文章编号:1004-132�(2001)12-1348-04斜拉桥爬缆机构的研制张家梁高级工程师张家梁吕恬生王钧功王殿臣摘要:研制高速度、大负荷的爬缆机构,是实现斜拉桥缆索维护作业机器人化的关键,对于桥梁安全、美观具有重要意义。针对不同的工况,研制了2类爬缆机构的工程化样机。经过实验室多次试验后,在上海徐浦大桥、南浦大桥上成功地进行了现场试验,结果表明2类爬缆机构都能在斜拉桥缆索上实现安全高效的爬升作业。关键词:机器人;爬缆机构;缆索;斜拉桥中图分类号:TP242文献标识码:A收稿日期:2000—01—03基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(863-512-9803-10);上海市科委科技发展基金资助项目(985511013)斜拉桥是最近几十年才兴起的新桥型,到目前为止,缆索涂装、检测和修复等维护作业很少全面开展,其关键是采用吊篮等维护工具不仅效率低,而且安全性差、成本高,迫切需要维护自动化。为此,我们首次提出了缆索维护机器人的新思想[1,2]。纵观国内外各种爬升模型,机构依附于线约束表面上的有直线连续爬升[3]、夹紧蠕动爬升[4,5]、螺旋攀援爬升[6]和吸附爬升等自动方式。其中,螺旋爬升方式有利于减小爬升阻力,但不利于操作机构及必要作业物资的携带。而缆索截面为较小的圆形或近似圆形,真空或磁力吸附其上的爬升方式难于实现。我们针对不同的工况,研制了气动蠕动式爬缆机构和电动连续式爬缆机构。气驱动爬缆机构夹紧力大,对缆索形状的适应能力强;电驱动爬缆机构连续爬升能力下降,更适于缆索涂装等作业。1气动蠕动式爬缆机构采用气动技术,爬缆机构由气缸实现蠕动式夹紧和移动,结构简单、安全方便[7]。如图1所示,驱动气缸缸体固接于下体上,活塞杆通过铰链与上体相联。上体和下体上分别设有圆周均布的3个夹紧气缸和3个导向气缸。驱动夹紧气缸、导向气缸分别使其前端的夹紧爪、导向轮与缆索表面夹紧、接触,二者的位置可沿径向调整以适应不同直径的缆索。上体和下体间还设有支撑机构,其中装在下体上的支撑座内设有直线运动轴承,供与上体相联的支撑杆在其内直线移动和轻微摆动。1.下体2.驱动气缸3.铰链4.上体5.导向气缸6.夹紧气缸7.支撑机构图1气动蠕动式爬缆机构力学模型简图气动蠕动式爬缆机构运动中至少保证上下夹紧爪有一组夹紧于缆索上。爬缆机构向上爬升时,首先下体夹紧爪夹紧于缆索上,上体夹紧爪松开,驱动气缸活塞杆伸出,上体向上运动;然后上体夹紧爪夹紧,下体夹紧爪松开,驱动气缸活塞杆缩回,下体向上运动;以后重复上面的动作。改变气缸动作顺序,爬缆机构完成下降功能。为使爬缆机构适应缆索曲线或缆索表面的凸起等造成的缆索直径变化,驱动气缸的活塞杆能绕铰链转动,机构的径向力由支撑机构承受,夹紧力由1组3个夹紧爪共同作用提供,夹紧爪材料采用与缆索聚乙烯(PE)表面有较大摩擦系数的硬橡胶制成。设机器人上下体自重和负荷量分别为Gr1、Gr2、Ga1、Ga2,机器人总重为G,驱动缸、夹紧缸的工作压力、内径及活塞杆直径分别为p1、p2、D1、D2、d1、d2。当下体夹紧缸夹紧、上体夹紧缸松开,或上体夹紧缸夹紧、下体夹紧缸松开时,为使机器人保持平衡,3个夹紧爪同时夹紧于缆索上,由夹紧缸活塞杆的推力产生的与缆索表面间的摩擦力应大于沿缆索轴线的下滑力,有·8431·中国机械工程第12卷第12期2001年12月3fΠ4D22p2>(G+Fw)sinΑ式中,Fw为风载荷;f为夹紧爪与缆索表面的最大静摩擦系数。当上体上升时,2个驱动缸活塞杆的推力和应大于机器人上体向上移动的阻力,驱动缸工作压力为Π2D21p1Γ>(Gr1+Ga1+Fw+Ff)sinΑ式中,Γ为驱动缸的负载率;Ff为机器人爬升时导向轮的总摩擦阻力。此时驱动缸体受到向下的推力,为使下体夹紧爪仍夹紧于缆索上使机器人不下滑,有3Π4D22p2f>Π2D21p1+(Gr2+Ga2)sinΑ当下体上升时,2个驱动缸活塞杆的拉力和应大于机器人下体向上移动的阻力,驱动缸工作压力为Π2(D21-d21)p1Γ>(Gr2+Ga2+Ff)sinΑ因此,驱动气缸、夹紧气缸气压值应分别满足p1>2sinΑΠΓmax{(Gr1+Ga1+Fw+Ff)D21,(Gr2+Ga2+Ff)D21-d21}(1)p2>2ΠD21p1+4(Gr2+Ga2)sinΑ3ΠfD22(2)气动蠕动式爬缆机构对于缆索直径变化较大、表面情况恶劣的缆索具有较好的适应性。图2为研制的缆索�号机器人爬缆机构工程样机爬缆照片。图2缆索�...
