摘要：針對(duì)智能梁底巡檢機(jī)器人在風(fēng)載環(huán)境下的穩(wěn)定性問(wèn)題，進(jìn)行了一系列的研究。首先，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 3018—2008）數(shù)值計(jì)算巡檢機(jī)器人在靜止?fàn)顟B(tài)下的抗風(fēng)等級(jí)，結(jié)果表明在13級(jí)風(fēng)力等級(jí)的情況下該巡檢機(jī)器人會(huì)受風(fēng)載影響發(fā)生位移。利用Ansys軟件瞬態(tài)分析模擬在13級(jí)風(fēng)載下巡檢機(jī)器人各零部件所受等效應(yīng)力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在13級(jí)風(fēng)力等級(jí)下巡檢機(jī)器人部件材料所受最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)材料的最大屈服極限，即表明內(nèi)部材料發(fā)生破壞甚至斷裂情況。為進(jìn)一步探究巡檢機(jī)器人整體在無(wú)內(nèi)部損傷情況下的抗風(fēng)等級(jí)，利用Ansys軟件模擬機(jī)器人固定狀態(tài)進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果表明巡檢機(jī)器人在無(wú)內(nèi)部損傷情況下最大承受813 Pa壓力，即10級(jí)風(fēng)力。若智能梁底巡檢機(jī)器人的使用環(huán)境需滿足更高等級(jí)的風(fēng)力級(jí)別要求，則需要加固主旋轉(zhuǎn)軸與主體的連接處，或更換最大屈服應(yīng)力更高的材料。

關(guān)鍵詞：梁底巡檢機(jī)器人；底盤；抗風(fēng)性；穩(wěn)定性；風(fēng)場(chǎng)模擬

中圖分類號(hào)：U461 收稿日期：2024-05-07

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407013

1 前言

智能梁底巡檢機(jī)器人是一種專門用于橋梁檢測(cè)的自動(dòng)化設(shè)備。它通過(guò)搭載多種傳感器和成像設(shè)備，如高清攝像頭、紅外熱成像儀、激光掃描儀等，能夠?qū)蛄旱慕Y(jié)構(gòu)完整性、裂縫發(fā)展、鋼筋銹蝕等情況進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測(cè)。通過(guò)實(shí)時(shí)傳輸檢測(cè)數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心，工程師可以快速分析數(shù)據(jù)，對(duì)緊急情況作出迅速反應(yīng)。智能梁底巡檢機(jī)器人的應(yīng)用，可以大大縮短檢測(cè)時(shí)間，減少檢測(cè)人員在危險(xiǎn)環(huán)境下工作的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)橋梁健康狀況的常態(tài)化監(jiān)測(cè)，為橋梁的管理和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

這種機(jī)器人通常沿著橋梁底部移動(dòng)，通過(guò)預(yù)設(shè)的軌道或者自主導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行巡檢，快速覆蓋橋梁底部廣闊的區(qū)域，但也正是由于這種機(jī)器人的工作場(chǎng)景通常處于廣袤開闊的橋底，因此受風(fēng)載荷影響較大，非工作時(shí)需要有固定裝置防止設(shè)備因風(fēng)力過(guò)大而發(fā)生損壞、斷裂、疲勞等現(xiàn)象的出現(xiàn)[1-2]。對(duì)智能梁底巡檢機(jī)器人底盤進(jìn)行抗風(fēng)分析可以有效了解機(jī)器人所能承受的最大風(fēng)力等級(jí)以及薄弱處，對(duì)其易損位置進(jìn)行加固以及在其靜止時(shí)采用合理的固定方式防止風(fēng)載荷引起的損壞是十分必要的[3-4]。

2 理論計(jì)算分析

智能梁底巡檢機(jī)器人整車零部件質(zhì)量總和經(jīng)估算約為300 kg，行走輪使用橡膠車輪與鋼制導(dǎo)軌相連，靜摩擦因數(shù)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(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 3018—2008）查詢巡檢機(jī)器人側(cè)面迎風(fēng)面積及抗風(fēng)系數(shù)，計(jì)算巡檢機(jī)器人所受風(fēng)載力。

非工作狀態(tài)縱向風(fēng)載荷為：

[P=CKhPmaxA] （2）

式中，P為作用在設(shè)備上的非工作狀態(tài)最大風(fēng)載荷，kN；C為風(fēng)力系數(shù)；[Kh]為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；[A]為起重機(jī)構(gòu)件垂直于風(fēng)向的實(shí)體迎風(fēng)面積，它等于構(gòu)件迎風(fēng)面積的外形輪廓[A0]乘以結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面充實(shí)率[?]，即[A=A0?]。

