Solidworks设计桥梁维修平台三维运动设计

基于Solidworks的桥梁维修维护多功能作业平台的三维运动设计

武汉东湖学院机电工程学院　张　荣　章小红　陈小圻　张　锐

为提高高架桥维护维修的效率，本文设计研究出高架桥维修维护多功能作业平台。它可以让作业人员随时移动位置，安全、快速、高效地进入作业位置进行相关桥梁的维护维修工作，且安全性好、经济高效，可以为城市交通的畅通提供保证，具有极大的社会价值。

作为城市交通命脉的桥梁设施，直接影响到城市交通的畅通与安全，因而对桥梁进行定期检修、对寿命及承载能力进行预测也就自然而然地成为重要课题。当前，高架桥桥侧、桥底的维护维修主要依靠人工搭设脚手架来完成，存在工作强度大、效率低、负荷重、阻碍交通、安全系数低等问题，严重制约了高架、桥梁、立交的快速建设和维护的发展。

为了克服以上问题，本文设计研究出了可以为桥梁检测维修人员在检修过程中提供作业平台的专用设备——高架桥维修维护多功能车。它可以让作业人员随时移动位置，安全、快速、高效地进入作业位置。

该高架桥维修维护多功能专用车通过气压伸臂机构，将检测装置（摄像机、超声波探测器等）或工作人员承载到桥底及桥侧面任意位置的有效探测检修距离内，进行桥梁底部缺陷的检测或进行维修。这种桥梁底部、侧面缺陷的检测方式，具有效率高、安全性好、适应性强、功耗低等优点。

一、总体方案设计

高架桥维修维护多功能专用车对桁架结构的桥底伸长跨度、桥侧下沉深度、桥面展开长度等有一定的要求。折叠臂式和桁架式专用车由于作业范围小、载荷低，其附加值不高、效率低、发展空间不大，因此，本文以这些资料及高架桥维修维护多功能专用车的基本功能为设计要求，在参照国内外多种专用车底盘及桁架机构的基础上，进行机构和结构上的转变，设计出本文陈述的高架桥维修维护多功能专用车，并对其进行分析优化，建立桁架结构Solidworks模型，确定其展开顺序，最后从机构的角度论证了桁架结构整体方案为最优方案。

1.作业平台工作过程及技术参数

本文所设计的高架桥高空作业维护维修多功能专用车采用三级机构顺序运动来实现，包括平面轴承及齿轮组合而成的底盘旋转机构、齿轮齿条平移升降机构、气压系统控制的翻转机构以及夹紧装置、无线遥感控制技术等，实现了平台的升降、滑移、翻转，并且能自我调节到理想状态以保持安全合理的作业空间。需要高空作业时，汽车拖动平台至适当位置，底盘旋转机构缓慢转动90度位置后，二级滑移平台作用调节平台距离桥侧位置，然后翻转机构翻转90度，再通过升降系统调节作业高度，翻板展开，开始作业。作业过程中，只需汽车在路面移动便可实现作业位置的变化，方便省时，可实现不间断作业。当作业完毕后，平台各级逐级收缩，最后完全贴合在汽车底盘上，节省空间，便于运输，从而实现了高架桥高空作业移动平台的全部功能。

2.作业平台整体布置图（见图3—图5）

二、气压系统和机电控制系统设计

1.桁架翻转气压回路

在设计中，有三处需要翻转90度角，我们采用的都是由气压系统组成的控制系统，其气压组成的桁架翻转回路原理图如图1所示。

图1　桁架翻转回路原理图

其回路主要组成元件为：空压机、三位四通换向阀、调速阀、气缸、压力胶管。

2.机电控制系统的设计

（1） 电源的选择

由于我们设计使用的是直流电源，通过市场调查我们发现电瓶有电压稳定、价格便宜等优点，我们采用输出12V、5AH的电瓶供电，体积小、重量轻，便于携带。

（2）电机的选择

a底盘旋转电机选择

底盘旋转工作台要求旋转平稳，速度慢，能实现自锁功能。我们按要求选择了12V、6W的减速微型电机。该电机转速n=2.5r/min，适合工程作业要求，并且转矩大，能够实现自锁。

b滑移升降平台电机选择

滑移平台要求平动稳定，能承受较大载荷，速度较慢且具有自锁功能的电机，我们选择了12V、6W 的减速电机。考虑到升降工作台自身的重量，电机也必须能够承受较大载荷才能实现上下升降运动，由于我们给电机预留空间的限制，我们并联了四个12V、6W的减速电机。

3.无线遥感控制系统的设计(www.xing528.com)

（1）单片机无线遥感控制单元

由于单片机构成的应用系统可靠性高、系统配置规范、抗干扰性好、可靠性高，具有较高的性价比，并且运行速度高、控制功能强，可编程控制，变动控制方案容易，且体积小、重量轻、价格便宜。本设计采用三个AT89S52芯片的单片机作为控制单元，分别控制三个运动机构。AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

其引脚结构如图2所示。

图2　AT89S52单片机引脚结构图

VCC：接电源。

VSS：电源地端。

（2）无线遥控发射及接收单元

市场上的红外遥控和无线遥控都可使用，但是由于红外遥控的传输距离短（一般不会超过10米），且必需在同一直线上，中间不能有任何障碍物以及易受热辐射影响等缺点，而无线遥控就不存在这些问题，而且操作简单，因此，我们选择了无线遥控来实现远程控制。

三、基于Solidworks的整车三维运动仿真

本装置在理论设计完成后通过三维软件Solidworks进行运动模拟，以验证其功能性。仿真结果如图3—图5。

图3　整车完全收回状态

图4　作业平台向上工作状态图

图5　作业平台向下工作状态图

四、总结

该车可为桥体底部维护维修工作提供平台，还可对路灯、广告牌、交通指示牌等进行维护，具有针对性强、解决问题及时、操纵方便、占地空间小、可移动而不影响正常交通通行等众多优点，基本上解决了高架桥高空作业强度大、效率低、负荷重、阻碍交通、安全系数低等一系列问题，因而具有极大的推广价值

本设计体现了创新，符合科学发展观，所以预计我国今后大型桥梁检测维修车等在内的道路养护检测维修机械车将具有十分广阔的市场前景。

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