孔德順，馬俊琦

（1.中國(guó)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；2.北京華橫科技有限公司，北京 100081；3.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 611756）

懸索橋能充分利用材料的強(qiáng)度，并具有用料省、自重輕的特點(diǎn)，因此懸索橋在各種體系橋梁中的跨越能力最大，跨徑可以達(dá)到1 000 m 以上。纜索作為懸索橋的主要承重構(gòu)件，一般選用鋼絲、鋼纜制作，因此纜索防腐是懸索橋的關(guān)鍵工序［1-2］。

繆長(zhǎng)青等［3］探討了纜索腐蝕規(guī)律，基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理和電化學(xué)試驗(yàn)方法，進(jìn)行了纜索高強(qiáng)度鋼絲的腐蝕速率研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)境影響因素的主次順序?yàn)镹aCl 濃度＞溫度＞溫度與 pH 值的交互作用＞pH 值＞溫度與NaCl 濃度的交互作用＞NaCl 濃度與pH 值的交互作用；溫度和NaCl濃度對(duì)鋼絲腐蝕速率的影響呈單調(diào)關(guān)系，而pH值的影響呈非單調(diào)關(guān)系。王義強(qiáng)等［4］研究不同腐蝕程度的橋梁纜索鋼絲力學(xué)性能和剩余強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)實(shí)際腐蝕鋼絲的抗拉強(qiáng)度與腐蝕程度關(guān)系不大，但當(dāng)鍍鋅層消失鋼絲開(kāi)始腐蝕時(shí)，其伸長(zhǎng)率急劇降低；當(dāng)腐蝕進(jìn)入鍍鋅層下的鋼材時(shí)，疲勞強(qiáng)度會(huì)顯著降低，潮濕環(huán)境下鋼絲的疲勞強(qiáng)度與干燥環(huán)境下相比會(huì)進(jìn)一步降低。葉華文等［5］針對(duì)橋梁纜索6 種防腐防護(hù)方法（富鋅漆涂裝法、環(huán)氧樹(shù)脂漆涂裝法、鋅粉膏涂裝法、環(huán)氧樹(shù)脂填充法、油填充法和除濕法）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)除濕法對(duì)表層鋼絲防護(hù)最有效，其后依次是環(huán)氧樹(shù)脂填充法、鋅粉膏涂裝法、環(huán)氧樹(shù)脂漆涂裝法和富鋅漆涂裝法，油填充法效果不明顯，而內(nèi)部鋼絲腐蝕程度遠(yuǎn)低于表層鋼絲。陳小雨等［6］研究主纜鋼絲在不同溫度和濕度環(huán)境條件下的腐蝕速率，采用正交試驗(yàn)方法，獲得了溫度、濕度與腐蝕速率的關(guān)系和耦合效應(yīng)。劉學(xué)青等［7］通過(guò)改變干燥空氣進(jìn)入米級(jí)直徑主纜內(nèi)層和鋼絲間有效層的通過(guò)路徑，提高了主纜防腐效果。如將S形鋼絲纏繞改成波形斷面鋼帶纏繞，增大主纜表層與纏繞物料間隙等方法，提高主纜外包防護(hù)自密性、耐候能力和主纜除濕效率。胡文軒等［8］通過(guò)制備微交聯(lián)的聚乙烯材料，研究不同交聯(lián)度聚乙烯材料的應(yīng)力-光氧老化開(kāi)裂行為，提高了橋梁纜索護(hù)套耐老化性能。

分析上述文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)纜索防腐技術(shù)研究較多，而纜索防腐施工方法和施工設(shè)備研究較少，隨著新型防腐材料的出現(xiàn)，亟需研究新的纜索防腐施工方法和施工裝備。本文針對(duì)纜索防腐新型材料，設(shè)計(jì)纜索防腐材料的自動(dòng)噴涂臺(tái)車(chē)，利用三維設(shè)計(jì)和有限元分析軟件進(jìn)行方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真，實(shí)現(xiàn)纜索防腐材料噴涂方案優(yōu)選、計(jì)算和方案可行性評(píng)判，為纜索防腐技術(shù)提供新的思路。

1 防腐設(shè)計(jì)方案的分析

當(dāng)前纜索防腐材料的施工方法見(jiàn)圖1。圖1（a）為纜索防腐常規(guī)材料的涂裝方法，效率較低，防腐效果和涂裝質(zhì)量密切相關(guān)。圖1（b）、圖1（c）為纜索防腐涂裝板的施工方法，施工方法采用半自動(dòng)化涂裝設(shè)備，但是防腐材料接口處需要二次加熱融合才能實(shí)現(xiàn)較好的防腐效果。圖1（b）中的防腐涂層需要維護(hù)更換時(shí)，須熱熔拆卸，工藝復(fù)雜，效率低，成本較高。

