桥梁检测车支承载荷分析与试验研究

桥梁检测车支承载荷分析与试验研究
李雪玲，马洪锋，韩猛
（徐工集团江苏徐州工程机械研究院，江苏徐州221004）
［摘要］以某20m桥检车为研究对象，分析桥检车刚柔混合多点支承结构的受力特点。

通过设计试验，获取轮胎-支腿的实际刚度及典型作业工况下各支承点的载荷；建立了桥检车刚柔混合支承数值计算模型，各支承点载荷与试验数据吻合度高，验证了仿真计算方法的正确性。

该方法解决了确定桥检车多点刚柔混合支承载荷的难题，为桥检车的设计优化提供理论依托。

［关键词］桥检车；多点支承；试验
［中图分类号］U446.3 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2015）10-0094-04
The supporting force study and experimental investigation of bridge inspection vehicle
LI Xue-ling，MA Hong-feng，HAN Meng
1 桥检车及其支承结构
桥梁检测车用于桥梁的检测与维护作业装备有作业平台和桥梁检测仪器，具有操作方便、检测时不中断交通、作业效率高等优点［1］。

桥梁检测车的主体结构如图1所示。

垂直臂
二回转
伸缩臂
一回转
底盘
翻转架
图1 桥检车
目前，国内外桥检车制造厂包括意大利Barin、德国MOOG、美国凯杰及中国徐工生产的桥梁检测作业车均采用作业状态下轮胎——支腿联合支承，以保证整车驻车稳定性和自行走稳定性。

当桥检车处于工作状态时，由悬挂、轮胎构成的支承为典型的非线性柔性支承（简称轮胎支承），而支腿的支承为刚性支承，因此桥检车结构的支承类型为刚柔混合的多支点支承型式［2］。

对于该支承型式进行分析时有以下几个难点：（1）刚性支承和柔性支承混合的支承型式数学模型很难建立；
（2）多支点支承型式属于多次超静定支承结构，受力较复杂；
（3）支腿和轮胎支承均为单向受压接触，即支座处只受压不受拉；
（4）轮胎支承包括悬挂和轮胎，均为弹性结构，其载荷和变形很难区分确定；
（5）支腿与轮胎支承顺序不同，进行约束时很难区分确定。

本文以某20m桥检车为例，研究桥检车12个支承点的受力特点。

针对桥检车的受力特点，通过设计试验，获取轮胎-支腿的实际刚度，典型作业工况下各支承点的载荷。

基于数值计算，建立了整车计算模型，融入试验数据，分析计算了各支承点的载荷，仿真精度满足工程使用要求。

该方法解决了桥检车多点刚柔混合支承载荷难以确定的难题，为桥检车的设计优化提供了理论依据。

2 试验测试
某20m桥检车整车重量约30t，配备8×4底盘，共有4个行走机构，工作状态时支腿全伸成为
DOI:10.14189/ki.cm1981.2015.10.011
［收稿日期］2015-06-02
［通讯地址］李雪玲，江苏徐州金山桥开发区驮蓝山路26号徐州工程机械研究院
12点支承结构，支腿之间前后间距约为1.2m。

臂架系统通过动力元件驱动，首先起升连杆系统、一回转旋转90°，然后翻转架翻转90°、垂直臂竖直下降到目标位置，伸缩臂展开并通过二回转旋转到桥下工作面，最后伸缩臂还可根据目标位置水平展开。

对12个支承点分别布置力传感器和位移传感器，测定各支承点的载荷，并推算轮胎、支腿结构的实际刚度。

各支承点的布局如图2所示。

右前轮2右前轮1
左前轮1左前轮2
右后轮2
右后轮1
左前支腿
右前支腿右后支腿
左后支腿
左后轮1左后轮2
图2 工作状态支承点布局（略去上车）
由于悬挂、车桥及轮胎构成的非线性柔性支承结构较复杂，其刚度相互影响，很难区别，因此本文设计试验获取的轮胎刚度为整个支承结构的刚度。

将压力传感器按12个测点位置布置，得到各支承点的实际载荷，并将位移传感器布置于相应测点的车架上，获取各测点变形量。

试验测试如图3 所示。

位移传感器
压力传感器
图3 桥检车试验测试
通过数据采集系统获得桥检车在全工况工作状态下的轮胎-支腿结构各测点的载荷；并利用相应测点的变形量，获取不同测点的实际刚度值，为数值分析提供基础数据。

轮胎结构测点刚度为非线性，支腿结构测点刚度近似为线性，具体刚度曲线如图4所示。

20406080100120
位移/mm
测试结果
拟合结果
支
反
力
/
1
4
N
-0.5
-2.5
-2
-1.5
-1
510152025303545
40
位移/mm
测试结果
拟合结果
支
反
力
/
1
4
N
-2
-10
-8
-6
-4
b 右后支腿支承
a 左前轮胎1支承
图4 支承结构刚度曲线
3 数值计算
建立该型桥检车整车有限元模型，并融入试验数据，分析计算12个支承点的载荷。

