輪式主纜檢修車常見故障分析及改進研究

韋慶冬 馮傳寶 中國鐵路上海局集團有限公司南京鐵路樞紐工程建設指揮部

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人們對公路交通的需求量越大。我國現(xiàn)處于交通發(fā)展黃金時期，大跨度懸索橋建設正在蓬勃發(fā)展，近年來己建設有主跨在400 m及上的纜索體系橋梁己達百座。懸索橋本身及橋面上車輛、行人等重力載荷主要由主纜承受，其健康程度非常重要。風、雨、冰凍、溫度及濕度的變化等自然因素在長時間的作用下會對主纜造成一定的侵蝕。懸索橋主纜病害如下：①主纜結冰。主纜橫截面變大，同時由圓形變得不規(guī)則，降低其自振頻率；②涂裝失效。主纜會在沒有保護的前提下完全裸露在外而出現(xiàn)起皮等現(xiàn)象；③面絲誘蝕與斷絲松弛；④主纜鋼絲銹蝕主纜一般用高抗拉強度的鋼材（鋼絲、鋼絞線、鋼纜等）制作，主纜從嬌梁主塔到橋面的高差一般都在百米以上，主纜、吊索鎖夾及主纜除濕裝置等附屬物檢修工作困難很大。

大跨徑懸索橋從橋梁主塔塔頂?shù)絻S面的高差大多都在百米以上，因此主纜、吊索、索夾等結構的檢修工作困難很大。目前，懸索橋主纜主要還是采用人工攀爬的方式進行檢查維護，即檢修人員通過主纜上的檢修道來完成檢修工作，這種檢修方式存在檢查盲區(qū)，不能全方位檢修主纜，而且高空作業(yè)難度大、效率低下、精準性差、存在安全隱患問題。國外懸索橋主纜檢修主要依靠設在主纜頂部的檢修道來進行，部分懸索橋配置了主纜檢修設備，但也都是以牽引式為主，沒有實現(xiàn)自行走功能。

我國在主纜檢修設備產(chǎn)品這一領域還處于探索起步階段，許多懸索橋主纜上沒有設置?？诘臋z修設備，只設置簡易施工吊籃。但是與其類似的針對斜拉橋拉桿的纜索爬纜機器人己做了大量研究設計工作，可為檢查車研發(fā)提供參考。現(xiàn)在很少橋梁使用專用的設備對主纜檢修，如某長江大橋檢修車，但是該設備由于不具備自行走能力，很快被淘汰。某公司為某橋梁主纜涂裝施工時所配置的牽引式主纜檢修設備，由于該設備未含動力系統(tǒng)，因此在主纜施工完成之后即被廢棄。最新主纜檢查車為自行式主纜檢查車，包括履帶式與輪式主纜檢修車，由于該型主纜檢修車投入工程應用時間較短，可靠性有待時間檢驗，有較大改進空間，因此，需對主纜檢修車進行常見故障分析，并對其提出改進方案，從而為工程應用提供指導。

1 主纜檢修車結構原理

目前我國對主纜檢修設備這一領域的研究還處于探索階段，極少有懸索橋設置了專用檢修設備，國內(nèi)有少量企業(yè)和機構對主纜檢修設備進行過初步探索，根據(jù)行走特點將現(xiàn)存主纜檢修設備歸納為下兩類：

1.1 自行式主纜檢修設備

某路橋公司根據(jù)不同類型懸索橋的檢修需要，先后開發(fā)了幾款不同類型的具備自行走能力的主纜檢修設備，如針對某景區(qū)人行懸索橋開發(fā)的錐形輪主纜檢修車（見圖1）以及某懸索橋主纜維護使用的履帶式主纜檢修車（見圖2）。

圖1 錐形輪主纜檢修車

圖2 履帶式主纜檢修車

錐形輪主纜檢修車采用了電機驅動，該設備的優(yōu)點是具備自行走能力，同時錐形輪的設計使得檢修車具有自動對中功能，實現(xiàn)了檢修車的行走自動糾偏，其缺點也十分明顯，它只適用于小型懸索橋養(yǎng)護，而且因為沒有增壓機構，導致其爬坡能力有限。履帶式主纜檢修車使用液壓系統(tǒng)作為動力，檢修車行走時履帶與主纜表面接觸面積大，對主纜表面保護作用好，采用增壓機構后爬坡能力強，但是由于采用履帶強行跨越索夾方式，導致其跨障礙能力較差，同時該檢修車過索夾時整車振動明顯，行走的舒適性與安全性較差。

圖3 輪式主纜檢查車

目前，最新的自行式主纜檢查車是某公司的輪式主纜檢查車，如圖3所示。該輪式主纜檢查車采用液壓控制系統(tǒng)，相比履帶式主纜檢車，采用液壓控制包膠輪伸縮與翻轉，能夠柔性跨越主纜鎖夾，具有更高的減振性能，更好的行走舒適性與安全性。

