基于高程監(jiān)測的智能調高支座設計與試驗研究

楊國靜,曾永平,顧海龍

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031; 2.洛陽雙瑞特種裝備有限公司,河南洛陽 471000)

軌道平順性是高速鐵路行車安全性和舒適性的重要保證[1]。然而，受溫度、混凝土收縮徐變和基礎不均勻沉降等影響，橋梁結構不可避免地會發(fā)生沉降變化，直接影響到橋面軌道線形，進而影響到行車安全性和舒適性[2]。目前軌道不平順的調整主要依靠調整軌道扣件，但對于無砟軌道，其調整量有限[3]，僅為毫米級(-4，+26) mm。為解決下部結構的不均勻沉降變化，橋梁工程中多采用高度可調整支座[4-9]。

本文在充分調研現(xiàn)有調高技術的基礎上，研發(fā)了一種基于高程變化監(jiān)測的智能調高支座，并開展了一系列的性能試驗，實現(xiàn)了鐵路橋梁線形監(jiān)測的自動化、數(shù)字化以及調高的智能化，對于確保列車行車的舒適性與安全性有重要意義。

1 調高技術現(xiàn)狀分析

受軌道扣件結構調整量的限制，目前橋梁的不均勻變形主要是通過調高支座實現(xiàn)。主要有墊板調高、螺紋調高和液壓填充調高3種調節(jié)方式[10-11]。

(1)墊板調高

采用加墊鋼板或抽拔鋼墊板方式調高是目前國內外最常用也是最簡便可行的調高方案之一。該方案在普通盆式支座頂板上先加墊一塊鋼板，在支座需要調高時，先用千斤頂頂梁，然后抽換所需厚度的鋼墊板來實現(xiàn)。該調高方式構造簡單，成本低、實施操作方便。缺點是調高時必須用千斤頂頂梁，只能調高不能調低，且不能實現(xiàn)連續(xù)無級調整。

(2)螺旋機械調高

螺旋機械調高[12]是依靠設置在支座內部的螺紋旋合來實現(xiàn)支座高度的調整。優(yōu)點是調高方便，調高量可大可小，可正可負，可無級調高，且不需另加工部件。但豎向荷載完全通過螺紋傳遞，對螺紋強度要求高，且支座的部件尺寸和總高度較大。為保證調高時螺旋轉動靈活，螺紋間要有一定的間隙，這也導致了列車運行時，支座會略有橫向搖擺現(xiàn)象，影響行車速度和舒適度。由于螺紋間存在間隙，在長期交變荷載的作用下，容易發(fā)生疲勞破壞。因此，螺旋機械調高不適用于承載力大的支座，且須保證螺紋不會銹蝕。

(3)液壓填充調高

液壓填充式調高方案是通過向支座內部盆腔填充常溫可固化材料來實現(xiàn)支座的高度調節(jié)，是近幾年已經成功應用的調高技術[13-19]。該調高方式是在支座內部留有灌注孔，通過向該孔注入填充材料，使其在預設時間內固化來實現(xiàn)支座的高度調節(jié)。填充式調高支座調高時不需頂梁，可實現(xiàn)一次性無級凋高，頂升力可控，高度調節(jié)幅度較大。但只能進行調高而不能進行調低，且填充材料需要一定的固化時間，調節(jié)次數(shù)有限。

綜上所述，以上幾種方案均能實現(xiàn)橋面線形高程的調整，但主要缺點有：調高效率低，不能及時發(fā)現(xiàn)橋面線形高程變化，調高作業(yè)周期長和施工成本高。

2 智能調高支座的工作原理及設計

智能調高支座系統(tǒng)主要由調高機械子系統(tǒng)、高程監(jiān)測子系統(tǒng)和智能控制子系統(tǒng)組成。

高程監(jiān)測子系統(tǒng)主要是監(jiān)測梁體或墩頂高程的變化情況，并將監(jiān)測結果以電信號的形式發(fā)送給智能控制系統(tǒng)；智能控制子系統(tǒng)根據(jù)預設的閥值，決定是否需要調整以及調整多少；機械調高子系統(tǒng)則根據(jù)接收到的控制指令自動進行調整。3個系統(tǒng)形成循環(huán)，直至高程滿足控制要求。圖1為該支座系統(tǒng)的工作流程。

圖1 系統(tǒng)工作流程

該系統(tǒng)的優(yōu)點在于實現(xiàn)了高程監(jiān)測實時化和豎向調高自動化，具有調高效率高，周期短，費用低等特點，能及時保證橋面平順性和列車行駛舒適性。

2.1 調高機械子系統(tǒng)設計

調高機械子系統(tǒng)作為調高系統(tǒng)的核心部件，具有能夠傳遞支座豎向承載、水平承載，并能實現(xiàn)支座高度調整的功能。該系統(tǒng)在現(xiàn)有支座基礎上，增設了階梯狀的楔形塊，通過千斤頂頂推楔形塊來實現(xiàn)支座高度的變化，系統(tǒng)結構如圖2和圖3所示。

