鐵路橋梁梁面防水材料噴涂臺車的優(yōu)化設(shè)計(jì)

褚 敏，孔德順

(1.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司，北京 100038； 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081； 3.北京華橫科技有限公司，北京 100081)

0 引 言

高速鐵路橋面防水層是橋面鋪裝體系的重要結(jié)構(gòu)之一，為確保橋梁在使用過程中免受水的損害和橋梁的使用壽命，對施工材料和施工技術(shù)提出了更高的要求，要求橋面防水層不僅防滲、抗震和抗裂，還能夠經(jīng)受氣候、高速和交變沖擊。楊育生等[1]對同步碎石瀝青混合料橋面鋪裝防水黏結(jié)層的可行性進(jìn)行分析，確定最佳瀝青灑布量和石料撒布量，SBS改性瀝青為同步碎石防水黏結(jié)層的結(jié)合料。劉云等[2]為了探討混凝土箱梁橋防水黏結(jié)層的實(shí)際受力狀態(tài)，以箱梁段高架橋?yàn)閷?shí)例，采用有限元方法和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的手段研究防水黏結(jié)層的層間黏結(jié)性能。發(fā)現(xiàn)剎車超載對防水黏結(jié)層力學(xué)響應(yīng)的影響大于由橋面不平整引起的隨機(jī)動荷載對防水黏結(jié)層的影響。王勛濤等[3]建立簡支箱梁橋的足尺模型，層間采用接觸方式計(jì)算，發(fā)現(xiàn)增加瀝青層厚度和彈性模量均能減少防水層的剪應(yīng)力，增加鋪裝層的層間黏聚力能減少防水層的剪應(yīng)力。李娣等[4]通過對溶劑型橡膠瀝青、Eliminator 防水黏結(jié)層、改性瀝青防水卷材3種不同防水黏結(jié)材料的黏結(jié)性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)溶劑型橡膠瀝青防水黏結(jié)層與鋼板及鋪裝層均具有較好的黏結(jié)性能和良好的剪切性能，能保證鋪裝與鋼板的協(xié)同變形性能。趙國云[5]通過室內(nèi)檢測MMA防水黏結(jié)層結(jié)構(gòu)和材料性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新型MMA防水黏結(jié)材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和路用性能滿足要求，且力學(xué)性能優(yōu)于進(jìn)口Eliminator，適用于澆注式瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)。同時(shí)對鋼橋-瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)防水黏結(jié)和甲基丙烯酸甲酯樹脂材料的研究，通過橋梁組合體系黏結(jié)模型分析和黏結(jié)層的試驗(yàn)，為橋面防水黏結(jié)材料的選擇提供更多有效的施工方法[6-11]。陳華明等[12]通過分析鋼板表面粗糙度、MMA防水黏結(jié)體系各層厚度、施工溫度、環(huán)境濕度等對其黏結(jié)強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的影響，為現(xiàn)場施工及檢測提供一種質(zhì)量控制技術(shù)，從而提高鋼橋面鋪裝層的抗水損害能力。岳曉文等[13]針對國內(nèi)MMA防水材料自動化灑布程度不高的問題，研發(fā)了一種用于MMA防水材料自動噴涂的設(shè)備。該設(shè)備施工后的MMA防水層在干膜厚度、黏結(jié)強(qiáng)度及涂層均勻性方面均滿足施工技術(shù)要求。通過分析上述文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)針對橋梁的防水材料和施工方法的研究較多，針對橋梁方法自動施工裝備的研究較少，而隨著新型噴膜防水材料的興起，施工時(shí)間、施工效率和環(huán)境保護(hù)的要求提高，急需新的梁面防水施工方法和配套的施工裝備。

本文針對高速鐵路橋梁梁面新型噴膜防水材料[14]，設(shè)計(jì)梁面防水材料的自動噴涂臺車，并利用三維設(shè)計(jì)和有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度優(yōu)化和仿真，為生產(chǎn)樣機(jī)節(jié)省了成本和時(shí)間，同時(shí)為橋面防水材料噴涂方案優(yōu)選、計(jì)算和方案可行性評判提供新的思路。