圖1 現(xiàn)有纜索防腐方法

針對(duì)纜索防腐新型材料（噴涂橡膠瀝青）本身的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了全自動(dòng)纜索防腐材料的噴涂臺(tái)車(chē)，如圖2所示。

圖2 防腐噴涂臺(tái)車(chē)三維等軸視圖

本文設(shè)計(jì)的纜索防腐材料噴涂臺(tái)車(chē)（簡(jiǎn)稱防腐噴涂臺(tái)車(chē)），根據(jù)纜索防腐材料涂裝厚度進(jìn)行一鍵設(shè)置防腐材料噴涂厚度、臺(tái)車(chē)走行速度和噴涂機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)行速度等，控制方式為手控和遙控操作相結(jié)合，完全實(shí)現(xiàn)纜索防腐材料涂裝的自動(dòng)化噴涂，并且噴涂效率高，噴涂均勻，對(duì)操作者危害小。這種纜索防腐材料幾乎不用維護(hù)，當(dāng)需要維護(hù)和更換時(shí)，只需人工拆除再次噴涂即可?？紤]到防腐纜索直徑的不同，防腐噴涂臺(tái)車(chē)內(nèi)部調(diào)整預(yù)留較大空間，適應(yīng)纜索防腐涂裝直徑為600～1 000 mm。

2 防腐噴涂臺(tái)車(chē)的設(shè)計(jì)原理

防腐噴涂臺(tái)車(chē)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。防腐噴涂臺(tái)車(chē)選用回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作為支撐機(jī)構(gòu)，走行機(jī)構(gòu)安裝在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的固定端，噴涂軌道機(jī)構(gòu)安裝在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)端，噴涂機(jī)構(gòu)安裝在噴涂軌道機(jī)構(gòu)上［9］。

支撐機(jī)構(gòu)包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)圓環(huán)與噴涂軌道的旋轉(zhuǎn)裝置（回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)外圓環(huán)），構(gòu)成纜索涂料噴涂裝置主體結(jié)構(gòu)，中間采用滾珠接觸方式連接，可以提高接觸剛度和減少旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)阻力。為了方便拆卸，支撐機(jī)構(gòu)從中間用線切割分為兩半，并用螺栓連接成一個(gè)整體，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)、外圓環(huán)分為A，B 兩半，防腐噴涂臺(tái)車(chē)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)拼裝見(jiàn)圖4。

圖4 防腐噴涂臺(tái)車(chē)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)拼裝

走行機(jī)構(gòu)設(shè)有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置（走行電機(jī)），可以實(shí)現(xiàn)沿著纜索移動(dòng)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由導(dǎo)向輪和伸縮氣缸組成，通過(guò)調(diào)整氣缸活塞的伸縮量，既可以使纜索涂料噴涂裝置與纜索外圓面之間緊密貼合，又可以調(diào)整噴涂機(jī)構(gòu)上的噴嘴機(jī)構(gòu)與纜索外圓面之間的距離，保證纜索防腐材料噴涂厚度相等。

噴涂軌道機(jī)構(gòu)安裝在支撐機(jī)構(gòu)上（參見(jiàn)圖3），采用噴涂軌道動(dòng)力裝置電機(jī)驅(qū)動(dòng)噴涂軌道動(dòng)力裝置齒輪，帶著噴涂軌道的旋轉(zhuǎn)裝置沿纜索繞著圓周方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)徑向噴涂。

噴涂機(jī)構(gòu)選用同步帶和直線導(dǎo)軌安裝在噴涂軌道機(jī)構(gòu)上，纜索防腐材料噴嘴安裝在直線導(dǎo)軌上的滑塊上，由噴涂機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶帶著滑塊沿直線導(dǎo)軌往復(fù)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)纜索的橫向噴涂，形成纜索整個(gè)外圓面的縱向噴涂運(yùn)動(dòng)。

防腐噴涂臺(tái)車(chē)控制方式采用遙控作業(yè)，通過(guò)遙控裝置遙控纜索防腐涂料噴涂臺(tái)車(chē)在纜索上自動(dòng)進(jìn)行噴涂作業(yè)。這樣操作人員就不用在纜索上高空作業(yè)，從而減少了操作人員受防腐材料的傷害和高空作業(yè)的危險(xiǎn)。

