楊國(guó)靜,曾永平,顧海龍

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031; 2.洛陽(yáng)雙瑞特種裝備有限公司,河南洛陽(yáng) 471000)

軌道平順性是高速鐵路行車安全性和舒適性的重要保證[1]。然而，受溫度、混凝土收縮徐變和基礎(chǔ)不均勻沉降等影響，橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)發(fā)生沉降變化，直接影響到橋面軌道線形，進(jìn)而影響到行車安全性和舒適性[2]。目前軌道不平順的調(diào)整主要依靠調(diào)整軌道扣件，但對(duì)于無(wú)砟軌道，其調(diào)整量有限[3]，僅為毫米級(jí)(-4，+26) mm。為解決下部結(jié)構(gòu)的不均勻沉降變化，橋梁工程中多采用高度可調(diào)整支座[4-9]。

本文在充分調(diào)研現(xiàn)有調(diào)高技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種基于高程變化監(jiān)測(cè)的智能調(diào)高支座，并開展了一系列的性能試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了鐵路橋梁線形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化、數(shù)字化以及調(diào)高的智能化，對(duì)于確保列車行車的舒適性與安全性有重要意義。

1 調(diào)高技術(shù)現(xiàn)狀分析

受軌道扣件結(jié)構(gòu)調(diào)整量的限制，目前橋梁的不均勻變形主要是通過調(diào)高支座實(shí)現(xiàn)。主要有墊板調(diào)高、螺紋調(diào)高和液壓填充調(diào)高3種調(diào)節(jié)方式[10-11]。

(1)墊板調(diào)高

采用加墊鋼板或抽拔鋼墊板方式調(diào)高是目前國(guó)內(nèi)外最常用也是最簡(jiǎn)便可行的調(diào)高方案之一。該方案在普通盆式支座頂板上先加墊一塊鋼板，在支座需要調(diào)高時(shí)，先用千斤頂頂梁，然后抽換所需厚度的鋼墊板來(lái)實(shí)現(xiàn)。該調(diào)高方式構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低、實(shí)施操作方便。缺點(diǎn)是調(diào)高時(shí)必須用千斤頂頂梁，只能調(diào)高不能調(diào)低，且不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)整。

(2)螺旋機(jī)械調(diào)高

螺旋機(jī)械調(diào)高[12]是依靠設(shè)置在支座內(nèi)部的螺紋旋合來(lái)實(shí)現(xiàn)支座高度的調(diào)整。優(yōu)點(diǎn)是調(diào)高方便，調(diào)高量可大可小，可正可負(fù)，可無(wú)級(jí)調(diào)高，且不需另加工部件。但豎向荷載完全通過螺紋傳遞，對(duì)螺紋強(qiáng)度要求高，且支座的部件尺寸和總高度較大。為保證調(diào)高時(shí)螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，螺紋間要有一定的間隙，這也導(dǎo)致了列車運(yùn)行時(shí)，支座會(huì)略有橫向搖擺現(xiàn)象，影響行車速度和舒適度。由于螺紋間存在間隙，在長(zhǎng)期交變荷載的作用下，容易發(fā)生疲勞破壞。因此，螺旋機(jī)械調(diào)高不適用于承載力大的支座，且須保證螺紋不會(huì)銹蝕。

(3)液壓填充調(diào)高

液壓填充式調(diào)高方案是通過向支座內(nèi)部盆腔填充常溫可固化材料來(lái)實(shí)現(xiàn)支座的高度調(diào)節(jié)，是近幾年已經(jīng)成功應(yīng)用的調(diào)高技術(shù)[13-19]。該調(diào)高方式是在支座內(nèi)部留有灌注孔，通過向該孔注入填充材料，使其在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)固化來(lái)實(shí)現(xiàn)支座的高度調(diào)節(jié)。填充式調(diào)高支座調(diào)高時(shí)不需頂梁，可實(shí)現(xiàn)一次性無(wú)級(jí)凋高，頂升力可控，高度調(diào)節(jié)幅度較大。但只能進(jìn)行調(diào)高而不能進(jìn)行調(diào)低，且填充材料需要一定的固化時(shí)間，調(diào)節(jié)次數(shù)有限。

綜上所述，以上幾種方案均能實(shí)現(xiàn)橋面線形高程的調(diào)整，但主要缺點(diǎn)有：調(diào)高效率低，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋面線形高程變化，調(diào)高作業(yè)周期長(zhǎng)和施工成本高。

2 智能調(diào)高支座的工作原理及設(shè)計(jì)

