雙層橋軌行式橋檢車的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

閆府，王金棟，趙健，安路明，任延龍

（1.610031 四川省 成都市 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；2.300300 天津市 中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司）

0 引言

橋梁的老化、損傷積累等各種病害會使得橋梁在運(yùn)用過程中存在安全隱患，嚴(yán)重時會引發(fā)安全事故，因此對于橋梁的周期檢測和保養(yǎng)尤為關(guān)鍵[1]。橋梁檢測車是一種可以為橋梁檢測人員在檢測過程中提供作業(yè)平臺，用于檢測和維護(hù)保養(yǎng)的專用作業(yè)車[2]，主要分為車載式和軌行式。車載式橋檢車具有較強(qiáng)的靈活性，但其作業(yè)時會長時間占用路面，影響交通；軌行式橋檢車通常安裝在橋梁下弦，車體多為橫向一道桁式梁結(jié)構(gòu)，承載檢修設(shè)備，并供檢修人員行走、作業(yè)，其作業(yè)時不影響公共交通，但其檢測范圍較為局限，且無法跨橋墩作業(yè)。對于跨海雙層橋的周期性檢測和維修養(yǎng)護(hù)，考慮到上、下兩層橋面之間高度差大，且受到剛桁和橋面一些永久構(gòu)件的影響，已有的檢測手段無法實(shí)現(xiàn)橋梁的全覆蓋檢測[3]，因此對此類橋梁檢測設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的研究開發(fā)，具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。

本文依托明珠灣大橋，結(jié)合車載臂架式橋檢車和軌行式橋檢車的特點(diǎn)，設(shè)計了一種既能順利通過橋墩頂部預(yù)留的通道，又能實(shí)現(xiàn)對雙層橋上、下橋面待檢測區(qū)域全覆蓋的軌行式橋檢車，實(shí)現(xiàn)全橋一車檢測。

1 工程概況

明珠灣大橋主橋采用中承式鋼桁拱結(jié)構(gòu)，全長1 016 m。大橋為雙層橋面布置，上層為雙向8車道城市主干道，下層兩側(cè)為預(yù)留公交車專用車道（BRT），中間為管線走廊[4]。明大橋主橋總體布置如圖1 所示，主橋橫斷面布置如圖2 所示。

明珠灣大橋主橋為鋼桁拱，橋橫向均為三主桁鋼桁梁結(jié)構(gòu)，鋼桁梁、鋼桁拱拱肋桿件均采用箱形截面[5]，其鋼桁架結(jié)構(gòu)的桿件交叉連接節(jié)點(diǎn)及高強(qiáng)螺栓較多，上層橋面板為全封閉正交異型鋼板，這些都是檢查維護(hù)的重點(diǎn)。

2 整車結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋檢車主要由軌道系統(tǒng)、走行機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)盤、桁架、臂架結(jié)構(gòu)以及吊籃組成，其中臂架結(jié)構(gòu)和吊籃在桁架兩側(cè)對稱分布。走行機(jī)構(gòu)通過鋼輪倒置于橋梁梁底的H型鋼軌道上，由電機(jī)驅(qū)動沿軌道行走。上轉(zhuǎn)盤與走行機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，下轉(zhuǎn)盤與桁架連接，并通過變幅油缸實(shí)現(xiàn)車體相對橋梁相對90°的轉(zhuǎn)動。桁架兩端的臂架結(jié)構(gòu)在液壓油缸的控制下可在一定范圍內(nèi)自由展開，作業(yè)人員可站在伸縮臂末端的吊籃中對橋梁進(jìn)行檢查維護(hù)。橋檢車整體構(gòu)造如圖3 所示。

3 橋檢車結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算

3.1 走行軌與梁體連接設(shè)計

走行軌道整體為閉環(huán)型，橋檢車在橋頭可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎掉頭。圖4 為梁底軌道布置截面圖，軌道之間的間距為3.6 m，軌道采用H 型鋼布置于梁底。

其中，軌道通過連接座與梁底連接，所有接頭部位都是靠高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，如圖5 所示。

3.2 橋兩端回轉(zhuǎn)彎軌道設(shè)計

橋頭兩端的軌道設(shè)置成“燈泡形”，如圖6所示。橋檢車可以在橋端實(shí)現(xiàn)掉頭，檢查對向車道梁底的狀況。全橋只需要一臺橋檢車，就能夠達(dá)到對整個橋梁檢測維護(hù)的目的，大大地降低了經(jīng)濟(jì)成本。

3.3 伸縮縫軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計

在伸縮縫處采用特制的伸縮軌道，伸縮軌道能夠適應(yīng)伸縮縫的變化，使得橋檢車能夠平穩(wěn)地通過伸縮縫，如圖7 所示。伸縮軌道一端固定，另一端上開有滑槽，伸縮軌道可在一定的范圍內(nèi)移動，自動適應(yīng)伸縮縫的變化。普通軌道與伸縮軌道接縫處，與走行輪相接觸的表面，設(shè)置成一定的坡度，方便走行機(jī)構(gòu)通過伸縮縫，同時增加了整車行駛過程中的舒適性。