3 防腐噴涂臺(tái)車(chē)的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)的有限元分析

防腐噴涂臺(tái)車(chē)的整體結(jié)構(gòu)須滿足強(qiáng)度要求，防止運(yùn)動(dòng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形。同時(shí)整體動(dòng)剛度要能防止運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生共振。為了方便安裝、拆卸，選用航空鋁材（型號(hào)2014），這種材質(zhì)質(zhì)量輕（防腐噴涂臺(tái)車(chē)整體質(zhì)量為80 kg）、剛度大。支撐機(jī)構(gòu)選用回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)代替，整體結(jié)構(gòu)性好。纜索防腐材料噴涂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

為了更好地分析防腐噴涂臺(tái)車(chē)在纜索上運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力情況，選用防腐噴涂臺(tái)車(chē)支撐輪為固定端，噴涂軌道機(jī)構(gòu)作為受力機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析（見(jiàn)圖5）。噴涂機(jī)構(gòu)和送料管質(zhì)量約20 kg，并且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有離心力和動(dòng)載荷的作用，合力為424 N。圖5 中，A，B點(diǎn)為有限元分析時(shí)施加外力點(diǎn)，C點(diǎn)為有限元分析時(shí)的固定約束點(diǎn)。

圖5 防腐噴涂臺(tái)車(chē)有限元分析

有限元分析得到的應(yīng)變和應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6［10-11］，可知最大應(yīng)力為64.52 MPa＜［σ］=350 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.000 4 mm，滿足纜索防腐層精度要求（最小涂層厚度0.05 mm）。

3.2 走行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

由于纜索工作時(shí)呈拋物線形狀，設(shè)計(jì)防腐噴涂臺(tái)車(chē)的走行機(jī)構(gòu)時(shí)，需要考慮防腐噴涂臺(tái)車(chē)的爬坡能力［12-13］。為了提高纜索防腐材料的搭接噴涂質(zhì)量，選用步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)防腐噴涂臺(tái)車(chē)運(yùn)動(dòng)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，選用纜索的下垂角為30o，步進(jìn)電機(jī)的功率為

圖6 防腐噴涂臺(tái)車(chē)的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D

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

驅(qū)動(dòng)輪直徑為155 mm，防腐噴涂臺(tái)車(chē)的走行機(jī)構(gòu)最大運(yùn)動(dòng)速度為10 m/min，切向最大滾動(dòng)摩擦力為

式中：Ff為滾動(dòng)摩擦力，則Ff=Mg fcosα；Fp為重力的分力，則Fp=Mgsinα；其中，M為防腐噴涂臺(tái)車(chē)的質(zhì)量，取 80 kg；α為纜索的下垂角，取 30o；f為滾動(dòng)摩擦因數(shù)，取0.02。

根據(jù)式（1）和式（2），選用步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為86BYG250D，最大扭矩為8.5 N·m。

當(dāng)噴涂軌道的旋轉(zhuǎn)裝置需要繞纜索旋轉(zhuǎn)時(shí)，采用安裝在支撐機(jī)構(gòu)上的噴涂軌道動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方式為步進(jìn)電機(jī)帶著齒輪（參見(jiàn)圖3）。根據(jù)式（1）和式（2），選用步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為86BYG250B，最大扭矩為4 N·m。

防腐噴涂臺(tái)車(chē)運(yùn)動(dòng)速度可以根據(jù)“大車(chē)運(yùn)行速度=噴槍流量×固體含量÷擺動(dòng)寬度×噴涂厚度×干膜密度”進(jìn)行設(shè)置。其中固體含量和干膜密度為防腐材料的屬性，擺動(dòng)寬度為噴涂機(jī)構(gòu)移動(dòng)寬度。

3.3 噴涂機(jī)構(gòu)的分析

噴涂機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)安裝在噴涂軌道的旋轉(zhuǎn)裝置上，噴涂機(jī)構(gòu)沿著噴涂機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)往復(fù)移動(dòng)進(jìn)行噴涂作業(yè)。為了提高防腐噴涂臺(tái)車(chē)噴涂機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性，噴涂機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)選用同步帶+直線導(dǎo)軌。從圖7 可以看出防腐噴涂臺(tái)車(chē)噴涂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式。噴涂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度高，定位精確，最大運(yùn)動(dòng)速度為2 m/s，并且纜索防腐材料厚度范圍為0～5 mm。

