一种大跨度拱桥检查车的结构设计与分析

2015-12-17梅仕伟刘军郑晓龙范绍国李文斌

铁道建筑 2015年12期

关键词：拱圈链轮拱桥

梅仕伟，刘军，郑晓龙，范绍国，李文斌

(1.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007;2.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610083)

一种大跨度拱桥检查车的结构设计与分析

梅仕伟1，刘军1，郑晓龙2，范绍国1，李文斌1

(1.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007;2.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610083)

针对大跨度拱桥特点，提出了一种链条链轮驱动，爬坡能力强，适合于大跨度拱桥日常维修、养护的检查车。拱桥检查车系统由轨道、驱动机构及车体组成。介绍了检查车的整体结构设计，并对关键部件驱动机构的链轮轴、轨道结构、车体结构做了有限元受力分析，分析结果表明此检查车结构安全可靠。

拱桥检查车轨道链条链轮驱动有限元分析

随着我国铁路建设的蓬勃发展和铁路建设技术的不断提高，铁路桥梁在线路中所占比重越来越大，且不断向高墩大跨特殊结构方向发展。特别是近年来，国家实施西部大开发，大力推进西部山区铁路的建设，跨越高山深谷的大跨度拱桥越来越多。由于这些拱桥拱圈结构尺寸大、垂直高差大，坡度陡、变截面，现场条件十分复杂，拱圈的检查维修任务越来越重，也越来越难以实施，给桥梁养护带来不便。目前，大跨度拱桥主要采用人爬的方式进行检查维护，作业危险、效率低下、有些检查部位无法到达;而普通的桥面检查车检查不到桥拱及其底面［1-3］。因此，研究开发一种专门的拱桥检查装置就显得十分必要。本文以西南地区某大跨度上承式拱桥为研究对象，提出了一种爬轨式的拱桥检查车。

1 总体结构设计

如图1所示，此拱桥检查车采用双轨单车布局，全拱圈配一台车。检查车呈“一”字形悬挂于拱圈底部，检查工作人员可在检查车行走通道内对拱圈底部及侧面近距离检查或进行简单的维修。整个检查车系统由轨道、驱动机构及车体组成。轨道沿拱圈铺设，固定在拱圈底部。检查车车体通过驱动机构悬挂在轨道上，在动力驱使下可沿拱形轨道行驶，以便于检查全拱。

图1 拱桥检查车安装效果示意

2 驱动机构设计

检查装置沿拱圈移动，是大坡度行驶，相比于普通检查车的直线行驶，大坡度行驶工况复杂多变，爬坡能力要求高，驱动控制比较困难。并且驱动的同时还得考虑制动的可操作性与安全性，所以沿拱驱动是本研究项目的关键点与难点。在工程上，大坡度驱动一般采用链条链轮驱动、齿轮齿条驱动、卷扬钢缆驱动［4］、夹轨胶轮驱动［5］等。齿轮齿条驱动与夹轨胶轮驱动爬坡能力小，且对使用环境要求高，适合小跨度下承式拱桥，不适合大跨度拱桥检查车要求。卷扬驱动由于结构非常复杂，也不适合跨度长、坡度大的拱桥。链条链轮驱动非常适合于大跨度拱桥(坡度大，跨度长)，不仅爬坡能力强，而且技术方案成熟，轨道安装方便，环境适应性高，在其他桥型检查车中也有实际的运用案例，所以本检查车采用链条链轮驱动。

如图2所示，驱动机构由驱动电机、滚轮、链轮、安装架等组成。安装架通过螺栓连接与检查车车体相连，电机、链轮及滚轮都固定在此部件上。滚轮放置于钢轨上，在链条链轮的驱动下，沿工字钢下翼缘行走，起到承受检查车总体重量的作用。链轮与安装在轨道上的链条配合，驱动电机驱动链轮运动，从而带动驱动机构沿链条运动，实现检查车的沿拱行走。

