钢桥梁检查车主流设计型式及组成机构研究

引言

桥梁是国家的重要基础设施,是经济建设中的重要组成部分。桥梁在长期的使用过程中,会受到各类外界环境因素影响,其结构将不可避免地产生疲劳和损伤,这些损伤可能导致严重的交通事故,造成巨大的经济损失和人员伤亡。桥梁底部的结构裂缝检测起来比较困难,再加上桥梁结构型式日益趋向大型化和新颖化方向发展,使这个问题变得更加难以解决。基于此,桥梁建设人员设计生产出了一种用于钢桥梁施工、检测、维修人员作业的专用平台,也就是钢桥梁检查车,它可以通过自身整体或者内部机构移动,快速到达需要作业的桥体位置,从而提高桥梁检修作业的可达性,为桥梁的施工、检测、维护提供坚实的后盾。

1钢桥梁检查车的主要型式

近年来,业内应用最为广泛的钢桥梁检查车主要有伸缩析架式检查车(图1）、单点旋转式检查车(图2)、旋转轨道式检查车(图3)及整体析架式检查车(图4)。

(1）伸缩析架式检查车主要通过收缩单侧或两侧析架来改变析架整体长度尺寸,从而使检查车可以在桥梁的次边跨、边跨、中跨之间进行越墩行驶。该种结构型式可以减少全桥的检查车总体布置数量,降低工程造价:但倘若桥梁支墩处两横向支座间距过小,将导致检查车轨距变小,析架悬臂端增长,整体稳定性下降,此时不宜采用此种形式。

(2)单点旋转式检查车的析架中间部位与上部行走机构之间设置有3609主动回转支撑,过桥墩时,将下部析架旋转至顺桥向,可使检查车从桥墩两支座之间通过。该检查车行走机构轨距小,由中间单点悬挂,两侧悬臂较长,抖动幅度大,故析架总体长度不宜过大,恰与伸缩析架式检查车形成互补。

(3)旋转轨道式检查车的两侧驱动机构下部均安装有主动回转支撑,且龙门架为一侧固定,一侧可沿横桥向摆动。在桥墩两侧及中间位置轨道部位设置有被动回转式轨道,过桥墩时,以固定端龙门架为基准,由电气系统操控,将检查车由横桥向两条轨道悬挂,调整至顺桥向单条轨道悬挂,从两桥墩之间通过。此种检查车驱动机构、龙门架、轨道系统及电气系统较为复杂,对设备操作人员素质要求较高,在过墩时,需严格按照使用说明书要求进行轨道对正,旋转调整,步骤烦琐,故障率高,可靠性低,现已趋于淘汰之势。

(4)整体析架式检查车结构型式简单、稳定性高、单台造价低,因其不能越桥墩行驶,故需在桥梁的每跨桥墩之间依次布置。但单台独自施工检修,互不干涉,目前应用最为广泛。

总之,各种型式的检查车各有利弊,可依据桥梁的型式、桥面宽度、跨度、墩距等主要参数,来选择与之匹配的检查车型式,以兼顾安全性与经济性。

2钢桥梁检查车的组成机构

以整体析架式检查车为例,其主要由析架系统、龙门架、行走系统、制动系统、电气系统、轨道系统及附属设施等机构组成(图4)。

2.1析架系统

析架系统作为整个桥梁检查车的主体结构,承担着施工人员、设备及物料的整体重量,多采用方钢管、角钢等型材拼焊成框架结构,在保证钢结构强度的前提下,可尽量设计为较大的镂空结构,以减小风阻和自重。材料多选用牌号为O235、O355的钢材或牌号为6061一T6的铝材,其中铝材比钢材更轻,且耐腐蚀性能好,可实现终身免维护;另外,检查车整体悬挂于桥梁底部,后期析架防腐施工较为困难,因此,近年来铝合金材料已成为制造检查车析架系统的首选。

析架外形设计时需要随桥梁底部型式进行变化,以适应不同的检修高度,并在斜面上布置台阶状脚踏板,四周安装防护栏杆及踢脚板。为方便运输,通常在工厂对检查车析架进行分段制造,运输至安装现场后再整体栓合,并在连接处设置法兰板,法兰板栓合面涂抹腻子,以消除连接间隙,防止内部锈蚀;同时,连接螺栓需经达克罗或涂装处理,再加装防松螺母。在析架两端通常设置有爬笼或升降平台作为检修人员上下检查车的通道。为防止析架吊装时爬笼与钢梁干涉,需在析架整体吊装完成后,再从桥面两侧进行爬笼吊装,用螺栓与下部析架连接。升降平台由电力驱动,一旦检查车发生故障,施工人员无法快速从检查车上撤离,如若桥梁两侧没有与爬笼相干涉的固定结构,一般不建议使用升降平台。

2.2龙门架

龙门架作为检查车的主要承力构件,其作用是将析架系统整体托起,借助其上部设置的吊耳,用销轴与行走系统下部进行较接,使检查车形成一个整体结构。龙门架与析架采用U型螺栓卡固,同时为防止材料间相互损伤,卡固部位垫胶皮进行缓冲。龙门架一般采用强度较高的型钢或钢板焊接而成,为便于拆装,设计为上下两部分框架结构,再通过高强螺栓栓合成整体。

