何政洋 龐曉平 許鑫 錢興

摘 要：依托于蘇伊士運(yùn)河平旋開啟橋項(xiàng)目，文中提出了一種用于傳遞閉合部位處兩平旋翼間載荷的新型連接機(jī)構(gòu)——無級(jí)自鎖頂推裝置。該裝置主要分為頂推、無級(jí)自鎖兩部分設(shè)計(jì)安裝。頂推過程中通過頂推桿嵌入左箱體傳遞左右平旋翼間載荷;橋梁運(yùn)行狀態(tài)下，楔塊、頂推桿和右箱體通過摩擦副實(shí)現(xiàn)自鎖，電機(jī)伺服系統(tǒng)使安裝于右旋翼的滑動(dòng)箱體移動(dòng)，結(jié)合楔塊實(shí)現(xiàn)頂推桿的無級(jí)自鎖及解鎖功能;整個(gè)裝置通過高強(qiáng)度摩擦型螺栓固定在兩平旋翼表面。仿真結(jié)果表明，裝置在極限工況下，整體結(jié)構(gòu)受力均勻，關(guān)鍵零部件最大應(yīng)力值不超過材料許用應(yīng)力。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和縮比模型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證裝置可以實(shí)現(xiàn)自鎖和解鎖功能。鑒于該裝置設(shè)計(jì)思路新穎，結(jié)構(gòu)簡單，且成本較低安裝簡易的特點(diǎn)，使得該裝置具有較大的工程實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：開啟橋;無級(jí)自鎖;頂推;電機(jī)伺服系統(tǒng)

一、引言

目前開啟橋常見開合形式有平旋式、豎旋式和直升式3種[1]。這種橋梁在建造過程中需要設(shè)置連接左右旋翼的機(jī)構(gòu)，其主要功能為固定左右旋翼防止晃動(dòng)及傳遞左右載荷，但當(dāng)前針對(duì)開合部位連接形式的設(shè)計(jì)卻較為單一，普遍為插銷式連接。如獲得美國1992年土木工程杰出成就獎(jiǎng)的西雅圖平旋橋[2]，它采用的就是在河中心設(shè)置巨大的鎖緊鐵栓來把左右雙翼的翼梢連接在一起，實(shí)現(xiàn)開合部位的連接;又如瑞典的南泰利耶運(yùn)河新鐵路橋[3]、埃及蘇伊士運(yùn)河開啟橋等它們的開合部位均是采用插銷式連接。這種連接形式雖然簡易，但設(shè)計(jì)的插銷往往體積太大過于笨重不易安裝，且在使用中常通過額外設(shè)置一套液壓傳動(dòng)系統(tǒng)來幫助插銷桿移動(dòng)來完成工作，整套設(shè)備非常復(fù)雜。

針對(duì)插銷式連接的缺點(diǎn)，以鋼桁結(jié)構(gòu)平旋橋中的蘇伊士鐵路大橋?yàn)槔?，參考蘇伊士運(yùn)河橋的施工[4]，設(shè)計(jì)了一套新型連接裝置——無級(jí)自鎖頂推裝置。該套機(jī)構(gòu)通過頂推和無級(jí)自鎖實(shí)現(xiàn)橋梁左右旋翼的連接及載荷傳遞，具有自鎖及解鎖功能，適應(yīng)橋梁開合，且裝置的動(dòng)力源僅為一個(gè)電機(jī)，整套裝置結(jié)構(gòu)簡易，便于安裝。

二、裝置系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

蘇伊士運(yùn)河平旋開啟橋在閉合狀態(tài)下，開合部位受自然條件影響沿橋縱向間隙波動(dòng)范圍+150mm，通車狀態(tài)下左右旋翼間最大載荷7000KN，目前平轉(zhuǎn)雙翼通過鎖緊鐵栓連接。

