橋梁起升設備的開發及應用

馬 林，危 翔，李元軍，胡 毅

(太原鐵路局科學技術研究所，山西太原 030013)

1 橋梁起升設備研發背景

橋梁是鐵路線路的關鍵基礎設施，隨著車輛軸重的增加，提速車輛運行，橋梁養護維修的作業量越來越大，要求也越來越高。在進行橋梁支座［1］更換或橋上線路部件的局部調整時，需要將橋梁頂起一定高度。傳統的手工作業方法和設備，不僅準確度較低，而且費時費力，影響線路運輸效率和運輸安全。為了高效、安全地在有限的時間內完成橋梁養護、維修作業，在對橋梁起升作業方法進行充分調研和論證的基礎上，研制了一套符合現場實際工作特點的橋梁起升綜合設備，提高橋梁檢修養護作業的技術水平。

橋梁起升設備功能包括:①千斤頂同步動作的實現是通過汽油機泵站的兩路輸出采用相同規格及相同數量的柱塞，篩選油泵柱塞的技術參數，使兩路輸出的流量接近相同;②位移電子測量的實現是選用兩組精度較高、功耗較低的拉繩式位移傳感器，分別測量兩片梁體的絕對位移量，測量數據通過無線數傳模塊傳至便攜式計算機，當兩個位移的差值超過設定閾值(例如±5 mm)時，系統發出提示信息;③采用薄型千斤頂，以適應弧形支座較小的作業空間;采用特殊結構形式的承載墊板，以適應各種梁體的起升作業;④采用超高壓泵站和具有液控保護措施的起升千斤頂，不僅能夠確保作業安全，而且可以控制起升高度。

2 橋梁起升設備工作機理

整套設備主要由超高液壓傳動及控制部分、頂升及承載附件部分、位移電子測量及傳輸部分等組成，其基本作業原理示意如圖1。

圖1 基本作業原理示意

在橋梁的墩臺上放置承載墊梁或千斤頂鋼支座，在每片梁體下安裝一只起升千斤頂，汽油機驅動的超高壓泵站的兩路輸出通過超高壓油管分別與兩只起升千斤頂連接。由于兩片梁體在起升時對同步性有較高要求，因此泵站兩路的流量在機械措施確保相同的基礎上，還增加了手動控制環節。拉繩式位移傳感器和便攜式計算機可對梁體的實時位移量進行采集、顯示、儲存和分析。如起升千斤頂行程不足，可通過在其頂部交替加裝墊環和墊塊［2］以增加千斤頂的行程。承載墊板的作用是擴大千斤頂和梁體的接觸面積，同時提高設備對梁體形式的適應能力。

經現場調研得知，目前鐵路主型橋梁多為T形梁體或∏形梁體;支座多為搖軸支座、滾軸支座、弧形支座或弧面支座等，其墩臺至梁體底面的最小高度約140 mm;橋梁的跨度一般不超過32 m，單片梁體自重約110 t，加上道砟、軌枕和鋼軌等，每片梁體的總重量約150 t。

3 超高液壓傳動及控制部分

本部分主要由超高壓汽油機泵站、薄型雙作用起升千斤頂、超高壓連接油管等組成。

3.1 超高壓泵站

3.1.1 參數選擇

橋梁起升綜合設備的作業現場多為山區線路，供電困難，道路不暢，因此應考慮自帶動力和降低重量。

在本設備中，原動機采用了HONDA GX 100型汽油發動機，最大功率3.0 HP(2.2 kW);根據液壓系統壓力等級的分類及規定，選擇了國內普遍推薦的63 MPa最大工作壓力;小流量油泵的η通常取0.8;這樣可計算出泵站的最大流量約為1.6 L/min。在液壓傳動技術［3］中，原動機功率N、泵站流量Q、工作壓力P與油泵效率η之間的近似關系式為N≥Q×P/η。

3.1.2 同步控制

方便、可靠地控制兩只起升千斤頂的同步動作是本設備的關鍵技術之一。目前液壓行業基本采用的是簡單的油液集流(分流控制和復雜的位移監測)和微機控制［4］兩種方式。前者成本低廉，但對各頂升負載的均衡性要求極高，控制效果較差;后者可參照各點的實際位移量由微機實現較精確的同步控制，但系統龐大，成本很高。隨著超高液壓行業油泵柱塞加工精度的不斷提高，現采用了直徑和行程接近一致的兩只(組)柱塞，提供兩路接近相同的輸出流量，實現同步機控功能。

