双层桥轨行式桥检车的结构设计与分析

闫府，王金栋，赵健，安路明，任延龙

（1.610031 四川省 成都市 西南交通大学 机械工程学院；2.300300 天津市 中国铁建大桥工程局集团有限公司）

0 引言

桥梁的老化、损伤积累等各种病害会使得桥梁在运用过程中存在安全隐患，严重时会引发安全事故，因此对于桥梁的周期检测和保养尤为关键[1]。桥梁检测车是一种可以为桥梁检测人员在检测过程中提供作业平台，用于检测和维护保养的专用作业车[2]，主要分为车载式和轨行式。车载式桥检车具有较强的灵活性，但其作业时会长时间占用路面，影响交通；轨行式桥检车通常安装在桥梁下弦，车体多为横向一道桁式梁结构，承载检修设备，并供检修人员行走、作业，其作业时不影响公共交通，但其检测范围较为局限，且无法跨桥墩作业。对于跨海双层桥的周期性检测和维修养护，考虑到上、下两层桥面之间高度差大，且受到刚桁和桥面一些永久构件的影响，已有的检测手段无法实现桥梁的全覆盖检测[3]，因此对此类桥梁检测设备进行进一步的研究开发，具有迫切的现实意义。

本文依托明珠湾大桥，结合车载臂架式桥检车和轨行式桥检车的特点，设计了一种既能顺利通过桥墩顶部预留的通道，又能实现对双层桥上、下桥面待检测区域全覆盖的轨行式桥检车，实现全桥一车检测。

1 工程概况

明珠湾大桥主桥采用中承式钢桁拱结构，全长1 016 m。大桥为双层桥面布置，上层为双向8车道城市主干道，下层两侧为预留公交车专用车道（BRT），中间为管线走廊[4]。明大桥主桥总体布置如图1 所示，主桥横断面布置如图2 所示。

明珠湾大桥主桥为钢桁拱，桥横向均为三主桁钢桁梁结构，钢桁梁、钢桁拱拱肋杆件均采用箱形截面[5]，其钢桁架结构的杆件交叉连接节点及高强螺栓较多，上层桥面板为全封闭正交异型钢板，这些都是检查维护的重点。

2 整车结构设计

桥检车主要由轨道系统、走行机构、转盘、桁架、臂架结构以及吊篮组成，其中臂架结构和吊篮在桁架两侧对称分布。走行机构通过钢轮倒置于桥梁梁底的H型钢轨道上，由电机驱动沿轨道行走。上转盘与走行机构进行连接，下转盘与桁架连接，并通过变幅油缸实现车体相对桥梁相对90°的转动。桁架两端的臂架结构在液压油缸的控制下可在一定范围内自由展开，作业人员可站在伸缩臂末端的吊篮中对桥梁进行检查维护。桥检车整体构造如图3 所示。

3 桥检车结构设计及计算

3.1 走行轨与梁体连接设计

走行轨道整体为闭环型，桥检车在桥头可以实现转弯掉头。图4 为梁底轨道布置截面图，轨道之间的间距为3.6 m，轨道采用H 型钢布置于梁底。

其中，轨道通过连接座与梁底连接，所有接头部位都是靠高强螺栓进行连接，如图5 所示。

3.2 桥两端回转弯轨道设计

桥头两端的轨道设置成“灯泡形”，如图6所示。桥检车可以在桥端实现掉头，检查对向车道梁底的状况。全桥只需要一台桥检车，就能够达到对整个桥梁检测维护的目的，大大地降低了经济成本。

3.3 伸缩缝轨道结构设计

在伸缩缝处采用特制的伸缩轨道，伸缩轨道能够适应伸缩缝的变化，使得桥检车能够平稳地通过伸缩缝，如图7 所示。伸缩轨道一端固定，另一端上开有滑槽，伸缩轨道可在一定的范围内移动，自动适应伸缩缝的变化。普通轨道与伸缩轨道接缝处，与走行轮相接触的表面，设置成一定的坡度，方便走行机构通过伸缩缝，同时增加了整车行驶过程中的舒适性。

3.4 走行机构设计

图8 为桥检车的走行机构，是桥检车沿大桥顺桥向行走的动力装置。走行机构采用开式齿轮的传动方式，每套走行机构有4 个主动轮，电机将动力经轴传递到齿轮，经齿轮啮合将动力传递到主动轮上，主动滚轮沿H 型钢轨道走行，从而带动整机沿纵桥向行走。单根H 型轨道上布置有2 组走行机构，整机共有4 组，每组走行机构都悬挂于布置在梁底的H 型轨道上，底部与转盘连接，轨道外侧走行轮上分别连接一套驱动电机，从而实现桥检车的前进及后退。

走行机构上还设置有刹车装置和导向轮装置，同时有控制系统，用以同步每组走行车轮的速度，确保两侧保持同步。此外，驱动轮为钢轮外包聚氨酯构造，可增强桥检车的爬坡能力[6]，并减小对轨道防护层的损伤。

3.4.1 刹车装置

当桥检车处于停车检查状态，或紧急制动时，除了电机能够制动外，桥检车还设置有液压制动系统[7]，如图9 所示。液压卡钳式制动器设置在走行机构的后端，H 型钢轨道的下翼缘板镶嵌在液压卡钳的上下夹板之间，当需要制动时，液压卡钳式制动器的上下夹板在液压系统的指令下迅速动作，夹紧轨道的下翼缘板，从而实现制动功能。液压卡钳式制动器相比于传统的手动式制动器，具有反应迅速、操作方便、稳定可靠等特点，进一步提高了桥检车的安全性能。

