基于虛擬樣機的軌行式橋檢車設計及優化

閆府，王金棟，趙健，安路明，任延龍

（1.610031 四川省 成都市 西南交通大學 機械工程學院；2.300300 天津市 中國鐵建大橋工程局集團有限公司）

0 引言

橋梁結構老化、損傷積累等各種病害使得橋梁運用過程中存在安全隱患，嚴重時會引發安全事故，因此對于橋梁的周期檢測和保養尤為關鍵[1]。橋梁檢測車是一種為橋梁檢測人員在檢測過程中提供作業平臺、配合橋梁檢測儀器用于預防性檢測和橋梁病害維修的專用作業車[2]，主要分為車載式和軌行式。其中，軌行式橋檢車多為單跨、單聯。一座大橋往往需要數臺橋檢車才能滿足檢測需求[3]，該類型橋檢車目前國內外均有廣泛應用，如日本多多羅大橋、重慶菜園壩大橋、寧波灣頭大橋等。厄勒海峽大橋為公鐵兩用雙塔斜拉橋，采用了一種新型軌行式橋檢車，結合臂架式橋檢車的特點并配備了轉盤結構，車體能夠旋轉，順利通過橋墩頂部預留的通道，實現全橋一車檢測，該類型橋檢車目前國內尚無應用。

軌行式橋檢車屬于高空作業工程機械，對其工作穩定性有著較高的要求，因此，對其進行優化設計顯得十分必要。其中，對于變幅油缸受力的優化，傳統的優化設計主要依靠設計人員的經驗，存在一定程度的不準確性。借助虛擬樣機技術，以參數化分析方法為核心的優化過程能夠體現其高效性和優越性[4]。雷超欽[5]等人在ADAMS 中建立牛頭刨床模型，并利用優化設計方法，以牛頭刨床連桿的壓力角作為目標函數進行優化分析，提高了牛頭刨床的工作效率；徐懷玉[6]等人以混凝土泵車為研究對象，在ADAMS 中建立一節臂變幅機構的虛擬樣機，并以變幅過程中油缸力變化最小為優化目標，對變幅機構鉸點位置進行優化，研究表明，優化后的鉸點位置改善了油缸的受力狀況，減少了變幅對液壓系統的沖擊；黃柯[7]采用ADAMS 對23 m 泵車臂架系統進行參數化建模，求得油缸最大載荷后，對油缸鉸點的坐標位置尺寸進行優化，達到了降低油缸最大載荷的目的，從而降低臂架系統的質量。

針對特定橋梁，本文設計了一種梁下軌行式橋檢車，并應用ADAMS 建立整車虛擬樣機模型，對其進行運動學分析后，驗證了橋檢車可以滿足檢修使用功能。基于虛擬樣機模型，對變幅油缸鉸點位置進行優化，進而改善變幅油缸的受力狀況。

1 橋檢車整體結構設計

1.1 橋梁結構特征

如圖1 所示，大橋采用雙層布置，主橋為鋼桁拱，橋橫向均為三主桁鋼桁梁結構，其鋼桁架結構的桿件交叉連接節點及高強螺栓較多，上層橋面板為全封閉正交異型鋼板，這些都是檢查維護的重點。

圖1 橋梁總體結構圖Fig.1 Overall structure of the bridge

1.2 橋檢車整車構成

橋檢車主要由軌道系統、走行機構、轉盤、桁架、臂架結構以及吊籃組成，其中臂架結構和吊籃在桁架兩側對稱分布。走行機構通過鋼輪倒置于橋梁梁底的H型鋼軌道上，由電機驅動沿軌道行走，上、下轉盤通過液壓油缸的伸縮來實現相對90°的轉動，從而實現橋檢車的縱向行走以及橫橋向檢測維護。桁架主要起著連接轉盤與臂架結構、承載作業人員、液壓系統、控制系統以及電源系統的作用，桁架兩端的臂架結構在液壓油缸的控制下可在一定范圍內自由展開，作業人員可站在伸縮臂末端的吊籃中對橋梁進行檢查維護[8]。橋檢車整體構造如圖2 所示。

1.3 轉盤結構設計

轉盤可以實現車體與橋梁相對旋轉，其結構較復雜精密。上轉盤為環形結構，在上轉盤上設置有連接座，用于與走行機構連接，中間橫梁上設置有鉸接支座，與1 號變幅油缸的缸體連接。下轉盤也是環形結構，倒掛于上轉盤上，下轉盤上設置有連接座，與桁架連接，中間橫梁上設置有鉸接支座，與1 號變幅油缸的活塞桿端連接。下轉盤倒掛于上轉盤上，在上、下轉盤之間設置滑道，滑道中開有凹槽，用于放置錐形滾軸。轉盤結構如圖3 所示。