3.1.3 液壓原理

超高壓泵站的液壓原理示意如圖2。

圖2 泵站液壓原理示意

該系統為典型的液流方向控制回路。通過篩選兩只油泵柱塞的技術參數，使兩路具有相同的流量。手動換向閥可使千斤頂完成伸出、中停和縮回等動作。由于選擇中位機能為M型的換向閥，因此系統不需另配加載閥，只要換向閥的手柄處于中位就能起動泵站。溢流閥用來設定液壓系統的最高工作壓力，起保護系統和改善性能的作用。對進度冒尖的千斤頂，可以將換向閥手柄置于中位使其暫停動作，實現同步手控功能。

3.2 起升千斤頂

3.2.1 參數選擇

如果用一只千斤頂頂起一片梁體的一端，其承載能力應大于單片梁體總重量的一半，即75 t;考慮到一定的安全裕量和未知因素，起升千斤頂的承載能力確定為100 t(1 000 kN)。由于橋梁起升作業的空間高度受到支座形式的制約，因此起升千斤頂的本體高度應控制在140 mm以下，同時還應盡量增加其工作行程。經過綜合比選，起升千斤頂的本體高度確定為133 mm，缸筒外徑為220 mm，工作行程達到了52 mm。起升千斤頂的外觀示意如圖3。

圖3 起升千斤頂外觀示意

3.2.2 安全措施

作為起升作業過程中的重要部件，液壓千斤頂在多個方面體現并貫穿了安全設計理念:在千斤頂伸出或縮回至行程終點時通過缸體內部的溢流回路自動卸荷，確保了缸筒、缸蓋、缸底的安全;在千斤頂上下腔之間設置液控單向閥，只有當油缸上腔的工作壓力達到一定數值(例如5 MPa)時，千斤頂才可縮回，不僅能夠確保作業安全，而且可以控制起升高度。為方便墊環、墊塊安裝，在缸體上表面留有凸臺，在活塞桿中部留有凹槽。

3.3 連接油管

連接油管，包括快換接頭的作用是連通超高壓泵站和起升千斤頂間的液壓油路，其技術參數主要包括額定壓力、公稱通徑、長度等。從作業的安全性和時效性上考慮，選擇了額定壓力63 MPa、公稱通徑φ6 mm、長度10 m的聚氨酯油管。與普通的橡膠油管相比，盡管價格較高，但重量較輕，其顏色各異的外護套可保證千斤頂和泵站的連接準確無誤。

4 頂升及承載附件部分

本部分主要由墊環墊塊組、承載墊梁、承載墊板等組成。

4.1 墊環墊塊組

起升千斤頂的本體高度/工作行程確定為133 mm/52 mm，較低的本體高度導致了較小的工作行程。為適應橋梁起升作業過程中不超過300 mm的起升高度，采取了在千斤頂活塞伸出端交替加裝墊環、墊塊的方法，即重復千斤頂伸出→加墊環→千斤頂縮回→加墊塊之過程，直至逐步將梁體頂至所需高度。墊環、墊塊的加裝示意如圖4。梁體下落時，墊環、墊塊的拆除過程為千斤頂伸出→拆墊環→千斤頂縮回→拆墊塊，直至梁體復位。

從圖4可以看出，墊環墊塊的結構參數與起升千斤頂的性能參數，例如承載能力、工作行程等密切相關。經強度校核，現確定墊環的技術參數:外徑為220 mm，高度為40 mm(底環高18 mm)，材料為27 SiMn，上凸臺下止口;墊塊的技術參數:外徑為100 mm，高度為40 mm，材料為45#鋼，上凹槽下凸臺。

圖4 墊環、墊塊加裝示意

4.2 承載墊梁

為提高橋梁起升作業的穩定性，在空間高度允許的情況下，應使用承載墊梁。考慮到承載能力、焊接工藝、搬運輕便等因素，現確定承載墊梁的技術參數:長1 000 mm，寬300 mm，高100 mm;結構形式為焊接框架，材料為Domex 600MC-6 mm特高強度鋼板。

4.3 承載墊板

承載墊板放在梁體下部和起升千斤頂之間，目的是減小起升千斤頂作用于梁體下部的壓強。在設計時主要考慮了承載墊板對T形或∏形梁體的適應性、作業空間高度的制約等因素，并利用Visual Nastran 4D 2002軟件對確定的結構形式進行了有限元受力分析(強度校核)。

5 位移電子測量及傳輸部分

本部分主要由兩臺測距儀、一臺測試主機和作業分析軟件等組成，測試主機與各測距儀之間通過無線數傳模塊以主從模式實現數據交換。測距儀可安裝在距離測試主機100 m的范圍內。