1 防水設(shè)計(jì)方案的分析

現(xiàn)有的新型噴膜防水材料(噴涂橡膠瀝青)噴涂方式[15]主要是噴涂移動臺車與手工噴涂相結(jié)合的方法(圖1)，移動臺車只具備在軌道上運(yùn)輸加壓泵和防水材料的功能。操作人員在鐵路梁面上手工作業(yè)，噴涂質(zhì)量和速度完全由操作人員的熟練程度決定，容易造成防水層搭接不齊和厚度不均勻等問題。這些問題直接影響鐵路橋梁梁面防水效果和使用壽命，噴涂橡膠瀝青搭接不齊和厚度不均勻容易出現(xiàn)破損、龜裂、剝離和隆起現(xiàn)象(圖2)。同時(shí)，人工噴涂效率低，且浪費(fèi)材料，還會對操作者的身體造成一定程度的傷害。另外，現(xiàn)有的噴涂臺車未配備電源，噴涂動力由橋下臨電或者移動式發(fā)電機(jī)提供，使用臨電時(shí)頻繁收卷電纜，容易發(fā)生觸電事故。

圖1 現(xiàn)有的梁面防水噴涂方法

圖2 手工噴涂梁面防水材料出現(xiàn)的問題

針對鐵路橋梁梁面噴涂區(qū)域和新型噴膜防水材料的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)全自動橋面防水材料噴涂臺車(簡稱防水噴涂臺車)如圖3所示。設(shè)計(jì)防水噴涂臺車可以根據(jù)梁面防水材料需要噴涂防水材料的要求一鍵設(shè)置噴涂厚度、臺車行走速度和噴涂機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)行速度等，控制方式分為手動操控和遠(yuǎn)程遙控，遠(yuǎn)程遙控可以實(shí)現(xiàn)梁面防水材料的自動化噴涂，該方式效率高、噴涂均勻、對操作者的危害小。考慮高速鐵路梁面在建項(xiàng)目和橋面后期維護(hù)施工特點(diǎn)的不同，設(shè)計(jì)防水噴涂臺車行走機(jī)構(gòu)預(yù)留可調(diào)整方式，適應(yīng)多種類型的橋梁梁面防水施工工況。

2 梁面防水材料噴涂臺車的設(shè)計(jì)原理

防水噴涂臺車的整體結(jié)構(gòu)[16]如圖3、4所示，包括支持框架、豎向支撐柱、豎向調(diào)整油缸、噴涂移動導(dǎo)向軌道1和2、噴涂臺車行走機(jī)構(gòu)、噴涂機(jī)構(gòu)1和2、控制系統(tǒng)、動力源(發(fā)電機(jī))、增壓機(jī)構(gòu)(增壓泵)、吊裝機(jī)構(gòu)等，其中噴涂導(dǎo)向軌道安裝在支持框架的橫梁上，噴涂機(jī)構(gòu)2采用雙導(dǎo)向從兩端噴涂，避免單個(gè)導(dǎo)向噴涂機(jī)構(gòu)噴涂的Z字形噴涂，同時(shí)提高噴涂速度和噴涂效果。

圖3 防水涂裝設(shè)備等軸側(cè)

圖4 防水涂裝設(shè)備

梁面防水噴涂臺車沿著擋砟墻移動時(shí)，通過調(diào)整噴涂機(jī)構(gòu)的限制位置，讓噴涂機(jī)構(gòu)始終處于噴涂區(qū)域的正上方，同時(shí)通過調(diào)節(jié)豎向調(diào)整油缸的高度位置，使噴涂機(jī)構(gòu)與噴涂區(qū)域保持合適的距離，這樣既能保證鐵路橋面的噴涂質(zhì)量，還能節(jié)省防水材料。

根據(jù)梁面防水噴涂厚度的要求，設(shè)置防水噴涂臺車和噴涂機(jī)構(gòu)的移動速度，為了適應(yīng)多種工況，設(shè)計(jì)的防水噴涂臺車移動速度范圍為0～15 m·min-1，噴涂機(jī)構(gòu)的移動速度范圍為0～180 m·min-1，噴涂厚度范圍為0.5～3.0 mm。

3 防水噴涂臺車的設(shè)計(jì)過程

3.1 防水噴涂臺車結(jié)構(gòu)的有限元分析

設(shè)計(jì)梁面防水噴涂臺車時(shí)，需要考慮整體支撐框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止運(yùn)動過程中支撐框架結(jié)構(gòu)變形過大，影響噴涂質(zhì)量和承運(yùn)防水材料桶的備用量。同時(shí)還需要計(jì)算整個(gè)防水噴涂臺車的動剛度，防止運(yùn)動中產(chǎn)生共振。為了減輕整體質(zhì)量和方便運(yùn)輸，支撐框架的材質(zhì)選用航空鋁材(2014)，質(zhì)量輕(整體質(zhì)量為10 000 kg)，剛度大，整體結(jié)構(gòu)性好，轉(zhuǎn)動時(shí)整體結(jié)構(gòu)運(yùn)動平穩(wěn)。

