一種大跨度拱橋檢查車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

梅仕偉，劉軍，鄭曉龍，范紹國，李文斌

(1.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007;2.中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610083)

一種大跨度拱橋檢查車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

梅仕偉1，劉軍1，鄭曉龍2，范紹國1，李文斌1

(1.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007;2.中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610083)

針對大跨度拱橋特點(diǎn)，提出了一種鏈條鏈輪驅(qū)動，爬坡能力強(qiáng)，適合于大跨度拱橋日常維修、養(yǎng)護(hù)的檢查車。拱橋檢查車系統(tǒng)由軌道、驅(qū)動機(jī)構(gòu)及車體組成。介紹了檢查車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對關(guān)鍵部件驅(qū)動機(jī)構(gòu)的鏈輪軸、軌道結(jié)構(gòu)、車體結(jié)構(gòu)做了有限元受力分析，分析結(jié)果表明此檢查車結(jié)構(gòu)安全可靠。

拱橋 檢查車 軌道 鏈條鏈輪驅(qū)動 有限元分析

隨著我國鐵路建設(shè)的蓬勃發(fā)展和鐵路建設(shè)技術(shù)的不斷提高，鐵路橋梁在線路中所占比重越來越大，且不斷向高墩大跨特殊結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。特別是近年來，國家實(shí)施西部大開發(fā)，大力推進(jìn)西部山區(qū)鐵路的建設(shè)，跨越高山深谷的大跨度拱橋越來越多。由于這些拱橋拱圈結(jié)構(gòu)尺寸大、垂直高差大，坡度陡、變截面，現(xiàn)場條件十分復(fù)雜，拱圈的檢查維修任務(wù)越來越重，也越來越難以實(shí)施，給橋梁養(yǎng)護(hù)帶來不便。目前，大跨度拱橋主要采用人爬的方式進(jìn)行檢查維護(hù)，作業(yè)危險(xiǎn)、效率低下、有些檢查部位無法到達(dá);而普通的橋面檢查車檢查不到橋拱及其底面［1-3］。因此，研究開發(fā)一種專門的拱橋檢查裝置就顯得十分必要。本文以西南地區(qū)某大跨度上承式拱橋?yàn)檠芯繉ο螅岢隽艘环N爬軌式的拱橋檢查車。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，此拱橋檢查車采用雙軌單車布局，全拱圈配一臺車。檢查車呈“一”字形懸掛于拱圈底部，檢查工作人員可在檢查車行走通道內(nèi)對拱圈底部及側(cè)面近距離檢查或進(jìn)行簡單的維修。整個(gè)檢查車系統(tǒng)由軌道、驅(qū)動機(jī)構(gòu)及車體組成。軌道沿拱圈鋪設(shè)，固定在拱圈底部。檢查車車體通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)懸掛在軌道上，在動力驅(qū)使下可沿拱形軌道行駛，以便于檢查全拱。

圖1 拱橋檢查車安裝效果示意

2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢查裝置沿拱圈移動，是大坡度行駛，相比于普通檢查車的直線行駛，大坡度行駛工況復(fù)雜多變，爬坡能力要求高，驅(qū)動控制比較困難。并且驅(qū)動的同時(shí)還得考慮制動的可操作性與安全性，所以沿拱驅(qū)動是本研究項(xiàng)目的關(guān)鍵點(diǎn)與難點(diǎn)。在工程上，大坡度驅(qū)動一般采用鏈條鏈輪驅(qū)動、齒輪齒條驅(qū)動、卷揚(yáng)鋼纜驅(qū)動［4］、夾軌膠輪驅(qū)動［5］等。齒輪齒條驅(qū)動與夾軌膠輪驅(qū)動爬坡能力小，且對使用環(huán)境要求高，適合小跨度下承式拱橋，不適合大跨度拱橋檢查車要求。卷揚(yáng)驅(qū)動由于結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，也不適合跨度長、坡度大的拱橋。鏈條鏈輪驅(qū)動非常適合于大跨度拱橋(坡度大，跨度長)，不僅爬坡能力強(qiáng)，而且技術(shù)方案成熟，軌道安裝方便，環(huán)境適應(yīng)性高，在其他橋型檢查車中也有實(shí)際的運(yùn)用案例，所以本檢查車采用鏈條鏈輪驅(qū)動。

如圖2所示，驅(qū)動機(jī)構(gòu)由驅(qū)動電機(jī)、滾輪、鏈輪、安裝架等組成。安裝架通過螺栓連接與檢查車車體相連，電機(jī)、鏈輪及滾輪都固定在此部件上。滾輪放置于鋼軌上，在鏈條鏈輪的驅(qū)動下，沿工字鋼下翼緣行走，起到承受檢查車總體重量的作用。鏈輪與安裝在軌道上的鏈條配合，驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動鏈輪運(yùn)動，從而帶動驅(qū)動機(jī)構(gòu)沿鏈條運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)檢查車的沿拱行走。

考慮到現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，在鏈條鏈輪驅(qū)動中選型時(shí)須增大安全系數(shù)，本文選擇50B鏈條及相配的鏈輪。鏈輪、鏈條及鏈輪軸是關(guān)鍵的零件，有必要對其計(jì)算校核。參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［6-7］，對鏈輪軸進(jìn)行了理論計(jì)算及有限元分析(如圖3所示)，最大應(yīng)力為97.4 MPa，強(qiáng)度滿足要求;對鏈條鏈輪進(jìn)行了校核，結(jié)果也滿足要求，在此不再贅述。

