铁路桥梁梁面防水材料喷涂台车的优化设计

褚 敏，孔德顺

(1.中国铁路北京局集团有限公司，北京 100038； 2.中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所，北京 100081； 3.北京华横科技有限公司，北京 100081)

0 引 言

高速铁路桥面防水层是桥面铺装体系的重要结构之一，为确保桥梁在使用过程中免受水的损害和桥梁的使用寿命，对施工材料和施工技术提出了更高的要求，要求桥面防水层不仅防渗、抗震和抗裂，还能够经受气候、高速和交变冲击。杨育生等[1]对同步碎石沥青混合料桥面铺装防水黏结层的可行性进行分析，确定最佳沥青洒布量和石料撒布量，SBS改性沥青为同步碎石防水黏结层的结合料。刘云等[2]为了探讨混凝土箱梁桥防水黏结层的实际受力状态，以箱梁段高架桥为实例，采用有限元方法和室内试验相结合的手段研究防水黏结层的层间黏结性能。发现刹车超载对防水黏结层力学响应的影响大于由桥面不平整引起的随机动荷载对防水黏结层的影响。王勋涛等[3]建立简支箱梁桥的足尺模型，层间采用接触方式计算，发现增加沥青层厚度和弹性模量均能减少防水层的剪应力，增加铺装层的层间黏聚力能减少防水层的剪应力。李娣等[4]通过对溶剂型橡胶沥青、Eliminator 防水黏结层、改性沥青防水卷材3种不同防水黏结材料的黏结性能进行分析，发现溶剂型橡胶沥青防水黏结层与钢板及铺装层均具有较好的黏结性能和良好的剪切性能，能保证铺装与钢板的协同变形性能。赵国云[5]通过室内检测MMA防水黏结层结构和材料性能试验，发现新型MMA防水黏结材料的结构强度和路用性能满足要求，且力学性能优于进口Eliminator，适用于浇注式沥青混凝土铺装结构。同时对钢桥-沥青混凝土铺装结构防水黏结和甲基丙烯酸甲酯树脂材料的研究，通过桥梁组合体系黏结模型分析和黏结层的试验，为桥面防水黏结材料的选择提供更多有效的施工方法[6-11]。陈华明等[12]通过分析钢板表面粗糙度、MMA防水黏结体系各层厚度、施工温度、环境湿度等对其黏结强度和抗剪强度的影响，为现场施工及检测提供一种质量控制技术，从而提高钢桥面铺装层的抗水损害能力。岳晓文等[13]针对国内MMA防水材料自动化洒布程度不高的问题，研发了一种用于MMA防水材料自动喷涂的设备。该设备施工后的MMA防水层在干膜厚度、黏结强度及涂层均匀性方面均满足施工技术要求。通过分析上述文献，发现针对桥梁的防水材料和施工方法的研究较多，针对桥梁方法自动施工装备的研究较少，而随着新型喷膜防水材料的兴起，施工时间、施工效率和环境保护的要求提高，急需新的梁面防水施工方法和配套的施工装备。

本文针对高速铁路桥梁梁面新型喷膜防水材料[14]，设计梁面防水材料的自动喷涂台车，并利用三维设计和有限元分析软件进行结构设计、强度优化和仿真，为生产样机节省了成本和时间，同时为桥面防水材料喷涂方案优选、计算和方案可行性评判提供新的思路。

1 防水设计方案的分析

现有的新型喷膜防水材料(喷涂橡胶沥青)喷涂方式[15]主要是喷涂移动台车与手工喷涂相结合的方法(图1)，移动台车只具备在轨道上运输加压泵和防水材料的功能。操作人员在铁路梁面上手工作业，喷涂质量和速度完全由操作人员的熟练程度决定，容易造成防水层搭接不齐和厚度不均匀等问题。这些问题直接影响铁路桥梁梁面防水效果和使用寿命，喷涂橡胶沥青搭接不齐和厚度不均匀容易出现破损、龟裂、剥离和隆起现象(图2)。同时，人工喷涂效率低，且浪费材料，还会对操作者的身体造成一定程度的伤害。另外，现有的喷涂台车未配备电源，喷涂动力由桥下临电或者移动式发电机提供，使用临电时频繁收卷电缆，容易发生触电事故。

