智能梁底巡檢機器人底盤抗風穩定性研究

摘要：針對智能梁底巡檢機器人在風載環境下的穩定性問題，進行了一系列的研究。首先，根據《起重機設計規范》（GB/T 3018—2008）數值計算巡檢機器人在靜止狀態下的抗風等級，結果表明在13級風力等級的情況下該巡檢機器人會受風載影響發生位移。利用Ansys軟件瞬態分析模擬在13級風載下巡檢機器人各零部件所受等效應力，結果發現在13級風力等級下巡檢機器人部件材料所受最大等效應力遠遠超過材料的最大屈服極限，即表明內部材料發生破壞甚至斷裂情況。為進一步探究巡檢機器人整體在無內部損傷情況下的抗風等級，利用Ansys軟件模擬機器人固定狀態進行靜力學分析，結果表明巡檢機器人在無內部損傷情況下最大承受813 Pa壓力，即10級風力。若智能梁底巡檢機器人的使用環境需滿足更高等級的風力級別要求，則需要加固主旋轉軸與主體的連接處，或更換最大屈服應力更高的材料。

關鍵詞：梁底巡檢機器人；底盤；抗風性；穩定性；風場模擬

中圖分類號：U461 收稿日期：2024-05-07

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407013

1 前言

智能梁底巡檢機器人是一種專門用于橋梁檢測的自動化設備。它通過搭載多種傳感器和成像設備，如高清攝像頭、紅外熱成像儀、激光掃描儀等，能夠對橋梁的結構完整性、裂縫發展、鋼筋銹蝕等情況進行詳細監測。通過實時傳輸檢測數據至監控中心，工程師可以快速分析數據，對緊急情況作出迅速反應。智能梁底巡檢機器人的應用，可以大大縮短檢測時間，減少檢測人員在危險環境下工作的風險，實現橋梁健康狀況的常態化監測，為橋梁的管理和維護提供科學依據。

這種機器人通常沿著橋梁底部移動，通過預設的軌道或者自主導航技術進行巡檢，快速覆蓋橋梁底部廣闊的區域，但也正是由于這種機器人的工作場景通常處于廣袤開闊的橋底，因此受風載荷影響較大，非工作時需要有固定裝置防止設備因風力過大而發生損壞、斷裂、疲勞等現象的出現[1-2]。對智能梁底巡檢機器人底盤進行抗風分析可以有效了解機器人所能承受的最大風力等級以及薄弱處，對其易損位置進行加固以及在其靜止時采用合理的固定方式防止風載荷引起的損壞是十分必要的[3-4]。

2 理論計算分析

智能梁底巡檢機器人整車零部件質量總和經估算約為300 kg，行走輪使用橡膠車輪與鋼制導軌相連，靜摩擦因數約為0.9，靜摩力可表示為：

[f=μn=0.9×300×9.8 N=2 646 N] （1）

基于《起重機設計規范》（GB/T 3018—2008）查詢巡檢機器人側面迎風面積及抗風系數，計算巡檢機器人所受風載力。

非工作狀態縱向風載荷為：

[P=CKhPmaxA] （2）

式中，P為作用在設備上的非工作狀態最大風載荷，kN；C為風力系數；[Kh]為風壓高度變化系數；[A]為起重機構件垂直于風向的實體迎風面積，它等于構件迎風面積的外形輪廓[A0]乘以結構迎風面充實率[?]，即[A=A0?]。

2.1 風力系數

根據巡檢機器人實物圖可知，順橋向吹風時巡檢機器人主要迎風面分別為主體結構側面矩形型材[A1]長度1 585 mm，寬為200 mm；移動結構側面矩形擋板[A2]長度582.76 mm，寬為273.53 mm；探測管的側面半圓面[A3]長度分別為2 000mm和1 465.5 mm，直徑均為60 mm。智能梁底巡檢機器人迎風面積示意如圖1所示。

根據《起重機設計規范》4.2.2.3.5條，主梁空氣動力長細比計算方式為：

[空氣動力長度比=構件長度隨風向的截面高（寬）度=ld] （3）

主梁長細比示意如圖2所示。

因此可得主梁各構件不同的空氣動力長細比，分別為：

[l1b1=7.925，l2b2=2.131，l3b3=33.333，l4b4=24.425] （4）

如《起重機設計規范》表16可知，主梁風力系數則為1.35、1.3、1.0、0.9。

2.2 風壓高度變化系數

巡檢機器人實際工作位置處于海平面以上，工作平面距離海平面高度達60 000 mm，如《起重機設計規范》表19可知，主梁風壓高度變化系數為1.4。

2.3 實體迎風面積

順橋向吹風時巡檢機器人主要迎風面為主體結構側面矩形型材、移動結構側面矩形擋板以及探測管的側面半圓面，因此分位部分計算迎風面積，計算如下：

[A1=317 000 mm2，A2=159 402.34 mm2A3=120 000 mm2，A3=87 930 mm2] （5）

2.4 主梁非工作狀態最大縱向風載荷

根據實際現場情況可知斜腹板與橋面傾斜角度為69°，因此若在靜止狀態下巡檢車受到順橋面風力滑動，則風力需大于靜摩擦力，即：

[P=CKhPmaxA≥f] （6）

根據計算可得[Pmax≥2 126.92 Pa]，根據《起重機設計規范》（GB/T 3018—2008）表E.1可知，該設備靜止狀態時完全可抵御13級風力而不會滑動。