5.1 測距儀

測距儀的工作原理示意如圖5。

通過對各種型號測距傳感器的比對，選用了上海天沐自動化儀表有限公司生產的NS-WY06型拉繩式位移傳感器，其量程范圍為0～500 mm，電源電壓為12 V，輸出信號為4～20 mA，綜合精度為0.2%，工作溫度為－25℃ ～60℃。

圖5 測距儀工作原理示意

NS-WY06型拉繩式位移傳感器輸出的模擬電流信號經A/D轉換為數字信號，再經串行編碼在CPU控制下通過無線數傳模塊發送給測試主機?，F選用了ADuC812單片智能轉換器來完成模數轉換、串行編碼及控制工作。

ADuC812是一個完全集成的12位數據采集系統，在一個芯片內結合了高性能的自校準多通道12位ADC，雙12位DAC和可編程8位微控制器(與8051兼容的指令集)。

FC-201/SP微功率無線數傳模塊的工作頻率在ISM頻段(載波頻率433 MHz)，無需申請頻點;模塊采用高效信道編碼技術，提高了數據的抗干擾能力，降低了誤碼率;模塊采用單片射頻集成電路及單片MCU，外圍電路少，可靠性高，體積小，重量輕，功耗低;模塊采用5V直流工作電源、RS232接口、9 600 Bit/s波特率。

鋰電池組的作用是在整個橋梁起升作業期間為測距傳感器、智能轉換器和無線數傳模塊等提供所需的工作電源。由于作業現場可能沒有外界電源，因此對鋰電池組的基本要求就是必須具有足夠的容量。

測距儀的垂直高度＜150 mm，拉繩式測距傳感器的安裝方法直接影響位移測量的精度。采用常規的在橋梁上貼片來固定拉繩鉤頭的做法，很難保證拉繩的垂直度，粗糙的梁體表面也影響貼片的粘貼強度。現將拉繩鉤頭掛在承載墊板側面的螺桿上，同時將測距傳感器放在千斤頂底部的鋼支座或直接放在承載墊梁上，調整傳感器外殼的位置使拉繩處于豎直狀態。

測距儀外殼底部裝有永久磁片，方便與千斤頂鋼支座或承載墊梁的可靠吸附。

5.2 測試主機

測試主機由便攜式計算機和無線數傳模塊組成。計算機通過無線數傳模塊發送指令和接收各測距儀按指令上傳的測量數據，通過校正、補償和計算顯示各測距儀測量的絕對位移、相對位移，并提供數據記錄回放分析功能。計算機通過USB-RS232轉換實現與無線數傳模塊的連接。

5.3 作業分析軟件

5.3.1 系統自檢和測量基準設定

軟件自動判斷所連接的測距儀個數、通訊誤碼率、測距儀初始狀態。工作人員核對各測距儀的安裝位置，在各千斤頂頂升到位后，記錄各測距儀的測量數據并標記測量0位。

5.3.2 系統測量數據處理

在液壓千斤頂起升和降落過程中，以5次/s的頻率循環讀取各測距儀的測量數據，計算配對測距儀測量數據的差值。

5.3.3 操作過程數據記錄

記錄系統的基準點數據(各測距儀的初始狀態及配對定義、測量時間)，記錄包括起升、保壓和降落過程中各千斤頂的位移數據以及每輪測量的偏差相對值。

5.3.4 操作過程模擬顯示及分析

打開一次操作過程記錄數據，計算出本次操作的時間，并以時間為序連續、步進、拖動顯示各測距儀的狀態以及各配對測距儀的偏差。給出起升、保壓、降落過程中的最大偏差值，報告將作為設備性能考核、橋梁起升作業過程分析的依據。

6 結語

橋梁起升綜合設備于2009年7月通過了太原鐵路局技術鑒定，該設備已在上海鐵路局徐州工務段、大秦鐵路公司大同、茶塢、朔州、太原、原平、侯馬等工務段推廣應用十余套，改善了橋梁養護維修的作業手段和作業環境，產生了良好的經濟效益及社會效益。

［1］ 王承禮，徐名樞．鐵路橋梁［M］．北京:中國鐵道出版社，1993:244-262．

［2］ 王晉剛，陳昭明．鐵路行車事故救援方法及裝備應用手冊［M］．北京:中國鐵道出版社，2002:98-129．

［3］ 聶崇嘉．液壓傳動與液力傳動［M］．成都:西南交通大學出版社，1991:5-177．

［4］ 張承譜，肖聚亮，閻祥安．橋梁頂升多液壓缸同步系統［J］．液壓與氣動，2007(6):39-42．