基于汽車(chē)起重機(jī)的傘形跨越架建模與仿真分析

李志軍，劉 敏，甘利紅，楊 玄，王志斌

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司咸寧供電公司，湖北咸寧 437000；2.湖北科技學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，湖北咸寧 437100）

0 引言

送電線(xiàn)路的三大工序包括基礎(chǔ)、桿塔及架線(xiàn)。其中，架線(xiàn)是三大工序中技術(shù)要求高、施工難度大的一道工序，需要滿(mǎn)足質(zhì)量的要求標(biāo)準(zhǔn)[1]。在送變電行業(yè)的架線(xiàn)施工中，跨越是常見(jiàn)的施工工況[2]。跨越架是線(xiàn)路施工過(guò)程中用來(lái)支撐導(dǎo)、地線(xiàn)，臨時(shí)通過(guò)公路、鐵路、電力線(xiàn)以及弱電線(xiàn)路的架子[1-2]。為了保證架線(xiàn)工序順利進(jìn)行，當(dāng)架線(xiàn)施工段有障礙物時(shí)需要根據(jù)障礙物的大小、重要性及其他條件確定是否搭設(shè)跨越架和搭設(shè)跨越架的型式。傳統(tǒng)跨越架在搭設(shè)前需要實(shí)地勘測(cè)，考慮天氣等因素，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的審批流程、多方協(xié)調(diào)，搭設(shè)和拆除成本比較高，同時(shí)存在安全隱患，容易造成架體坍塌、人員傷亡事故。文獻(xiàn)［3］研究了跨越架坍塌的原因，包括搭設(shè)不規(guī)范、極端天氣因素以及施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜。

針對(duì)傳統(tǒng)跨越架在應(yīng)用中的存在問(wèn)題，開(kāi)展了新型跨越架研究。通過(guò)對(duì)比文獻(xiàn)［4-7］中跨越的結(jié)構(gòu)形式，文獻(xiàn)［7］中的設(shè)計(jì)方案更具優(yōu)勢(shì)。因此，本文基于文獻(xiàn)［7］中設(shè)計(jì)方案，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中使用情況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的升級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)形式更加合理。

1 傘形跨越架設(shè)計(jì)

1.1 載體

汽車(chē)起重機(jī)是目前應(yīng)用非常廣泛的一種起吊搬運(yùn)機(jī)械，由起升、變幅、回轉(zhuǎn)、起重臂和汽車(chē)底盤(pán)組成，依靠起重臂的伸縮來(lái)搬運(yùn)物品。新型跨越架是基于汽車(chē)起重機(jī)載體，實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、轉(zhuǎn)移迅速，并利用汽車(chē)起重機(jī)的回轉(zhuǎn)、起升、伸縮功能滿(mǎn)足跨越架的位置調(diào)整。

1.2 原理設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)的跨越架由于結(jié)構(gòu)形式原因，致使其位置和姿態(tài)的調(diào)整功能受限。因此，本文提出了3 個(gè)自由度的設(shè)計(jì)方案，以滿(mǎn)足跨越架的架體在架線(xiàn)過(guò)程中位置和姿態(tài)調(diào)整功能，其工作原理如圖1 所示。

圖1 傘形跨越架工作原理

跨越架安裝位置與汽車(chē)起重機(jī)的末端相連接。文獻(xiàn)［7］中跨越架的架體設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于雨傘，其傘骨架的結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示。本文架體結(jié)構(gòu)沿用該形式。回轉(zhuǎn)支承部件在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，被稱(chēng)為“機(jī)器的關(guān)節(jié)”，是兩物體之間作相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的重要傳動(dòng)部件。因此，圖1 中跨越架的傳動(dòng)部件采用回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)形式。關(guān)節(jié)01（自由度01）采用一側(cè)是回轉(zhuǎn)支承，另一側(cè)采用軸承的組合形式；關(guān)節(jié)02（自由度02）采用回轉(zhuǎn)支承。對(duì)自由度03 的原動(dòng)件進(jìn)行改進(jìn)，將液壓缸更改為電動(dòng)缸，實(shí)現(xiàn)架體的展開(kāi)和折疊功能。

