鐵路橋梁梁面防水材料噴涂臺車的優化設計

褚 敏，孔德順

(1.中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100038； 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所，北京 100081； 3.北京華橫科技有限公司，北京 100081)

0 引 言

高速鐵路橋面防水層是橋面鋪裝體系的重要結構之一，為確保橋梁在使用過程中免受水的損害和橋梁的使用壽命，對施工材料和施工技術提出了更高的要求，要求橋面防水層不僅防滲、抗震和抗裂，還能夠經受氣候、高速和交變沖擊。楊育生等[1]對同步碎石瀝青混合料橋面鋪裝防水黏結層的可行性進行分析，確定最佳瀝青灑布量和石料撒布量，SBS改性瀝青為同步碎石防水黏結層的結合料。劉云等[2]為了探討混凝土箱梁橋防水黏結層的實際受力狀態，以箱梁段高架橋為實例，采用有限元方法和室內試驗相結合的手段研究防水黏結層的層間黏結性能。發現剎車超載對防水黏結層力學響應的影響大于由橋面不平整引起的隨機動荷載對防水黏結層的影響。王勛濤等[3]建立簡支箱梁橋的足尺模型，層間采用接觸方式計算，發現增加瀝青層厚度和彈性模量均能減少防水層的剪應力，增加鋪裝層的層間黏聚力能減少防水層的剪應力。李娣等[4]通過對溶劑型橡膠瀝青、Eliminator 防水黏結層、改性瀝青防水卷材3種不同防水黏結材料的黏結性能進行分析，發現溶劑型橡膠瀝青防水黏結層與鋼板及鋪裝層均具有較好的黏結性能和良好的剪切性能，能保證鋪裝與鋼板的協同變形性能。趙國云[5]通過室內檢測MMA防水黏結層結構和材料性能試驗，發現新型MMA防水黏結材料的結構強度和路用性能滿足要求，且力學性能優于進口Eliminator，適用于澆注式瀝青混凝土鋪裝結構。同時對鋼橋-瀝青混凝土鋪裝結構防水黏結和甲基丙烯酸甲酯樹脂材料的研究，通過橋梁組合體系黏結模型分析和黏結層的試驗，為橋面防水黏結材料的選擇提供更多有效的施工方法[6-11]。陳華明等[12]通過分析鋼板表面粗糙度、MMA防水黏結體系各層厚度、施工溫度、環境濕度等對其黏結強度和抗剪強度的影響，為現場施工及檢測提供一種質量控制技術，從而提高鋼橋面鋪裝層的抗水損害能力。岳曉文等[13]針對國內MMA防水材料自動化灑布程度不高的問題，研發了一種用于MMA防水材料自動噴涂的設備。該設備施工后的MMA防水層在干膜厚度、黏結強度及涂層均勻性方面均滿足施工技術要求。通過分析上述文獻，發現針對橋梁的防水材料和施工方法的研究較多，針對橋梁方法自動施工裝備的研究較少，而隨著新型噴膜防水材料的興起，施工時間、施工效率和環境保護的要求提高，急需新的梁面防水施工方法和配套的施工裝備。

本文針對高速鐵路橋梁梁面新型噴膜防水材料[14]，設計梁面防水材料的自動噴涂臺車，并利用三維設計和有限元分析軟件進行結構設計、強度優化和仿真，為生產樣機節省了成本和時間，同時為橋面防水材料噴涂方案優選、計算和方案可行性評判提供新的思路。

1 防水設計方案的分析

現有的新型噴膜防水材料(噴涂橡膠瀝青)噴涂方式[15]主要是噴涂移動臺車與手工噴涂相結合的方法(圖1)，移動臺車只具備在軌道上運輸加壓泵和防水材料的功能。操作人員在鐵路梁面上手工作業，噴涂質量和速度完全由操作人員的熟練程度決定，容易造成防水層搭接不齊和厚度不均勻等問題。這些問題直接影響鐵路橋梁梁面防水效果和使用壽命，噴涂橡膠瀝青搭接不齊和厚度不均勻容易出現破損、龜裂、剝離和隆起現象(圖2)。同時，人工噴涂效率低，且浪費材料，還會對操作者的身體造成一定程度的傷害。另外，現有的噴涂臺車未配備電源，噴涂動力由橋下臨電或者移動式發電機提供，使用臨電時頻繁收卷電纜，容易發生觸電事故。

