江周，王少华，张露
(西南交通大学机械工程学院，成都610031)
MECHANICAL ENGINEER
摘要：针对悬索桥主缆的特点，提出了一种液压马达驱动，爬坡能力强，具备跨越主缆附属设施能力，适用于悬索桥主缆 曰常检查、维修的主缆检修车。介绍了检修车的总体结构组成以及各个机构功能，并对关键部件驱动机构的橡胶轮轮毂、翻 板结构做了有限元受力分析，分析结果表明此主缆检修车结构安全可靠。 关键词：悬索桥主缆；检修车；结构设计；有限元分析
中图分类号:TH 122 文献标志码:A文章编号：1002-2333(2017)08-0026-03
0引言
我国现处于交通发展黄金时期，大跨度悬索桥建设
正在蓬勃发展，近年来已建设有主跨在400 m及以上的
缆索体系桥梁已达百座。悬索桥桥面及桥面上车辆、行人
等重力载荷主要由主缆承受，其健康程度尤为重要。风、
雨、冰冻、温度及湿度变化等自然因素在长时间的作用下
会对主缆造成一定的侵蚀，因此应当对主缆以及吊索等
构件进行定期的检测维护。由于悬索桥主缆往往垂直高
差大、坡度陡、现场环境非常复杂，导致主缆的检查维修
任务越来越重，也越来越难以实施。目前，悬索桥主缆主
要采用人爬的方式进行检查维护，存在作业危险、效率低
下、有些检查部位无法达到等弊端。因此，研究开发一种
适用于悬索桥主缆的检修设备就显得十分必要。本文以
丰乳贴
贵州清水河悬索桥为研究对象，提出了一种具备自行走
能力的主缆检修车。
1总体结构设计
根据主缆结构形式，设计主缆检修车总体结构如图1
所示，整个检修车系统由主桁架、驱动轮、压紧轮、工作平
散堆填料
台及护栏等组成，能够自动跨越通过主缆附属设施（索
夹、吊索及扶手绳等)。主缆检修车放置于主缆上部，驱动
机构位于主缆扶手绳之间，工作平台安装于两侧，主缆下
作平台内对主缆进行360°近距离检查或简单的维修。遇
到突发紧急情况时，工作人员可通过侧面爬梯进入上平
台到达主缆上以躲避危险。整车通过驱动轮作用于主缆
上，在动力驱使下沿主缆行走。
2主桁架设计
主桁架作为检修车的骨架结构，是其他各个机构的 安装基础，其设计的合理与否直接关系到检修车能否正 常工作。如图2所示，主桁架主要由上平台、门架、横梁、下横杆和加强杆组成，其外形根据清水河大桥主缆的外 形及其附属设施设计为“门”形。主桁架同时也是检修车 的重要承力构件，承受的载荷主要有主桁架自重、工作人
闯红灯抓拍系统悬索桥建养关键技术研究与示范(黔科合重大专项字[2015]6001)载荷产生的弯矩以及检修车运行过程中产生的各种冲击，其性能好坏直接关系检修车运行的可靠性和安全性。3驱动机构设计
检修车沿主缆爬行是大坡度行走，相比于其他桥梁 检修车的直线行走，大爬坡行走工况驱动性能要求更高，驱动控制也比较困难；由于主缆附属设施的存在，使得检 修车的爬坡行走变得复杂多变；检修车属于高空作业设 备，驱动整车行走时还要考虑制动的可靠性与安全性，所 以驱动机构的设计是本项目的关键和难点。在工程上，大
26I 2017 年第8期网址:www.jxgcs 电邮：
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坡度驱动一般采用链条链轮驱动、齿轮齿条驱动、卷扬钢 丝绳驱动、液压马达驱动等。链条链轮驱动和齿轮齿条驱 动结构复杂，且安装形式固定，不能满足跨越主缆附属设 施的要求。悬索桥跨度大，其主缆长度通常在千米级，若 采用卷扬钢丝绳驱动，则需要较长钢丝绳牵引，且卷扬机 系统布置复杂，施工周期长，固定卷扬机系统的安装还会 影响桥梁整体美观性。液压马达驱动技术成熟，可靠性 高，且马达自带制动功能，在其他类型桥梁检修车中也有 实际的运用，所以本检修车采用液压马达驱动。
由于主缆截面为圆形，检修车在行走过程中存在跑 偏的情况，因此整车设计了两种驱动机构，一种带转向油 缸，另一种不具有转向功能。如图3所示，带转向功能的 驱动机构由橡胶轮、液压马达、轮支架、提升油缸、滑动套 筒和转向油缸等组成。液压马达通过螺栓连接安装于橡 胶轮轮毂内，橡胶轮与主缆接触，在液压马达的驱动下沿 主缆行走。轮支架与滑动套筒通过回转机构连接，橡胶轮 的转向通过转向油缸伸缩实现。为了检修车行走时能够 通过索夹，驱动机构具备升降功能，由提升油缸实现。
检修车整车设
置10套驱动机构， 单套驱动机构设计 承载力为20 kN 。橡 胶轮轮毂作为承力 的关键零件，其结构 性能对检修车的安 全行走意义重大，所 以有必要对其进行 计算校核。对轮毂进 行了建模及有限元 分析(如图4所示），
结果显7T C 其复合变
形0.41 mm ，最大应力为159.7 MPa ，应力安全系数1.55, 强度和刚度均满足要求。