2.1 風(fēng)力系數(shù)

根據(jù)巡檢機(jī)器人實(shí)物圖可知，順橋向吹風(fēng)時(shí)巡檢機(jī)器人主要迎風(fēng)面分別為主體結(jié)構(gòu)側(cè)面矩形型材[A1]長(zhǎng)度1 585 mm，寬為200 mm；移動(dòng)結(jié)構(gòu)側(cè)面矩形擋板[A2]長(zhǎng)度582.76 mm，寬為273.53 mm；探測(cè)管的側(cè)面半圓面[A3]長(zhǎng)度分別為2 000mm和1 465.5 mm，直徑均為60 mm。智能梁底巡檢機(jī)器人迎風(fēng)面積示意如圖1所示。

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.2.3.5條，主梁空氣動(dòng)力長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算方式為：

[空氣動(dòng)力長(zhǎng)度比=構(gòu)件長(zhǎng)度隨風(fēng)向的截面高（寬）度=ld] （3）

主梁長(zhǎng)細(xì)比示意如圖2所示。

因此可得主梁各構(gòu)件不同的空氣動(dòng)力長(zhǎng)細(xì)比，分別為：

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

如《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》表16可知，主梁風(fēng)力系數(shù)則為1.35、1.3、1.0、0.9。

2.2 風(fēng)壓高度變化系數(shù)

巡檢機(jī)器人實(shí)際工作位置處于海平面以上，工作平面距離海平面高度達(dá)60 000 mm，如《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》表19可知，主梁風(fēng)壓高度變化系數(shù)為1.4。

2.3 實(shí)體迎風(fēng)面積

順橋向吹風(fēng)時(shí)巡檢機(jī)器人主要迎風(fēng)面為主體結(jié)構(gòu)側(cè)面矩形型材、移動(dòng)結(jié)構(gòu)側(cè)面矩形擋板以及探測(cè)管的側(cè)面半圓面，因此分位部分計(jì)算迎風(fēng)面積，計(jì)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(tài)最大縱向風(fēng)載荷

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況可知斜腹板與橋面傾斜角度為69°，因此若在靜止?fàn)顟B(tài)下巡檢車受到順橋面風(fēng)力滑動(dòng)，則風(fēng)力需大于靜摩擦力，即：

[P=CKhPmaxA≥f] （6）

根據(jù)計(jì)算可得[Pmax≥2 126.92 Pa]，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 3018—2008）表E.1可知，該設(shè)備靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)完全可抵御13級(jí)風(fēng)力而不會(huì)滑動(dòng)。

3 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)抗風(fēng)仿真驗(yàn)算

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真模擬是一種分析結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷作用下應(yīng)力變化的方法。它專注于研究運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力分布和變化，以及結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)態(tài)事件的響應(yīng)［5］。模擬動(dòng)態(tài)載荷的效應(yīng)，如沖擊、爆炸、地震波等，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真模擬通常涉及時(shí)間歷程分析，它關(guān)注結(jié)構(gòu)在一段時(shí)間內(nèi)的響應(yīng)，包括應(yīng)力、應(yīng)變、位移等隨時(shí)間的變化。通過(guò)仿真，可以分析和預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)事件中應(yīng)力的瞬時(shí)變化，這對(duì)于評(píng)估結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性至關(guān)重要。在模擬中，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真模擬可以提供結(jié)構(gòu)在整個(gè)動(dòng)態(tài)事件中的全面響應(yīng)，包括峰值應(yīng)力、持續(xù)時(shí)間、疲勞累積等。通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力變化，可以對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以提高其對(duì)動(dòng)態(tài)載荷的抵抗能力［6-7］。

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真模擬是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要精確的模型、適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和高效的計(jì)算方法。它通常用于工程領(lǐng)域的多種應(yīng)用，如汽車工程、航空航天、機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)工程等，以確保結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的安全性和性能［8］。

3.1 仿真模型建立

全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研制的T型鋼斜腹板智能梁底巡檢機(jī)器人由行走機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)、圖像采集系統(tǒng)等構(gòu)成。智能梁底巡檢機(jī)器人工作環(huán)境位于箱梁腹板的斜面軌道，如圖3所示。智能梁底巡檢機(jī)器人利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)3臺(tái)橡膠移動(dòng)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(gè)高清攝像機(jī)持續(xù)拍攝橋底病害畫面。下方三連管最大旋轉(zhuǎn)角度360°，可實(shí)現(xiàn)過(guò)墩、過(guò)縫的功能，同時(shí)懸臂的全平面旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)了梁底的圖像全覆蓋，通過(guò)橋梁云管理平臺(tái)的拼接算法處理可以在頁(yè)面端合成梁底拼接三維展示圖，內(nèi)置的圖像識(shí)別算法能對(duì)梁底病害進(jìn)行病害智能識(shí)別分析，在橋梁云管理平臺(tái)上同步展示梁底情況的全尺寸三維圖和橋梁病害預(yù)警信息。

