橋梁纜索防腐材料噴涂臺車的優(yōu)化設(shè)計

孔德順，馬俊琦

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司標(biāo)準(zhǔn)計量研究所，北京 100081；2.北京華橫科技有限公司，北京 100081；3.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 611756）

懸索橋能充分利用材料的強度，并具有用料省、自重輕的特點，因此懸索橋在各種體系橋梁中的跨越能力最大，跨徑可以達到1 000 m 以上。纜索作為懸索橋的主要承重構(gòu)件，一般選用鋼絲、鋼纜制作，因此纜索防腐是懸索橋的關(guān)鍵工序［1-2］。

繆長青等［3］探討了纜索腐蝕規(guī)律，基于正交試驗設(shè)計原理和電化學(xué)試驗方法，進行了纜索高強度鋼絲的腐蝕速率研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)境影響因素的主次順序為NaCl 濃度＞溫度＞溫度與 pH 值的交互作用＞pH 值＞溫度與NaCl 濃度的交互作用＞NaCl 濃度與pH 值的交互作用；溫度和NaCl濃度對鋼絲腐蝕速率的影響呈單調(diào)關(guān)系，而pH值的影響呈非單調(diào)關(guān)系。王義強等［4］研究不同腐蝕程度的橋梁纜索鋼絲力學(xué)性能和剩余強度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)實際腐蝕鋼絲的抗拉強度與腐蝕程度關(guān)系不大，但當(dāng)鍍鋅層消失鋼絲開始腐蝕時，其伸長率急劇降低；當(dāng)腐蝕進入鍍鋅層下的鋼材時，疲勞強度會顯著降低，潮濕環(huán)境下鋼絲的疲勞強度與干燥環(huán)境下相比會進一步降低。葉華文等［5］針對橋梁纜索6 種防腐防護方法（富鋅漆涂裝法、環(huán)氧樹脂漆涂裝法、鋅粉膏涂裝法、環(huán)氧樹脂填充法、油填充法和除濕法）進行分析，發(fā)現(xiàn)除濕法對表層鋼絲防護最有效，其后依次是環(huán)氧樹脂填充法、鋅粉膏涂裝法、環(huán)氧樹脂漆涂裝法和富鋅漆涂裝法，油填充法效果不明顯，而內(nèi)部鋼絲腐蝕程度遠(yuǎn)低于表層鋼絲。陳小雨等［6］研究主纜鋼絲在不同溫度和濕度環(huán)境條件下的腐蝕速率，采用正交試驗方法，獲得了溫度、濕度與腐蝕速率的關(guān)系和耦合效應(yīng)。劉學(xué)青等［7］通過改變干燥空氣進入米級直徑主纜內(nèi)層和鋼絲間有效層的通過路徑，提高了主纜防腐效果。如將S形鋼絲纏繞改成波形斷面鋼帶纏繞，增大主纜表層與纏繞物料間隙等方法，提高主纜外包防護自密性、耐候能力和主纜除濕效率。胡文軒等［8］通過制備微交聯(lián)的聚乙烯材料，研究不同交聯(lián)度聚乙烯材料的應(yīng)力-光氧老化開裂行為，提高了橋梁纜索護套耐老化性能。

分析上述文獻發(fā)現(xiàn)，針對纜索防腐技術(shù)研究較多，而纜索防腐施工方法和施工設(shè)備研究較少，隨著新型防腐材料的出現(xiàn)，亟需研究新的纜索防腐施工方法和施工裝備。本文針對纜索防腐新型材料，設(shè)計纜索防腐材料的自動噴涂臺車，利用三維設(shè)計和有限元分析軟件進行方案的優(yōu)化設(shè)計和仿真，實現(xiàn)纜索防腐材料噴涂方案優(yōu)選、計算和方案可行性評判，為纜索防腐技術(shù)提供新的思路。

1 防腐設(shè)計方案的分析

當(dāng)前纜索防腐材料的施工方法見圖1。圖1（a）為纜索防腐常規(guī)材料的涂裝方法，效率較低，防腐效果和涂裝質(zhì)量密切相關(guān)。圖1（b）、圖1（c）為纜索防腐涂裝板的施工方法，施工方法采用半自動化涂裝設(shè)備，但是防腐材料接口處需要二次加熱融合才能實現(xiàn)較好的防腐效果。圖1（b）中的防腐涂層需要維護更換時，須熱熔拆卸，工藝復(fù)雜，效率低，成本較高。