圖1 現有的梁面防水噴涂方法

圖2 手工噴涂梁面防水材料出現的問題

針對鐵路橋梁梁面噴涂區域和新型噴膜防水材料的特點，設計全自動橋面防水材料噴涂臺車(簡稱防水噴涂臺車)如圖3所示。設計防水噴涂臺車可以根據梁面防水材料需要噴涂防水材料的要求一鍵設置噴涂厚度、臺車行走速度和噴涂機構的往復運行速度等，控制方式分為手動操控和遠程遙控，遠程遙控可以實現梁面防水材料的自動化噴涂，該方式效率高、噴涂均勻、對操作者的危害小。考慮高速鐵路梁面在建項目和橋面后期維護施工特點的不同，設計防水噴涂臺車行走機構預留可調整方式，適應多種類型的橋梁梁面防水施工工況。

2 梁面防水材料噴涂臺車的設計原理

防水噴涂臺車的整體結構[16]如圖3、4所示，包括支持框架、豎向支撐柱、豎向調整油缸、噴涂移動導向軌道1和2、噴涂臺車行走機構、噴涂機構1和2、控制系統、動力源(發電機)、增壓機構(增壓泵)、吊裝機構等，其中噴涂導向軌道安裝在支持框架的橫梁上，噴涂機構2采用雙導向從兩端噴涂，避免單個導向噴涂機構噴涂的Z字形噴涂，同時提高噴涂速度和噴涂效果。

圖3 防水涂裝設備等軸側

圖4 防水涂裝設備

梁面防水噴涂臺車沿著擋砟墻移動時，通過調整噴涂機構的限制位置，讓噴涂機構始終處于噴涂區域的正上方，同時通過調節豎向調整油缸的高度位置，使噴涂機構與噴涂區域保持合適的距離，這樣既能保證鐵路橋面的噴涂質量，還能節省防水材料。

根據梁面防水噴涂厚度的要求，設置防水噴涂臺車和噴涂機構的移動速度，為了適應多種工況，設計的防水噴涂臺車移動速度范圍為0～15 m·min-1，噴涂機構的移動速度范圍為0～180 m·min-1，噴涂厚度范圍為0.5～3.0 mm。

3 防水噴涂臺車的設計過程

3.1 防水噴涂臺車結構的有限元分析

設計梁面防水噴涂臺車時，需要考慮整體支撐框架的結構強度，防止運動過程中支撐框架結構變形過大，影響噴涂質量和承運防水材料桶的備用量。同時還需要計算整個防水噴涂臺車的動剛度，防止運動中產生共振。為了減輕整體質量和方便運輸，支撐框架的材質選用航空鋁材(2014)，質量輕(整體質量為10 000 kg)，剛度大，整體結構性好，轉動時整體結構運動平穩。

為了較好地分析防水噴涂臺車在梁面上運動時的受力情況，選用防水噴涂臺車行走輪為固定端，支撐框架受均布荷載為15 000 N·m-2，受力方向垂直于橋面。考慮防水噴涂臺車在高架橋運行的安全和穩定性，選擇設計的安全系數為2，防水噴涂臺車的有限元分析應變和應力如圖5所示，應力143.25 MPa，小于許用應力450 MPa；應變為0.000 7 mm，滿足梁面防水層的精度要求。

圖5 防水噴涂臺車的應力與應變

3.2 行走機構的運動分析

防水噴涂臺車運行時，需要沿著擋砟墻直線運動，并且鐵路橋梁分為直線和曲線段，設計防水噴涂臺車的行走機構時，需要考慮防水噴涂臺車的糾偏功能。在設計的行走機構兩側加裝了導向輪(圖6)，來適應不同鐵路橋梁線路的噴涂。行走機構動力選用變頻電機和減速機相結合的方法來驅動防水噴涂臺車，變頻電機的功率

圖6 行走機構

(1)

式中：Ft為切向滾動摩擦力；Vmax為電機的最大轉速；ηmax為電機傳動效率，為85%。

本文的驅動輪直徑為300 mm，防水噴涂臺車行走機構的最大運動速度為15 m·min-1，切向最大滾動摩擦力

Ft=Mgf

(2)

式中：M為防水噴涂臺車的質量；f為滾動摩擦因數，本文取0.02。

根據式(1)、(2)，選用變頻電機減速機型號為NMRV110-60-24，其中電機轉速為1 450 r·min-1，減速比為60，減速機的最大輸出轉速為24 r·min-1，變頻電機經減速機減速后輸出最大扭矩為435 N·m，每臺防水噴涂臺車需要配置4套變頻電機與減速機。

