橋梁起升設(shè)備的開發(fā)及應(yīng)用

馬 林，危 翔，李元軍，胡 毅

(太原鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，山西太原 030013)

1 橋梁起升設(shè)備研發(fā)背景

橋梁是鐵路線路的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，隨著車輛軸重的增加，提速車輛運(yùn)行，橋梁養(yǎng)護(hù)維修的作業(yè)量越來越大，要求也越來越高。在進(jìn)行橋梁支座［1］更換或橋上線路部件的局部調(diào)整時(shí)，需要將橋梁頂起一定高度。傳統(tǒng)的手工作業(yè)方法和設(shè)備，不僅準(zhǔn)確度較低，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響線路運(yùn)輸效率和運(yùn)輸安全。為了高效、安全地在有限的時(shí)間內(nèi)完成橋梁養(yǎng)護(hù)、維修作業(yè)，在對橋梁起升作業(yè)方法進(jìn)行充分調(diào)研和論證的基礎(chǔ)上，研制了一套符合現(xiàn)場實(shí)際工作特點(diǎn)的橋梁起升綜合設(shè)備，提高橋梁檢修養(yǎng)護(hù)作業(yè)的技術(shù)水平。

橋梁起升設(shè)備功能包括:①千斤頂同步動作的實(shí)現(xiàn)是通過汽油機(jī)泵站的兩路輸出采用相同規(guī)格及相同數(shù)量的柱塞，篩選油泵柱塞的技術(shù)參數(shù)，使兩路輸出的流量接近相同;②位移電子測量的實(shí)現(xiàn)是選用兩組精度較高、功耗較低的拉繩式位移傳感器，分別測量兩片梁體的絕對位移量，測量數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳模塊傳至便攜式計(jì)算機(jī)，當(dāng)兩個(gè)位移的差值超過設(shè)定閾值(例如±5 mm)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出提示信息;③采用薄型千斤頂，以適應(yīng)弧形支座較小的作業(yè)空間;采用特殊結(jié)構(gòu)形式的承載墊板，以適應(yīng)各種梁體的起升作業(yè);④采用超高壓泵站和具有液控保護(hù)措施的起升千斤頂，不僅能夠確保作業(yè)安全，而且可以控制起升高度。

2 橋梁起升設(shè)備工作機(jī)理

整套設(shè)備主要由超高液壓傳動及控制部分、頂升及承載附件部分、位移電子測量及傳輸部分等組成，其基本作業(yè)原理示意如圖1。

圖1 基本作業(yè)原理示意

在橋梁的墩臺上放置承載墊梁或千斤頂鋼支座，在每片梁體下安裝一只起升千斤頂，汽油機(jī)驅(qū)動的超高壓泵站的兩路輸出通過超高壓油管分別與兩只起升千斤頂連接。由于兩片梁體在起升時(shí)對同步性有較高要求，因此泵站兩路的流量在機(jī)械措施確保相同的基礎(chǔ)上，還增加了手動控制環(huán)節(jié)。拉繩式位移傳感器和便攜式計(jì)算機(jī)可對梁體的實(shí)時(shí)位移量進(jìn)行采集、顯示、儲存和分析。如起升千斤頂行程不足，可通過在其頂部交替加裝墊環(huán)和墊塊［2］以增加千斤頂?shù)男谐?。承載墊板的作用是擴(kuò)大千斤頂和梁體的接觸面積，同時(shí)提高設(shè)備對梁體形式的適應(yīng)能力。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研得知，目前鐵路主型橋梁多為T形梁體或∏形梁體;支座多為搖軸支座、滾軸支座、弧形支座或弧面支座等，其墩臺至梁體底面的最小高度約140 mm;橋梁的跨度一般不超過32 m，單片梁體自重約110 t，加上道砟、軌枕和鋼軌等，每片梁體的總重量約150 t。

