李文斌，劉 軍，管 峰，梅仕偉，孔令俊，唐 璐

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

0 引言

隨著我國城市及其周圍軌道交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展越來越密集，各種線路也隨之朝立體方向發(fā)展，在此過程中不可避免會出現(xiàn)新建橋梁與既有線路重疊的情況，且多為新建橋梁跨越既有線路，而既有線路為保證車輛運行安全，有凈空要求限制，上方梁底檢查車不得侵入既有線路限界。而常規(guī)梁底檢查車懸掛系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐桿件為一字型正壓在作業(yè)平臺桁架上方，再將行走驅(qū)動裝置安裝在基礎(chǔ)支撐桿件上，導(dǎo)致行走驅(qū)動及基礎(chǔ)支撐桿件侵占大量凈空；另外，梁底檢查車多為雙軌布局，兩條軌道固定鋪設(shè)在梁底下方，檢查車通過懸掛系統(tǒng)掛在軌道上，兩條軌道距離通常為數(shù)米至數(shù)十米，而軌距在安裝過程中不可避免會存在誤差，目前的解決方案為依靠輪緣與軌道之間預(yù)留數(shù)毫米間隙來適應(yīng)軌距誤差，而在軌距誤差過大的情況時會導(dǎo)致車輪與軌道卡死，檢查車不能正常行進，同時，現(xiàn)有技術(shù)懸掛系統(tǒng)上配套的防墜掛鉤為固定連接，軌距誤差過大的話也會導(dǎo)致其效用減弱甚至失效。

為給橋梁檢修及維護人員提供專業(yè)的檢查作業(yè)平臺，使其安全、快速到達需要檢修的橋梁位置，以及時、高效地發(fā)現(xiàn)橋梁的各種病害及存在的各種隱患，亟需提供一種可自適應(yīng)軌距變化，侵占下方道路凈空較小的梁底檢查車[1]。

1 總體設(shè)計方案

自適應(yīng)軌距小凈空梁底檢查車采用雙軌單車布局，行走軌道分別鋪設(shè)在橋梁全長范圍內(nèi)梁底兩側(cè)。檢查車整體通過懸掛系統(tǒng)懸吊在軌道上，可沿橋梁縱橋向移動。檢查人員的作業(yè)平臺主體為桁架結(jié)構(gòu)[2]，與懸掛系統(tǒng)固接，在懸掛系統(tǒng)上設(shè)置有滑動裝置，可在一定范圍內(nèi)橫橋向移動以適應(yīng)軌距變化，相應(yīng)保護掛件也應(yīng)設(shè)置為可移動式；為降低檢查車侵占空間，對懸掛系統(tǒng)托架結(jié)構(gòu)進行下沉式設(shè)計，并對支撐桿件進行了槽型設(shè)計，使作業(yè)平臺與軌道距離減小至5 mm以內(nèi)[3]，檢查車安裝效果示意圖如圖1所示。

2 主要技術(shù)參數(shù)

1)行走速度不大于10 m/min；2)檢查車額定載荷1 000 kg；3)行走電機功率0.4 kW×4；4)工作風(fēng)速不大于12.5 m/s；5)可適應(yīng)軌距誤差75 mm；6)檢查車底面與梁底距離不大于1.2 m；7)作業(yè)平臺質(zhì)量不大于80 kg/m；8)爬坡能力不大于3%。

3 主要結(jié)構(gòu)及原理

3.1 懸掛系統(tǒng)設(shè)計

懸掛系統(tǒng)由槽型托架、行走驅(qū)動組合、防墜掛件組合及緩沖裝置組成。槽型托架主體為型鋼組成的焊接桁架，中間為矩形封閉式空腔，內(nèi)部截面與作業(yè)平臺外形截面一致，可容納作業(yè)平臺并與之通過螺栓固接，其上部兩件頂橫桿沿橋向分布，間距大于軌道寬度，軌道即可位于兩頂橫桿中間并貼近頂桿底部布置，消除頂橫桿侵占的凈空高度[4]。行走驅(qū)動組合及防墜掛件組合均安裝在槽型托架的基礎(chǔ)支撐桿件上，為減少行走驅(qū)動組合侵占凈空高度，對基礎(chǔ)支撐桿件進行了下沉處理，下沉高度與軌道安裝位置相匹配。為減小檢查車行走至軌道邊緣與止擋硬性撞擊時產(chǎn)生的沖擊，在槽型托架最外側(cè)設(shè)置了橡膠緩沖裝置。

懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1)行走驅(qū)動組合。

包含驅(qū)動電機、減速裝置、主動及從動輪對、導(dǎo)向輪對等，驅(qū)動采用軟啟動電機，不加起動電阻，不需降壓，直接通電即可實現(xiàn)檢查車的軟啟動，起動電流僅為普通電動機的1/4～1/2，同時具備可靠性高，過載能力強等優(yōu)勢，電機尾部自帶電磁制動器，可為檢查車提供駐車制動。檢查車工作時需要可靠的動力源，對電機功率進行驗算，根據(jù)GB/T 3811—2008起重機設(shè)計規(guī)范計算工作摩擦阻力F摩擦阻力=179.8 N，坡道阻力F坡道阻力=566 N，風(fēng)阻力F風(fēng)阻力=1 549.5 N，考慮啟動慣性力，取1.3倍功率放大系數(shù)，計算得出發(fā)電機功率不小于0.14 kW，本次電動機取0.4 kW三相交流異步電機。考慮意外情況下可能出現(xiàn)行走系統(tǒng)故障或電氣系統(tǒng)故障導(dǎo)致檢查車不能通過電力驅(qū)動行走，為方便車內(nèi)人員選擇合適位置進行逃生，在電機尾部設(shè)置了手搖裝置，可通過人力驅(qū)動檢查車行進。為減小行走車輪對軌道造成的摩擦損傷，對車輪進行了聚氨酯橡膠外包處理，保護了軌道防腐層并延長了軌道使用壽命。

行走驅(qū)動組合與驅(qū)動連接板固接，在驅(qū)動連接板內(nèi)部孔布置了石墨銅軸承襯套，其具備承載能力高、耐沖擊、自潤滑能力強等優(yōu)點，通過襯套固定板及螺栓與驅(qū)動連接板固接?；A(chǔ)支撐桿件為兩件位置固定的背向槽鋼，主連接軸穿過兩件槽鋼及石墨銅軸承襯套后用螺母鎖緊，行走驅(qū)動組合即可通過石墨銅軸承襯套在主連接軸上滑動，自適應(yīng)軌距誤差。行走驅(qū)動組合及其連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2)防墜組件。

包含兩件防墜掛鉤、防墜掛鉤固定板、防墜掛鉤連接板及連接標(biāo)準(zhǔn)件若干。防墜掛鉤頂部鉤子可在驅(qū)動車輪意外脫落的情況下鉤掛住軌道，避免檢查車出現(xiàn)整體掉落的重大事故，為便于安裝，采用分體式對稱布置，中間連接孔為半孔，外側(cè)連接孔為圓孔；防墜掛鉤連接板正壓在兩件掛鉤上方，通過四件螺栓固定掛鉤位置，使其不能發(fā)生相對移動，避免其脫離軌道翼緣范圍。防墜掛鉤連接板焊接在基礎(chǔ)支撐桿件上，其與掛鉤的三個連接孔均設(shè)置為橫橋向的腰形孔，掛鉤即可帶動連接螺栓在腰形孔內(nèi)移動以適應(yīng)軌距變化。防墜組件及其連接結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 作業(yè)平臺

作業(yè)平臺主要由鋁合金桁架、防護欄桿、花紋底板及踢腳板組成，采用6061-T6航空鋁合金作為桁架材料，在屈服強度接近的情況下，6061-T6密度僅為鋼材Q235B的1/3左右，可有效降低車體重量，相應(yīng)軌道規(guī)格也可以隨之減小，降低橋梁載荷及整體工程造價；為防止作業(yè)人員及作業(yè)工具掉落，在鋁合金桁架內(nèi)側(cè)四周安裝了防護欄桿及踢腳板，為方便檢查人員在桁架平臺內(nèi)部行進，在桁架底部鋪設(shè)了具備防滑功能的花紋底板[5]。

3.3 動力裝置

檢查車常用供電方式為滑觸線、發(fā)電機組及鋰電池組。由于滑觸線長時間使用易變形，受粉塵污染易發(fā)生接觸不良，無法保證其安全，因此動力裝置多采用柴汽油發(fā)電機組或電池組。而柴汽油組存在購、運、填充燃料不方便，同時還有機身重、噪聲大、振動大、輸出不穩(wěn)定、不能遠程控制等缺點，電池組具備能量補充便捷、比能量高、零噪聲、零振動、輸出穩(wěn)定、可遠程控制、無記憶效應(yīng)等優(yōu)勢，而電池組中，磷酸鐵鋰具備安全性高、循環(huán)壽命長、自放電率低的優(yōu)勢，結(jié)合檢查車的使用情況，采用磷酸鐵鋰電池組作為動力裝置，電池容量15 kW·h。

3.4 檢查車應(yīng)用技術(shù)