根據(jù)蘇伊士運(yùn)河平旋開啟橋?qū)嶋H工況要求，為實(shí)現(xiàn)左右雙翼間載荷傳遞，裝置分為頂推、無級(jí)自鎖兩部分設(shè)計(jì)安裝。整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，無級(jí)自鎖部分主要由頂推桿、楔塊、絲桿、滑動(dòng)箱體、右箱體及電機(jī)伺服系統(tǒng)和壓力傳感器組成，其中頂推桿、楔塊、絲桿、滑動(dòng)箱體、右箱體組合在一起實(shí)現(xiàn)自鎖功能，絲桿、電機(jī)伺服系統(tǒng)[5]和傳感器組成傳動(dòng)系統(tǒng)[6]幫助自鎖機(jī)構(gòu)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)無級(jí)和解鎖功能。頂推桿、左箱體組成頂推部分，其主要起到連接左右旋翼的功能，結(jié)合無級(jí)自鎖部分實(shí)現(xiàn)旋翼間載荷的傳遞。

三、裝置工作原理

通過無級(jí)自鎖頂推裝置連接左右旋翼，傳遞左右載荷的具體流程如下：首先，橋梁閉合尚未通車，裝置開始工作，電機(jī)帶動(dòng)絲桿正轉(zhuǎn)推動(dòng)滑動(dòng)箱體及楔塊左移，一段時(shí)間后楔塊與頂推桿以摩擦副形式接觸，楔塊推動(dòng)頂推桿一起左移，直至頂推桿嵌入左箱體擠壓安裝于其內(nèi)部的壓力傳感器，傳感器受壓發(fā)送信號(hào)給電機(jī)伺服系統(tǒng)使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)左右旋翼的連接;然后，橋梁開始通車，左右旋翼通過頂推裝置傳遞載荷。頂推桿與楔塊相互擠壓，楔塊斜面受壓實(shí)現(xiàn)自鎖[7]，左旋翼載荷通過楔塊擠壓右箱體內(nèi)表面?zhèn)鬟f至右旋翼，右旋翼載荷同理，通過頂推桿擠壓左箱體傳遞至左旋翼，實(shí)現(xiàn)載荷的傳遞;最后，河道通船，左右旋翼需要打開，此時(shí)人為發(fā)送信號(hào)給伺服系統(tǒng)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)，因此刻橋梁已經(jīng)停止通車，故反轉(zhuǎn)絲桿可首先拉動(dòng)滑動(dòng)箱體及楔塊，解除自鎖，后移一端距離后，滑動(dòng)箱體左端內(nèi)表面帶動(dòng)頂推桿的T形擋板，拉動(dòng)頂推桿后退，左右旋翼解除連接，裝置歸位。

四、裝置設(shè)計(jì)載荷分析

為實(shí)現(xiàn)載荷的傳遞，使楔塊受壓自鎖，楔塊與頂推桿以由斜面構(gòu)成的形式接觸，楔塊斜面受壓，實(shí)現(xiàn)自鎖。計(jì)算中根據(jù)工況水平最大載荷7000KN對(duì)頂推桿及楔塊進(jìn)行受力分析，如圖2所示（忽略自重）。

經(jīng)受力分析為實(shí)現(xiàn)自鎖，斜面傾角需滿足如下等式：

μ1cosθ+sinθ≤μ2（cosθ-μ1sinθ）

其中μ1為頂推桿與楔塊間摩擦系數(shù)，μ2為楔塊，頂推桿與右箱內(nèi)表面間摩擦系數(shù)，根據(jù)計(jì)算得，當(dāng)取μ1=0.1，μ2=0.45，楔塊斜面角度為19o時(shí)，楔塊實(shí)現(xiàn)自鎖。如圖2所示，分析得到當(dāng)最大水平載荷為7000KN時(shí)，楔塊與頂推桿接觸斜面正壓力為8331KN， 靜摩擦力為833KN，楔塊表面對(duì)右箱體正壓力為7877KN，靜摩擦力為3781KN，自鎖狀態(tài)下楔塊與頂推桿既受壓又受剪，制作材料選用 Q355[8]，實(shí)心。綜合剪切受壓等校核計(jì)算[9]：

受擠壓：A=F壓/（σs/安全系數(shù)）

受剪切：A=F剪/（τs/安全系數(shù)）

同一材料許用剪切應(yīng)力與許用壓應(yīng)力之間關(guān)系：[τ]=（0.6-0.8）[σ]