圖2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

圖3 鏈輪軸受力分析

3 軌道設(shè)計(jì)

3.1 軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軌道沿拱圈布置，固定于拱圈底部。若拱圈為混凝土結(jié)構(gòu)，采用預(yù)埋件固定軌道;若拱圈為鋼結(jié)構(gòu)，則采用抱箍方式固定軌道。由于大坡度驅(qū)動行走要求高且現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，普通的軌道結(jié)構(gòu)滿足不了要求，為此本文提出了帶鏈條的復(fù)合軌道。如圖4所示，復(fù)合軌道由工字鋼、U形槽、鏈條及鏈條托板組成。U形槽焊接在工字鋼下面，鏈條固定在U形槽內(nèi)，由鏈條托板托住鏈條。鏈條托板由螺栓固定在U形槽上，并在U形槽側(cè)面開孔、鏈條托板開橢圓形孔以調(diào)節(jié)鏈條縱向的偏差。復(fù)合軌道左右對稱布置，直線擬合拱圈。在使用過程中，由于鏈條托板每隔不到1 m布置一個(gè)，若有一段鏈條出現(xiàn)意外斷裂，能夠保證鏈條有足夠的約束，確保不會發(fā)生單節(jié)鏈條斷裂而導(dǎo)致整體鏈條脫落的危險(xiǎn)。在極限情況下，幾節(jié)連續(xù)的鏈條銷軸斷裂，還有對稱的鏈條支撐，可確保驅(qū)動安全。鏈條與鏈條托板采用銷軸連接，在鏈條斷裂情況下，也方便更換。

3.2 軌道有限元分析

軌道用螺栓固定在桁架上，計(jì)算時(shí)將螺栓處固定。將檢查車載荷分散在4個(gè)滾輪上，每個(gè)輪子的受力為10 kN。將檢查車在風(fēng)載荷產(chǎn)生的彎矩加載在軌道與輪子下部邊緣。計(jì)算結(jié)果:軌道最大應(yīng)力55.33 MPa，應(yīng)力安全系數(shù)3.80，在許用應(yīng)力范圍內(nèi);最大變形4.54 mm，滿足使用要求。

圖4 軌道結(jié)構(gòu)

4 車體設(shè)計(jì)

4.1 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢查車車體的重量越重，所需驅(qū)動力越大，特別是在沿拱行走時(shí)，重量的影響更加明顯。在上坡行走時(shí)，需要克服裝置本身的重力及摩擦力做功，需要的驅(qū)動載荷變大，所需要的發(fā)電機(jī)組等裝置也相應(yīng)地增加。同理在下坡時(shí)，重量越重，動能越大，所需要的制動力也越大，制動機(jī)構(gòu)越復(fù)雜，同時(shí)也給驅(qū)動鏈條及軌道帶來深度磨損，對整個(gè)檢查車系統(tǒng)不利，且檢查車重量越大對橋梁的負(fù)載也越大，可能會影響到橋梁的局部受力情況。因此，檢查車重量不宜過大。在結(jié)合現(xiàn)有的檢查車相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文對拱橋檢查車車體進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。車體結(jié)構(gòu)為桁架結(jié)構(gòu)，桁架桿件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都已很成熟，從結(jié)構(gòu)上輕量化行不通，本文主要對桁架結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。考慮到材料密度、載荷要求、組裝工藝、焊接加工工藝等諸多要素，決定采用鋁合金結(jié)構(gòu)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)。鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、焊接性能良好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，滿足使用要求。整個(gè)鋁合金桁架采用模塊化設(shè)計(jì)，分成3大模塊(中間桁架、連接桁架和端桁架)，各模塊間采用螺栓連接，便于組裝及運(yùn)輸。鋁合金車體重量大幅減小，大約只有鋼結(jié)構(gòu)的1/3。

4.2 車體有限元分析

按照實(shí)際的模型將檢查車建模，邊界條件也按照實(shí)際的工況設(shè)置。將檢查車的附屬結(jié)構(gòu)(踏板，發(fā)電機(jī)等)作為載荷加載到檢查車底梁部位處，大小為21 kN;移動載荷大小為5 kN，作用在檢查車邊緣處;風(fēng)載荷加載4.1 kN;另外考慮檢查車的整體重力。檢查車邊界條件及載荷示意如圖5所示，計(jì)算結(jié)果如圖6所示，車體最大應(yīng)力為70.18 MPa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，且未發(fā)生明顯的變形，滿足使用要求。

圖5 檢查車車體邊界條件及載荷示意

圖6 檢查車車體應(yīng)力及位移

5 結(jié)語

本文提出的大跨度拱橋檢查車結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，造價(jià)經(jīng)濟(jì)，為大跨度拱橋的日常養(yǎng)護(hù)工作提供了良好的檢查平臺;并且創(chuàng)新使用了帶復(fù)合軌道的鏈條鏈輪驅(qū)動技術(shù)，解決了大跨度、大坡度的驅(qū)動難題，可為后續(xù)大坡度驅(qū)動技術(shù)研究提供參考。

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(責(zé)任審編趙其文)

U445.7

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.10

1003-1995(2015)12-0036-03

2015-05-04;

2015-08-20

梅仕偉(1985—)，男，工程師，碩士。