von Kises (H /m m A 2 (MPa))
_______________图4橡胶轮轮毂受力分析_____________4
压紧轮机构设计
检修车沿主缆行走时，行走牵引力来自于橡胶轮与 主缆接触的摩擦力。随着坡度的增加，行走牵引力会小于 重力沿主缆方向的分量，此外还需要考虑风载荷的阻力 作用。本项目采用增加橡胶轮与主缆接触正压力的方法
来增大行走牵引力，在检修车下部设置了6套压紧轮机 构，呈对称布置。压紧轮机构如图5所示，由压紧轮、轮支 架、中间套筒、铰支架、伸缩油缸和翻转油缸组成。中间套 筒内置铜套和滑键，轮支架与铜套滑动配合，通过滑键限 制轮支架的转动，轮支架在中间套筒中可以自由伸缩。正 常情况下检修车沿主缆行走时，压紧轮在伸缩油缸的作 用下压紧在主缆下表面；跨越索夹及吊索行走时，6套压 紧轮成对按顺序依次打幵闭合。5 翻板机构设计
5.7翻板结构设计
主缆检修车 与传统人工检查 的主要区别在于 可以对主缆进行 360°全方位检查，这一^功能由安装 于检修车下部的 翻板结构实现。检 修车车体越重，所 需驱动力越大，特 别是爬坡行走时，
重量的影响更加明显，因此检修车自重不宜过大。结合现 有检查车相关的技术基础，本文对主缆检修
车翻板进行 了轻量化设计。综合考虑载荷、材料密度、焊接加工工艺 等要求，翻板采用髙强度铝合金结构来代替传统钢结构。 铝合金材料具有密度低、强度高、耐腐蚀等优点，满足主 缆检修车的使用要求。翻板机构按照结构分为A 、B 、C 三 种类型的翻板：翻板A 带拉杆、翻板B 带拉杆扣、翻板C 不带拉杆和拉杆扣。单台检修车布置3组带拉杆翻板，2 组不带拉杆翻板。检修车通过吊索时，翻板在油缸作用下 翻转避让吊索；检修作业时闭合所有翻板为工作人员形 成检修平台。三种类型的翻板都有承重功能，翻板A 和翻 板
B 除了承重外还要承受拉杆拉紧油缸产生的拉紧力，
该拉紧力用来抵消压紧轮机构工作产生的附加水平力， 以增加主 桁架的水 平刚度。如图6所 示为带拉 杆和拉杆 扣翻板。
5.2翻板 有限元分
析
由于 翻板需要 承载检修 人员及器 具的重量，
网址:www.jxgcs 电邮：hrbengineer@163 2017 年第 8 期■ 2寻星计算程序
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翻板力学性能的好坏关系到检修人员人身安全，因此需 要对翻板进行力学分析。带拉杆扣翻板的载荷有工作载 荷1500 N 和拉杆拉紧力6500 N ，其受力状况最为恶劣， 利用ANSYS 建立了翻板有限元模型，采用BEAM 4单元 模拟，边界条件按照实际工况设置。计算结果如图7所 示，翻板复合变形0.73 mm ，最大应力为12.8 MPa ，应力安 全系数13.4，强度和刚度均满足要求。
全可靠、实用性好，为悬索桥主缆的检修提供了良好的作 业平台。创新性地采用了压紧轮机构增大行走牵引力，利 用驱动机构可提升技术，解决了过障碍、大爬坡的驱动难 题。研制悬索桥主缆检修车具有重要的实用价值和理论 意义，不仅满足了清水河大桥日常检查维修需求，同时为 今后其他悬索桥主缆检查车的研制提供了有益的参考。
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dmx512协议U )翻板变形云图
6结语
随着我国桥梁建设的快速发展，桥梁的检测工作显
得尤为重要。本文提出的悬索桥主缆检修车结构新颖、安[1] 戴宝锐.浅谈悬索桥[J].施工技术,2014⑶:120-121.
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(编辑昊天）
作者简介：江周(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为机械设计及理论;
萨纳克
王少华（1963—)，男，博士研究生，教授，研究方向为机械 结构分析与设计。
收稿日期：2016-12-30
(上接第25页)
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(编辑昊天）
作者简介：贾成功（1990—），男，硕士研究生，从事机电测控与海洋机
电装备技术研究；
陈俊华（1964—），男，博士，教授，研究方向为海洋机电装 备技术、机电系统设计与集成。
通信作者：陈俊华，cjh@nit.zju.edu 。收稿日期：2017-01-05
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