楔塊及頂推桿的具體尺寸確定如圖3所示，（安全系數(shù)取2.3）。絲桿在工作狀態(tài)下承受載荷主要為右旋翼表面對(duì)滑動(dòng)箱體、楔塊及頂推桿的摩擦力，不承受左右旋翼間載荷。取摩擦系數(shù)0.45，計(jì)算得移動(dòng)過程中絲桿需承受載荷約為13KN，穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下可近似看成靜載荷，故選擇SFU2010-2型滾珠絲桿，其能夠承受的最大靜載荷為16.8KN大于13KN，滿足裝置對(duì)絲桿承受載荷的要求。

下圖4所示為最大水平載荷7000KN狀態(tài)下，裝置主要承載結(jié)構(gòu)的受力云圖。根據(jù)有限元軟件分析[10]結(jié)果，極限工況下最大應(yīng)力集中部位應(yīng)力小于115MPa，且因頂推桿、楔塊均為Q355實(shí)心結(jié)構(gòu)，屈服強(qiáng)度為265MPa[11]，在安全系數(shù)取值為2.3狀態(tài)下，Q355的許用應(yīng)力值為115.2MPa，裝置最大應(yīng)力集中部位小于許用應(yīng)力值，故裝置整體設(shè)計(jì)滿足安全要求。

五、裝置施工方法

裝置整體的安裝形式如圖1所示，根據(jù)功能要求整個(gè)裝置分別安裝于左右旋翼表面。首先，幾字形左箱體通過高強(qiáng)度摩擦型螺栓固定在左旋翼表面，箱體右表面開有沉槽且內(nèi)部安裝有壓力傳感器，工作狀態(tài)下頂推桿嵌入其中連接左右旋翼，壓力傳感器受壓后發(fā)送信號(hào)給電機(jī)伺服系統(tǒng)使頂推桿停止運(yùn)動(dòng)。其次，頂推桿、楔塊、滑動(dòng)箱體、絲桿、輔助運(yùn)動(dòng)部分依次直線安裝于右旋翼表面，以右旋翼端面為基準(zhǔn)面安裝頂推桿，頂推桿T形設(shè)置，末端擋板與滑動(dòng)箱體左端內(nèi)表面貼合安裝，滑動(dòng)箱體左端外表面與楔塊通過插銷相互鉸接，滑動(dòng)箱體右端面安裝SFU2010-2型滾珠絲桿，箱內(nèi)絲桿長度為320mm，箱外絲桿穿過右箱體預(yù)留洞口通過聯(lián)軸器[12]與電機(jī)連接。最后，幾字形右箱體貼合基準(zhǔn)面通過高強(qiáng)度摩擦型螺栓固定在右旋翼表面將前文所述部分蓋在其內(nèi)部。

六、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真可以發(fā)現(xiàn)，箱體能夠帶動(dòng)楔塊推動(dòng)頂桿前進(jìn)然后實(shí)現(xiàn)無級(jí)自鎖，箱體也能夠拉動(dòng)楔塊解鎖并帶動(dòng)頂桿后退。頂桿前進(jìn)狀態(tài)如圖5，頂桿后退狀態(tài)如圖6。

通過對(duì)裝置進(jìn)行縮比模型模型零件3D打印并裝配如圖7，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)該裝置可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)自鎖功能，并且可以順利解鎖，縮比模型無級(jí)自鎖實(shí)驗(yàn)如圖8。

七、結(jié)語

針對(duì)平轉(zhuǎn)開啟橋左右旋翼普遍的插銷式連接方式，文中提出了一種新型連接方式，該無級(jí)頂推裝置設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：

第一，通過特殊頂推結(jié)構(gòu)和結(jié)合特殊箱體結(jié)構(gòu)，僅需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)左右旋翼間載荷的平穩(wěn)傳遞。

第二，通過該裝置電機(jī)驅(qū)動(dòng)右箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)裝置在任意位置自鎖和解鎖，實(shí)現(xiàn)橋梁載荷的傳遞和橋梁開啟功能。

第三，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和縮比模型實(shí)驗(yàn)，證明了裝置可以實(shí)現(xiàn)自鎖和解鎖功能。

第四，整套裝置設(shè)計(jì)新穎，構(gòu)造簡易，便于安裝與維護(hù)，便于實(shí)現(xiàn)橋梁開啟的電氣化控制。

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