3 超高液壓傳動及控制部分

本部分主要由超高壓汽油機(jī)泵站、薄型雙作用起升千斤頂、超高壓連接油管等組成。

3.1 超高壓泵站

3.1.1 參數(shù)選擇

橋梁起升綜合設(shè)備的作業(yè)現(xiàn)場多為山區(qū)線路，供電困難，道路不暢，因此應(yīng)考慮自帶動力和降低重量。

在本設(shè)備中，原動機(jī)采用了HONDA GX 100型汽油發(fā)動機(jī)，最大功率3.0 HP(2.2 kW);根據(jù)液壓系統(tǒng)壓力等級的分類及規(guī)定，選擇了國內(nèi)普遍推薦的63 MPa最大工作壓力;小流量油泵的η通常取0.8;這樣可計(jì)算出泵站的最大流量約為1.6 L/min。在液壓傳動技術(shù)［3］中，原動機(jī)功率N、泵站流量Q、工作壓力P與油泵效率η之間的近似關(guān)系式為N≥Q×P/η。

3.1.2 同步控制

方便、可靠地控制兩只起升千斤頂?shù)耐絼幼魇潜驹O(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前液壓行業(yè)基本采用的是簡單的油液集流(分流控制和復(fù)雜的位移監(jiān)測)和微機(jī)控制［4］兩種方式。前者成本低廉，但對各頂升負(fù)載的均衡性要求極高，控制效果較差;后者可參照各點(diǎn)的實(shí)際位移量由微機(jī)實(shí)現(xiàn)較精確的同步控制，但系統(tǒng)龐大，成本很高。隨著超高液壓行業(yè)油泵柱塞加工精度的不斷提高，現(xiàn)采用了直徑和行程接近一致的兩只(組)柱塞，提供兩路接近相同的輸出流量，實(shí)現(xiàn)同步機(jī)控功能。

3.1.3 液壓原理

超高壓泵站的液壓原理示意如圖2。

圖2 泵站液壓原理示意

該系統(tǒng)為典型的液流方向控制回路。通過篩選兩只油泵柱塞的技術(shù)參數(shù)，使兩路具有相同的流量。手動換向閥可使千斤頂完成伸出、中停和縮回等動作。由于選擇中位機(jī)能為M型的換向閥，因此系統(tǒng)不需另配加載閥，只要換向閥的手柄處于中位就能起動泵站。溢流閥用來設(shè)定液壓系統(tǒng)的最高工作壓力，起保護(hù)系統(tǒng)和改善性能的作用。對進(jìn)度冒尖的千斤頂，可以將換向閥手柄置于中位使其暫停動作，實(shí)現(xiàn)同步手控功能。

3.2 起升千斤頂

3.2.1 參數(shù)選擇

如果用一只千斤頂頂起一片梁體的一端，其承載能力應(yīng)大于單片梁體總重量的一半，即75 t;考慮到一定的安全裕量和未知因素，起升千斤頂?shù)某休d能力確定為100 t(1 000 kN)。由于橋梁起升作業(yè)的空間高度受到支座形式的制約，因此起升千斤頂?shù)谋倔w高度應(yīng)控制在140 mm以下，同時(shí)還應(yīng)盡量增加其工作行程。經(jīng)過綜合比選，起升千斤頂?shù)谋倔w高度確定為133 mm，缸筒外徑為220 mm，工作行程達(dá)到了52 mm。起升千斤頂?shù)耐庥^示意如圖3。

圖3 起升千斤頂外觀示意

3.2.2 安全措施

作為起升作業(yè)過程中的重要部件，液壓千斤頂在多個(gè)方面體現(xiàn)并貫穿了安全設(shè)計(jì)理念:在千斤頂伸出或縮回至行程終點(diǎn)時(shí)通過缸體內(nèi)部的溢流回路自動卸荷，確保了缸筒、缸蓋、缸底的安全;在千斤頂上下腔之間設(shè)置液控單向閥，只有當(dāng)油缸上腔的工作壓力達(dá)到一定數(shù)值(例如5 MPa)時(shí)，千斤頂才可縮回，不僅能夠確保作業(yè)安全，而且可以控制起升高度。為方便墊環(huán)、墊塊安裝，在缸體上表面留有凸臺，在活塞桿中部留有凹槽。