智能調(diào)高支座系統(tǒng)主要由調(diào)高機(jī)械子系統(tǒng)、高程監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和智能控制子系統(tǒng)組成。

高程監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要是監(jiān)測(cè)梁體或墩頂高程的變化情況，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果以電信號(hào)的形式發(fā)送給智能控制系統(tǒng)；智能控制子系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的閥值，決定是否需要調(diào)整以及調(diào)整多少；機(jī)械調(diào)高子系統(tǒng)則根據(jù)接收到的控制指令自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。3個(gè)系統(tǒng)形成循環(huán)，直至高程滿足控制要求。圖1為該支座系統(tǒng)的工作流程。

圖1 系統(tǒng)工作流程

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了高程監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)化和豎向調(diào)高自動(dòng)化，具有調(diào)高效率高，周期短，費(fèi)用低等特點(diǎn)，能及時(shí)保證橋面平順性和列車行駛舒適性。

2.1 調(diào)高機(jī)械子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

調(diào)高機(jī)械子系統(tǒng)作為調(diào)高系統(tǒng)的核心部件，具有能夠傳遞支座豎向承載、水平承載，并能實(shí)現(xiàn)支座高度調(diào)整的功能。該系統(tǒng)在現(xiàn)有支座基礎(chǔ)上，增設(shè)了階梯狀的楔形塊，通過千斤頂頂推楔形塊來(lái)實(shí)現(xiàn)支座高度的變化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

圖2 調(diào)高機(jī)械子系統(tǒng)構(gòu)造

圖3 系統(tǒng)構(gòu)造分解示意

在下座板底面設(shè)置2臺(tái)豎向千斤頂同步頂升梁體至所需位置，然后水平頂推階梯狀的楔形塊，使其與倒三角形階梯塊配合實(shí)現(xiàn)支座高度變化，待穩(wěn)定后再卸載豎向千斤頂。下座板所受的水平承載通過4個(gè)導(dǎo)柱傳遞到底座，然后由底座傳遞到墩臺(tái)。

為了防止活動(dòng)階梯楔形塊在底座上平面產(chǎn)生非正常滑移，底座上平面設(shè)置5 mm深的凹槽。水平千斤頂采用法蘭固定于基座上，千斤頂前端采用一個(gè)關(guān)節(jié)軸承與楔形塊連接，防止直接連接產(chǎn)生的別勁現(xiàn)象。

與常規(guī)調(diào)高方式相比，該方式可實(shí)現(xiàn)支座雙向大量程的無(wú)級(jí)調(diào)高，且階梯狀小臺(tái)階有效保證了支座的豎向傳力支撐以及頂推過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 高程監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高程監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)目的在于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)梁體線形高程變化情況，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)送給控制系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)橋面線形變化，因此綜合比選目前各種監(jiān)測(cè)手段優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選擇了靜力水準(zhǔn)儀作為高程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要設(shè)備[20]，它具備安裝簡(jiǎn)便、運(yùn)行可靠、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、高精度等特點(diǎn)。

系統(tǒng)采用連通管原理，在待測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間設(shè)置連通管，利用同一系統(tǒng)液面保持水平的原理，測(cè)得液面變化后，反算出待測(cè)點(diǎn)相對(duì)于參考點(diǎn)的位移，從而達(dá)到測(cè)試橋梁撓度的目的，如圖4所示。

圖4 靜力水準(zhǔn)儀布置示意

2.3 智能控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能控制子系統(tǒng)猶如整個(gè)系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)收集、處理所有信息，并發(fā)布指令。首先，根據(jù)高程監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信息，結(jié)合預(yù)設(shè)目標(biāo)，判斷支座是否需要調(diào)整及調(diào)整高度，并規(guī)劃出液壓杠的位移目標(biāo)。然后，通過液壓缸和電動(dòng)缸進(jìn)行位移控制實(shí)現(xiàn)支座高度調(diào)整，并實(shí)時(shí)上報(bào)液壓缸、電動(dòng)缸的頂推位移。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若發(fā)生故障(傳感器失效、電動(dòng)缸故障等)，應(yīng)能做出相應(yīng)的應(yīng)急保護(hù)措施，并通知用戶及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。