图1 现有的梁面防水喷涂方法

图2 手工喷涂梁面防水材料出现的问题

针对铁路桥梁梁面喷涂区域和新型喷膜防水材料的特点，设计全自动桥面防水材料喷涂台车(简称防水喷涂台车)如图3所示。设计防水喷涂台车可以根据梁面防水材料需要喷涂防水材料的要求一键设置喷涂厚度、台车行走速度和喷涂机构的往复运行速度等，控制方式分为手动操控和远程遥控，远程遥控可以实现梁面防水材料的自动化喷涂，该方式效率高、喷涂均匀、对操作者的危害小。考虑高速铁路梁面在建项目和桥面后期维护施工特点的不同，设计防水喷涂台车行走机构预留可调整方式，适应多种类型的桥梁梁面防水施工工况。

2 梁面防水材料喷涂台车的设计原理

防水喷涂台车的整体结构[16]如图3、4所示，包括支持框架、竖向支撑柱、竖向调整油缸、喷涂移动导向轨道1和2、喷涂台车行走机构、喷涂机构1和2、控制系统、动力源(发电机)、增压机构(增压泵)、吊装机构等，其中喷涂导向轨道安装在支持框架的横梁上，喷涂机构2采用双导向从两端喷涂，避免单个导向喷涂机构喷涂的Z字形喷涂，同时提高喷涂速度和喷涂效果。

图3 防水涂装设备等轴侧

图4 防水涂装设备

梁面防水喷涂台车沿着挡砟墙移动时，通过调整喷涂机构的限制位置，让喷涂机构始终处于喷涂区域的正上方，同时通过调节竖向调整油缸的高度位置，使喷涂机构与喷涂区域保持合适的距离，这样既能保证铁路桥面的喷涂质量，还能节省防水材料。

根据梁面防水喷涂厚度的要求，设置防水喷涂台车和喷涂机构的移动速度，为了适应多种工况，设计的防水喷涂台车移动速度范围为0～15 m·min-1，喷涂机构的移动速度范围为0～180 m·min-1，喷涂厚度范围为0.5～3.0 mm。

3 防水喷涂台车的设计过程

3.1 防水喷涂台车结构的有限元分析

设计梁面防水喷涂台车时，需要考虑整体支撑框架的结构强度，防止运动过程中支撑框架结构变形过大，影响喷涂质量和承运防水材料桶的备用量。同时还需要计算整个防水喷涂台车的动刚度，防止运动中产生共振。为了减轻整体质量和方便运输，支撑框架的材质选用航空铝材(2014)，质量轻(整体质量为10 000 kg)，刚度大，整体结构性好，转动时整体结构运动平稳。

为了较好地分析防水喷涂台车在梁面上运动时的受力情况，选用防水喷涂台车行走轮为固定端，支撑框架受均布荷载为15 000 N·m-2，受力方向垂直于桥面。考虑防水喷涂台车在高架桥运行的安全和稳定性，选择设计的安全系数为2，防水喷涂台车的有限元分析应变和应力如图5所示，应力143.25 MPa，小于许用应力450 MPa；应变为0.000 7 mm，满足梁面防水层的精度要求。

图5 防水喷涂台车的应力与应变

3.2 行走机构的运动分析

防水喷涂台车运行时，需要沿着挡砟墙直线运动，并且铁路桥梁分为直线和曲线段，设计防水喷涂台车的行走机构时，需要考虑防水喷涂台车的纠偏功能。在设计的行走机构两侧加装了导向轮(图6)，来适应不同铁路桥梁线路的喷涂。行走机构动力选用变频电机和减速机相结合的方法来驱动防水喷涂台车，变频电机的功率

图6 行走机构

(1)

式中：Ft为切向滚动摩擦力；Vmax为电机的最大转速；ηmax为电机传动效率，为85%。

本文的驱动轮直径为300 mm，防水喷涂台车行走机构的最大运动速度为15 m·min-1，切向最大滚动摩擦力

Ft=Mgf

(2)

式中：M为防水喷涂台车的质量；f为滚动摩擦因数，本文取0.02。

根据式(1)、(2)，选用变频电机减速机型号为NMRV110-60-24，其中电机转速为1 450 r·min-1，减速比为60，减速机的最大输出转速为24 r·min-1，变频电机经减速机减速后输出最大扭矩为435 N·m，每台防水喷涂台车需要配置4套变频电机与减速机。

