高鐵1 000 t/40 m梁昆侖號架橋機主梁與走行系統連接機構設計

周衍領 周光忠 萬 鵬 梁盼盼

（1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600；2.中鐵十一局集團漢江重工有限公司 湖北襄陽 441006）

1 概述

隨著我國高速鐵路建設的跨越式發展，高速鐵路預應力鋼筋混凝土簡支箱梁從32 m跨度升級到40 m跨度，與之相配套，架設高速鐵路40 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁的運架一體機“昆侖號”應運而生。目前在鄭濟、廈深、南沿江等新建高速鐵路線路上大量采用了40 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁，與既有32 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁相比，其跨度增大8 m，高度增加0.23 m，重量也由900 t/榀增加至1 000 t/榀。目前，國內外市場上既有的大量架設32 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁的運架一體機，無論從結構、起吊能力還是從功能上都已不能滿足40 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁的架設要求［1］。

高速鐵路40 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機由主梁、前走行系統、后走行系統、支撐系統、連接機構、卷揚機平臺、起吊系統、動力系統、控制系統、液壓系統、附屬結構等構成。主梁通過連接機構與后車系統鉸接連接，前車系統利用鉸制孔螺栓與主梁腹板固結連接［2］。昆侖號架橋機連接機構安裝位置圖見圖1。

圖1 昆侖號架橋機連接機構安裝位置

2 連接機構設計

2.1 連接機構設計功能要求

40 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機主梁與后車系統之間的連接機構是該運架一體機關鍵要害結構，此結構不僅是主梁與走行系統建立聯系的橋梁，其設計還需兼具下列功能：

（1）傳遞和承受縱、橫、豎三向荷載，消解整機內部應力和彎矩［3］。

（2）整機懸空時，保證走行系統和主梁連接不斷開。

（3）可三向轉動，每個方向轉動角度不小于3°。

（4）作為鉸支座與主梁、前車組成簡支受力體系［4］。

2.2 連接機構設計原則

40 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機主梁與后車系統連接機構設計，應遵循以下主要設計原則：

（1）較小的結構高度

在滿足40 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機工作所需的各項功能條件下，盡量壓縮連接機構的結構高度，以達到降低整機高度的目的，從而滿足架橋機在過隧、隧道進出口等特殊工況下運架箱梁的要求［5］。

（2）較長的使用壽命

40 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機要在不同環境下的高鐵線路上運架梁作業，就需要頻繁地進行拆裝和轉場工作，同時還要遭受高低溫、潮濕、風沙、臺風、暴雨等惡劣氣候條件的影響，連接機構要有較長的使用壽命，保證在頻繁拆裝和各種惡劣氣候條件下能正常工作［6］。

（3）較高的環保要求

40 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機連接機構，在工作過程中要有良好的密封和潤滑功能，需選擇合適的潤滑材料，禁止選擇具有揮發、滲漏等容易污染場地和混凝土梁面的材料；同時，還要防止連接機構之間在工作中產生噪聲，污染周圍環境。

2.3 連接機構設計方案比選

（1）實體球鉸

目前，市場上既有的預應力鋼筋混凝土簡支箱梁運架一體機主梁與后車系統連接機構，大部分參考門式起重機柔性支腿上的實體球鉸結構設計而成。實體球鉸結構高度大，采用鑄件機加工而成，加工精度較低，采用法蘭＋螺栓的連接方式分別與主梁和走行系統連接。

實體球鉸連接機構采用鋼對鋼形式的摩擦副，摩擦副之間需要加注潤滑脂潤滑摩擦面，因密封不嚴，摩擦副之間潤滑脂容易滲漏、揮發而脫水失效，摩擦面常因缺乏潤滑脂保護而極易銹蝕，造成轉動困難，從而產生轉動噪聲等缺陷和弊端。要滿足40 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁架設，其設計結構高度需達到700 mm，因而導致整機結構高度較高，嚴重影響運架一體機的使用性能，影響整機隧道通過性，無法進行隧道進出口架梁等工況施工［7］。實體球鉸結構如圖2所示。

圖2 馬達排量與系統壓強關系

圖2 實體球鉸結構

（2）關節軸承

40 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機主梁與后車系統連接機構如采用關節軸承形式，其整體結構（結構高度420 mm，較之實體球鉸結構高度減少280 mm）高度比球鉸顯著降低，采用特制自潤滑材料組成摩擦副，可免維護，摩擦系數更小，轉動靈活，環境友好，承載能力、使用壽命及使用功能都有較大的增強和提高。關節軸承的軸圈和座圈同樣利用法蘭＋螺栓的方式，分別與主梁和后車系統連為一體。昆侖號架橋機主梁與后車系統之間采用關節軸承形式的連接機構連接，降低了整機高度，滿足了整機隧道通過性及隧道進出口架梁施工要求［8］。關節軸承實物如圖3所示。

圖3 關節軸承

2.4 兩種連接機構優缺點比較

預應力鋼筋混凝土簡支箱梁運架一體機主梁與后車系統連接機構實體球鉸及關節軸承，在運架一體機工作過程中都發揮著至關重要的作用，兩種連接機構優缺點如表1所示。

表1 連接機構優缺點比較

由表1可知，關節軸承在結構高度、適用性、承載能力、防塵、潤滑、環境友好、使用效果、使用壽命等指標上均好于實體球鉸［9-11］。

3 應用效果

通過對兩種連接機構的比選，新研制的高速鐵路40 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁昆侖號架橋機主梁與后車系統連接機構最終采用關節軸承連接形式。昆侖號架橋機于2020年5月下線，6月在廈深高鐵湄洲灣大橋首架成功。目前，昆侖號架橋機在廈深高鐵湄洲灣大橋已經成功架設40 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁100余榀，架梁過程經歷了包括陸地、高溫、高濕、海邊、海上、大風等工況。經現場應用表明，主梁與后車系統連接機構關節軸承工作正常，沒有出現轉動困難、轉動噪聲、密封不嚴、內部銹蝕等缺陷和弊端。

4 結束語

關節軸承形式的連接機構在昆侖號架橋機上的成功應用，為后續類似連接機構的研發提供了技術和應用參考；為我國新建高速鐵路如期順利架設40 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁提供了必要的裝備保障；同時打破國外專利和技術壟斷，對我國未來布局海外鐵路建設，對接一帶一路，助力高鐵出海等意義重大［12］。