鐵路高墩內(nèi)部升降運(yùn)輸?shù)趸@及動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

艾宗良 張 劍 彭長(zhǎng)長(zhǎng)

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031；2.武漢武橋交通裝備技術(shù)有限公司， 武漢 430000)

鐵路高墩內(nèi)部升降運(yùn)輸?shù)趸@及動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

艾宗良1張 劍2彭長(zhǎng)長(zhǎng)2

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031；2.武漢武橋交通裝備技術(shù)有限公司， 武漢 430000)

針對(duì)目前鐵路橋墩內(nèi)部檢查工作強(qiáng)度大，檢查效率低的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)墩內(nèi)搭建固定檢查平臺(tái)的基礎(chǔ)上,增加一套升降運(yùn)輸?shù)趸@。采用動(dòng)力系統(tǒng)控制吊籃升降,確保檢查人員可以在墩內(nèi)借助升降運(yùn)輸?shù)趸@完成上下運(yùn)輸,到達(dá)檢查平臺(tái)，完成橋墩檢查工作，提高了檢查工作效率。同時(shí)，文章詳細(xì)介紹了其動(dòng)力系統(tǒng)的布置形式和計(jì)算方法?？紤]到動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)需要控制重量，以便在設(shè)備使用完畢后人工搬運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)，該設(shè)備選用了單相電機(jī)及單相輸出的汽油發(fā)電機(jī)，并核算了發(fā)電機(jī)的輸出功率。

升降運(yùn)輸?shù)趸@； 動(dòng)力系統(tǒng)； 功率計(jì)算； 發(fā)電機(jī)選型

隨著鐵路橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，對(duì)橋梁及橋墩檢查設(shè)備的需求越來愈大。目前，鐵路橋墩的檢修主要通過箱梁內(nèi)部或者T梁的避車臺(tái)進(jìn)入橋墩頂帽，檢修一般局限于橋墩頂帽附件位置。對(duì)于高墩，橋墩內(nèi)部檢修一般通過爬梯和環(huán)形平臺(tái)進(jìn)行。這種方式對(duì)檢查工作人員體力要求高，工作效率低。目前，鐵路高墩內(nèi)部的檢修并沒有成熟的專用機(jī)械設(shè)備。針對(duì)以上情況，研究提出了在既有橋墩內(nèi)部增設(shè)一套升降運(yùn)輸?shù)趸@系統(tǒng)進(jìn)行人員的運(yùn)輸，檢查人員借助吊籃到達(dá)墩內(nèi)平臺(tái)上進(jìn)行橋墩檢查，無需依靠人力上下爬梯，從而降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了檢查效率。同時(shí)，該系統(tǒng)采用了嚴(yán)格的安全措施以確保檢修人員的安全。升降運(yùn)輸?shù)趸@采用動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行升降，由于橋墩內(nèi)部無電源供應(yīng)，動(dòng)力系統(tǒng)需自帶電源。考慮使用頻率和檢修條件，該動(dòng)力系統(tǒng)中的電氣部分，包括電機(jī)及電源部分，需在設(shè)備使用完后靠人工搬運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)，對(duì)其重量有嚴(yán)格的控制要求。

1 升降運(yùn)輸?shù)趸@結(jié)構(gòu)形式及工作原理

橋墩內(nèi)部升降運(yùn)輸?shù)趸@主要由動(dòng)力系統(tǒng)、升降平臺(tái)、墩內(nèi)預(yù)埋件及預(yù)埋平臺(tái)、電氣系統(tǒng)組成。動(dòng)力系統(tǒng)固定在預(yù)埋平臺(tái)上，通過鋼絲繩與升降平臺(tái)進(jìn)行連接，升降運(yùn)輸?shù)趸@由電氣系統(tǒng)進(jìn)行控制，具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。由可手動(dòng)或電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)通過鋼絲繩牽引載有檢查人員的升降平臺(tái)，在墩內(nèi)升降到達(dá)每層墩內(nèi)平臺(tái)，檢查人員借助檢查設(shè)備對(duì)墩內(nèi)進(jìn)行檢查。

檢查人員進(jìn)行檢查作業(yè)時(shí)的步驟：

(1)由3名檢查人員攜帶檢查設(shè)備及動(dòng)力源，包括備用燃油進(jìn)入墩內(nèi)平臺(tái)(動(dòng)力源重量為20 kg，額定功率使用時(shí)間為4.2 h)。

(2)由2名檢查人員攜帶設(shè)備進(jìn)入運(yùn)輸?shù)趸@，1名工作人員遙控卷?yè)P(yáng)機(jī)工作，下降吊籃至固定平臺(tái)。

(3)檢查人員攜帶設(shè)備進(jìn)入固定檢查平臺(tái)，對(duì)墩內(nèi)情況進(jìn)行檢查。

(4)墩內(nèi)檢查完畢后，先提升到墩內(nèi)的頂部固定平臺(tái)，再由爬梯爬行至橋面，關(guān)閉爬梯門，檢查工作結(jié)束。檢查作業(yè)完成后，可將動(dòng)力源等拆卸至其他橋墩中使用或放入倉(cāng)庫(kù)中儲(chǔ)存。