為了較好地分析防水噴涂臺車在梁面上運(yùn)動時(shí)的受力情況，選用防水噴涂臺車行走輪為固定端，支撐框架受均布荷載為15 000 N·m-2，受力方向垂直于橋面?？紤]防水噴涂臺車在高架橋運(yùn)行的安全和穩(wěn)定性，選擇設(shè)計(jì)的安全系數(shù)為2，防水噴涂臺車的有限元分析應(yīng)變和應(yīng)力如圖5所示，應(yīng)力143.25 MPa，小于許用應(yīng)力450 MPa；應(yīng)變?yōu)?.000 7 mm，滿足梁面防水層的精度要求。

圖5 防水噴涂臺車的應(yīng)力與應(yīng)變

3.2 行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析

防水噴涂臺車運(yùn)行時(shí)，需要沿著擋砟墻直線運(yùn)動，并且鐵路橋梁分為直線和曲線段，設(shè)計(jì)防水噴涂臺車的行走機(jī)構(gòu)時(shí)，需要考慮防水噴涂臺車的糾偏功能。在設(shè)計(jì)的行走機(jī)構(gòu)兩側(cè)加裝了導(dǎo)向輪(圖6)，來適應(yīng)不同鐵路橋梁線路的噴涂。行走機(jī)構(gòu)動力選用變頻電機(jī)和減速機(jī)相結(jié)合的方法來驅(qū)動防水噴涂臺車，變頻電機(jī)的功率

圖6 行走機(jī)構(gòu)

(1)

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

本文的驅(qū)動輪直徑為300 mm，防水噴涂臺車行走機(jī)構(gòu)的最大運(yùn)動速度為15 m·min-1，切向最大滾動摩擦力

Ft=Mgf

(2)

式中：M為防水噴涂臺車的質(zhì)量；f為滾動摩擦因數(shù)，本文取0.02。

根據(jù)式(1)、(2)，選用變頻電機(jī)減速機(jī)型號為NMRV110-60-24，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 450 r·min-1，減速比為60，減速機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)速為24 r·min-1，變頻電機(jī)經(jīng)減速機(jī)減速后輸出最大扭矩為435 N·m，每臺防水噴涂臺車需要配置4套變頻電機(jī)與減速機(jī)。

同時(shí)，防水噴涂臺車的運(yùn)動速度可以根據(jù)“大車運(yùn)行速度=噴槍流量×固體含量÷擺動寬度×噴涂厚度×干膜密度”設(shè)置，其中固體含量和干膜密度為防水材料的屬性，擺動寬度為噴涂機(jī)構(gòu)的最大移動寬度。

3.3 噴涂機(jī)構(gòu)分析

防水噴涂臺車的噴涂導(dǎo)向軌道安裝在支持框架的橫梁上，噴涂機(jī)構(gòu)沿著噴涂導(dǎo)向軌道往復(fù)移動，實(shí)現(xiàn)防水材料噴涂作業(yè)。為了提高噴涂機(jī)構(gòu)運(yùn)動的平穩(wěn)性，噴涂機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)選用同步帶及直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)(直線運(yùn)動模塊)，如圖7所示。這種結(jié)構(gòu)運(yùn)動速度高、運(yùn)行平穩(wěn)和定位精確高，可以實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)構(gòu)的最大運(yùn)動速度為3 m·s-1，實(shí)現(xiàn)梁面防水材料噴涂厚度范圍為0.5～3.0 mm。

圖7 防水噴涂臺車噴涂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動

噴涂機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)選用伺服電機(jī)，更好實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)構(gòu)運(yùn)行移動和位移精度，同時(shí)可以根據(jù)噴涂機(jī)構(gòu)的移動距離和防水噴涂臺車行走機(jī)構(gòu)的移動距離，計(jì)算梁面防水材料噴涂防水層厚度是否合格。

