高鐵1 000 t/40 m梁昆侖號架橋機主梁與走行系統(tǒng)連接機構(gòu)設(shè)計

周衍領(lǐng) 周光忠 萬 鵬 梁盼盼

（1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600；2.中鐵十一局集團漢江重工有限公司 湖北襄陽 441006）

1 概述

隨著我國高速鐵路建設(shè)的跨越式發(fā)展，高速鐵路預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁從32 m跨度升級到40 m跨度，與之相配套，架設(shè)高速鐵路40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁的運架一體機“昆侖號”應(yīng)運而生。目前在鄭濟、廈深、南沿江等新建高速鐵路線路上大量采用了40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁，與既有32 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁相比，其跨度增大8 m，高度增加0.23 m，重量也由900 t/榀增加至1 000 t/榀。目前，國內(nèi)外市場上既有的大量架設(shè)32 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁的運架一體機，無論從結(jié)構(gòu)、起吊能力還是從功能上都已不能滿足40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁的架設(shè)要求［1］。

高速鐵路40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機由主梁、前走行系統(tǒng)、后走行系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、連接機構(gòu)、卷揚機平臺、起吊系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、附屬結(jié)構(gòu)等構(gòu)成。主梁通過連接機構(gòu)與后車系統(tǒng)鉸接連接，前車系統(tǒng)利用鉸制孔螺栓與主梁腹板固結(jié)連接［2］。昆侖號架橋機連接機構(gòu)安裝位置圖見圖1。

圖1 昆侖號架橋機連接機構(gòu)安裝位置

2 連接機構(gòu)設(shè)計

2.1 連接機構(gòu)設(shè)計功能要求

40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機主梁與后車系統(tǒng)之間的連接機構(gòu)是該運架一體機關(guān)鍵要害結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)不僅是主梁與走行系統(tǒng)建立聯(lián)系的橋梁，其設(shè)計還需兼具下列功能：

（1）傳遞和承受縱、橫、豎三向荷載，消解整機內(nèi)部應(yīng)力和彎矩［3］。

（2）整機懸空時，保證走行系統(tǒng)和主梁連接不斷開。

（3）可三向轉(zhuǎn)動，每個方向轉(zhuǎn)動角度不小于3°。

（4）作為鉸支座與主梁、前車組成簡支受力體系［4］。

2.2 連接機構(gòu)設(shè)計原則

40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機主梁與后車系統(tǒng)連接機構(gòu)設(shè)計，應(yīng)遵循以下主要設(shè)計原則：

（1）較小的結(jié)構(gòu)高度

在滿足40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機工作所需的各項功能條件下，盡量壓縮連接機構(gòu)的結(jié)構(gòu)高度，以達到降低整機高度的目的，從而滿足架橋機在過隧、隧道進出口等特殊工況下運架箱梁的要求［5］。

（2）較長的使用壽命

40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機要在不同環(huán)境下的高鐵線路上運架梁作業(yè)，就需要頻繁地進行拆裝和轉(zhuǎn)場工作，同時還要遭受高低溫、潮濕、風沙、臺風、暴雨等惡劣氣候條件的影響，連接機構(gòu)要有較長的使用壽命，保證在頻繁拆裝和各種惡劣氣候條件下能正常工作［6］。

（3）較高的環(huán)保要求

40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機連接機構(gòu)，在工作過程中要有良好的密封和潤滑功能，需選擇合適的潤滑材料，禁止選擇具有揮發(fā)、滲漏等容易污染場地和混凝土梁面的材料；同時，還要防止連接機構(gòu)之間在工作中產(chǎn)生噪聲，污染周圍環(huán)境。

2.3 連接機構(gòu)設(shè)計方案比選

（1）實體球鉸

目前，市場上既有的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁運架一體機主梁與后車系統(tǒng)連接機構(gòu)，大部分參考門式起重機柔性支腿上的實體球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計而成。實體球鉸結(jié)構(gòu)高度大，采用鑄件機加工而成，加工精度較低，采用法蘭＋螺栓的連接方式分別與主梁和走行系統(tǒng)連接。