圖3 轉盤結構三維模型Fig.3 Three-dimensional model of turntable structure

2 動力學分析及優化

2.1 多剛體虛擬樣機建立

將圖4 所示橋梁-橋檢車裝配體模型導入ADAMS 中，進行模型的編輯，主要包括簡化模型、定義材料屬性等。表1 為橋檢車各主要構件屬性參數。根據實際運動形式創建運動副，施加約束以及載荷。其中，由于運動過程中吊籃在自動調平系統作用下始終保持水平，因此在吊籃上添加平行約束，約束其與地面始終平行，且考慮到吊籃的最大承載質量為200 kg，在吊籃上施加一個水平向下大小為2 000 N 的載荷。驗證模型后，添加驅動完成整車虛擬樣機模型的建立。

圖4 橋梁-橋檢車裝配體模型Fig.4 Bridge-bridge inspection vehicle assembly model

表1 橋檢車主要構件屬性Tab.1 Attributes of main components of bridge inspection vehicle

2.2 運動路徑規劃

在ADAMS 中利用虛擬樣機仿真規劃各構件的運動路徑，在保證不與橋梁及其附屬結構發生干涉碰撞的前提下，將吊籃送往各待檢修位置。橋檢車各構件順序動作時，各運動副上驅動用STEP 函數表示。如圖5 所示，前20 s 內，橋檢車縱向行走一定距離后下轉盤相對上轉盤旋轉90°，使臂架結構到達橫橋向初始狀態；20～65 s內，各臂順序動作，將吊籃送往各待檢修位置。具體驅動函數為：

圖5 橋檢車運動位姿示意圖Fig.5 Schematic diagram of bridge inspection vehicle movement posture

桁架-大臂旋轉副上的驅動MOTION1：STEP(time,0,0,30,0d)+STEP(time,30,0,45,45d)+STEP(time,50,0,55,-10d)

大臂-中間臂旋轉副上的驅動MOTION2：STEP(time,0,0,35,0)+STEP(time,40,0,45,77d)

中間臂-伸縮臂1 旋轉副上的驅動MOTION3：STEP(time,0,0,20,0d)+STEP(time,20,0,25,10d)+STEP(time,35,0,40,30d)+STEP(time,45,0,50,55d)+STEP(time,60,0,65,20d)

伸縮臂1-伸縮臂2 移動副上的驅動MOTION4：STEP(time,0,0,25,0)+STEP(time,25,0,30,500)+STEP(time,55,0,60,800)

運動仿真得到各變幅油缸的伸縮量-時間變化曲線如圖6。為準確模擬橋檢車實際運動形式，取消各旋轉副上的旋轉驅動，按圖6 所示曲線用STEP函數替換為各變幅油缸移動副上的伸縮驅動。

圖6 變幅油缸伸縮量-時間變化曲線Fig.6 Luffing cylinder displacement-time curve

為獲得運動過程中吊籃與橋梁的相對位置關系，在吊籃頂部邊緣處建立了一個Marker 點M 用于測量分析，仿真得到吊籃運動范圍包絡曲線圖，如圖7 所示。

由圖5 和圖7 可見，橋檢車可在不與橋梁發生干涉碰撞的前提下實現對橋梁上層橋面底部、側面及側面立柱上部區域的覆蓋，滿足檢修使用功能。

圖7 包絡曲線圖Fig.7 Envelope curve

2.3 油缸鉸點位置優化

2.3.1 油缸受力分析

定義仿真時間為65 s，仿真步數為2 000 步，進行動力學仿真分析，得到各變幅油缸的受力變化曲線，如圖8 所示。從圖8 可知，在驅動函數發生變化的時間點上，受力曲線存在不同程度的階躍現象，這是由于變幅油缸由靜止突然運動后產生速度階躍引起的。

圖8 變幅油缸受力變化曲線圖Fig.8 Luffing cylinder force change curve

同時，前20 s 內，橋檢車縱向行走以及轉盤旋轉工況下，各油缸受力平穩；20～30 s 內，由于只發生伸縮臂的旋轉和伸長，2 號、3 號變幅油缸受力基本不發生變化，4 號變幅油缸受力有小幅度降低；30～35 s 內，大臂向下旋轉45°，其他油缸不動作，2 號、4 號變幅油缸受力增大，3 號變幅油缸受力減小；40～45 s 內，中間臂旋轉77°，到達橫橋向位姿2 狀態，臂架結構的整體重心向遠離桁架方向發生了較大偏移，2 號變幅油缸受力有較大幅度的增大，同時3 號變幅油缸的力輸出方式由推力變為拉力；45～65 s 內，伸縮臂旋轉及伸長后到達橫橋向位姿3 狀態，臂架結構的整體質心向遠離桁架方向繼續偏移，其中50 s 時，2 號、3號變幅油缸的受力達到最大，分別為1.68e+5 N 和9.02e+4 N，65 s 時；4 號油缸的受力達到最大，最大為7.51e+4 N。通過分析可知，仿真曲線變化趨勢與實際情況相符。

