型支腿更好，但 X 型支腿的离地间隙比 H 型支腿小。因此， 桥梁检测车 的支腿机构选择 H 型支腿 。 3.2.2 举升机构 举升机构的作用是实现作业平台的升降和变幅， 其结构型式有交叉剪刀式 、 套筒式 、伸缩臂式和折叠臂式 。 3.2.3 回转机构 回转机构是由回转驱动机构和回转支撑机构两部分构成的。 根据驱动装置的不同回转机构 可 分为：机械驱动式、电力驱动式和液压驱动式。 根据回转支撑的结构不同，回转机构可分 为 转柱式、立柱式和转盘式，其中转盘式是一种较常用的形式。 转盘式回转支撑装置又可分为两种：支撑滚轮式和滚动轴承式。支撑滚轮式回转支撑装置增大了转盘回转装置的高度，且质量增加，成本增大；滚动轴承式回转支撑装置是目前应用最多的一种，它是在普通滚动轴承的基础上发展起来的，结构上相 当于放大了的滚动轴承。其优点是回转摩擦阻力矩小，承载能力大，高度低。由于回转支撑装置的高度降低，可以降低整车的质心，从而增大了汽车的稳定性。 滚动轴承式回转支撑机构按结构可分为以下几种： 折叠臂式桥梁检测车的设计 9 1、 单排滚球式转盘 单排球转盘多数是由内外座圈组合成一个整体的滚道，其滚道是圆弧形曲面，是最简单的一种回转支撑装置，球和导向体从内圈或外圈的圆孔中装进滚道里，然后将装配孔堵塞。这种回转支撑装置的优点是：质量轻、结构紧凑、成本较低，但其承载能力小，故应用不多。 2、 双排滚球式转盘 主要由上、下双排球体、内、外座圈、间 隔体和润滑密封装置等组成。上、下球体均排列在一整体的内（或外）座圈内。双排球转盘回转支撑装置比同样大小和相同数目的单排球转盘回转支撑装置的承载能力要大得多。 3、 交叉滚柱式转盘 滚子的接触角一般为 45，相邻的滚子轴线交叉排列，即相邻的两圆柱滚子轴线成90交叉。这不但使回转机构能承受轴向和径向载荷，而且还能承受翻倾力矩。此外，和滚球转盘相比，这种滚道是平面，加工工艺比较简单