3.4 防水噴涂臺車控制系統(tǒng)分析

防水噴涂臺車的控制系統(tǒng)采用手動操作和遠(yuǎn)程遙控相結(jié)合的方式，最大程度地減少操作程序的設(shè)置和防水材料對操作人員的傷害。設(shè)計(jì)防水噴涂臺車的控制系統(tǒng)時(shí)，預(yù)留自動行走程序控制接口，操作者可以將橋梁梁面線路軌跡和噴涂厚度要求數(shù)據(jù)預(yù)先導(dǎo)入至防水噴涂臺車的控制系統(tǒng)，噴涂時(shí)防水噴涂臺車會自動按照橋梁線路的直、曲線規(guī)劃噴涂路徑，并且控制系統(tǒng)自動計(jì)算梁面防水材料噴涂速度，防止人工操作時(shí)出現(xiàn)橋梁直、曲線段內(nèi)噴涂厚度不一致的現(xiàn)象。同時(shí)，在防水噴涂臺車加裝北斗信號，用來判斷纜索噴涂路徑是否合理，避免梁面防水材料過度噴涂或者少噴涂，更好地保證梁面防水材料的施工質(zhì)量。

3.5 防水噴涂臺車的輔助功能

針對剛修建的鐵路橋梁梁面供電和吊裝防水物料不方便的情況，設(shè)計(jì)噴涂臺車時(shí)加裝了動力源(發(fā)電機(jī))和吊裝設(shè)備，方便防水噴涂臺車在梁面上長距離移動、噴涂作業(yè)和吊裝更換涂料桶，實(shí)現(xiàn)橋梁梁面長距離自動化噴涂作業(yè)。

防水噴涂臺車上安裝了厚度檢測裝置，結(jié)合噴涂線路距離、噴涂區(qū)域的噴涂寬度和噴涂防水材料的用量來判斷防水噴涂臺車作業(yè)是否存在噴涂厚度不均勻的問題，完全實(shí)現(xiàn)閉環(huán)檢測，更好地保證橋梁梁面防水噴涂質(zhì)量。

4 防水涂裝設(shè)備安裝調(diào)試

設(shè)計(jì)的防水噴涂臺車采用工廠化加工、安裝和調(diào)試(圖8)，現(xiàn)場根據(jù)需要噴涂的厚度一鍵設(shè)置防水噴涂臺車的運(yùn)動速度、噴涂機(jī)構(gòu)的橫向移動速度和噴涂厚度，較好地保障加工精度和噴涂效果。

圖8 防水噴涂臺車的安裝調(diào)試

防水噴涂臺車每次轉(zhuǎn)場時(shí)，需要更換發(fā)電機(jī)過濾系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)中的軸承、增壓機(jī)構(gòu)(增壓泵)密封件，潤滑油和加注潤滑脂。每次轉(zhuǎn)場后，操作者在使用前需要檢查防水材料噴涂效果，始終需要保證噴涂機(jī)構(gòu)的噴頭與梁面的距離為500 mm。在梁面防水材料噴涂過程中，若出現(xiàn)噴涂質(zhì)量問題，需要立刻停止梁面防水材料的供應(yīng)，同時(shí)停止運(yùn)行防水噴涂臺車。防水噴涂臺車每次轉(zhuǎn)場時(shí)，梁面防水專職質(zhì)量員需要定期檢查梁面噴涂防水層的厚度，如果不合格，就需要重新設(shè)置噴涂參數(shù)。

5 結(jié) 語

(1)本文針對國內(nèi)高速鐵路橋梁梁面防水技術(shù)的研究成果，進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，為梁面防水材料噴涂臺車的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

(2)針對梁面防水噴涂的技術(shù)要求，優(yōu)化梁面防水新型材料的噴涂方案和噴涂臺車的設(shè)計(jì)，同時(shí)對防水噴涂臺車的整體結(jié)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)的動力系統(tǒng)進(jìn)行理論計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)。有限元計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的防水噴涂臺車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、動力系統(tǒng)和噴涂質(zhì)量滿足要求。

(3)防水噴涂臺車設(shè)計(jì)、加工完成后，在工廠內(nèi)組裝、調(diào)試和噴涂質(zhì)量試驗(yàn)，驗(yàn)證了該臺車具有整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、自動化程度高、噴涂效率高和效果好等優(yōu)點(diǎn)，為鐵路橋梁梁面防水噴涂作業(yè)提供一種新的施工方法和裝備。