在一定的工作位置，油缸的受力較大，在實際使用過程中可能會造成三方面的不利影響：（1）若液壓缸缸徑一定，將會需要很高的油缸工作壓力，才能滿足負載要求，而油缸工作壓力增大會加劇油缸在運動過程中的泄漏情況；（2）若油缸工作壓力一定，受力過大會導致油缸的尺寸過大，在緊湊的空間內，不利于臂架裝置和油缸的排布設計；（3）受力大可能會導致液壓系統內受力變化幅度過大，液壓沖擊也隨之增大。因此，對油缸的最大受力進行優化十分必要，但由于篇幅有限，本文僅對3 號變幅油缸的最大受力進行優化設計。

2.3.2 優化目標函數

為降低油缸的液壓沖擊，提升運動過程中油缸的平穩性，以3 號變幅油缸最大工作受力最小化為優化目標，即：

式中：F3——3 號變幅油缸運動過程中的受力。

2.3.3 油缸鉸點參數化

本文采用參數化點坐標的方式將油缸鉸點位置進行參數化處理，進而將其坐標值與驅動、各臂架結構的形狀等關聯起來，將鉸點A、B 的X坐標和Z坐標進行參數化，完成優化設計變量的創建，設計變量的坐標如表2 所示。

表2 設計變量坐標值Tab.2 Design variable coordinate value

2.3.4 設計變量取值范圍

創建設計變量后，根據總體結構布置、油缸行程等因素限制，確定4 個設計變量的取值范圍，具體如表3 所示。

表3 設計變量取值范圍Tab.3 Design variable value range

2.3.5 敏感度分析

利用ADAMS/View 提供的設計研究功能對每個設計變量進行敏感度分析，確定設計變量對目標函數的影響趨勢以及影響程度的大小。各設計變量的敏感度分析結果如表4 所示。

表4 設計變量敏感度Tab.4 Design variable sensitivity

從表4 可以看出，4 個設計變量對目標函數均存在一定程度的影響，其中DV_1 的影響最大，本文選擇4 個設計變量均參與目標函數的優化。

2.3.6 優化分析

由于前20 s 內為橋檢車縱向行走和轉盤旋轉動作，此階段內3 號油缸受力基本不發生變化，為提高計算效率，本文對橋檢車20 s 后運動過程中3號油缸的最大受力進行優化。

以DV_1、DV_2、DV_3、DV_4 作為設計變量，取目標函數的最小值作為優化目標，利用ADAMS的優化設計功能進行優化計算，完成對3 號油缸鉸點位置的優化后，得到滿足目標函數最優解時的各設計變量值，具體如表5 所示。系統完成對機構的優化后，通過曲線窗口，可以直觀地觀察目標函數在優化迭代過程中的變化情況，具體如圖9 所示。

表5 設計變量的坐標值變化Tab.5 Coordinate value changes of design variables

圖9 目標函數的迭代過程Fig.9 Iterative process of objective function

將優化前后3 號變幅油缸的受力曲線進行對比，如圖10 所示。

從圖10 可以看出，優化后的油缸受力整體趨勢與優化前一致，優化后的油缸受力局部高于優化前，但隨著鉸點位置坐標的變化，油缸最大受力由90 179 N 變成了86 417 N，油缸最大受力降幅為4.17%，改善了油缸的受力狀況，對于其它油缸也存在類似的優化效果。

圖10 3 號變幅油缸受力優化圖Fig.10 Force optimization diagram of No.3 luffing cylinder

3 結語

（1）針對特定橋梁的檢測需求，設計了一種可以在橋梁梁下縱向行走以及橫橋向檢測維護的軌行式橋檢車，實現全橋一車檢測。

（2）利用動力學仿真軟件ADAMS 建立橋檢車整車虛擬樣機模型，并進行運動學仿真，規劃臂架結構運動路徑，驗證其可以滿足檢修使用功能。

（3）以3 號變幅油缸為例，參數化油缸鉸點位置并進行敏感度分析后，優化油缸最大受力，結果表明，通過調整油缸鉸點位置，可有效降低油缸最大受力，在一定程度上改善了油缸受力狀況，為類似工程機械的設計和優化提供了參考。