該系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件系統(tǒng)是由液壓泵、液壓千斤頂、變頻調(diào)速控制裝置、控制閥組，平衡閥以及位移傳感器等組成。軟件主要分為控制軟件和故障診斷軟件?？刂栖浖ǎ何灰?速度規(guī)劃器和閉環(huán)控制程序。位移-速度規(guī)劃器指在系統(tǒng)運(yùn)行過程實(shí)時(shí)根據(jù)高程測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)得高程變化值，規(guī)劃液壓缸的位移目標(biāo)值以及速度目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)高程變化值的精確跟隨。閉環(huán)控制程序根據(jù)位移-速度規(guī)劃器所計(jì)算的目標(biāo)值，通過控制算法、數(shù)字PID算法，計(jì)算出當(dāng)前輸出值調(diào)節(jié)變頻器、液壓泵以獲得適當(dāng)?shù)牧髁?，?shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)液壓缸至目標(biāo)位置。

3 智能調(diào)高系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的合標(biāo)性、功能性及安全可靠性，對(duì)支座的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要包括支座基本性能、豎向自動(dòng)調(diào)高功能、多臺(tái)聯(lián)動(dòng)功能和安全可靠性試驗(yàn)。

3.1 支座基本性能測(cè)試

為了考察支座的基本性能，對(duì)ZTQZ-4000-0.1g支座進(jìn)行了豎向承載力、水平摩擦系數(shù)和水平承載力試驗(yàn)。

按照?qǐng)D5的方式對(duì)支座施加一定的荷載，測(cè)量支座在規(guī)定荷載下的變形，并繪制豎向荷載-變形曲線，如圖6所示。

圖5 智能調(diào)高支座豎向承載力試驗(yàn)

圖6 支座豎向承載力試驗(yàn)結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可看出，智能調(diào)高支座在設(shè)計(jì)荷載(4 000 kN)下的變形量為1.9 mm，較常規(guī)支座的變形量略大。這是由于智能調(diào)高支座的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，除了具有常規(guī)支座轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)功能的球面和平面摩擦副之外，還有用于高度調(diào)整的階梯塊。這些構(gòu)件在受力時(shí)都可能產(chǎn)生一定量的變形。而目前在設(shè)計(jì)荷載下的變形量對(duì)支座的正常使用和鐵路行車影響均較小。

同時(shí)，對(duì)智能支座進(jìn)行了4次水平摩擦性能試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 智能調(diào)高支座水平摩擦性能

從表1可看出，智能調(diào)高支座的水平摩擦系數(shù)較小，僅為0.011，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求的0.03。這與智能調(diào)高支座采用的摩擦副體系有著極大的關(guān)系。智能調(diào)高支座的摩擦副體系采用改性超高分子量聚乙烯與不銹鋼組成，并輔以硅脂潤(rùn)滑，其最大優(yōu)點(diǎn)是承載能力強(qiáng)和摩擦系數(shù)小。

按照?qǐng)D5的方式對(duì)支座施加10%設(shè)計(jì)荷載考察智能調(diào)高支座在設(shè)計(jì)水平力作用下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的變形量，如圖7所示。

圖7 自動(dòng)調(diào)高支座水平承載力試驗(yàn)

從圖7可看出，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的整體變形較小，最大變形量?jī)H為0.18 mm，滿足支座的使用要求。4個(gè)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)處的變形量略有不一致，主要是受加工精度及配合間隙的影響。

3.2 自動(dòng)調(diào)高功能測(cè)試

自動(dòng)調(diào)高功能測(cè)試由高程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和支座本體三部分共同作用完成。

首先采用20 000 kN壓剪測(cè)試系統(tǒng)對(duì)支座本體施加4 000 kN的設(shè)計(jì)荷載。然后，調(diào)整高程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的靜力水準(zhǔn)儀的位置，如圖8所示，使得監(jiān)測(cè)點(diǎn)和固定點(diǎn)之間位置產(chǎn)生高度差。最后，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)高功能的試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖8 自動(dòng)調(diào)高功能試驗(yàn)

在調(diào)高試驗(yàn)過程中，每次調(diào)整高度分別按照5，10，20，50 mm進(jìn)行調(diào)整，智能調(diào)高支座的控制系統(tǒng)獲取高程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中產(chǎn)生的位置變化指令后，將指令通過控制系統(tǒng)傳輸至自動(dòng)調(diào)高支座液壓系統(tǒng)和伺服電動(dòng)缸，液壓系統(tǒng)先于電動(dòng)缸開始工作，通過液壓千斤頂將支座上部零件頂升至指定位置，然后電動(dòng)缸帶動(dòng)階梯塊水平運(yùn)動(dòng)至預(yù)定位置，最終千斤頂下落，使得上下調(diào)高階梯塊配合，完成自動(dòng)調(diào)高支座調(diào)高功能試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：每次調(diào)整均能按照預(yù)先設(shè)計(jì)的調(diào)高量準(zhǔn)確完成自動(dòng)調(diào)高試驗(yàn)。