3 瞬態動力學抗風仿真驗算

瞬態動力學仿真模擬是一種分析結構在動態載荷作用下應力變化的方法。它專注于研究運動過程中的應力分布和變化，以及結構對動態事件的響應［5］。模擬動態載荷的效應，如沖擊、爆炸、地震波等，瞬態動力學仿真模擬通常涉及時間歷程分析，它關注結構在一段時間內的響應，包括應力、應變、位移等隨時間的變化。通過仿真，可以分析和預測結構在動態事件中應力的瞬時變化，這對于評估結構的耐久性和安全性至關重要。在模擬中，瞬態動力學仿真模擬可以提供結構在整個動態事件中的全面響應，包括峰值應力、持續時間、疲勞累積等。通過分析運動過程中的應力變化，可以對結構設計進行優化，以提高其對動態載荷的抵抗能力［6-7］。

瞬態動力學仿真模擬是一個復雜的過程，需要精確的模型、適當的假設和高效的計算方法。它通常用于工程領域的多種應用，如汽車工程、航空航天、機械設計、結構工程等，以確保結構在動態環境中的安全性和性能［8］。

3.1 仿真模型建立

全國重點實驗室自主研制的T型鋼斜腹板智能梁底巡檢機器人由行走機構、動力系統、回轉支撐機構、圖像采集系統等構成。智能梁底巡檢機器人工作環境位于箱梁腹板的斜面軌道，如圖3所示。智能梁底巡檢機器人利用電機驅動3臺橡膠移動輪在鋼制軌道上同步行走，下方三連管和上方單管共搭載14個高清攝像機持續拍攝橋底病害畫面。下方三連管最大旋轉角度360°，可實現過墩、過縫的功能，同時懸臂的全平面旋轉可實現了梁底的圖像全覆蓋，通過橋梁云管理平臺的拼接算法處理可以在頁面端合成梁底拼接三維展示圖，內置的圖像識別算法能對梁底病害進行病害智能識別分析，在橋梁云管理平臺上同步展示梁底情況的全尺寸三維圖和橋梁病害預警信息。

根據智能橋檢車實物圖在Solidworks軟件中完成智能橋檢車外觀的三維模型圖建立，保留下方三連管和上方單管與主體的抱箍連接方式；舍棄主體內部復雜零件的組成，降低仿真復雜度，提高仿真時間與精確度。各零部件整體質量總和約為300 kg，在仿真模型中設置普通鋁合金材料，更改密度參數，使整體質量達到300 kg左右，提高仿真模型與實物的質量貼合度，達到更精確的仿真效果。

在Ansys軟件中采用六面體法對智能巡檢機器人進行網格劃分，如圖4所示，根據智能巡檢機器人工作特點以及橡膠移動輪和鋼制軌道是巡檢機器人的主要摩擦接觸對的工作情況，對部分部件局部加密，建立靜力學仿真網格模型。網格劃分結果質量較好，節點數達235 839，單元數為109 338。

3.2 邊界條件設置

為模擬智能梁底巡檢機器人在T型鋼斜腹板單軌道受風載荷移動的運動狀態，設置T型斜腹板上的軌道為固定支撐，保持不動；沿著y軸負方向設置標準地球重力，模擬重力；對智能梁底巡檢機器人主體部分側面設置沿x軸法線方向的壓力，壓力值為2 127 Pa，如圖5所示。通過設置除壓力外完全相同的邊界參數，研究理論計算下的最大風壓對智能梁底巡檢機器人內部構建的應力影響。

3.3 計算結果分析

計算結果發現，智能梁底巡檢機器人在T型鋼斜腹板單軌道受風載荷為2 127 Pa時會沿著T型鋼斜腹板單軌道移動，且內部最大等效應力達到了4.2 GPa，如圖6所示。在理論計算下的最大風載荷的影響下，巡檢機器人所受的最大等效應力已經超過了材料的屈服極限0.28 GPa，即內部已經出現破壞的情況。

如圖7所示，巡檢機器人最大等效應力出現在導向輪上，該處應力較大的原因可能是為防止機器人脫離軌道。

如圖8所示，當智能梁底巡檢機器人在T型鋼斜腹板單軌道受沿x軸法線方向2 127 Pa風載荷時，在1 s內的時間內，最大等效應力存在高頻、高數值波動，且多次遠超材料的最大屈服應力，表明在該風載情況下的巡檢機器人零部件應力過大受損情況比較嚴重。

3.4 小結

瞬態動力學的仿真表明，當智能梁底巡檢機器人在受到理論計算下的最大風載下即最大風力[Pmax≥2 127 Pa]時，該智能梁底巡檢機器人受持續性高數值波動應力，其最大值數倍超過材料的極限屈服應力，該工況下巡檢機器人極有可能已完全被破壞或者斷裂變形。

