无级自锁顶推装置设计

何政洋 庞晓平 许鑫 钱兴

摘 要：依托于苏伊士运河平旋开启桥项目，文中提出了一种用于传递闭合部位处两平旋翼间载荷的新型连接机构——无级自锁顶推装置。该装置主要分为顶推、无级自锁两部分设计安装。顶推过程中通过顶推杆嵌入左箱体传递左右平旋翼间载荷;桥梁运行状态下，楔块、顶推杆和右箱体通过摩擦副实现自锁，电机伺服系统使安装于右旋翼的滑动箱体移动，结合楔块实现顶推杆的无级自锁及解锁功能;整个装置通过高强度摩擦型螺栓固定在两平旋翼表面。仿真结果表明，装置在极限工况下，整体结构受力均匀，关键零部件最大应力值不超過材料许用应力。通过运动学分析和缩比模型实验，验证装置可以实现自锁和解锁功能。鉴于该装置设计思路新颖，结构简单，且成本较低安装简易的特点，使得该装置具有较大的工程实用价值。

关键词：开启桥;无级自锁;顶推;电机伺服系统

一、引言

目前开启桥常见开合形式有平旋式、竖旋式和直升式3种[1]。这种桥梁在建造过程中需要设置连接左右旋翼的机构，其主要功能为固定左右旋翼防止晃动及传递左右载荷，但当前针对开合部位连接形式的设计却较为单一，普遍为插销式连接。如获得美国1992年土木工程杰出成就奖的西雅图平旋桥[2]，它采用的就是在河中心设置巨大的锁紧铁栓来把左右双翼的翼梢连接在一起，实现开合部位的连接;又如瑞典的南泰利耶运河新铁路桥[3]、埃及苏伊士运河开启桥等它们的开合部位均是采用插销式连接。这种连接形式虽然简易，但设计的插销往往体积太大过于笨重不易安装，且在使用中常通过额外设置一套液压传动系统来帮助插销杆移动来完成工作，整套设备非常复杂。

针对插销式连接的缺点，以钢桁结构平旋桥中的苏伊士铁路大桥为例，参考苏伊士运河桥的施工[4]，设计了一套新型连接装置——无级自锁顶推装置。该套机构通过顶推和无级自锁实现桥梁左右旋翼的连接及载荷传递，具有自锁及解锁功能，适应桥梁开合，且装置的动力源仅为一个电机，整套装置结构简易，便于安装。

二、装置系统方案设计

苏伊士运河平旋开启桥在闭合状态下，开合部位受自然条件影响沿桥纵向间隙波动范围+150mm，通车状态下左右旋翼间最大载荷7000KN，目前平转双翼通过锁紧铁栓连接。

根据苏伊士运河平旋开启桥实际工况要求，为实现左右双翼间载荷传递，装置分为顶推、无级自锁两部分设计安装。整体结构示意图如图1，无级自锁部分主要由顶推杆、楔块、丝杆、滑动箱体、右箱体及电机伺服系统和压力传感器组成，其中顶推杆、楔块、丝杆、滑动箱体、右箱体组合在一起实现自锁功能，丝杆、电机伺服系统[5]和传感器组成传动系统[6]帮助自锁机构移动实现无级和解锁功能。顶推杆、左箱体组成顶推部分，其主要起到连接左右旋翼的功能，结合无级自锁部分实现旋翼间载荷的传递。

三、装置工作原理

通过无级自锁顶推装置连接左右旋翼，传递左右载荷的具体流程如下：首先，桥梁闭合尚未通车，装置开始工作，电机带动丝杆正转推动滑动箱体及楔块左移，一段时间后楔块与顶推杆以摩擦副形式接触，楔块推动顶推杆一起左移，直至顶推杆嵌入左箱体挤压安装于其内部的压力传感器，传感器受压发送信号给电机伺服系统使电机停止转动，实现左右旋翼的连接;然后，桥梁开始通车，左右旋翼通过顶推装置传递载荷。顶推杆与楔块相互挤压，楔块斜面受压实现自锁[7]，左旋翼载荷通过楔块挤压右箱体内表面传递至右旋翼，右旋翼载荷同理，通过顶推杆挤压左箱体传递至左旋翼，实现载荷的传递;最后，河道通船，左右旋翼需要打开，此时人为发送信号给伺服系统，使电机反转，因此刻桥梁已经停止通车，故反转丝杆可首先拉动滑动箱体及楔块，解除自锁，后移一端距离后，滑动箱体左端内表面带动顶推杆的T形挡板，拉动顶推杆后退，左右旋翼解除连接，装置归位。

四、装置设计载荷分析

为实现载荷的传递，使楔块受压自锁，楔块与顶推杆以由斜面构成的形式接触，楔块斜面受压，实现自锁。计算中根据工况水平最大载荷7000KN对顶推杆及楔块进行受力分析，如图2所示（忽略自重）。