3.4 走行機(jī)構(gòu)設(shè)計

圖8 為橋檢車的走行機(jī)構(gòu)，是橋檢車沿大橋順橋向行走的動力裝置。走行機(jī)構(gòu)采用開式齒輪的傳動方式，每套走行機(jī)構(gòu)有4 個主動輪，電機(jī)將動力經(jīng)軸傳遞到齒輪，經(jīng)齒輪嚙合將動力傳遞到主動輪上，主動滾輪沿H 型鋼軌道走行，從而帶動整機(jī)沿縱橋向行走。單根H 型軌道上布置有2 組走行機(jī)構(gòu)，整機(jī)共有4 組，每組走行機(jī)構(gòu)都懸掛于布置在梁底的H 型軌道上，底部與轉(zhuǎn)盤連接，軌道外側(cè)走行輪上分別連接一套驅(qū)動電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)橋檢車的前進(jìn)及后退。

走行機(jī)構(gòu)上還設(shè)置有剎車裝置和導(dǎo)向輪裝置，同時有控制系統(tǒng)，用以同步每組走行車輪的速度，確保兩側(cè)保持同步。此外，驅(qū)動輪為鋼輪外包聚氨酯構(gòu)造，可增強(qiáng)橋檢車的爬坡能力[6]，并減小對軌道防護(hù)層的損傷。

3.4.1 剎車裝置

當(dāng)橋檢車處于停車檢查狀態(tài)，或緊急制動時，除了電機(jī)能夠制動外，橋檢車還設(shè)置有液壓制動系統(tǒng)[7]，如圖9 所示。液壓卡鉗式制動器設(shè)置在走行機(jī)構(gòu)的后端，H 型鋼軌道的下翼緣板鑲嵌在液壓卡鉗的上下夾板之間，當(dāng)需要制動時，液壓卡鉗式制動器的上下夾板在液壓系統(tǒng)的指令下迅速動作，夾緊軌道的下翼緣板，從而實(shí)現(xiàn)制動功能。液壓卡鉗式制動器相比于傳統(tǒng)的手動式制動器，具有反應(yīng)迅速、操作方便、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，進(jìn)一步提高了橋檢車的安全性能。

3.4.2 導(dǎo)向輪裝置

如圖10 所示，走行機(jī)構(gòu)的前端設(shè)置有導(dǎo)向輪裝置，導(dǎo)向輪裝置設(shè)置在軌道下翼緣板的兩側(cè)，導(dǎo)向輪裝置上的滾輪距離軌道下翼緣板側(cè)面的距離為5 mm。隨著走行機(jī)構(gòu)的縱向移動，導(dǎo)向輪裝置自動適應(yīng)軌道位置的變化，既起到了導(dǎo)向的作用，又能防止走行輪走偏而出現(xiàn)卡軌的現(xiàn)象。

3.4.3 電機(jī)選型

橋檢車整車在軌道上穩(wěn)定運(yùn)行的靜阻力Fj由摩擦阻力Fm、坡道阻力Fp和風(fēng)阻力Fw組成，即

（1）摩擦阻力Fm

走行機(jī)構(gòu)在軌道上穩(wěn)定運(yùn)行時的摩擦阻力主要包括車輪踏面的滾動摩擦阻力、車輪軸承的摩擦阻力以及附加摩擦阻力3 部分。橋檢車滿載運(yùn)行時的最大摩擦阻力為

式中：Q——額定載荷，N；G——自重，N；f ——滾動摩擦力臂，取0.2 mm；μ——車輪軸承摩擦系數(shù)，采用調(diào)心球軸承，取0.001 2；d——與軸承相配合處車輪軸的直徑，為70 mm；D——車輪踏面直徑，為140mm；β——附加摩擦阻力系數(shù)，取2。則Fm=1 383 N。

（2）坡道阻力Fp

式中：i——軌道坡度，取40‰。則Fp=8 000 N。

式中：C——風(fēng)力系數(shù)，取1.6；Kh——風(fēng)力高度變化系數(shù)，取1；q ——工作狀態(tài)計算風(fēng)壓，取0.6×120 Pa；A——迎風(fēng)面積，m2；ψ——結(jié)構(gòu)充實(shí)率，取0.45；η——擋風(fēng)折減系數(shù)，取0.34。則 Fw=396 N。

（4）靜阻力Fj

橋檢車在直線軌道運(yùn)行時坡道阻力為0，則

根據(jù)計算出的總阻力可以得到電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行功率：

式中：v ——運(yùn)行速度，為4 m/s；η——傳動效率，取0.9；m——電機(jī)臺數(shù)，m=4。則 PN=1.98 kW。

電機(jī)功率的計算：

式中：Kd——考慮電動機(jī)啟動時慣性影響的功率增大系數(shù)，取1.3，則P=2.57 kW。

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運(yùn)行阻力矩：

式中：D——車輪直徑，為0.14 m。

則M阻=124.5 N·m；單套阻力矩M阻/4=312 N·m。

坡道運(yùn)行時，F(xiàn)j=Fm+Fp+Fw=9 779 N。將數(shù)值代入式（9），得運(yùn)行阻力矩M阻=684.5 N·m；則單套阻力矩M阻/4=171.1 N·m。