1.2 牽引式主纜檢修設備

圖4 某橋牽引式主纜檢修設備

圖5 某橋主纜檢修設備

牽引式主纜檢修設備通常采用鋼絲繩牽引行走，鋼絲繩卷筒機構設置于懸索橋主塔頂部或設備上。這類檢修車結構簡單，操作方便，但是也存在負載小和行走穩(wěn)定性差等缺點。而且由于不具備自行走能力，通常這類檢修車適用性較差，只是針對特定巧梁設計和使用。典型的牽引式主纜檢修設備有某公司專為某橋主纜涂裝作業(yè)所設計的檢修設備，如圖4所示。某長江大橋也為便于主纜維護而配置了牽引式主纜檢修設備（見圖5），但是該設備由于沒有自行走能力，在工作一段時間后便不再使用。國外對于主纜檢修設備的應用相對國內(nèi)較多，但是牽引式主纜檢修車為主，對具備自行走能力的檢修車研究和應用較少，如圖6、7所示。

圖6 丹麥某懸索橋主纜檢查車

圖7 FOrth Road Bridge主纜檢查車

綜上所述，目前國內(nèi)外對于懸索橋主維檢修車的研巧取得了一些成果，對后續(xù)的主纜檢修設備研制具有一定的參考價值，例如錐形輪主繩檢修車的過索夾方式及履帶式主纜檢修車的增壓機構等都是具有創(chuàng)新性的設計。與此同時，前期取得的研究成果還有待進一步深入與推廣，現(xiàn)己存在的主纜檢修設備都針對特定橋梁設計，設備不具有通用性，推廣價值較低。

1940年，在風速不高的情況下，美國新建成的塔科馬懸索橋因強烈風振效應而發(fā)生跨塌，震驚了整個工程界，這一事件也被視為現(xiàn)代風工程研究的開端。衡亞霖采用諧波疊加法模擬了主纜檢修車脈動風速時程，對檢修車主巧架結構進行了風振響應特性研究。綜上所述，目前國內(nèi)外學者對于高層結構的風工程研究取得了較好的理論和試驗成果，但是對處于高空的結構如橋梁檢修車等的風振研巧較少，隨著橋梁檢修設備的設計應用越來越多，對檢修設備的風致振動研究也應當給予足夠的重視。爬坡能力強、行走速度較快、具備跨越索夾及吊索能力和較強抗風能力是主纜檢修車現(xiàn)在的發(fā)展方向。

2 輪式主纜檢修車故障分析

目前，輪式主纜檢修車是最先進的主纜檢修車，代表著主纜檢查車的最高技術水平，但由于投入工程應用時間較短，工程應用反饋信息較少，其系統(tǒng)可靠性還未能經(jīng)過時間的考驗，因此，需要對輪式主纜檢修車進行常見故障分析，提出防治措施，以防患未然，并為進一步提高輪式主纜檢修車系統(tǒng)可靠性提供指導。

2.1 控制系統(tǒng)故障

輪式主纜檢修車采用液壓控制系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)故障會導致壓緊輪油缸的伸縮和翻轉不同步、行走輪與驅動輪伸縮異常、壓緊輪壓緊力不足等。因此，需對液壓控制系統(tǒng)進行故障分析，液壓控制系統(tǒng)常見故障：①污染。液壓油被污染是系統(tǒng)產(chǎn)生故障和元件過早磨損甚至損壞的主要原因。油液的污染為侵入污染和自然新生污染，主要來源于運輸儲存過程系統(tǒng)的清洗和組裝過程、油箱的清潔程度與空氣濾清器過濾精度、注入油液的清潔程度、系統(tǒng)的維護過程及維護周期。②溫升。液壓系統(tǒng)產(chǎn)生溫升的主要原因是功率損失，其次元件的磨損、油液的污染、空氣的進入和氣穴現(xiàn)象等都會引起溫升；油溫過熱會加速油液的變質(zhì)，過熱也會影響密封圈和防塵圈的壽命，形成油液和空氣泄漏造成系統(tǒng)的效率很快降低。在損壞的密封圈和防塵圈處，污染物也會進入系統(tǒng)進一步縮短了系統(tǒng)的壽命。③泄露。液壓系統(tǒng)的泄露分外泄和內(nèi)泄，外泄主要發(fā)生在液壓管路上，比較容易發(fā)現(xiàn)；內(nèi)泄產(chǎn)生在液壓元件內(nèi)部，不容易直接發(fā)覺，它直接影響液壓元件的性能；④泡沫?？諝膺M入液壓系統(tǒng)，混在油液里，會使系統(tǒng)工作不正常，產(chǎn)生振動、噪聲、爬行和動作遲緩等現(xiàn)象，吸油口等負壓區(qū)管路密封不良或維護不當?shù)榷紩箍諝膺M入液壓系統(tǒng)。