圖1 現(xiàn)有纜索防腐方法

針對纜索防腐新型材料（噴涂橡膠瀝青）本身的特點，設(shè)計了全自動纜索防腐材料的噴涂臺車，如圖2所示。

圖2 防腐噴涂臺車三維等軸視圖

本文設(shè)計的纜索防腐材料噴涂臺車（簡稱防腐噴涂臺車），根據(jù)纜索防腐材料涂裝厚度進行一鍵設(shè)置防腐材料噴涂厚度、臺車走行速度和噴涂機構(gòu)的往復(fù)運行速度等，控制方式為手控和遙控操作相結(jié)合，完全實現(xiàn)纜索防腐材料涂裝的自動化噴涂，并且噴涂效率高，噴涂均勻，對操作者危害小。這種纜索防腐材料幾乎不用維護，當(dāng)需要維護和更換時，只需人工拆除再次噴涂即可?？紤]到防腐纜索直徑的不同，防腐噴涂臺車內(nèi)部調(diào)整預(yù)留較大空間，適應(yīng)纜索防腐涂裝直徑為600～1 000 mm。

2 防腐噴涂臺車的設(shè)計原理

防腐噴涂臺車整體結(jié)構(gòu)見圖3。防腐噴涂臺車選用回轉(zhuǎn)機構(gòu)作為支撐機構(gòu)，走行機構(gòu)安裝在回轉(zhuǎn)機構(gòu)的固定端，噴涂軌道機構(gòu)安裝在回轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)動端，噴涂機構(gòu)安裝在噴涂軌道機構(gòu)上［9］。

支撐機構(gòu)包括回轉(zhuǎn)機構(gòu)內(nèi)圓環(huán)與噴涂軌道的旋轉(zhuǎn)裝置（回轉(zhuǎn)機構(gòu)外圓環(huán)），構(gòu)成纜索涂料噴涂裝置主體結(jié)構(gòu)，中間采用滾珠接觸方式連接，可以提高接觸剛度和減少旋轉(zhuǎn)運動阻力。為了方便拆卸，支撐機構(gòu)從中間用線切割分為兩半，并用螺栓連接成一個整體，回轉(zhuǎn)機構(gòu)內(nèi)、外圓環(huán)分為A，B 兩半，防腐噴涂臺車回轉(zhuǎn)機構(gòu)拼裝見圖4。

圖4 防腐噴涂臺車回轉(zhuǎn)機構(gòu)拼裝

走行機構(gòu)設(shè)有導(dǎo)向機構(gòu)和驅(qū)動裝置（走行電機），可以實現(xiàn)沿著纜索移動。導(dǎo)向機構(gòu)由導(dǎo)向輪和伸縮氣缸組成，通過調(diào)整氣缸活塞的伸縮量，既可以使纜索涂料噴涂裝置與纜索外圓面之間緊密貼合，又可以調(diào)整噴涂機構(gòu)上的噴嘴機構(gòu)與纜索外圓面之間的距離，保證纜索防腐材料噴涂厚度相等。

噴涂軌道機構(gòu)安裝在支撐機構(gòu)上（參見圖3），采用噴涂軌道動力裝置電機驅(qū)動噴涂軌道動力裝置齒輪，帶著噴涂軌道的旋轉(zhuǎn)裝置沿纜索繞著圓周方向運動，實現(xiàn)徑向噴涂。

噴涂機構(gòu)選用同步帶和直線導(dǎo)軌安裝在噴涂軌道機構(gòu)上，纜索防腐材料噴嘴安裝在直線導(dǎo)軌上的滑塊上，由噴涂機構(gòu)的伺服電機驅(qū)動同步帶帶著滑塊沿直線導(dǎo)軌往復(fù)移動，實現(xiàn)纜索的橫向噴涂，形成纜索整個外圓面的縱向噴涂運動。