圖2 傘骨架示意

1.3 建模

基于SolidWorks 軟件進(jìn)行三維建模，由于跨越架的結(jié)構(gòu)構(gòu)件由若干個(gè)零部件組裝焊接而成。因此，本文采用多實(shí)體零件的建模思路[8-9]。為了進(jìn)行仿真模擬分析并節(jié)省計(jì)算機(jī)運(yùn)算資源，對(duì)跨越架的實(shí)體結(jié)構(gòu)和線(xiàn)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。傘形跨越架的三維模型如圖3 所示，其中主體結(jié)構(gòu)由鋼板焊接而成；支臂采用桁架結(jié)構(gòu)，由矩形管、方管及鋼板焊接而成；支臂之間采用繩網(wǎng)連接。

圖3 傘形跨越架三維模型

2 仿真分析

基于跨越架的模型復(fù)雜程度較高，對(duì)模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格、接觸設(shè)置及求解等操作，要求計(jì)算機(jī)的性能比較高，因此本文采用局部仿真的方式進(jìn)行計(jì)算分析。跨越架的主支臂是主要的承載結(jié)構(gòu)，直接受到落線(xiàn)的沖擊。其中，一部分沖擊力通過(guò)主支臂傳遞到主體結(jié)構(gòu)；另一部分通過(guò)主支臂傳遞到繩網(wǎng)，再傳遞到主體結(jié)構(gòu)。只考慮主支臂傳遞到主體結(jié)構(gòu)的部分，忽略其他影響，分別對(duì)跨越架的主支臂和主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析。跨越架的主支臂和主體結(jié)構(gòu)材料均選用Q345 鋼。

2.1 主支臂仿真分析

主支臂是跨越架的重要承載結(jié)構(gòu)，是一種可折疊的機(jī)構(gòu)，組成構(gòu)件的零件之間采用綁定約束，構(gòu)件之間采用鉸接的形式，約束條件如圖4 所示。

圖4 主支臂約束條件

主支臂的載荷主要包括重力和沖擊力，加載情況如圖5 所示。

圖5 主支臂加載情況

基于主支臂的約束條件和加載情況，主支臂的變形分布情況如圖6 所示，最大變形量為54.291 mm。

圖6 主支臂變形分布

主支臂的應(yīng)力分布情況如圖7 所示，構(gòu)件中零件之間的連接導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力奇異，不能反映真實(shí)情況。主材的應(yīng)力值比較小，在160 MPa 左右。

圖7 主支臂應(yīng)力分布

主支臂支反力的提取主要是用于跨越架的主體結(jié)構(gòu)的加載，通過(guò)探針顯示結(jié)果（圖8、圖9）。

圖8 主支臂Joint Probe 1

2.2 主體結(jié)構(gòu)仿真分析

跨越架的主體結(jié)構(gòu)的加載根據(jù)實(shí)際情況，選用綁定約束、接觸約束；載荷根據(jù)圖8、圖9 中探針的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行加載。主體結(jié)構(gòu)的約束和加載情況如圖10 所示。

圖10 主體結(jié)構(gòu)約束條件和加載情況

基于主體結(jié)構(gòu)的約束條件和加載情況，主體結(jié)構(gòu)的變形分布情況如圖11 所示，其最大變形量為3.1726 mm。

圖11 主體結(jié)構(gòu)的變形分布

主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況如圖12 所示，構(gòu)件中零件之間的連接導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力奇異，不能反映真實(shí)情況。主材的應(yīng)力值比較小，在100 MPa 左右。

圖12 主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于汽車(chē)起重機(jī)載體的3 自由度傘形跨越架，能夠滿(mǎn)足跨越架的架體在架線(xiàn)過(guò)程中位置和姿態(tài)調(diào)整功能。基于Solid Works 軟件進(jìn)行三維建模，并且進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化處理。在靜載荷作用下對(duì)傘形跨越架的主支臂、主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，傘形跨越架的主支臂、主體結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，符合材料Q 345 鋼的許用應(yīng)力要求。