減速器的傳動比

式中：n——電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速，為1 460 r/min；D——車輪踏面直徑，為140 mm；v0——初選運(yùn)行速度，為4 m/s。計算得：i0=2.675。

走行電機(jī)需要同時滿足直線軌道運(yùn)行時的功率要求以及坡道運(yùn)行時的扭矩要求，根據(jù)電機(jī)功率規(guī)格表選擇額定功率Pn=15 kW，電機(jī)型號為RXF87-2.76-YVF15KW-M1-0°-φ250，其輸出轉(zhuǎn)速529 r/min，輸出扭矩270 N·m。

（5）電機(jī)過載校驗

走行機(jī)構(gòu)的電機(jī)必須進(jìn)行過載校驗：

式中：λas——相對于電機(jī)額定功率的平均啟動轉(zhuǎn)動倍數(shù)，λas=1.7；∑J ——機(jī)構(gòu)對電動機(jī)軸的總慣量，計算得∑J=0.021 kg·m2；n——電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速，n=1 460 r/min；tq——機(jī)構(gòu)初選啟動時間，tq=4 s。則PNN=6.4 kW。

電機(jī)額定功率Pn＞PNN，過載校驗通過。

3.5 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)盤的主體結(jié)構(gòu)主要由上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤及錐形滾軸組成。上轉(zhuǎn)盤的連接座與走行機(jī)構(gòu)連接，下轉(zhuǎn)盤與桁架結(jié)構(gòu)連接。2 組液壓油缸設(shè)置在上、下轉(zhuǎn)盤之間，通過2 組液壓油缸的伸縮可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外圈相對90°轉(zhuǎn)動。下轉(zhuǎn)盤倒掛于上轉(zhuǎn)盤上，在上、下轉(zhuǎn)盤之間放置有錐形滾軸，所有的錐形滾軸的錐頂都在同一點(diǎn)，即轉(zhuǎn)盤的中心。這樣可以保障轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)過程中的向心穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)如圖11 所示。

3.6 桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖12 所示，桁架結(jié)構(gòu)采用型鋼焊接而成，其上部與下轉(zhuǎn)盤連接，兩端對稱布置折疊伸縮臂。桁架結(jié)構(gòu)外形尺寸為6 m×2 m×2 m。其主體框架結(jié)構(gòu)采用160 mm×160 mm×6 mm 的方形鋼管焊接而成，底部鋪有3 mm 厚的花紋鋼板，用于人員行走和放置動力設(shè)備及液壓泵站。

3.7 臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計

臂架結(jié)構(gòu)的三維模型圖如圖13 所示。其中，大臂的結(jié)構(gòu)為“Y”型，驅(qū)動大臂旋轉(zhuǎn)的變幅油缸對稱分布在大臂兩側(cè)。另外，為了防止第2 節(jié)伸縮臂與第1 節(jié)伸縮臂之間出現(xiàn)脫離現(xiàn)象，在第1 節(jié)伸縮臂上開槽設(shè)置止擋機(jī)構(gòu)。

4 橋檢車使用功能檢驗

將圖14 所示橋梁-橋檢車裝配體模型導(dǎo)入ADAMS 中，進(jìn)行模型的編輯，其中主要包括簡化模型、定義材料屬性等，然后根據(jù)實(shí)際運(yùn)動形式創(chuàng)建運(yùn)動副和施加約束。驗證模型后，添加驅(qū)動完成整車虛擬樣機(jī)模型的建立。

如圖15 所示，在ADAMS 中利用虛擬樣機(jī)仿真規(guī)劃各構(gòu)件的運(yùn)動路徑，在保證不與橋梁及其附屬結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉碰撞的前提下，將吊籃送往各待檢修位置。仿真結(jié)果表明，橋檢車滿足檢修使用功能。

5 結(jié)語

（1）針對明珠灣大橋雙層橋梁的檢測需求，提出了一種梁下軌行式橋檢車的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，其結(jié)合了臂架式橋檢車的特點(diǎn)并配備了轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，車體能夠相對橋梁90°旋轉(zhuǎn)，在覆蓋對上、下橋面檢測區(qū)域的同時，整車能夠順利通過橋墩頂部預(yù)留的通道，實(shí)現(xiàn)全橋一車檢測。

（2）在方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成橋檢車主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括軌道系統(tǒng)、走行機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)盤、桁架以及臂架結(jié)構(gòu)，并完成走行電機(jī)的選型計算。

（3）利用動力學(xué)仿真軟件ADAMS建立橋檢車動力學(xué)模型，并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，驗證其可以滿足檢修使用功能。