根據(jù)智能橋檢車實(shí)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(nèi)部復(fù)雜零件的組成，降低仿真復(fù)雜度，提高仿真時(shí)間與精確度。各零部件整體質(zhì)量總和約為300 kg，在仿真模型中設(shè)置普通鋁合金材料，更改密度參數(shù)，使整體質(zhì)量達(dá)到300 kg左右，提高仿真模型與實(shí)物的質(zhì)量貼合度，達(dá)到更精確的仿真效果。

在Ansys軟件中采用六面體法對(duì)智能巡檢機(jī)器人進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示，根據(jù)智能巡檢機(jī)器人工作特點(diǎn)以及橡膠移動(dòng)輪和鋼制軌道是巡檢機(jī)器人的主要摩擦接觸對(duì)的工作情況，對(duì)部分部件局部加密，建立靜力學(xué)仿真網(wǎng)格模型。網(wǎng)格劃分結(jié)果質(zhì)量較好，節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)235 839，單元數(shù)為109 338。

3.2 邊界條件設(shè)置

為模擬智能梁底巡檢機(jī)器人在T型鋼斜腹板單軌道受風(fēng)載荷移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，設(shè)置T型斜腹板上的軌道為固定支撐，保持不動(dòng)；沿著y軸負(fù)方向設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地球重力，模擬重力；對(duì)智能梁底巡檢機(jī)器人主體部分側(cè)面設(shè)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(guò)設(shè)置除壓力外完全相同的邊界參數(shù)，研究理論計(jì)算下的最大風(fēng)壓對(duì)智能梁底巡檢機(jī)器人內(nèi)部構(gòu)建的應(yīng)力影響。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，智能梁底巡檢機(jī)器人在T型鋼斜腹板單軌道受風(fēng)載荷為2 127 Pa時(shí)會(huì)沿著T型鋼斜腹板單軌道移動(dòng)，且內(nèi)部最大等效應(yīng)力達(dá)到了4.2 GPa，如圖6所示。在理論計(jì)算下的最大風(fēng)載荷的影響下，巡檢機(jī)器人所受的最大等效應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)了材料的屈服極限0.28 GPa，即內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)破壞的情況。

如圖7所示，巡檢機(jī)器人最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)向輪上，該處應(yīng)力較大的原因可能是為防止機(jī)器人脫離軌道。

如圖8所示，當(dāng)智能梁底巡檢機(jī)器人在T型鋼斜腹板單軌道受沿x軸法線方向2 127 Pa風(fēng)載荷時(shí)，在1 s內(nèi)的時(shí)間內(nèi)，最大等效應(yīng)力存在高頻、高數(shù)值波動(dòng)，且多次遠(yuǎn)超材料的最大屈服應(yīng)力，表明在該風(fēng)載情況下的巡檢機(jī)器人零部件應(yīng)力過(guò)大受損情況比較嚴(yán)重。

3.4 小結(jié)

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的仿真表明，當(dāng)智能梁底巡檢機(jī)器人在受到理論計(jì)算下的最大風(fēng)載下即最大風(fēng)力[Pmax≥2 127 Pa]時(shí)，該智能梁底巡檢機(jī)器人受持續(xù)性高數(shù)值波動(dòng)應(yīng)力，其最大值數(shù)倍超過(guò)材料的極限屈服應(yīng)力，該工況下巡檢機(jī)器人極有可能已完全被破壞或者斷裂變形。

4 靜力學(xué)抗風(fēng)仿真模擬

靜力學(xué)抗風(fēng)仿真模擬是一種工程分析方法，用于評(píng)估和預(yù)測(cè)建筑物或其他結(jié)構(gòu)在靜止風(fēng)作用下的受力和響應(yīng)。靜力學(xué)抗風(fēng)仿真模擬通常使用專業(yè)的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件來(lái)完成，如有限元分析（FEA）軟件，這種方法在工程設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用，尤其是在高層建筑、橋梁、輸電塔等易受風(fēng)影響結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和評(píng)估中。通過(guò)仿真模擬，工程師可以在實(shí)際建造之前預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的行為，從而做出更合理的設(shè)計(jì)決策。