同時，防水噴涂臺車的運動速度可以根據“大車運行速度=噴槍流量×固體含量÷擺動寬度×噴涂厚度×干膜密度”設置，其中固體含量和干膜密度為防水材料的屬性，擺動寬度為噴涂機構的最大移動寬度。

3.3 噴涂機構分析

防水噴涂臺車的噴涂導向軌道安裝在支持框架的橫梁上，噴涂機構沿著噴涂導向軌道往復移動，實現防水材料噴涂作業。為了提高噴涂機構運動的平穩性，噴涂機構的導向機構選用同步帶及直線導軌結構(直線運動模塊)，如圖7所示。這種結構運動速度高、運行平穩和定位精確高，可以實現噴涂機構的最大運動速度為3 m·s-1，實現梁面防水材料噴涂厚度范圍為0.5～3.0 mm。

圖7 防水噴涂臺車噴涂機構的運動

噴涂機構的驅動電機選用伺服電機，更好實現噴涂機構運行移動和位移精度，同時可以根據噴涂機構的移動距離和防水噴涂臺車行走機構的移動距離，計算梁面防水材料噴涂防水層厚度是否合格。

3.4 防水噴涂臺車控制系統分析

防水噴涂臺車的控制系統采用手動操作和遠程遙控相結合的方式，最大程度地減少操作程序的設置和防水材料對操作人員的傷害。設計防水噴涂臺車的控制系統時，預留自動行走程序控制接口，操作者可以將橋梁梁面線路軌跡和噴涂厚度要求數據預先導入至防水噴涂臺車的控制系統，噴涂時防水噴涂臺車會自動按照橋梁線路的直、曲線規劃噴涂路徑，并且控制系統自動計算梁面防水材料噴涂速度，防止人工操作時出現橋梁直、曲線段內噴涂厚度不一致的現象。同時，在防水噴涂臺車加裝北斗信號，用來判斷纜索噴涂路徑是否合理，避免梁面防水材料過度噴涂或者少噴涂，更好地保證梁面防水材料的施工質量。

3.5 防水噴涂臺車的輔助功能

針對剛修建的鐵路橋梁梁面供電和吊裝防水物料不方便的情況，設計噴涂臺車時加裝了動力源(發電機)和吊裝設備，方便防水噴涂臺車在梁面上長距離移動、噴涂作業和吊裝更換涂料桶，實現橋梁梁面長距離自動化噴涂作業。

防水噴涂臺車上安裝了厚度檢測裝置，結合噴涂線路距離、噴涂區域的噴涂寬度和噴涂防水材料的用量來判斷防水噴涂臺車作業是否存在噴涂厚度不均勻的問題，完全實現閉環檢測，更好地保證橋梁梁面防水噴涂質量。

4 防水涂裝設備安裝調試

設計的防水噴涂臺車采用工廠化加工、安裝和調試(圖8)，現場根據需要噴涂的厚度一鍵設置防水噴涂臺車的運動速度、噴涂機構的橫向移動速度和噴涂厚度，較好地保障加工精度和噴涂效果。

圖8 防水噴涂臺車的安裝調試

防水噴涂臺車每次轉場時，需要更換發電機過濾系統、行走機構中的軸承、增壓機構(增壓泵)密封件，潤滑油和加注潤滑脂。每次轉場后，操作者在使用前需要檢查防水材料噴涂效果，始終需要保證噴涂機構的噴頭與梁面的距離為500 mm。在梁面防水材料噴涂過程中，若出現噴涂質量問題，需要立刻停止梁面防水材料的供應，同時停止運行防水噴涂臺車。防水噴涂臺車每次轉場時，梁面防水專職質量員需要定期檢查梁面噴涂防水層的厚度，如果不合格，就需要重新設置噴涂參數。

5 結 語

(1)本文針對國內高速鐵路橋梁梁面防水技術的研究成果，進行系統的分析研究，為梁面防水材料噴涂臺車的設計提供理論依據。

(2)針對梁面防水噴涂的技術要求，優化梁面防水新型材料的噴涂方案和噴涂臺車的設計，同時對防水噴涂臺車的整體結構、行走機構的動力系統進行理論計算和優化設計。有限元計算結果和現場調試結果表明，設計的防水噴涂臺車結構強度、動力系統和噴涂質量滿足要求。

(3)防水噴涂臺車設計、加工完成后，在工廠內組裝、調試和噴涂質量試驗，驗證了該臺車具有整體結構穩定、自動化程度高、噴涂效率高和效果好等優點，為鐵路橋梁梁面防水噴涂作業提供一種新的施工方法和裝備。