3.3 多臺(tái)同步聯(lián)動(dòng)調(diào)高試驗(yàn)

智能調(diào)高支座在橋梁上應(yīng)用時(shí)一般是2臺(tái)或4臺(tái)支座并用安裝在一個(gè)墩臺(tái)上，在使用過程中必須多臺(tái)支座同步調(diào)高才能保證整條線路的安全運(yùn)行。因此，須針對(duì)智能支座進(jìn)行同步聯(lián)動(dòng)功能試驗(yàn)。

將2臺(tái)智能調(diào)高支座放置在同一平面上，并將支座高度調(diào)整至同一高度，然后在支座上表面放置1 t鋼板，并在鋼板的4個(gè)角分別放置百分表，用于檢測(cè)2臺(tái)調(diào)高支座的調(diào)高量是否一致，共進(jìn)行了5次2臺(tái)支座聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 2臺(tái)支座同步聯(lián)動(dòng)調(diào)高結(jié)果

從表2可以看出，(1)實(shí)際調(diào)整高度與預(yù)設(shè)調(diào)整高度間有一定的差異，這是受支座自身加工精度、支座及墊板間隙和墊板平面度等多種因素影響造成的；(2)2臺(tái)支座同步調(diào)高的誤差均在0.2 mm以內(nèi)，說(shuō)明智能調(diào)高支座系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)調(diào)高性能較為穩(wěn)定優(yōu)越。

3.4 可靠性試驗(yàn)

智能調(diào)高支座的使用是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，支座的安全可靠性關(guān)系到整條線路的安全運(yùn)行。因此要針對(duì)支座的安全可靠性進(jìn)行研究。

對(duì)智能調(diào)高支座共進(jìn)行165次不同高度的調(diào)整試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：智能調(diào)高支座各系統(tǒng)均未出現(xiàn)故障，系統(tǒng)運(yùn)行完好，也充分說(shuō)明該系統(tǒng)具有兼容性好、穩(wěn)定性高和可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。

4 支座安裝

支座安裝包括調(diào)高機(jī)械子系統(tǒng)安裝、控制子系統(tǒng)安裝、標(biāo)高監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)安裝、管線布設(shè)以及調(diào)試等。

調(diào)高機(jī)械子系統(tǒng)安裝隨施工工程由塔吊吊裝就位，就位后其安裝方法與常規(guī)支座相同。

控制子系統(tǒng)的各設(shè)備均置于箱梁內(nèi)部，且各設(shè)備的尺寸大小均需考慮梁端過人孔。中央控制箱、信號(hào)采集箱、變頻驅(qū)動(dòng)箱和伺服驅(qū)動(dòng)箱采用壁掛式固定于箱梁腹板內(nèi)側(cè)。液壓站采用落地式安裝于箱梁內(nèi)部。

靜力水準(zhǔn)儀采用串聯(lián)的方式固定于箱梁內(nèi)兩側(cè)腹板上。電氣及油路管線的布設(shè)均考慮有金屬線槽進(jìn)行防護(hù)，并用支架固定于箱梁腹板。

5 支座維護(hù)與保養(yǎng)

由于該支座不同于常規(guī)支座，針對(duì)調(diào)高階梯塊、各電子元器件、千斤頂、泵站以及管線及電子元件等構(gòu)件，表3列出了系統(tǒng)主要構(gòu)件的維修與保養(yǎng)要求。

表3 系統(tǒng)維修與保養(yǎng)要求

6 結(jié)論

針對(duì)目前調(diào)高支座只能單向調(diào)高、耐久性差和作業(yè)效率低等問題，研發(fā)了一種基于高程監(jiān)測(cè)的智能調(diào)高支座系統(tǒng)。該系統(tǒng)由調(diào)高機(jī)械子系統(tǒng)、高程監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和智能控制子系統(tǒng)三部分組成，有效解決了現(xiàn)有調(diào)高支座被動(dòng)、手工的操作模式，實(shí)現(xiàn)了鐵路橋梁線形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化、數(shù)字化以及調(diào)高的智能化，具有調(diào)高效率高和周期短等特點(diǎn)，顯著降低了后期工務(wù)人員的維修難度，方便了運(yùn)營(yíng)管理。該支座即將在鄭萬(wàn)鐵路梅溪河拱橋上應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。