圖1 高墩內(nèi)部升降運(yùn)輸?shù)趸@

2 升降運(yùn)輸?shù)趸@技術(shù)參數(shù)

該高墩內(nèi)部升降運(yùn)輸?shù)趸@自重載荷3 kN，額定起升載荷2 kN，吊籃起升速度10 m/min，起升高度60 m，所使用動(dòng)力系統(tǒng)1套，動(dòng)力系統(tǒng)需自帶電源。電氣系統(tǒng)中包括電機(jī)和自帶電源部分應(yīng)輕便，以便檢查人員工作完成后搬運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)，重復(fù)使用。

3 動(dòng)力系統(tǒng)形式選擇及布置

動(dòng)力系統(tǒng)是整個(gè)升降運(yùn)輸?shù)趸@最重要的組成部分，負(fù)責(zé)整個(gè)動(dòng)作的運(yùn)行，動(dòng)力系統(tǒng)選擇合適與否直接關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定及效率。目前升降吊籃通常采用的提升形式有3種：卷?yè)P(yáng)機(jī)、摩擦繩輪升降機(jī)和摩擦提升機(jī)。對(duì)3種形式進(jìn)行對(duì)比可知：(1)卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同步性好，但重量較重；(2)摩擦繩輪升降機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修、搬運(yùn)方便，但摩擦繩輪升降機(jī)同步性較差；(3)摩擦提升機(jī)結(jié)構(gòu)較輕，但可移動(dòng)性較差。橋墩內(nèi)部升降運(yùn)輸?shù)趸@主要用作運(yùn)輸檢查人員，并非檢修平臺(tái)，結(jié)構(gòu)尺寸小，其動(dòng)力系統(tǒng)的提升機(jī)構(gòu)對(duì)同步性的要求較高。經(jīng)比較后，選擇單電機(jī)通過減速機(jī)帶動(dòng)雙卷筒作為升降運(yùn)輸?shù)趸@動(dòng)力系統(tǒng)。

吊籃采用兩套鋼絲繩進(jìn)行提升，采用1臺(tái)減速機(jī)通過兩對(duì)開式齒輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)卷筒，以保證同步性，齒輪副的小齒輪安裝在減速機(jī)軸上，兩個(gè)大齒輪安裝在兩卷筒端頭，結(jié)構(gòu)布置如圖2、圖3所示。電機(jī)安裝于減速機(jī)上，減速機(jī)與兩卷筒同時(shí)通過齒輪嚙合于一體形成動(dòng)力系統(tǒng)。

圖2 動(dòng)力系統(tǒng)正視圖

圖3 動(dòng)力系統(tǒng)俯視圖

4 動(dòng)力系統(tǒng)功率計(jì)算及配件選型

4.1 電機(jī)穩(wěn)態(tài)起升功率計(jì)算及電機(jī)選型

根據(jù)升降運(yùn)輸?shù)趸@的自重載荷、額定起升載荷及起升速度計(jì)算電機(jī)穩(wěn)態(tài)起升功率為：

(1)

式中：Q——吊籃的額定起升載荷，Q=2 000 N;G——吊籃的自重載荷，G=3 000 N；v——起升速度，v=10 m/min；η——機(jī)構(gòu)總效率，η=0.985×0.94×0.95。

經(jīng)計(jì)算：

PN=948.1W

初選電機(jī)功率：

(2)

式中：H——系數(shù)，H=2.5；λm——電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，λm=2.2。

經(jīng)計(jì)算：

P0≥1 077.4W

由于該動(dòng)力系統(tǒng)功率控制在1.1 kW即可,且設(shè)備需輕便,綜合比選現(xiàn)有的動(dòng)力系統(tǒng)，選擇型號(hào)YY90S4的單相電機(jī)。該電機(jī)的額定功率1.1 kW，額定轉(zhuǎn)速1 400 r/min，效率71%，功率因數(shù)0.95。

4.2 發(fā)電機(jī)計(jì)算及選型

選擇單相汽油發(fā)電機(jī)作為動(dòng)力源，根據(jù)電機(jī)額定功率、效率及功率因素計(jì)算發(fā)電機(jī)輸出功率為：

(3)

式中：PP——單相電機(jī)額定功率，PP=1.1 kW；η1——單相電機(jī)效率，η1=71%；ψ——單相電機(jī)功率因素，ψ=0.95。

經(jīng)計(jì)算：

PF=1.63 kW

綜合比選，選擇雅馬哈便攜式數(shù)碼發(fā)電機(jī)EF2000iS，其性能參數(shù)如表1所示。其額定輸出1.6 kVA，重量?jī)H20 kg，可人力搬運(yùn)。

表1 數(shù)碼發(fā)電機(jī)EF2000iS性能參數(shù)