同时，防水喷涂台车的运动速度可以根据“大车运行速度=喷枪流量×固体含量÷摆动宽度×喷涂厚度×干膜密度”设置，其中固体含量和干膜密度为防水材料的属性，摆动宽度为喷涂机构的最大移动宽度。

3.3 喷涂机构分析

防水喷涂台车的喷涂导向轨道安装在支持框架的横梁上，喷涂机构沿着喷涂导向轨道往复移动，实现防水材料喷涂作业。为了提高喷涂机构运动的平稳性，喷涂机构的导向机构选用同步带及直线导轨结构(直线运动模块)，如图7所示。这种结构运动速度高、运行平稳和定位精确高，可以实现喷涂机构的最大运动速度为3 m·s-1，实现梁面防水材料喷涂厚度范围为0.5～3.0 mm。

图7 防水喷涂台车喷涂机构的运动

喷涂机构的驱动电机选用伺服电机，更好实现喷涂机构运行移动和位移精度，同时可以根据喷涂机构的移动距离和防水喷涂台车行走机构的移动距离，计算梁面防水材料喷涂防水层厚度是否合格。

3.4 防水喷涂台车控制系统分析

防水喷涂台车的控制系统采用手动操作和远程遥控相结合的方式，最大程度地减少操作程序的设置和防水材料对操作人员的伤害。设计防水喷涂台车的控制系统时，预留自动行走程序控制接口，操作者可以将桥梁梁面线路轨迹和喷涂厚度要求数据预先导入至防水喷涂台车的控制系统，喷涂时防水喷涂台车会自动按照桥梁线路的直、曲线规划喷涂路径，并且控制系统自动计算梁面防水材料喷涂速度，防止人工操作时出现桥梁直、曲线段内喷涂厚度不一致的现象。同时，在防水喷涂台车加装北斗信号，用来判断缆索喷涂路径是否合理，避免梁面防水材料过度喷涂或者少喷涂，更好地保证梁面防水材料的施工质量。

3.5 防水喷涂台车的辅助功能

针对刚修建的铁路桥梁梁面供电和吊装防水物料不方便的情况，设计喷涂台车时加装了动力源(发电机)和吊装设备，方便防水喷涂台车在梁面上长距离移动、喷涂作业和吊装更换涂料桶，实现桥梁梁面长距离自动化喷涂作业。

防水喷涂台车上安装了厚度检测装置，结合喷涂线路距离、喷涂区域的喷涂宽度和喷涂防水材料的用量来判断防水喷涂台车作业是否存在喷涂厚度不均匀的问题，完全实现闭环检测，更好地保证桥梁梁面防水喷涂质量。

4 防水涂装设备安装调试

设计的防水喷涂台车采用工厂化加工、安装和调试(图8)，现场根据需要喷涂的厚度一键设置防水喷涂台车的运动速度、喷涂机构的横向移动速度和喷涂厚度，较好地保障加工精度和喷涂效果。

图8 防水喷涂台车的安装调试

防水喷涂台车每次转场时，需要更换发电机过滤系统、行走机构中的轴承、增压机构(增压泵)密封件，润滑油和加注润滑脂。每次转场后，操作者在使用前需要检查防水材料喷涂效果，始终需要保证喷涂机构的喷头与梁面的距离为500 mm。在梁面防水材料喷涂过程中，若出现喷涂质量问题，需要立刻停止梁面防水材料的供应，同时停止运行防水喷涂台车。防水喷涂台车每次转场时，梁面防水专职质量员需要定期检查梁面喷涂防水层的厚度，如果不合格，就需要重新设置喷涂参数。

5 结 语

(1)本文针对国内高速铁路桥梁梁面防水技术的研究成果，进行系统的分析研究，为梁面防水材料喷涂台车的设计提供理论依据。

(2)针对梁面防水喷涂的技术要求，优化梁面防水新型材料的喷涂方案和喷涂台车的设计，同时对防水喷涂台车的整体结构、行走机构的动力系统进行理论计算和优化设计。有限元计算结果和现场调试结果表明，设计的防水喷涂台车结构强度、动力系统和喷涂质量满足要求。

(3)防水喷涂台车设计、加工完成后，在工厂内组装、调试和喷涂质量试验，验证了该台车具有整体结构稳定、自动化程度高、喷涂效率高和效果好等优点，为铁路桥梁梁面防水喷涂作业提供一种新的施工方法和装备。