3.4.2 导向轮装置

如图10 所示，走行机构的前端设置有导向轮装置，导向轮装置设置在轨道下翼缘板的两侧，导向轮装置上的滚轮距离轨道下翼缘板侧面的距离为5 mm。随着走行机构的纵向移动，导向轮装置自动适应轨道位置的变化，既起到了导向的作用，又能防止走行轮走偏而出现卡轨的现象。

3.4.3 电机选型

桥检车整车在轨道上稳定运行的静阻力Fj由摩擦阻力Fm、坡道阻力Fp和风阻力Fw组成，即

（1）摩擦阻力Fm

走行机构在轨道上稳定运行时的摩擦阻力主要包括车轮踏面的滚动摩擦阻力、车轮轴承的摩擦阻力以及附加摩擦阻力3 部分。桥检车满载运行时的最大摩擦阻力为

式中：Q——额定载荷，N；G——自重，N；f ——滚动摩擦力臂，取0.2 mm；μ——车轮轴承摩擦系数，采用调心球轴承，取0.001 2；d——与轴承相配合处车轮轴的直径，为70 mm；D——车轮踏面直径，为140mm；β——附加摩擦阻力系数，取2。则Fm=1 383 N。

（2）坡道阻力Fp

式中：i——轨道坡度，取40‰。则Fp=8 000 N。

式中：C——风力系数，取1.6；Kh——风力高度变化系数，取1；q ——工作状态计算风压，取0.6×120 Pa；A——迎风面积，m2；ψ——结构充实率，取0.45；η——挡风折减系数，取0.34。则 Fw=396 N。

（4）静阻力Fj

桥检车在直线轨道运行时坡道阻力为0，则

根据计算出的总阻力可以得到电机稳态运行功率：

式中：v ——运行速度，为4 m/s；η——传动效率，取0.9；m——电机台数，m=4。则 PN=1.98 kW。

电机功率的计算：

式中：Kd——考虑电动机启动时惯性影响的功率增大系数，取1.3，则P=2.57 kW。

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运行阻力矩：

式中：D——车轮直径，为0.14 m。

则M阻=124.5 N·m；单套阻力矩M阻/4=312 N·m。

坡道运行时，Fj=Fm+Fp+Fw=9 779 N。将数值代入式（9），得运行阻力矩M阻=684.5 N·m；则单套阻力矩M阻/4=171.1 N·m。

减速器的传动比

式中：n——电动机额定转速，为1 460 r/min；D——车轮踏面直径，为140 mm；v0——初选运行速度，为4 m/s。计算得：i0=2.675。

走行电机需要同时满足直线轨道运行时的功率要求以及坡道运行时的扭矩要求，根据电机功率规格表选择额定功率Pn=15 kW，电机型号为RXF87-2.76-YVF15KW-M1-0°-φ250，其输出转速529 r/min，输出扭矩270 N·m。

（5）电机过载校验

走行机构的电机必须进行过载校验：

式中：λas——相对于电机额定功率的平均启动转动倍数，λas=1.7；∑J ——机构对电动机轴的总惯量，计算得∑J=0.021 kg·m2；n——电动机额定转速，n=1 460 r/min；tq——机构初选启动时间，tq=4 s。则PNN=6.4 kW。

电机额定功率Pn＞PNN，过载校验通过。

3.5 转盘结构设计

转盘的主体结构主要由上转盘、下转盘及锥形滚轴组成。上转盘的连接座与走行机构连接，下转盘与桁架结构连接。2 组液压油缸设置在上、下转盘之间，通过2 组液压油缸的伸缩可实现内外圈相对90°转动。下转盘倒挂于上转盘上，在上、下转盘之间放置有锥形滚轴，所有的锥形滚轴的锥顶都在同一点，即转盘的中心。这样可以保障转盘在旋转过程中的向心稳定性。转盘结构如图11 所示。

3.6 桁架结构设计

如图12 所示，桁架结构采用型钢焊接而成，其上部与下转盘连接，两端对称布置折叠伸缩臂。桁架结构外形尺寸为6 m×2 m×2 m。其主体框架结构采用160 mm×160 mm×6 mm 的方形钢管焊接而成，底部铺有3 mm 厚的花纹钢板，用于人员行走和放置动力设备及液压泵站。

3.7 臂架结构设计

臂架结构的三维模型图如图13 所示。其中，大臂的结构为“Y”型，驱动大臂旋转的变幅油缸对称分布在大臂两侧。另外，为了防止第2 节伸缩臂与第1 节伸缩臂之间出现脱离现象，在第1 节伸缩臂上开槽设置止挡机构。

4 桥检车使用功能检验

将图14 所示桥梁-桥检车装配体模型导入ADAMS 中，进行模型的编辑，其中主要包括简化模型、定义材料属性等，然后根据实际运动形式创建运动副和施加约束。验证模型后，添加驱动完成整车虚拟样机模型的建立。

如图15 所示，在ADAMS 中利用虚拟样机仿真规划各构件的运动路径，在保证不与桥梁及其附属结构发生干涉碰撞的前提下，将吊篮送往各待检修位置。仿真结果表明，桥检车满足检修使用功能。

5 结语

（1）针对明珠湾大桥双层桥梁的检测需求，提出了一种梁下轨行式桥检车的结构设计方案，其结合了臂架式桥检车的特点并配备了转盘结构，车体能够相对桥梁90°旋转，在覆盖对上、下桥面检测区域的同时，整车能够顺利通过桥墩顶部预留的通道，实现全桥一车检测。

（2）在方案设计的基础上，完成桥检车主要构件的结构设计，主要包括轨道系统、走行机构、转盘、桁架以及臂架结构，并完成走行电机的选型计算。

（3）利用动力学仿真软件ADAMS建立桥检车动力学模型，并进行运动学仿真，验证其可以满足检修使用功能。