3.3 連接油管

連接油管，包括快換接頭的作用是連通超高壓泵站和起升千斤頂間的液壓油路，其技術(shù)參數(shù)主要包括額定壓力、公稱通徑、長度等。從作業(yè)的安全性和時(shí)效性上考慮，選擇了額定壓力63 MPa、公稱通徑φ6 mm、長度10 m的聚氨酯油管。與普通的橡膠油管相比，盡管價(jià)格較高，但重量較輕，其顏色各異的外護(hù)套可保證千斤頂和泵站的連接準(zhǔn)確無誤。

4 頂升及承載附件部分

本部分主要由墊環(huán)墊塊組、承載墊梁、承載墊板等組成。

4.1 墊環(huán)墊塊組

起升千斤頂?shù)谋倔w高度/工作行程確定為133 mm/52 mm，較低的本體高度導(dǎo)致了較小的工作行程。為適應(yīng)橋梁起升作業(yè)過程中不超過300 mm的起升高度，采取了在千斤頂活塞伸出端交替加裝墊環(huán)、墊塊的方法，即重復(fù)千斤頂伸出→加墊環(huán)→千斤頂縮回→加墊塊之過程，直至逐步將梁體頂至所需高度。墊環(huán)、墊塊的加裝示意如圖4。梁體下落時(shí)，墊環(huán)、墊塊的拆除過程為千斤頂伸出→拆墊環(huán)→千斤頂縮回→拆墊塊，直至梁體復(fù)位。

從圖4可以看出，墊環(huán)墊塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)與起升千斤頂?shù)男阅軈?shù)，例如承載能力、工作行程等密切相關(guān)。經(jīng)強(qiáng)度校核，現(xiàn)確定墊環(huán)的技術(shù)參數(shù):外徑為220 mm，高度為40 mm(底環(huán)高18 mm)，材料為27 SiMn，上凸臺下止口;墊塊的技術(shù)參數(shù):外徑為100 mm，高度為40 mm，材料為45#鋼，上凹槽下凸臺。

圖4 墊環(huán)、墊塊加裝示意

4.2 承載墊梁

為提高橋梁起升作業(yè)的穩(wěn)定性，在空間高度允許的情況下，應(yīng)使用承載墊梁?？紤]到承載能力、焊接工藝、搬運(yùn)輕便等因素，現(xiàn)確定承載墊梁的技術(shù)參數(shù):長1 000 mm，寬300 mm，高100 mm;結(jié)構(gòu)形式為焊接框架，材料為Domex 600MC-6 mm特高強(qiáng)度鋼板。

4.3 承載墊板

承載墊板放在梁體下部和起升千斤頂之間，目的是減小起升千斤頂作用于梁體下部的壓強(qiáng)。在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了承載墊板對T形或∏形梁體的適應(yīng)性、作業(yè)空間高度的制約等因素，并利用Visual Nastran 4D 2002軟件對確定的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了有限元受力分析(強(qiáng)度校核)。

5 位移電子測量及傳輸部分

本部分主要由兩臺測距儀、一臺測試主機(jī)和作業(yè)分析軟件等組成，測試主機(jī)與各測距儀之間通過無線數(shù)傳模塊以主從模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。測距儀可安裝在距離測試主機(jī)100 m的范圍內(nèi)。

5.1 測距儀

測距儀的工作原理示意如圖5。

通過對各種型號測距傳感器的比對，選用了上海天沐自動化儀表有限公司生產(chǎn)的NS-WY06型拉繩式位移傳感器，其量程范圍為0～500 mm，電源電壓為12 V，輸出信號為4～20 mA，綜合精度為0.2%，工作溫度為－25℃ ～60℃。

圖5 測距儀工作原理示意

NS-WY06型拉繩式位移傳感器輸出的模擬電流信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)串行編碼在CPU控制下通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送給測試主機(jī)?，F(xiàn)選用了ADuC812單片智能轉(zhuǎn)換器來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、串行編碼及控制工作。

ADuC812是一個(gè)完全集成的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在一個(gè)芯片內(nèi)結(jié)合了高性能的自校準(zhǔn)多通道12位ADC，雙12位DAC和可編程8位微控制器(與8051兼容的指令集)。

FC-201/SP微功率無線數(shù)傳模塊的工作頻率在ISM頻段(載波頻率433 MHz)，無需申請頻點(diǎn);模塊采用高效信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)的抗干擾能力，降低了誤碼率;模塊采用單片射頻集成電路及單片MCU，外圍電路少，可靠性高，體積小，重量輕，功耗低;模塊采用5V直流工作電源、RS232接口、9 600 Bit/s波特率。