2.3行走系统

行走系统作为检查车的主要执行机构,由车轮组、齿轮轴、驱动墙板、电机减速器、提挂架组成。检查车行走时由电机驱动减速器工作,通过齿轮轴传动驱动车轮旋转,从而实现钢桥梁检查车的运行。各机构设计时,车轮组运用过桥式齿轮轴连接,实现轨道腹板两侧车轮组的全部主动驱动,以避免部分车轮空转、打滑现象的发生;车轮外包聚氨酯,以提高车轮组的附着力,增强检修车的爬坡能力,同时减小对轨道防护层的损伤;电机宜采用变频电机或伺服电机,并用驱动器控制,实现无级调速、缓启动、零速抱闸的功能,以降低启动、停止时的惯性冲击;在驱动电机尾端或过桥齿轴端安装手把,使检查车具备手动驱动功能,可保障检查车发生电气故障时,检修人员能通过手动运行将检查车移动至停车位固定;提挂架吊耳内部需镶嵌关节轴承,通过关节轴承的摆角变化来适应轨道轨距的安装误差,防止车轮啃轨;也可防止轨道翼缘板扭曲变形,造成驱动机构两侧车轮组偏载,发生轴承损坏故障。

2.4制动系统

制动系统作为检查车的安全装置,由行车制动器、驻车制动器和锚固系统组成。行车制动器用于检查车运行中停止制动,一般在电机转子轴尾端安装电磁制动器,实现电机断电制动。驻车制动器用于检查车停车后制动,主要有夹轨与顶轨两种型式,通过与轨道接触面摩擦传力,防止检查车滑移。一般在运行工况恶劣、台风频发的环境中,仅依靠行车制动器和驻车制动器并不能满足检查车的制动要求,需在桥梁检查车的停车位设置锚固系统。锚固系统的型式主要有轨道开孔插销式、钢箱梁底焊接锚拉环式和桥墩预埋锚点式。

2.5电气系统

检查车电气系统主要由供电系统和控制系统组成。供电系统一般采用安全滑导线、发电机组或电池组三种供电形式。安全滑导线在桥梁小跨度供电时相对稳定,但滑触线供电需先安装滑线提挂架,才能安装滑线,施工工期较长,且后期滑触线吊架老化或连接螺栓松动,容易整体脱落,对航道通航的船只造成安全隐患;且在大跨度桥梁施工中,受供电点位置限制,通常只能在滑导线两端供电,这会导致滑导线中间位置压降较大,影响检查车电气系统供电的稳定性。发电机和锂电池组供电方式施工周期短,安装方便,适用于大跨度桥梁检查车供电。但发电机在后期使用时,需持续补充燃料,更换发动机机油、机滤等,而锂电池组在配置独立的BMs电池管理系统后,能实现独立智能充放电管理,具有安装方便、输出电压稳定、长期免维护的优点,是当前检查车供电系统的首选。

检查车控制系统需集成过载、短路、漏电、相序、极限位置等各项保护措施,多采用PLC控制,通过变频器或伺服驱动器对左右两侧驱动机构进行独立或组合驱动,由电机自带编码器反馈,实现闭环控制,保证检查车左右两侧驱动机构同步运行:同时,安装线控按钮盒或无线遥控发射器,使检修人员可在桥面操控检查车运行,从而防止检查车运行失控时发生人员伤亡事故。

2.6轨道系统

检查车轨道系统宜选用强度较高的工字钢或H型钢,成对安装于桥梁底部。在设计时检查车车轮需要与轨道型材的接触踏面相匹配,工字钢轨道翼缘板踏面为斜面,车轮可进行自适应纠偏,但接触踏面存在轴向力,容易导致聚氨酯层脱落。H型钢轨道车轮接触踏面大,承载能力强,运行平稳,但驱动机构需加装导向轮进行导向,防止车轮轮缘爬升至轨道踏面之上,导致驱动机构掉落。轨道系统端部需设置限位挡块,旋转轨道、移动轨道端部需设置限位保护装置。

2.7附属设施

为了进一步提高检查车的舒适度与安全性能,设计时还需配置一些附属设施,如:在析架底部四角设置通航指示灯,提醒过往船只避让:析架上安装声光报警器,在运行过程中实现风险警示:安装照明灯,方便夜间施工:安装风速仪,将其控制信号反馈至电气系统,防止大风环境中违规使用检查车:安装轨道探测传感器,防止检查车脱轨掉落:安装防撞缓冲器,防止检查车相互之间或与轨道端档发生刚性碰撞:在析架悬臂较长、端部刚性差时,可安装磁吸式防震装置,将其吸附于钢梁底部,避免析架悬臂颤动:在析架跨间距大、整体刚性较差时,可沿析架长度方向张拉w型钢性拉索,既能大幅提高析架刚性,又未过多增加析架自重。

3结语

目前国内桥梁检查车的设计尚无标准可依,因而结构型式各异,且检查车作为大桥的附属设施,多由制造单位自主设计、制造,导致各个厂家产品质量参差不齐,给桥梁检查车的使用埋下了一定的安全隐患。本文对钢桥梁检查车的型式和组成机构进行了深入的分析研究和总结,提出了选型建议,可以为钢桥梁检查车的设计提供参考,期望能为提高钢桥梁检查车的安全性、可靠性、经济性做出贡献。