3.1 桥检车有限元模型建立
图5所示为伸缩臂90°时整车有限元模型。

对局部构件进行简化，臂架结构保证结构尺寸、质量与原型保持一致；不考虑焊缝局部结构，直接在其连接处生成节点；去除对受力分布无明显影响的倒角、小圆孔等。

图5 桥检车整车有限元模型
模型中采用的主要单元类型包括SHELL单元模拟结构板件；SOLID单元模拟转台等实体部位；MASS单元模拟结构中各配重；BEAM单元模拟各杆件、销轴及臂架等；ROD单元模拟油缸；接触单元模拟底盘与车架连接等。

桥检车轮胎-支腿结构主要采用SPRING弹簧单元，模拟不同支承点的刚度曲线；GAP单元模拟拉压刚度不一致情况，保证各支承均为单向受压，受拉时载荷为0。

桥检车整车模型单元共计666064个。

3.2 约束
桥检车作业工况下，其整车载荷包括自重和工作平台载重，本文对空载工况进行试验计算对比，并校核整车在额定载荷800kg（工作平台展开后均布加载）和1.5倍额定载荷工况下整车稳定性。

由于桥检车为支腿与轮胎联合支承，且轮胎支承在支腿支承之前有一定的预压缩量，以使轮胎和桥面之间产生足够的附着力。

因此根据轮胎在支腿支承之前的压缩量，对支腿支承施加了Y方向位移载荷，该值根据试验结果给出。

3.3 分析计算
根据桥检车支腿-轮胎支承结构实际作业情况，选取有代表性的6种作业工况进行计算比较，分别为支腿全伸工况、臂架垂直工况、伸缩臂水平工况、伸缩臂90°工况、伸缩臂90°全伸工况和伸缩臂180°工况。

部分工况结构展开图如图6所示。

a 支腿全伸工况
b 臂架垂直工况
c 伸缩臂90°工况
图6 桥检车不同作业工况
提取不同作业工况下12个支承测点的计算载荷，与测试结果进行对比，部分工况结果对比如图7所示。

a 支腿全伸工况
b 伸缩臂水平工况
25.0%
50.0%40.0%
30.0%
20.0%
10.0%
0.0%
测试结果
计算结果
测试结果计算结果
左前轮1左前轮2右前轮2右后支腿
左后支腿右前支腿左前支腿右后轮2左后轮2右后轮1左后轮1右前轮1左前轮1左前轮2右前轮2右后支腿
左后支腿右前支腿左前支腿右后轮2左后轮2右后轮1左后轮1右前轮120.0%15.0%
10.0%
5.0%0.0%
图7 部分工况支承载荷对比
统计对比桥检车6种作业工况下轮胎-支腿载荷情况，轮胎载荷80%测点误差在15%以内，支腿载荷90%测点误差在10%以内。

对比结果表明本文采用的有限元计算方法的精度可以满足工程使用要求，可为该20m 桥检车的设计优化提供数据支承。

4 整车稳定性分析
由于桥检车作业状态下在右侧下桥，整车重心向右侧偏移，左侧轮胎、左侧支腿支承力相对较小，而臂架垂直工况是偏载最大的工况，因此在该工况下，左侧支腿及轮胎承载力是进行整车稳定性分析的参考依据［3］。

对该桥检车有限元模型施加额定载荷、1.5倍额定载荷进行测点支反力计算。

计算结果表明，在1.5倍额定载荷下，右前支腿载荷最大，接近整车质量的50%，左侧支腿支反力趋近于0。

提取左后轮1、左后轮2载荷，其承载量还占整车质量的10%
左右，说明该轮胎与桥面间还有一定附着力，该桥检车整车稳定性满足工程使用要求。

5 结论
以某20m 桥检车为研究对象，分析桥检车12个支承点的受力特点。

通过试验测试，获取轮胎-支腿的实际刚度及典型作业工况下各支承点的载荷；运用数值计算方法，分析计算了各支承点的载荷，并与试验数据对比；对整车稳定性进行了计算分析。

得出如下结论：
（1）通过试验获取轮胎-悬挂构成的轮胎支承和支腿支承刚度曲线，其结果可为实际工程分析
提供基础数据。

（2）运用数值计算方法，融入试验数据，计算结果与试验结果吻合度较高，仿真精度满足工程使用要求，该计算方法可为刚柔耦合多支点的支承载荷提供理论依据。

（3）应用支承点载荷对桥检车的整车稳定性进行分析，证明该型桥检车整车稳定性良好。

（4）本文的分析方法对系列桥检车及类似产品的支承载荷计算、稳定性分析具有一定的指导与借鉴作用。

［参考文献］
［1］ 龚栋梁. 国内外桥梁检测车发展概述［J ］. 商用汽
车，2009，（06）：100-102.
［2］ 王涛，姚金柯，罗文龙. 桥梁检测作业车刚柔混合
多支点底盘支撑力估算方法［J ］. 设计计算，2012（12）：109-114.
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道建筑，2009（1）：46-49.
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