瞬態(tài)仿真的結(jié)果分析表明在理論計(jì)算的巡檢機(jī)器人所能承受的最大風(fēng)力等級(jí)下，巡檢機(jī)器人各零部件所受應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了材料的最大屈服應(yīng)力。理論計(jì)算未能考慮巡檢機(jī)器人部件材料的實(shí)際承受的應(yīng)力，因此不能將理論計(jì)算數(shù)值作為巡檢機(jī)器人可承受風(fēng)力等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)一步采用靜力學(xué)仿真分析，模擬巡檢機(jī)器人被固定在軌道上，計(jì)算此時(shí)各部件材料在最大屈服極限內(nèi)所能承受的最大風(fēng)力等級(jí)。

4.1 邊界條件設(shè)置

為模擬智能橋檢車被固定在T型鋼斜腹板單軌道時(shí)受風(fēng)載影響的各部件狀態(tài)，設(shè)置T型斜腹板上的軌道為固定支撐；設(shè)置3臺(tái)橡膠移動(dòng)輪與鋼制軌道為固定接觸，模擬巡檢機(jī)器人被固定的工況；沿著y軸負(fù)方向設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地球重力，模擬重力；由于在實(shí)際工作環(huán)境中，智能梁底巡檢機(jī)器人的工作環(huán)境通常在梁底，主要受橫向風(fēng)載影響，因此對(duì)智能梁底巡檢機(jī)器人主體部分側(cè)面設(shè)置沿x軸法線方向的壓力，壓力值為813 Pa，模擬橫向風(fēng)載。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

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

如圖11所示，巡檢機(jī)器人最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在主旋轉(zhuǎn)軸與主體的連接處上，接近材料的最大屈服應(yīng)力。該處應(yīng)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(xù)性疲勞損傷，應(yīng)進(jìn)行加固處理或者更換更大極限屈服應(yīng)力的材料，防止斷裂。

如圖12所示，該機(jī)器人上方單管最遠(yuǎn)處為最大位移處，最大形變量達(dá)到0.022 m。最大形變量為單管整體長(zhǎng)度的0.73%，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，此變形量不會(huì)對(duì)單管造成影響，在可控范圍內(nèi)，可以忽略不計(jì)。

4.3 小結(jié)

智能梁底巡檢機(jī)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(jī)器人所受最大等效應(yīng)力為0.278 GPa，還未超過(guò)材料的最大屈服應(yīng)力，但若再增大風(fēng)載壓力時(shí)則極有可能發(fā)生材料斷裂等情況，對(duì)智能梁底巡檢機(jī)器人工作產(chǎn)生一定的危險(xiǎn)性。根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 3018—2008）表E1可知，即最大可承受10級(jí)風(fēng)力等級(jí)的風(fēng)載，小于理論計(jì)算的所受最大風(fēng)力等級(jí)。

5 結(jié)語(yǔ)

智能梁底巡檢機(jī)器人在T型鋼斜腹板單軌道上靜止時(shí)，所需風(fēng)載經(jīng)理論計(jì)算所得最大為[Pmax≥2 126.97 Pa]；經(jīng)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)載2 127 Pa時(shí)智能梁底巡檢機(jī)器人將在T型鋼斜腹板單軌道上運(yùn)動(dòng)，但受持續(xù)性高數(shù)值波動(dòng)應(yīng)力，且最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)超材料的最大屈服應(yīng)力，存在破壞或斷裂的情況。進(jìn)一步通過(guò)靜力學(xué)仿真分析發(fā)現(xiàn)，為保證智能梁底巡檢機(jī)器人在固定時(shí)各零部件材料均不超過(guò)最大屈服應(yīng)力，能承受的最大橫向風(fēng)載為813 Pa。

通過(guò)以上研究分析表明，該智能梁底巡檢機(jī)器人靜止時(shí)所能承受的最大風(fēng)力等級(jí)極限為10級(jí)，如果需要承受更強(qiáng)的風(fēng)力等級(jí)，需要對(duì)主旋轉(zhuǎn)軸與主體的連接處部件進(jìn)行加固或者更換更大極限屈服應(yīng)力材料，以抵抗更大的扭矩。

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作者簡(jiǎn)介：

張余，男，1997年生，助理工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。

基金項(xiàng)目：中國(guó)中鐵股份有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題（2021-專項(xiàng)-04-1）；中鐵大橋局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究與開發(fā)課題（2021-04-重大）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“城鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)與裝備”專項(xiàng)“城市橋隧群智慧運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目城市橋隧群天-空-地區(qū)域智能監(jiān)測(cè)與群智感知技術(shù)及全網(wǎng)優(yōu)化策略課題（2023YFC3805701）；中國(guó)中鐵股份有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021-專項(xiàng)-08）