圖2 調高機械子系統(tǒng)構造

圖3 系統(tǒng)構造分解示意

在下座板底面設置2臺豎向千斤頂同步頂升梁體至所需位置，然后水平頂推階梯狀的楔形塊，使其與倒三角形階梯塊配合實現(xiàn)支座高度變化，待穩(wěn)定后再卸載豎向千斤頂。下座板所受的水平承載通過4個導柱傳遞到底座，然后由底座傳遞到墩臺。

為了防止活動階梯楔形塊在底座上平面產生非正?；疲鬃掀矫嬖O置5 mm深的凹槽。水平千斤頂采用法蘭固定于基座上，千斤頂前端采用一個關節(jié)軸承與楔形塊連接，防止直接連接產生的別勁現(xiàn)象。

與常規(guī)調高方式相比，該方式可實現(xiàn)支座雙向大量程的無級調高，且階梯狀小臺階有效保證了支座的豎向傳力支撐以及頂推過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 高程監(jiān)測子系統(tǒng)設計

高程監(jiān)測子系統(tǒng)目的在于實時監(jiān)測梁體線形高程變化情況，并將監(jiān)測結果發(fā)送給控制系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)的人工測量方法不能及時地發(fā)現(xiàn)橋面線形變化，因此綜合比選目前各種監(jiān)測手段優(yōu)缺點的基礎上，選擇了靜力水準儀作為高程監(jiān)測系統(tǒng)的主要設備[20]，它具備安裝簡便、運行可靠、自動監(jiān)測、高精度等特點。

系統(tǒng)采用連通管原理，在待測點和基準點之間設置連通管，利用同一系統(tǒng)液面保持水平的原理，測得液面變化后，反算出待測點相對于參考點的位移，從而達到測試橋梁撓度的目的，如圖4所示。

圖4 靜力水準儀布置示意

2.3 智能控制子系統(tǒng)設計

智能控制子系統(tǒng)猶如整個系統(tǒng)的大腦，負責收集、處理所有信息，并發(fā)布指令。首先，根據(jù)高程監(jiān)測子系統(tǒng)的監(jiān)測信息，結合預設目標，判斷支座是否需要調整及調整高度，并規(guī)劃出液壓杠的位移目標。然后，通過液壓缸和電動缸進行位移控制實現(xiàn)支座高度調整，并實時上報液壓缸、電動缸的頂推位移。系統(tǒng)運行過程中，若發(fā)生故障(傳感器失效、電動缸故障等)，應能做出相應的應急保護措施，并通知用戶及時進行維護。

該系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件系統(tǒng)是由液壓泵、液壓千斤頂、變頻調速控制裝置、控制閥組，平衡閥以及位移傳感器等組成。軟件主要分為控制軟件和故障診斷軟件?？刂栖浖ǎ何灰?速度規(guī)劃器和閉環(huán)控制程序。位移-速度規(guī)劃器指在系統(tǒng)運行過程實時根據(jù)高程測量系統(tǒng)所測得高程變化值，規(guī)劃液壓缸的位移目標值以及速度目標值，實現(xiàn)對高程變化值的精確跟隨。閉環(huán)控制程序根據(jù)位移-速度規(guī)劃器所計算的目標值，通過控制算法、數(shù)字PID算法，計算出當前輸出值調節(jié)變頻器、液壓泵以獲得適當?shù)牧髁?，實現(xiàn)了遠程驅動液壓缸至目標位置。

3 智能調高系統(tǒng)的試驗研究

為了驗證該系統(tǒng)的合標性、功能性及安全可靠性，對支座的性能進行了試驗研究，主要包括支座基本性能、豎向自動調高功能、多臺聯(lián)動功能和安全可靠性試驗。

3.1 支座基本性能測試

為了考察支座的基本性能，對ZTQZ-4000-0.1g支座進行了豎向承載力、水平摩擦系數(shù)和水平承載力試驗。

按照圖5的方式對支座施加一定的荷載，測量支座在規(guī)定荷載下的變形，并繪制豎向荷載-變形曲線，如圖6所示。

圖5 智能調高支座豎向承載力試驗

圖6 支座豎向承載力試驗結果

從測試結果可看出，智能調高支座在設計荷載(4 000 kN)下的變形量為1.9 mm，較常規(guī)支座的變形量略大。這是由于智能調高支座的結構更為復雜，除了具有常規(guī)支座轉動和滑動功能的球面和平面摩擦副之外，還有用于高度調整的階梯塊。這些構件在受力時都可能產生一定量的變形。而目前在設計荷載下的變形量對支座的正常使用和鐵路行車影響均較小。

同時，對智能支座進行了4次水平摩擦性能試驗，測試結果如表1所示。

表1 智能調高支座水平摩擦性能

從表1可看出，智能調高支座的水平摩擦系數(shù)較小，僅為0.011，遠小于標準要求的0.03。這與智能調高支座采用的摩擦副體系有著極大的關系。智能調高支座的摩擦副體系采用改性超高分子量聚乙烯與不銹鋼組成，并輔以硅脂潤滑，其最大優(yōu)點是承載能力強和摩擦系數(shù)小。