经受力分析为实现自锁，斜面倾角需满足如下等式：

μ1cosθ+sinθ≤μ2（cosθ-μ1sinθ）

其中μ1为顶推杆与楔块间摩擦系数，μ2为楔块，顶推杆与右箱内表面间摩擦系数，根据计算得，当取μ1=0.1，μ2=0.45，楔块斜面角度为19o时，楔块实现自锁。如图2所示，分析得到当最大水平载荷为7000KN时，楔块与顶推杆接触斜面正压力为8331KN， 静摩擦力为833KN，楔块表面对右箱体正压力为7877KN，静摩擦力为3781KN，自锁状态下楔块与顶推杆既受压又受剪，制作材料选用 Q355[8]，实心。综合剪切受压等校核计算[9]：

受挤压：A=F压/（σs/安全系数）

受剪切：A=F剪/（τs/安全系数）

同一材料许用剪切应力与许用压应力之间关系：[τ]=（0.6-0.8）[σ]

楔块及顶推杆的具体尺寸确定如图3所示，（安全系数取2.3）。丝杆在工作状态下承受载荷主要为右旋翼表面对滑动箱体、楔块及顶推杆的摩擦力，不承受左右旋翼间载荷。取摩擦系数0.45，计算得移动过程中丝杆需承受载荷约为13KN，稳定运动状态下可近似看成静载荷，故选择SFU2010-2型滚珠丝杆，其能够承受的最大静载荷为16.8KN大于13KN，满足装置对丝杆承受载荷的要求。

下图4所示为最大水平载荷7000KN状态下，装置主要承载结构的受力云图。根据有限元软件分析[10]结果，极限工况下最大应力集中部位应力小于115MPa，且因顶推杆、楔块均为Q355实心结构，屈服强度为265MPa[11]，在安全系数取值为2.3状态下，Q355的许用应力值为115.2MPa，装置最大应力集中部位小于许用应力值，故装置整体设计满足安全要求。

五、装置施工方法

装置整体的安装形式如图1所示，根据功能要求整个装置分别安装于左右旋翼表面。首先，几字形左箱体通过高强度摩擦型螺栓固定在左旋翼表面，箱体右表面开有沉槽且内部安装有压力传感器，工作状态下顶推杆嵌入其中连接左右旋翼，压力传感器受压后发送信号给电机伺服系统使顶推杆停止运动。其次，顶推杆、楔块、滑动箱体、丝杆、辅助运动部分依次直线安装于右旋翼表面，以右旋翼端面为基准面安装顶推杆，顶推杆T形设置，末端挡板与滑动箱体左端内表面贴合安装，滑动箱体左端外表面与楔块通过插销相互铰接，滑动箱体右端面安装SFU2010-2型滚珠丝杆，箱内丝杆长度为320mm，箱外丝杆穿过右箱体预留洞口通过联轴器[12]与电机连接。最后，几字形右箱体贴合基准面通过高强度摩擦型螺栓固定在右旋翼表面将前文所述部分盖在其内部。

六、运动学仿真分析和实验验证

通过对模型进行运动学仿真可以發现，箱体能够带动楔块推动顶杆前进然后实现无级自锁，箱体也能够拉动楔块解锁并带动顶杆后退。顶杆前进状态如图5，顶杆后退状态如图6。

通过对装置进行缩比模型模型零件3D打印并装配如图7，通过实验验证可以发现该装置可以实现无级自锁功能，并且可以顺利解锁，缩比模型无级自锁实验如图8。

七、结语

针对平转开启桥左右旋翼普遍的插销式连接方式，文中提出了一种新型连接方式，该无级顶推装置设计有以下特点：

第一，通过特殊顶推结构和结合特殊箱体结构，仅需要一个驱动电机就可以实现左右旋翼间载荷的平稳传递。

第二，通过该装置电机驱动右箱体内部结构移动，可实现装置在任意位置自锁和解锁，实现桥梁载荷的传递和桥梁开启功能。

第三，通过运动学分析和缩比模型实验，证明了装置可以实现自锁和解锁功能。

第四，整套装置设计新颖，构造简易，便于安装与维护，便于实现桥梁开启的电气化控制。

参考文献

[1] 天津塘沽区大桥管理所，铁道部大桥工程局勘测设计院.天津塘沽海门开启桥[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，1998.

[2] JOLY.CIVIL ENGINEERING[J].1992.

[3] Thulstrup M，Nielsen J P，Nilsson M，et al.Railway Bridge overSodert-alije Canal，Sweden[J].Bridge Engineer，2011，164（BE3）：123-132.

[4] 刘岚.苏伊士运河桥的施工[J].世界桥梁，2002（03）.

[5] 张磊，苏为洲.伺服系统的反馈控制设计研究综述[J].控制理论与应用，2014（5）.

[6] 尚磊，张可菊.基于PLC的滚珠丝杆的运动控制系统[J].数码世界，2018（6）.

[7] 连克难.斜楔自锁条件的应用分析[J].中国工程物理研究院科技年报.

[8] GB/T 1591-2108 低合金高强度结构钢.

[9] 顾晓勤，刘申全主编.工程力学：（1）.北京：机械工业出版社，2006.

[10] 骆巧仙.分离式框架桥有限元分析[J].铁路标准设计，2019（1）.

[11] 京英科宇科技开发中心编.机械工程师设计手册.化学工业出版社，2010.

[12]魏巍，孙恬恬，闫清东.综合式液力变矩器单向联轴器摩擦自锁机理的显式动力学研究[J].第四届中国CAE工程分析技术年会论文集.