噴涂機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用伺服電機(jī)，能精確控制噴涂機(jī)構(gòu)移動(dòng)位移和速度，同時(shí)根據(jù)噴涂機(jī)構(gòu)的移動(dòng)位移和走行機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度，可以判斷纜索防腐材料噴涂防腐層厚度是否合格。

圖7 圖3中防腐涂裝臺(tái)車(chē)的剖面

3.4 防腐噴涂臺(tái)車(chē)控制系統(tǒng)的分析

防腐噴涂臺(tái)車(chē)的控制系統(tǒng)采用手動(dòng)操作和遠(yuǎn)程遙控作業(yè)相結(jié)合的方式。在設(shè)置操作程序和隨機(jī)操作時(shí)，遠(yuǎn)程操作可以減少防水涂料對(duì)人的危害。設(shè)計(jì)防腐噴涂臺(tái)車(chē)的控制系統(tǒng)時(shí)，預(yù)留自動(dòng)走行接口，將纜索信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入控制系統(tǒng)，防腐噴涂臺(tái)車(chē)可按照纜索直線段、曲線段及纜索高低位置的不同自動(dòng)規(guī)劃噴涂路徑，控制纜索防腐材料噴涂速度，防止出現(xiàn)纜索曲線段、直線段噴涂厚度不一致的情況。同時(shí)在防腐噴涂臺(tái)車(chē)安裝北斗信號(hào)，用來(lái)判斷纜索噴涂路徑是否合理，避免纜索防腐材料過(guò)度噴涂或少噴涂，更好地保證纜索防腐材料的施工效果。

4 防腐涂裝設(shè)備安裝調(diào)試

防腐噴涂臺(tái)車(chē)在纜索上安裝時(shí)，防腐噴涂臺(tái)車(chē)走行機(jī)構(gòu)上的伸縮氣缸和氣路的安裝需要檢查密封性，防止因漏氣而影響噴涂質(zhì)量。同時(shí)，防腐噴涂臺(tái)車(chē)每次遷移時(shí)，防腐噴涂臺(tái)車(chē)的螺栓螺母、滾動(dòng)軸承、氣路密封件須全部更換，并且走行機(jī)構(gòu)全部加注潤(rùn)滑脂進(jìn)行潤(rùn)滑。噴涂機(jī)構(gòu)在使用前，須要檢查防腐材料噴頭噴涂效果；同時(shí)通過(guò)控制系統(tǒng)，控制噴涂軌道的旋轉(zhuǎn)裝置繞纜索旋轉(zhuǎn)一周，檢查噴涂機(jī)構(gòu)的噴頭到纜索外圓面的距離，如果距離不等則調(diào)整走行機(jī)構(gòu)上橫向和豎向的氣缸活塞桿長(zhǎng)度，使噴涂機(jī)構(gòu)上的噴嘴機(jī)構(gòu)與纜索外圓面距離相等；當(dāng)噴涂過(guò)程中走行機(jī)構(gòu)偏離設(shè)定路線時(shí)，同樣調(diào)整走行機(jī)構(gòu)上橫向和豎向的氣缸活塞桿長(zhǎng)度。

防腐噴涂臺(tái)車(chē)每次遷移時(shí)，纜索防腐的專職質(zhì)量員需要檢查纜索防腐層的厚度，并且在纜索防腐材料噴涂過(guò)程中，出現(xiàn)噴涂質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，須要停止纜索防腐材料的供應(yīng)，同時(shí)停止防腐噴涂臺(tái)車(chē)的運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)纜索防腐技術(shù)的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為纜索防腐新型材料噴涂臺(tái)車(chē)提供理論依據(jù)，并對(duì)纜索防腐新型涂裝設(shè)備的不足進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)纜索防腐技術(shù)要求，優(yōu)化了纜索防腐新型材料的涂裝設(shè)計(jì)方案，同時(shí)設(shè)計(jì)了防腐涂裝臺(tái)車(chē)，并對(duì)防腐涂裝臺(tái)車(chē)整體結(jié)構(gòu)、動(dòng)荷載進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)滿足材料強(qiáng)度和安全性要求。

防腐涂裝臺(tái)車(chē)設(shè)計(jì)分析時(shí)，考慮纜索自重下垂效應(yīng)的影響，防腐涂裝臺(tái)車(chē)走行和調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝了自校準(zhǔn)傳感器，能夠保證纜索防腐噴涂效果。