針對以上液壓系統(tǒng)常見故障可對應采取以下措施：

①針對主纜檢修車的工作環(huán)境，應在油箱呼吸孔設置帶有吸潮劑的空氣濾清器；液壓系統(tǒng)初次使用90 h左右，必須清洗一次濾油器；油液要定期抽樣檢測和更換。②選用黏度合適的液壓油；因系統(tǒng)外部的污染物起到一個隔絕和阻礙正常的油液冷卻的作用，保持液壓系統(tǒng)外部和內(nèi)部的清潔；經(jīng)常檢查油箱的液位，油位過低會造成系統(tǒng)沒有足夠的油液帶走熱量；定期更換過濾器濾芯，避免過濾器堵塞；③軟管接頭不要過度地旋緊，使管接頭和密封圈產(chǎn)生扭曲變形造成密封圈表面的損壞，增加泄漏，應當使用設備制造商推薦的旋緊轉矩值；使用合適的支架和管夾，要避免軟管與軟管之間或軟管與硬管之間或者軟管與設備之間形成摩擦，摩擦會縮短軟管的壽命；安裝時要使用合適的工具，不要使用密封膠來防止泄漏；無論什么時候在從液壓系統(tǒng)中拆除軟管和硬管時，都要用干凈的材料蓋住拆除部分的管道；④安裝軟管時，要保證它們被固定振動的軟管可能會造成管接頭松弛，使空氣進入系統(tǒng)，所以應定期檢查軟管的連接處和固定部位；選取黏度合適的工作介質(zhì) ，油的黏度太高，對控制的反應有減慢的趨向，也會造成流體摩擦增加使系統(tǒng)的油溫升高，或者造成液壓泵吸入空氣，從而增加泡沫的形成。

2.2 機械系統(tǒng)故障

（1）偏擺，糾偏行走機構在提升，下降過程中出現(xiàn)偏擺現(xiàn)象，提升筒表面有輕微的刮痕，通過現(xiàn)場觀察，提升筒和提升滑塊的一側間隙偏大，通過對行走機構加壓后，偏擺現(xiàn)象有所好轉。輪式主纜檢修車在行走過程中出現(xiàn)偏擺現(xiàn)象，不僅會在一定程度上影響行走舒適性與安全性，也會增大包膠輪額外荷載，從而增大包膠輪破壞涂層的可能性。

（2）主纜涂層破壞，輪式主纜檢查車在運行過程中，包膠輪使主纜涂層發(fā)生破壞，這主要是由于機械系統(tǒng)設計誤差或不周全導致的。輪式主纜檢修車對主纜涂層造成損傷的現(xiàn)象，是與主纜檢修車的功能相違背的，是必須要避免的。因此，在以下研究中，著重研究檢修車導致主纜涂層破壞的原因，并提出主纜檢修車改進方案。

3 輪式主纜檢修車改進研究

3.1 主纜涂層失效

主纜一般采用高抗拉強度鋼材（鋼絞線、鋼絲、鋼纜等）制作，其外表面通常采用“防腐涂裝＋纏包（玻璃纖維布或其它防腐布等）”、“防腐涂裝＋圓形軟鋼絲纏絲＋表面油漆”等方法進行防護，如圖8所示。主纜涂層是主纜防腐體系的重要組成部分，在主纜檢修車運行過程中，容易導致主纜涂層破壞，破壞形式為萌生裂紋、劃傷甚至撕裂，這無疑會加速主纜防腐體系的失效，降低主纜防腐體系壽命。因此，需對主纜檢修車進行改進，避免主纜檢車包膠輪對主纜涂層的損害。此外，也可以優(yōu)化主纜涂層材料以及涂層厚度，使主纜涂層具有更高的強度。

圖8 主纜外層防護結構示意圖

3.2 主纜檢修車改進措施

改進措施：

①增加減振與阻尼裝置，抵抗車體偏擺、運行沖擊與振動破壞主纜涂層；②優(yōu)化包膠輪結構，擴大輪部接觸面積，可采用橢圓形截面包膠輪，避免應力分布不均破壞主纜涂層；③在輪前設置除塵裝置，減少車輪與灰塵顆粒共同對涂層的磨削破壞作用；④控制優(yōu)化，緩沖制動，避免制動沖擊破壞主纜涂層。

4 結束語

國內(nèi)大跨度懸索橋建設正在蓬勃發(fā)展的同時，主纜作為其特殊重要的功能構件，需要配備主纜檢修裝置來保障主纜的安全，主纜檢修車是目前最主要的主纜檢修裝置，主纜檢修車分為自行式與牽引式，目前最優(yōu)良的主纜檢修車是輪式主纜檢修車，輪式主纜檢修車除常見的機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)故障外，還出現(xiàn)偏擺與破壞主纜涂層的的故障，因此，可以通過增加減振與阻尼裝置、優(yōu)化包膠輪結構（擴大輪部接觸面積，可采用橢圓形截面包膠輪）、在輪前設置除塵裝置、控制制動緩沖的改進措施，從而提高輪式主纜檢查車的可靠性。