基于汽车起重机的伞形跨越架建模与仿真分析

李志军，刘 敏，甘利红，杨 玄，王志斌

（1.国网湖北省电力有限公司咸宁供电公司，湖北咸宁 437000；2.湖北科技学院自动化学院，湖北咸宁 437100）

0 引言

送电线路的三大工序包括基础、杆塔及架线。其中，架线是三大工序中技术要求高、施工难度大的一道工序，需要满足质量的要求标准[1]。在送变电行业的架线施工中，跨越是常见的施工工况[2]。跨越架是线路施工过程中用来支撑导、地线，临时通过公路、铁路、电力线以及弱电线路的架子[1-2]。为了保证架线工序顺利进行，当架线施工段有障碍物时需要根据障碍物的大小、重要性及其他条件确定是否搭设跨越架和搭设跨越架的型式。传统跨越架在搭设前需要实地勘测，考虑天气等因素，经过严格的审批流程、多方协调，搭设和拆除成本比较高，同时存在安全隐患，容易造成架体坍塌、人员伤亡事故。文献［3］研究了跨越架坍塌的原因，包括搭设不规范、极端天气因素以及施工现场环境复杂。

针对传统跨越架在应用中的存在问题，开展了新型跨越架研究。通过对比文献［4-7］中跨越的结构形式，文献［7］中的设计方案更具优势。因此，本文基于文献［7］中设计方案，结合实际应用中使用情况，进行结构的升级优化设计，使其结构形式更加合理。

1 伞形跨越架设计

1.1 载体

汽车起重机是目前应用非常广泛的一种起吊搬运机械，由起升、变幅、回转、起重臂和汽车底盘组成，依靠起重臂的伸缩来搬运物品。新型跨越架是基于汽车起重机载体，实现机动性强、转移迅速，并利用汽车起重机的回转、起升、伸缩功能满足跨越架的位置调整。

1.2 原理设计

文献［7］设计的跨越架由于结构形式原因，致使其位置和姿态的调整功能受限。因此，本文提出了3 个自由度的设计方案，以满足跨越架的架体在架线过程中位置和姿态调整功能，其工作原理如图1 所示。

图1 伞形跨越架工作原理

跨越架安装位置与汽车起重机的末端相连接。文献［7］中跨越架的架体设计灵感来源于雨伞，其伞骨架的结构形式如图2 所示。本文架体结构沿用该形式。回转支承部件在工业中应用广泛，被称为“机器的关节”，是两物体之间作相对回转运动的重要传动部件。因此，图1 中跨越架的传动部件采用回转支承结构形式。关节01（自由度01）采用一侧是回转支承，另一侧采用轴承的组合形式；关节02（自由度02）采用回转支承。对自由度03 的原动件进行改进，将液压缸更改为电动缸，实现架体的展开和折叠功能。

图2 伞骨架示意

1.3 建模

基于SolidWorks 软件进行三维建模，由于跨越架的结构构件由若干个零部件组装焊接而成。因此，本文采用多实体零件的建模思路[8-9]。为了进行仿真模拟分析并节省计算机运算资源，对跨越架的实体结构和线体结构进行了简化处理。伞形跨越架的三维模型如图3 所示，其中主体结构由钢板焊接而成；支臂采用桁架结构，由矩形管、方管及钢板焊接而成；支臂之间采用绳网连接。

图3 伞形跨越架三维模型

2 仿真分析

基于跨越架的模型复杂程度较高，对模型进行划分网格、接触设置及求解等操作，要求计算机的性能比较高，因此本文采用局部仿真的方式进行计算分析。跨越架的主支臂是主要的承载结构，直接受到落线的冲击。其中，一部分冲击力通过主支臂传递到主体结构；另一部分通过主支臂传递到绳网，再传递到主体结构。只考虑主支臂传递到主体结构的部分，忽略其他影响，分别对跨越架的主支臂和主体结构进行模拟分析。跨越架的主支臂和主体结构材料均选用Q345 钢。

2.1 主支臂仿真分析

主支臂是跨越架的重要承载结构，是一种可折叠的机构，组成构件的零件之间采用绑定约束，构件之间采用铰接的形式，约束条件如图4 所示。

图4 主支臂约束条件

主支臂的载荷主要包括重力和冲击力，加载情况如图5 所示。

图5 主支臂加载情况

基于主支臂的约束条件和加载情况，主支臂的变形分布情况如图6 所示，最大变形量为54.291 mm。

图6 主支臂变形分布

主支臂的应力分布情况如图7 所示，构件中零件之间的连接导致出现应力奇异，不能反映真实情况。主材的应力值比较小，在160 MPa 左右。

图7 主支臂应力分布

主支臂支反力的提取主要是用于跨越架的主体结构的加载，通过探针显示结果（图8、图9）。

图8 主支臂Joint Probe 1

2.2 主体结构仿真分析

跨越架的主体结构的加载根据实际情况，选用绑定约束、接触约束；载荷根据图8、图9 中探针的探测结果进行加载。主体结构的约束和加载情况如图10 所示。

图10 主体结构约束条件和加载情况

基于主体结构的约束条件和加载情况，主体结构的变形分布情况如图11 所示，其最大变形量为3.1726 mm。

图11 主体结构的变形分布

主体结构的应力分布情况如图12 所示，构件中零件之间的连接导致出现应力奇异，不能反映真实情况。主材的应力值比较小，在100 MPa 左右。

图12 主体结构应力分布

3 结束语

本文设计的基于汽车起重机载体的3 自由度伞形跨越架，能够满足跨越架的架体在架线过程中位置和姿态调整功能。基于Solid Works 软件进行三维建模，并且进行了模型简化处理。在静载荷作用下对伞形跨越架的主支臂、主体结构进行仿真分析。仿真结果表明，伞形跨越架的主支臂、主体结构满足设计要求，符合材料Q 345 钢的许用应力要求。