汽車起重機移動式跨越架的機構設計及仿真分析

劉 敏，丁登峰，甘利紅，劉 帆，劉胤辰，張 陽，王志斌

（1.國網湖北省電力有限公司咸寧供電公司，湖北咸寧 437000；2.湖北香城智能機電研究院有限公司，湖北咸寧 437000；3.湖北科技學院自動化學院，湖北咸寧 437100）

0 引言

在送變電行業的架線施工中，跨越是常見的施工工況[1]。跨越架是線路施工過程中用來支撐導、地線，臨時通過公路、鐵路、電力線以及弱電線路的架子。依據不同分類標準，跨越架的種類繁多，施工方式、跨越物的型式是影響分類的主要因素。常規跨越架采用架體和封頂絕緣網的結合模式。其中，架體的作用是承擔導、地線的放線沖擊，封頂絕緣網的作用是保護落線。跨越架的搭設、拆除需要投入大量的人力、物力，每次搭設、拆除的成本較高，同時存在安全隱患，容易造成架體坍塌、人員傷亡事故。文獻［2］中陳述了跨越架坍塌的原因，包括搭設不規范、極端天氣因素、施工現場環境復雜等。

基于常規跨越架存在的問題，開展新型跨越架的設計研究。文獻［3］進行了移動式快速跨越架的研制，形成長度18 m、寬度8 m 的防護平面，防護平面距離地面高度為6.5 m，其特點是機動性強、搭設速度快、可折疊的形式、重量輕等。文獻［4］進行了移動式可伸縮雙向回轉輸電線跨越架的結構設計，由U 形架、水平回轉支承、電動液壓推桿、底部固定支架、側方載人平臺等組成，安裝在定型的汽車起重機上。文獻［5-6］進行了移動展開式跨越架設計，由車體、轉臺、下液壓柱、上液壓柱、轉軸裝置、支撐桿、主桿以及臂架等組成。文獻［7］基于雨傘的工作原理進行了車載移動式跨越架的研制，由汽車起重機、跨越架本體以及附件等組成。

綜上所述，與常規跨越架相比，文獻［3-7］中新型跨越架不需要復雜的搭設、拆除流程，操作簡單其中文獻［7］中的跨越架工作原理最為簡單，實用性強。因此，基于文獻［7］中跨越架的工作原理，進行跨越架的機構設計及仿真分析，為新型跨越架的設計提供參考。

1 跨越架設計

汽車起重機是目前應用非常廣泛的一種起吊搬運機械，由起升、變幅、回轉、起重臂和汽車底盤組成，依靠起重臂的伸縮來搬運物品（圖1）。

圖1 汽車起重機

移動式跨越架基于汽車起重機載體，機動性強、轉移迅速。利用汽車起重機的回轉、起升、伸縮功能滿足跨越架的位置調整。跨越架的姿態調整需要依靠自身的結構實現，其主體結構采用折疊式。跨越架安裝于汽車起重機的主臂末端，有3 個自由度（圖2）。其中，自由度01、自由度02 滿足跨越架的姿態調整功能，自由度03 滿足跨越架的撐開、收縮功能。

圖2 跨越架工作原理

2 跨越架折疊機構設計

基于雨傘的工作原理，跨越架主體結構采用折疊式。首先，引入鉸鏈四桿機構以及機構的演化方法；其次，跨越架折疊機構設計。

2.1 鉸鏈四桿機構及機構的倒置演化

由于機構各部分的運動是由原動件的運動規律、機構中運動副的類型及機構的運動尺寸共同來決定，與構件外形、斷面尺寸、組成構件的零件數量及固定方式等因素無關。因此，根據機構的運動尺寸，按一定的比例尺寸確定運動副的位置，通過運動副、常用機構運動簡圖的代表符號及一般構件的表示方法將機構的運動傳遞情況表示出來。

鉸鏈四桿機構是平面四桿機構的基本形式，鉸鏈四桿機構包括3 種形式，分別為曲柄搖桿機構、雙曲柄機構及雙搖桿機構（圖3）。其他形式的四桿機構是其演化形式，如曲柄滑塊機構等。

圖3 鉸鏈四桿機構的形式

運動鏈選用不同的構件作為機架，可以演化出不同形式的機構，這種演化方法沒有改變運動鏈的尺寸和構件之間的相對運動關系，這種演化方法稱為機構的倒置（圖4）[8]。

圖4 曲柄滑塊機構的倒置

2.2 折疊機構設計

跨越架折疊機構屬于滑塊搖桿機構，由鉸鏈四桿機構、機構倒置演化而來。其中，滑塊是原動件，在行程范圍內移動，實現折疊功能。在機構中，常用傳動角大小及變化情況來評價機構傳力性能。傳動角越大，對力的傳遞越有利。為了保證機構性能良好，應使最小傳動角不小于40°～50°，對于受力小或不經常使用的操縱機構，允許傳動角小一些，不能發生自鎖。設計要求滑塊的行程為1000 mm，搖桿角度變化范圍為0°～90°，不能發生自鎖，即傳動角要求大于0°。

機構的設計方法通常包括圖解法、解析法。

圖解法是利用鉸鏈之間相對運動的幾何關系，通過作圖確定各鉸鏈的位置，從而定出各桿的長度。圖解法的特點是直觀、簡單、快捷，對于要求機構滿足的位置不多于3 個時設計十分方便，設計精度也能滿足工作要求，能為解析精確求解和優化設計提供初始值。

解析法是建立包含機構各尺度參數、運動變量在內的解析式，根據已知的運動變量求機構的尺度參數。解析法的特點是借助計算機求解，計算精度高，適應于對3 個或3 個以上位置設計的求解，對機構進行優化設計和精度分析十分有利。

綜合考慮上述機構設計方法及特點，本文跨越架折疊機構的設計采用圖解法，滿足上述設計要求。滑塊搖桿機構的運動簡圖如圖5 所示，圖中位置ABCD 為打開狀態、位置AB′C′D′為折疊狀態。

圖5 滑塊搖桿機構

滑塊搖桿機構的參數見表1，距離OA、距離OD、行程DD′及桿長CD 是根據實際情況確定的初始參數；桿長AB、桿長BC 是利用圖解法得出的設計結果。

表1 滑塊搖桿機構參數

3 機構分析

本文利用ADAMS 軟件進行機構分析，驗證滑塊搖桿機構設計結果的合理性，是否滿足設計要求。滑塊的初始位置為1500 mm，行程為1000 mm，速度為100 mm/s，仿真時間為10 s（圖6）。

圖6 滑塊位移曲線

搖桿的轉角曲線仿真結果如圖7 所示，在0 s 時搖桿轉角為88.28°，為最大值；在10 s 時搖桿轉角為13.04°，為最小值。因此，搖桿的轉角變化在0°～90°范圍內，滿足設計要求。

圖7 搖桿轉角曲線

滑塊搖桿機構的傳動角曲線仿真結果如圖8 所示，在0 s時搖桿轉角為59.23°，為最大值；在10 s 時搖桿轉角為36.97°，為最小值。因此，滑塊搖桿機構的傳動角始終大于0°，不會發生自鎖，滿足設計要求。

圖8 滑塊搖桿機構傳動角曲線

4 結論

基于汽車起重機，本文提出了一種三自由度的移動式跨越架，主體結構采用折疊式、滑塊搖桿機構，采用圖解法進行機構的設計；利用ADAMS 軟件進行機構分析，驗證機構設計的合理性，滿足設計要求。