1)控制技術(shù)。a.同步技術(shù)，在檢查車行走裝置上安裝編碼器，編碼器輪子與軌道接觸，與計數(shù)器配合將檢查車的絕對位置上傳到控制系統(tǒng)，檢測到左右兩側(cè)存在位置差時，可單獨驅(qū)動兩側(cè)電機運行，調(diào)整至同步位置。b.變頻技術(shù)，檢查車驅(qū)動電機接入變頻器，可實現(xiàn)運行時無級調(diào)速，以滿足作業(yè)人員在不同作業(yè)工況時對不同速度的需求。c.自保護技術(shù)，檢查車電控系統(tǒng)具有短路、過壓、缺相、失壓、過流、超速、接地等各種保護功能和故障自診斷及報警功能。d.智能傳感檢測，采用限位開關(guān)、紅外傳感器等，實現(xiàn)檢查車動作過程的位移保護，動作到位后自動切斷電源停止繼續(xù)動作，避免檢查車與橋梁間發(fā)生硬性撞擊。

2)可視化技術(shù)。電氣控制柜上設(shè)置有監(jiān)控顯示設(shè)備，可查看電氣系統(tǒng)的實時信息：運行速度、總電流、總電壓、電池組SOC容量、漏電流、顯示報警、故障信息等，并可通過GPRS無線遠程監(jiān)控電池組狀態(tài)，便于操作人員及維護人員直觀掌握檢查車運行狀態(tài)并及時發(fā)現(xiàn)及消除故障內(nèi)容。

4 檢查車結(jié)構(gòu)分析

為確保檢查車結(jié)構(gòu)的安全性，利用有限元軟件對檢查車主體結(jié)構(gòu)(槽型托架及作業(yè)平臺桁架)進行了靜力學(xué)分析。

采用Abaqus 6.14軟件建立了檢查車結(jié)構(gòu)的分析模型，考慮最惡劣工況，邊界條件如圖5所示，在槽型托架與行走驅(qū)動組合主連接軸處施加固定約束，除結(jié)構(gòu)自重外，作用在結(jié)構(gòu)上的荷載為恒載、活荷載和風(fēng)荷載，其中恒載包括作用在作業(yè)通道桁架縱向中部兩側(cè)的動力裝置荷載(2 300 N)及電控柜荷載(1 100 N)，作用在桁架底部及周邊的花紋底板及踢腳板組成的附屬荷載(1 700 N)，活荷載為作用在桁架一側(cè)端部的最大有效荷載(10 000 N)，12.5 m/s(6級)風(fēng)荷載取1 549.5 N均布，作用方向與檢查車行進方向平行。

4.1 槽型托架分析結(jié)果

槽型托架主要由Q235B型鋼焊接組成，其中槽鋼型號為14B，方管規(guī)格為□80×5 mm，取應(yīng)力最大側(cè)(活荷載分布側(cè))槽型托架，其分析結(jié)果如圖6,圖7所示。

行走驅(qū)動組合分析結(jié)果如表1所示。

表1 行走驅(qū)動組合分析結(jié)果

從表1可以看出，槽型托架應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，且未發(fā)生明顯的變形，滿足使用要求。

4.2 作業(yè)通道桁架分析結(jié)果

作業(yè)通道桁架主弦桿采用6061-T6鋁合金方管焊接而成，主弦桿規(guī)格為□80×5 mm，其余弦桿規(guī)格為□60×4 mm，此時的計算結(jié)果如圖8,圖9所示。

作業(yè)通道桁架分析結(jié)果如表2所示。

表2 作業(yè)通道桁架分析結(jié)果

從表2可以看出，作業(yè)通道桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，強度滿足要求，桁架最大撓度小于《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的容許值，桁架按《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》折減后仍具有較大的安全余量[6]。檢查車桁架在風(fēng)荷載作用下存在部分桿件受壓情況，選取壓應(yīng)力比較大、桿件較長的桿件進行了穩(wěn)定性驗算，結(jié)果均符合穩(wěn)定性要求，驗算過程此處不再贅述。

5 結(jié)語

本文提出的自適應(yīng)軌距小凈空梁底檢查車，首創(chuàng)性采用下沉式支撐桿件及槽型頂部橫桿，大幅度減少了檢查車侵占的凈空高度。并在懸掛系統(tǒng)上采用了石墨銅軸承襯套，實現(xiàn)了驅(qū)動裝置組合與槽型托架間的可滑動連接，同時對防墜組件進行了特殊分體化及可移動化設(shè)計，實現(xiàn)了自適應(yīng)軌距變化的功能，可為橋梁的長期安全使用提供有力保證。