考虑到现场环境复杂，在链条链轮驱动中选型时须增大安全系数，本文选择50B链条及相配的链轮。链轮、链条及链轮轴是关键的零件，有必要对其计算校核。参考机械设计手册［6-7］，对链轮轴进行了理论计算及有限元分析(如图3所示)，最大应力为97.4 MPa，强度满足要求;对链条链轮进行了校核，结果也满足要求，在此不再赘述。

图2 驱动机构结构

图3 链轮轴受力分析

3 轨道设计

3.1 轨道结构设计

轨道沿拱圈布置，固定于拱圈底部。若拱圈为混凝土结构，采用预埋件固定轨道;若拱圈为钢结构，则采用抱箍方式固定轨道。由于大坡度驱动行走要求高且现场环境复杂，普通的轨道结构满足不了要求，为此本文提出了带链条的复合轨道。如图4所示，复合轨道由工字钢、U形槽、链条及链条托板组成。U形槽焊接在工字钢下面，链条固定在U形槽内，由链条托板托住链条。链条托板由螺栓固定在U形槽上，并在U形槽侧面开孔、链条托板开椭圆形孔以调节链条纵向的偏差。复合轨道左右对称布置，直线拟合拱圈。在使用过程中，由于链条托板每隔不到1 m布置一个，若有一段链条出现意外断裂，能够保证链条有足够的约束，确保不会发生单节链条断裂而导致整体链条脱落的危险。在极限情况下，几节连续的链条销轴断裂，还有对称的链条支撑，可确保驱动安全。链条与链条托板采用销轴连接，在链条断裂情况下，也方便更换。

3.2 轨道有限元分析

轨道用螺栓固定在桁架上，计算时将螺栓处固定。将检查车载荷分散在4个滚轮上，每个轮子的受力为10 kN。将检查车在风载荷产生的弯矩加载在轨道与轮子下部边缘。计算结果:轨道最大应力55.33 MPa，应力安全系数3.80，在许用应力范围内;最大变形4.54 mm，满足使用要求。

图4 轨道结构

4 车体设计

4.1 车体结构设计

检查车车体的重量越重，所需驱动力越大，特别是在沿拱行走时，重量的影响更加明显。在上坡行走时，需要克服装置本身的重力及摩擦力做功，需要的驱动载荷变大，所需要的发电机组等装置也相应地增加。同理在下坡时，重量越重，动能越大，所需要的制动力也越大，制动机构越复杂，同时也给驱动链条及轨道带来深度磨损，对整个检查车系统不利，且检查车重量越大对桥梁的负载也越大，可能会影响到桥梁的局部受力情况。因此，检查车重量不宜过大。在结合现有的检查车相关技术的基础上，本文对拱桥检查车车体进行了轻量化设计。车体结构为桁架结构，桁架杆件结构设计都已很成熟，从结构上轻量化行不通，本文主要对桁架结构材料进行轻量化设计。考虑到材料密度、载荷要求、组装工艺、焊接加工工艺等诸多要素，决定采用铝合金结构来代替传统的钢结构。铝合金具有密度低、强度高、焊接性能良好、耐腐蚀等优点，满足使用要求。整个铝合金桁架采用模块化设计，分成3大模块(中间桁架、连接桁架和端桁架)，各模块间采用螺栓连接，便于组装及运输。铝合金车体重量大幅减小，大约只有钢结构的1/3。

4.2 车体有限元分析

按照实际的模型将检查车建模，边界条件也按照实际的工况设置。将检查车的附属结构(踏板，发电机等)作为载荷加载到检查车底梁部位处，大小为21 kN;移动载荷大小为5 kN，作用在检查车边缘处;风载荷加载4.1 kN;另外考虑检查车的整体重力。检查车边界条件及载荷示意如图5所示，计算结果如图6所示，车体最大应力为70.18 MPa，在许用应力范围内，且未发生明显的变形，满足使用要求。