4.3 齒輪副計(jì)算及減速機(jī)選型

減速機(jī)采用TK系列螺旋錐齒輪減速機(jī)，減速比27.34，具體型號(hào)為TKA58-27.34。根據(jù)提升速度及卷筒直徑計(jì)算齒輪副傳動(dòng)比為3.53。經(jīng)詳細(xì)計(jì)算及強(qiáng)度校核，確定齒輪副中的小齒輪齒數(shù)為17，大齒輪齒數(shù)為60，模數(shù)為6 mm。

5 安全保障措施

安全保障措施是升降運(yùn)輸?shù)趸@能否成功運(yùn)用的關(guān)鍵。

首先，為了防止升降鋼絲系統(tǒng)在工作時(shí)出現(xiàn)意外，在其上設(shè)置防墜器以防止主鋼絲繩發(fā)生斷裂時(shí)吊籃的整體墜落。在其下部安裝安全緩沖氣囊以保證吊籃的安全。

其次，考慮機(jī)電設(shè)備故障的應(yīng)急處理，為防止設(shè)備故障帶來的安全隱患，既有橋墩墩內(nèi)平臺(tái)之間的爬梯不拆除，設(shè)備故障引起吊籃無法工作時(shí)，作業(yè)人員可從吊籃撤離，并通過墩內(nèi)爬梯上行回到橋墩入口后安全離開橋墩。

最后，制定嚴(yán)格的操作規(guī)范，確保檢修人員與外界隨時(shí)聯(lián)系，按照檢修規(guī)程進(jìn)行檢修操作，確保人員安全。

6 結(jié)束語

升降運(yùn)輸?shù)趸@更能保障檢修人員的安全，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了檢查效率，節(jié)省了時(shí)間成本，從而在一定程度上降低了投資成本。

其動(dòng)力系統(tǒng)作為橋墩內(nèi)部升降運(yùn)輸?shù)趸@的核心部件，其功率大小決定了運(yùn)輸?shù)趸@的提升能力和作業(yè)時(shí)的動(dòng)力續(xù)航時(shí)間，合理計(jì)算升降運(yùn)輸?shù)趸@功率，選擇合適的電機(jī)以及發(fā)電機(jī)，既可以確保工作的可靠性，還可以延長(zhǎng)動(dòng)力續(xù)航時(shí)間，同時(shí)也降低了設(shè)備重量，在需要人力轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)力設(shè)備的條件下，這一點(diǎn)特別重要。

[1] 張質(zhì)文，王金諾，程文明，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2013. ZHANG Zhiwen，WANG Jinnuo，CHENG Wenming，et al. Handbook of Cranes Design[M].Beijing：China Railway Publishing House，2013.

[2] GB/T 3811-2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. GB/T 3811-2008 Design Rules for Cranes[S].

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004. CHEN Daxian.Handbook of Machine Design[M]. Beijing：China Machine Press，2004.

[4] JTG D60-2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]. JTG D60-2004 General Code for Design of Highway Bridges and Culverts[S].

[5] TBJ 203-1996 鐵路橋涵施工規(guī)范[S]. TBJ 203-1996 Code for Construction on Bridge and Culvert of Railway[S].

[6] 彭長(zhǎng)長(zhǎng).橋梁檢查車走行機(jī)構(gòu)功率計(jì)算及電機(jī)選型[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2015，28(3)：90-92. PENG Changchang. Power Calculation and Motor Selection on the Walking Mechanism of the Bridge Inspection Vehicle[J].Construction Machinery Technology & Management，2015,28(3)：90-92.

[7] 游勵(lì)暉，陳思孝.西南山區(qū)鐵路橋梁設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考[J].高速鐵路技術(shù)，2015，6(5)：78-82. YOU Lihui，CHEN Sixiao.Thoughts on Design of Railway Bridge in Southwest Mountain Area[J].High Speed Railway Technology，2015，6(5)：78-82.

[8] 劉自明，陳開利.橋梁工程檢測(cè)手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2010. LIU Ziming，CHEN Kaili. Manual of Engineering Testing and Inspections of Bridges[M]. Beijing：China Communications Press，2010.

The Design of Lifting Basket in Bridge Pier and Dynamic System

AI Zongliang1ZHANG Jian2PENG Changchang2

(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd，Chengdu 610031，China；2.Wuhan Wuqiao Traffic Equipment Technology Co. Ltd，Wuhan 430000，China)

In order to solve the problem of the high intensity and low efficient of the railway bridge pier inspection, a lifting basket has been brought in on the basic of setting up fixed inspection platform in traditional piers. Dynamic system has been used to control the basket up and down, ensure the inspector could finish the inspection of the bridge pier with the help of the lifting basket. In addition, detail structure and calculation method of the dynamic system has been introduced. Single-phase motor and single-phase gasoline engine generator has been selected and output power of generator is checked in consideration of weight control of the generator of the dynamic system to benefit the transport of the motor and generator after work.

lifting basket; dynamic system; power calculation； generator type selection

2016-03-23

艾宗良(1980-)，男，高級(jí)工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師。

1674—8247(2016)04—0016—03

U443.22

A