防腐噴涂臺車控制方式采用遙控作業(yè)，通過遙控裝置遙控纜索防腐涂料噴涂臺車在纜索上自動進行噴涂作業(yè)。這樣操作人員就不用在纜索上高空作業(yè)，從而減少了操作人員受防腐材料的傷害和高空作業(yè)的危險。

3 防腐噴涂臺車的設(shè)計計算

3.1 結(jié)構(gòu)的有限元分析

防腐噴涂臺車的整體結(jié)構(gòu)須滿足強度要求，防止運動過程中結(jié)構(gòu)變形。同時整體動剛度要能防止運動中產(chǎn)生共振。為了方便安裝、拆卸，選用航空鋁材（型號2014），這種材質(zhì)質(zhì)量輕（防腐噴涂臺車整體質(zhì)量為80 kg）、剛度大。支撐機構(gòu)選用回轉(zhuǎn)機構(gòu)代替，整體結(jié)構(gòu)性好。纜索防腐材料噴涂轉(zhuǎn)動時運動平穩(wěn)。

為了更好地分析防腐噴涂臺車在纜索上運動時的受力情況，選用防腐噴涂臺車支撐輪為固定端，噴涂軌道機構(gòu)作為受力機構(gòu)進行有限元分析（見圖5）。噴涂機構(gòu)和送料管質(zhì)量約20 kg，并且運動過程中有離心力和動載荷的作用，合力為424 N。圖5 中，A，B點為有限元分析時施加外力點，C點為有限元分析時的固定約束點。

圖5 防腐噴涂臺車有限元分析

有限元分析得到的應(yīng)變和應(yīng)力云圖見圖6［10-11］，可知最大應(yīng)力為64.52 MPa＜［σ］=350 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.000 4 mm，滿足纜索防腐層精度要求（最小涂層厚度0.05 mm）。

3.2 走行機構(gòu)的運動分析

由于纜索工作時呈拋物線形狀，設(shè)計防腐噴涂臺車的走行機構(gòu)時，需要考慮防腐噴涂臺車的爬坡能力［12-13］。為了提高纜索防腐材料的搭接噴涂質(zhì)量，選用步進電機來驅(qū)動防腐噴涂臺車運動。為了簡化計算，選用纜索的下垂角為30o，步進電機的功率為

圖6 防腐噴涂臺車的應(yīng)力和應(yīng)變云圖

式中：Ft為切向滾動摩擦力；Vmax為電機最大轉(zhuǎn)速；ηmax為電機傳動效率，取85%。

驅(qū)動輪直徑為155 mm，防腐噴涂臺車的走行機構(gòu)最大運動速度為10 m/min，切向最大滾動摩擦力為

式中：Ff為滾動摩擦力，則Ff=Mg fcosα；Fp為重力的分力，則Fp=Mgsinα；其中，M為防腐噴涂臺車的質(zhì)量，取 80 kg；α為纜索的下垂角，取 30o；f為滾動摩擦因數(shù)，取0.02。

根據(jù)式（1）和式（2），選用步進電機型號為86BYG250D，最大扭矩為8.5 N·m。

當(dāng)噴涂軌道的旋轉(zhuǎn)裝置需要繞纜索旋轉(zhuǎn)時，采用安裝在支撐機構(gòu)上的噴涂軌道動力裝置驅(qū)動，驅(qū)動方式為步進電機帶著齒輪（參見圖3）。根據(jù)式（1）和式（2），選用步進電機型號為86BYG250B，最大扭矩為4 N·m。

防腐噴涂臺車運動速度可以根據(jù)“大車運行速度=噴槍流量×固體含量÷擺動寬度×噴涂厚度×干膜密度”進行設(shè)置。其中固體含量和干膜密度為防腐材料的屬性，擺動寬度為噴涂機構(gòu)移動寬度。