按照圖5的方式對支座施加10%設計荷載考察智能調高支座在設計水平力作用下導向結構的變形量，如圖7所示。

圖7 自動調高支座水平承載力試驗

從圖7可看出，導向結構的整體變形較小，最大變形量僅為0.18 mm，滿足支座的使用要求。4個導向結構處的變形量略有不一致，主要是受加工精度及配合間隙的影響。

3.2 自動調高功能測試

自動調高功能測試由高程監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和支座本體三部分共同作用完成。

首先采用20 000 kN壓剪測試系統(tǒng)對支座本體施加4 000 kN的設計荷載。然后，調整高程監(jiān)測系統(tǒng)中的靜力水準儀的位置，如圖8所示，使得監(jiān)測點和固定點之間位置產生高度差。最后，進行自動調高功能的試驗驗證。

圖8 自動調高功能試驗

在調高試驗過程中，每次調整高度分別按照5，10，20，50 mm進行調整，智能調高支座的控制系統(tǒng)獲取高程監(jiān)測系統(tǒng)中產生的位置變化指令后，將指令通過控制系統(tǒng)傳輸至自動調高支座液壓系統(tǒng)和伺服電動缸，液壓系統(tǒng)先于電動缸開始工作，通過液壓千斤頂將支座上部零件頂升至指定位置，然后電動缸帶動階梯塊水平運動至預定位置，最終千斤頂下落，使得上下調高階梯塊配合，完成自動調高支座調高功能試驗。

試驗結果表明：每次調整均能按照預先設計的調高量準確完成自動調高試驗。

3.3 多臺同步聯(lián)動調高試驗

智能調高支座在橋梁上應用時一般是2臺或4臺支座并用安裝在一個墩臺上，在使用過程中必須多臺支座同步調高才能保證整條線路的安全運行。因此，須針對智能支座進行同步聯(lián)動功能試驗。

將2臺智能調高支座放置在同一平面上，并將支座高度調整至同一高度，然后在支座上表面放置1 t鋼板，并在鋼板的4個角分別放置百分表，用于檢測2臺調高支座的調高量是否一致，共進行了5次2臺支座聯(lián)動試驗，試驗結果如表2所示。

表2 2臺支座同步聯(lián)動調高結果

從表2可以看出，(1)實際調整高度與預設調整高度間有一定的差異，這是受支座自身加工精度、支座及墊板間隙和墊板平面度等多種因素影響造成的；(2)2臺支座同步調高的誤差均在0.2 mm以內，說明智能調高支座系統(tǒng)的聯(lián)動調高性能較為穩(wěn)定優(yōu)越。

3.4 可靠性試驗

智能調高支座的使用是一個長期的過程，支座的安全可靠性關系到整條線路的安全運行。因此要針對支座的安全可靠性進行研究。

對智能調高支座共進行165次不同高度的調整試驗。試驗結果表明：智能調高支座各系統(tǒng)均未出現(xiàn)故障，系統(tǒng)運行完好，也充分說明該系統(tǒng)具有兼容性好、穩(wěn)定性高和可靠性強的特點。

4 支座安裝

支座安裝包括調高機械子系統(tǒng)安裝、控制子系統(tǒng)安裝、標高監(jiān)測子系統(tǒng)安裝、管線布設以及調試等。

調高機械子系統(tǒng)安裝隨施工工程由塔吊吊裝就位，就位后其安裝方法與常規(guī)支座相同。

控制子系統(tǒng)的各設備均置于箱梁內部，且各設備的尺寸大小均需考慮梁端過人孔。中央控制箱、信號采集箱、變頻驅動箱和伺服驅動箱采用壁掛式固定于箱梁腹板內側。液壓站采用落地式安裝于箱梁內部。

靜力水準儀采用串聯(lián)的方式固定于箱梁內兩側腹板上。電氣及油路管線的布設均考慮有金屬線槽進行防護，并用支架固定于箱梁腹板。

5 支座維護與保養(yǎng)

由于該支座不同于常規(guī)支座，針對調高階梯塊、各電子元器件、千斤頂、泵站以及管線及電子元件等構件，表3列出了系統(tǒng)主要構件的維修與保養(yǎng)要求。

表3 系統(tǒng)維修與保養(yǎng)要求

6 結論

針對目前調高支座只能單向調高、耐久性差和作業(yè)效率低等問題，研發(fā)了一種基于高程監(jiān)測的智能調高支座系統(tǒng)。該系統(tǒng)由調高機械子系統(tǒng)、高程監(jiān)測子系統(tǒng)和智能控制子系統(tǒng)三部分組成，有效解決了現(xiàn)有調高支座被動、手工的操作模式，實現(xiàn)了鐵路橋梁線形監(jiān)測的自動化、數(shù)字化以及調高的智能化，具有調高效率高和周期短等特點，顯著降低了后期工務人員的維修難度，方便了運營管理。該支座即將在鄭萬鐵路梅溪河拱橋上應用，具有廣闊的應用前景。