實體球鉸連接機構(gòu)采用鋼對鋼形式的摩擦副，摩擦副之間需要加注潤滑脂潤滑摩擦面，因密封不嚴，摩擦副之間潤滑脂容易滲漏、揮發(fā)而脫水失效，摩擦面常因缺乏潤滑脂保護而極易銹蝕，造成轉(zhuǎn)動困難，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動噪聲等缺陷和弊端。要滿足40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁架設(shè)，其設(shè)計結(jié)構(gòu)高度需達到700 mm，因而導(dǎo)致整機結(jié)構(gòu)高度較高，嚴重影響運架一體機的使用性能，影響整機隧道通過性，無法進行隧道進出口架梁等工況施工［7］。實體球鉸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 馬達排量與系統(tǒng)壓強關(guān)系

圖2 實體球鉸結(jié)構(gòu)

（2）關(guān)節(jié)軸承

40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機主梁與后車系統(tǒng)連接機構(gòu)如采用關(guān)節(jié)軸承形式，其整體結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)高度420 mm，較之實體球鉸結(jié)構(gòu)高度減少280 mm）高度比球鉸顯著降低，采用特制自潤滑材料組成摩擦副，可免維護，摩擦系數(shù)更小，轉(zhuǎn)動靈活，環(huán)境友好，承載能力、使用壽命及使用功能都有較大的增強和提高。關(guān)節(jié)軸承的軸圈和座圈同樣利用法蘭＋螺栓的方式，分別與主梁和后車系統(tǒng)連為一體。昆侖號架橋機主梁與后車系統(tǒng)之間采用關(guān)節(jié)軸承形式的連接機構(gòu)連接，降低了整機高度，滿足了整機隧道通過性及隧道進出口架梁施工要求［8］。關(guān)節(jié)軸承實物如圖3所示。

圖3 關(guān)節(jié)軸承

2.4 兩種連接機構(gòu)優(yōu)缺點比較

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁運架一體機主梁與后車系統(tǒng)連接機構(gòu)實體球鉸及關(guān)節(jié)軸承，在運架一體機工作過程中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，兩種連接機構(gòu)優(yōu)缺點如表1所示。

表1 連接機構(gòu)優(yōu)缺點比較

由表1可知，關(guān)節(jié)軸承在結(jié)構(gòu)高度、適用性、承載能力、防塵、潤滑、環(huán)境友好、使用效果、使用壽命等指標上均好于實體球鉸［9-11］。

3 應(yīng)用效果

通過對兩種連接機構(gòu)的比選，新研制的高速鐵路40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機主梁與后車系統(tǒng)連接機構(gòu)最終采用關(guān)節(jié)軸承連接形式。昆侖號架橋機于2020年5月下線，6月在廈深高鐵湄洲灣大橋首架成功。目前，昆侖號架橋機在廈深高鐵湄洲灣大橋已經(jīng)成功架設(shè)40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁100余榀，架梁過程經(jīng)歷了包括陸地、高溫、高濕、海邊、海上、大風等工況。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用表明，主梁與后車系統(tǒng)連接機構(gòu)關(guān)節(jié)軸承工作正常，沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)動困難、轉(zhuǎn)動噪聲、密封不嚴、內(nèi)部銹蝕等缺陷和弊端。

4 結(jié)束語

關(guān)節(jié)軸承形式的連接機構(gòu)在昆侖號架橋機上的成功應(yīng)用，為后續(xù)類似連接機構(gòu)的研發(fā)提供了技術(shù)和應(yīng)用參考；為我國新建高速鐵路如期順利架設(shè)40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁提供了必要的裝備保障；同時打破國外專利和技術(shù)壟斷，對我國未來布局海外鐵路建設(shè)，對接一帶一路，助力高鐵出海等意義重大［12］。