3.3 噴涂機構(gòu)的分析

噴涂機構(gòu)的導(dǎo)向機構(gòu)安裝在噴涂軌道的旋轉(zhuǎn)裝置上，噴涂機構(gòu)沿著噴涂機構(gòu)的導(dǎo)向機構(gòu)往復(fù)移動進行噴涂作業(yè)。為了提高防腐噴涂臺車噴涂機構(gòu)的平穩(wěn)性，噴涂機構(gòu)的導(dǎo)向機構(gòu)選用同步帶+直線導(dǎo)軌。從圖7 可以看出防腐噴涂臺車噴涂機構(gòu)的運動方式。噴涂機構(gòu)運動速度高，定位精確，最大運動速度為2 m/s，并且纜索防腐材料厚度范圍為0～5 mm。

噴涂機構(gòu)的驅(qū)動電機選用伺服電機，能精確控制噴涂機構(gòu)移動位移和速度，同時根據(jù)噴涂機構(gòu)的移動位移和走行機構(gòu)的移動速度，可以判斷纜索防腐材料噴涂防腐層厚度是否合格。

圖7 圖3中防腐涂裝臺車的剖面

3.4 防腐噴涂臺車控制系統(tǒng)的分析

防腐噴涂臺車的控制系統(tǒng)采用手動操作和遠(yuǎn)程遙控作業(yè)相結(jié)合的方式。在設(shè)置操作程序和隨機操作時，遠(yuǎn)程操作可以減少防水涂料對人的危害。設(shè)計防腐噴涂臺車的控制系統(tǒng)時，預(yù)留自動走行接口，將纜索信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入控制系統(tǒng)，防腐噴涂臺車可按照纜索直線段、曲線段及纜索高低位置的不同自動規(guī)劃噴涂路徑，控制纜索防腐材料噴涂速度，防止出現(xiàn)纜索曲線段、直線段噴涂厚度不一致的情況。同時在防腐噴涂臺車安裝北斗信號，用來判斷纜索噴涂路徑是否合理，避免纜索防腐材料過度噴涂或少噴涂，更好地保證纜索防腐材料的施工效果。

4 防腐涂裝設(shè)備安裝調(diào)試

防腐噴涂臺車在纜索上安裝時，防腐噴涂臺車走行機構(gòu)上的伸縮氣缸和氣路的安裝需要檢查密封性，防止因漏氣而影響噴涂質(zhì)量。同時，防腐噴涂臺車每次遷移時，防腐噴涂臺車的螺栓螺母、滾動軸承、氣路密封件須全部更換，并且走行機構(gòu)全部加注潤滑脂進行潤滑。噴涂機構(gòu)在使用前，須要檢查防腐材料噴頭噴涂效果；同時通過控制系統(tǒng)，控制噴涂軌道的旋轉(zhuǎn)裝置繞纜索旋轉(zhuǎn)一周，檢查噴涂機構(gòu)的噴頭到纜索外圓面的距離，如果距離不等則調(diào)整走行機構(gòu)上橫向和豎向的氣缸活塞桿長度，使噴涂機構(gòu)上的噴嘴機構(gòu)與纜索外圓面距離相等；當(dāng)噴涂過程中走行機構(gòu)偏離設(shè)定路線時，同樣調(diào)整走行機構(gòu)上橫向和豎向的氣缸活塞桿長度。

防腐噴涂臺車每次遷移時，纜索防腐的專職質(zhì)量員需要檢查纜索防腐層的厚度，并且在纜索防腐材料噴涂過程中，出現(xiàn)噴涂質(zhì)量問題時，須要停止纜索防腐材料的供應(yīng)，同時停止防腐噴涂臺車的運行。

5 結(jié)語

本文針對國內(nèi)纜索防腐技術(shù)的研究成果進行了系統(tǒng)的研究，為纜索防腐新型材料噴涂臺車提供理論依據(jù)，并對纜索防腐新型涂裝設(shè)備的不足進行優(yōu)化。針對纜索防腐技術(shù)要求，優(yōu)化了纜索防腐新型材料的涂裝設(shè)計方案，同時設(shè)計了防腐涂裝臺車，并對防腐涂裝臺車整體結(jié)構(gòu)、動荷載進行有限元分析，計算結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)滿足材料強度和安全性要求。

防腐涂裝臺車設(shè)計分析時，考慮纜索自重下垂效應(yīng)的影響，防腐涂裝臺車走行和調(diào)整機構(gòu)安裝了自校準(zhǔn)傳感器，能夠保證纜索防腐噴涂效果。