鋰電池組的作用是在整個(gè)橋梁起升作業(yè)期間為測距傳感器、智能轉(zhuǎn)換器和無線數(shù)傳模塊等提供所需的工作電源。由于作業(yè)現(xiàn)場可能沒有外界電源，因此對鋰電池組的基本要求就是必須具有足夠的容量。

測距儀的垂直高度＜150 mm，拉繩式測距傳感器的安裝方法直接影響位移測量的精度。采用常規(guī)的在橋梁上貼片來固定拉繩鉤頭的做法，很難保證拉繩的垂直度，粗糙的梁體表面也影響貼片的粘貼強(qiáng)度?，F(xiàn)將拉繩鉤頭掛在承載墊板側(cè)面的螺桿上，同時(shí)將測距傳感器放在千斤頂?shù)撞康匿撝ё蛑苯臃旁诔休d墊梁上，調(diào)整傳感器外殼的位置使拉繩處于豎直狀態(tài)。

測距儀外殼底部裝有永久磁片，方便與千斤頂鋼支座或承載墊梁的可靠吸附。

5.2 測試主機(jī)

測試主機(jī)由便攜式計(jì)算機(jī)和無線數(shù)傳模塊組成。計(jì)算機(jī)通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送指令和接收各測距儀按指令上傳的測量數(shù)據(jù)，通過校正、補(bǔ)償和計(jì)算顯示各測距儀測量的絕對位移、相對位移，并提供數(shù)據(jù)記錄回放分析功能。計(jì)算機(jī)通過USB-RS232轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)與無線數(shù)傳模塊的連接。

5.3 作業(yè)分析軟件

5.3.1 系統(tǒng)自檢和測量基準(zhǔn)設(shè)定

軟件自動判斷所連接的測距儀個(gè)數(shù)、通訊誤碼率、測距儀初始狀態(tài)。工作人員核對各測距儀的安裝位置，在各千斤頂頂升到位后，記錄各測距儀的測量數(shù)據(jù)并標(biāo)記測量0位。

5.3.2 系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)處理

在液壓千斤頂起升和降落過程中，以5次/s的頻率循環(huán)讀取各測距儀的測量數(shù)據(jù)，計(jì)算配對測距儀測量數(shù)據(jù)的差值。

5.3.3 操作過程數(shù)據(jù)記錄

記錄系統(tǒng)的基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)(各測距儀的初始狀態(tài)及配對定義、測量時(shí)間)，記錄包括起升、保壓和降落過程中各千斤頂?shù)奈灰茢?shù)據(jù)以及每輪測量的偏差相對值。

5.3.4 操作過程模擬顯示及分析

打開一次操作過程記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算出本次操作的時(shí)間，并以時(shí)間為序連續(xù)、步進(jìn)、拖動顯示各測距儀的狀態(tài)以及各配對測距儀的偏差。給出起升、保壓、降落過程中的最大偏差值，報(bào)告將作為設(shè)備性能考核、橋梁起升作業(yè)過程分析的依據(jù)。

6 結(jié)語

橋梁起升綜合設(shè)備于2009年7月通過了太原鐵路局技術(shù)鑒定，該設(shè)備已在上海鐵路局徐州工務(wù)段、大秦鐵路公司大同、茶塢、朔州、太原、原平、侯馬等工務(wù)段推廣應(yīng)用十余套，改善了橋梁養(yǎng)護(hù)維修的作業(yè)手段和作業(yè)環(huán)境，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。

［1］ 王承禮，徐名樞．鐵路橋梁［M］．北京:中國鐵道出版社，1993:244-262．

［2］ 王晉剛，陳昭明．鐵路行車事故救援方法及裝備應(yīng)用手冊［M］．北京:中國鐵道出版社，2002:98-129．

［3］ 聶崇嘉．液壓傳動與液力傳動［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，1991:5-177．

［4］ 張承譜，肖聚亮，閻祥安．橋梁頂升多液壓缸同步系統(tǒng)［J］．液壓與氣動，2007(6):39-42．