4 靜力學抗風仿真模擬

靜力學抗風仿真模擬是一種工程分析方法，用于評估和預測建筑物或其他結構在靜止風作用下的受力和響應。靜力學抗風仿真模擬通常使用專業的計算機輔助工程（CAE）軟件來完成，如有限元分析（FEA）軟件，這種方法在工程設計中被廣泛應用，尤其是在高層建筑、橋梁、輸電塔等易受風影響結構的設計和評估中。通過仿真模擬，工程師可以在實際建造之前預測結構在風作用下的行為，從而做出更合理的設計決策。

瞬態仿真的結果分析表明在理論計算的巡檢機器人所能承受的最大風力等級下，巡檢機器人各零部件所受應力均遠遠超過了材料的最大屈服應力。理論計算未能考慮巡檢機器人部件材料的實際承受的應力，因此不能將理論計算數值作為巡檢機器人可承受風力等級的標準。進一步采用靜力學仿真分析，模擬巡檢機器人被固定在軌道上，計算此時各部件材料在最大屈服極限內所能承受的最大風力等級。

4.1 邊界條件設置

為模擬智能橋檢車被固定在T型鋼斜腹板單軌道時受風載影響的各部件狀態，設置T型斜腹板上的軌道為固定支撐；設置3臺橡膠移動輪與鋼制軌道為固定接觸，模擬巡檢機器人被固定的工況；沿著y軸負方向設置標準地球重力，模擬重力；由于在實際工作環境中，智能梁底巡檢機器人的工作環境通常在梁底，主要受橫向風載影響，因此對智能梁底巡檢機器人主體部分側面設置沿x軸法線方向的壓力，壓力值為813 Pa，模擬橫向風載。

4.2 計算結果分析

計算結果表明，該智能梁底巡檢機器人固定在T型鋼斜腹板單軌道時，若受到813 Pa的沿x軸法向方向的橫向風載壓力時，巡檢機器人所受最大等效應力為0.277 GPa，且最大等效應力處同樣為主旋轉軸與主體的連接處，如圖10所示。該最大等效應力并未達到材料的屈服極限0.28 GPa，但沿x軸法向方向的橫向風載壓力若繼續提高，那么巡檢機器人內部部件極有可能發生破壞。

如圖11所示，巡檢機器人最大等效應力出現在主旋轉軸與主體的連接處上，接近材料的最大屈服應力。該處應力較大的原因可能是由于承受下方三根管變形的扭矩，為防止該處的持續性疲勞損傷，應進行加固處理或者更換更大極限屈服應力的材料，防止斷裂。

如圖12所示，該機器人上方單管最遠處為最大位移處，最大形變量達到0.022 m。最大形變量為單管整體長度的0.73%，根據經驗可知，此變形量不會對單管造成影響，在可控范圍內，可以忽略不計。

4.3 小結

智能梁底巡檢機器人固定在T型鋼斜腹板單軌道且受到813 Pa的沿x軸法向方向的壓力，巡檢機器人所受最大等效應力為0.278 GPa，還未超過材料的最大屈服應力，但若再增大風載壓力時則極有可能發生材料斷裂等情況，對智能梁底巡檢機器人工作產生一定的危險性。根據《起重機設計規范》（GB/T 3018—2008）表E1可知，即最大可承受10級風力等級的風載，小于理論計算的所受最大風力等級。

5 結語

智能梁底巡檢機器人在T型鋼斜腹板單軌道上靜止時，所需風載經理論計算所得最大為[Pmax≥2 126.97 Pa]；經瞬態動力學仿真計算發現，當風載2 127 Pa時智能梁底巡檢機器人將在T型鋼斜腹板單軌道上運動，但受持續性高數值波動應力，且最大等效應力遠超材料的最大屈服應力，存在破壞或斷裂的情況。進一步通過靜力學仿真分析發現，為保證智能梁底巡檢機器人在固定時各零部件材料均不超過最大屈服應力，能承受的最大橫向風載為813 Pa。

通過以上研究分析表明，該智能梁底巡檢機器人靜止時所能承受的最大風力等級極限為10級，如果需要承受更強的風力等級，需要對主旋轉軸與主體的連接處部件進行加固或者更換更大極限屈服應力材料，以抵抗更大的扭矩。

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作者簡介：

張余，男，1997年生，助理工程師，研究方向為機械設計與制造。

基金項目：中國中鐵股份有限公司科技研究開發計劃課題（2021-專項-04-1）；中鐵大橋局集團有限公司科學技術研究與開發課題（2021-04-重大）；國家重點研發計劃“城鎮可持續發展關鍵技術與裝備”專項“城市橋隧群智慧運維關鍵技術與應用”項目城市橋隧群天-空-地區域智能監測與群智感知技術及全網優化策略課題（2023YFC3805701）；中國中鐵股份有限公司科技研究開發計劃項目（2021-專項-08）