轮式主缆检修车常见故障分析及改进研究

韦庆冬 冯传宝 中国铁路上海局集团有限公司南京铁路枢纽工程建设指挥部

随着我国经济的发展，人们对公路交通的需求量越大。我国现处于交通发展黄金时期，大跨度悬索桥建设正在蓬勃发展，近年来己建设有主跨在400 m及上的缆索体系桥梁己达百座。悬索桥本身及桥面上车辆、行人等重力载荷主要由主缆承受，其健康程度非常重要。风、雨、冰冻、温度及湿度的变化等自然因素在长时间的作用下会对主缆造成一定的侵蚀。悬索桥主缆病害如下：①主缆结冰。主缆横截面变大，同时由圆形变得不规则，降低其自振频率；②涂装失效。主缆会在没有保护的前提下完全裸露在外而出现起皮等现象；③面丝诱蚀与断丝松弛；④主缆钢丝锈蚀主缆一般用高抗拉强度的钢材（钢丝、钢绞线、钢缆等）制作，主缆从娇梁主塔到桥面的高差一般都在百米以上，主缆、吊索锁夹及主缆除湿装置等附属物检修工作困难很大。

大跨径悬索桥从桥梁主塔塔顶到侨面的高差大多都在百米以上，因此主缆、吊索、索夹等结构的检修工作困难很大。目前，悬索桥主缆主要还是采用人工攀爬的方式进行检查维护，即检修人员通过主缆上的检修道来完成检修工作，这种检修方式存在检查盲区，不能全方位检修主缆，而且高空作业难度大、效率低下、精准性差、存在安全隐患问题。国外悬索桥主缆检修主要依靠设在主缆顶部的检修道来进行，部分悬索桥配置了主缆检修设备，但也都是以牵引式为主，没有实现自行走功能。

我国在主缆检修设备产品这一领域还处于探索起步阶段，许多悬索桥主缆上没有设置专口的检修设备，只设置简易施工吊篮。但是与其类似的针对斜拉桥拉杆的缆索爬缆机器人己做了大量研究设计工作，可为检查车研发提供参考。现在很少桥梁使用专用的设备对主缆检修，如某长江大桥检修车，但是该设备由于不具备自行走能力，很快被淘汰。某公司为某桥梁主缆涂装施工时所配置的牵引式主缆检修设备，由于该设备未含动力系统，因此在主缆施工完成之后即被废弃。最新主缆检查车为自行式主缆检查车，包括履带式与轮式主缆检修车，由于该型主缆检修车投入工程应用时间较短，可靠性有待时间检验，有较大改进空间，因此，需对主缆检修车进行常见故障分析，并对其提出改进方案，从而为工程应用提供指导。

1 主缆检修车结构原理

目前我国对主缆检修设备这一领域的研究还处于探索阶段，极少有悬索桥设置了专用检修设备，国内有少量企业和机构对主缆检修设备进行过初步探索，根据行走特点将现存主缆检修设备归纳为下两类：

1.1 自行式主缆检修设备

某路桥公司根据不同类型悬索桥的检修需要，先后开发了几款不同类型的具备自行走能力的主缆检修设备，如针对某景区人行悬索桥开发的锥形轮主缆检修车（见图1）以及某悬索桥主缆维护使用的履带式主缆检修车（见图2）。

图1 锥形轮主缆检修车

图2 履带式主缆检修车

锥形轮主缆检修车采用了电机驱动，该设备的优点是具备自行走能力，同时锥形轮的设计使得检修车具有自动对中功能，实现了检修车的行走自动纠偏，其缺点也十分明显，它只适用于小型悬索桥养护，而且因为没有增压机构，导致其爬坡能力有限。履带式主缆检修车使用液压系统作为动力，检修车行走时履带与主缆表面接触面积大，对主缆表面保护作用好，采用增压机构后爬坡能力强，但是由于采用履带强行跨越索夹方式，导致其跨障碍能力较差，同时该检修车过索夹时整车振动明显，行走的舒适性与安全性较差。

图3 轮式主缆检查车

目前，最新的自行式主缆检查车是某公司的轮式主缆检查车，如图3所示。该轮式主缆检查车采用液压控制系统，相比履带式主缆检车，采用液压控制包胶轮伸缩与翻转，能够柔性跨越主缆锁夹，具有更高的减振性能，更好的行走舒适性与安全性。

1.2 牵引式主缆检修设备

图4 某桥牵引式主缆检修设备

图5 某桥主缆检修设备

牵引式主缆检修设备通常采用钢丝绳牵引行走，钢丝绳卷筒机构设置于悬索桥主塔顶部或设备上。这类检修车结构简单，操作方便，但是也存在负载小和行走稳定性差等缺点。而且由于不具备自行走能力，通常这类检修车适用性较差，只是针对特定巧梁设计和使用。典型的牵引式主缆检修设备有某公司专为某桥主缆涂装作业所设计的检修设备，如图4所示。某长江大桥也为便于主缆维护而配置了牵引式主缆检修设备（见图5），但是该设备由于没有自行走能力，在工作一段时间后便不再使用。国外对于主缆检修设备的应用相对国内较多，但是牵引式主缆检修车为主，对具备自行走能力的检修车研究和应用较少，如图6、7所示。

图6 丹麦某悬索桥主缆检查车

图7 FOrth Road Bridge主缆检查车

综上所述，目前国内外对于悬索桥主维检修车的研巧取得了一些成果，对后续的主缆检修设备研制具有一定的参考价值，例如锥形轮主绳检修车的过索夹方式及履带式主缆检修车的增压机构等都是具有创新性的设计。与此同时，前期取得的研究成果还有待进一步深入与推广，现己存在的主缆检修设备都针对特定桥梁设计，设备不具有通用性，推广价值较低。

1940年，在风速不高的情况下，美国新建成的塔科马悬索桥因强烈风振效应而发生跨塌，震惊了整个工程界，这一事件也被视为现代风工程研究的开端。衡亚霖采用谐波叠加法模拟了主缆检修车脉动风速时程，对检修车主巧架结构进行了风振响应特性研究。综上所述，目前国内外学者对于高层结构的风工程研究取得了较好的理论和试验成果，但是对处于高空的结构如桥梁检修车等的风振研巧较少，随着桥梁检修设备的设计应用越来越多，对检修设备的风致振动研究也应当给予足够的重视。爬坡能力强、行走速度较快、具备跨越索夹及吊索能力和较强抗风能力是主缆检修车现在的发展方向。

2 轮式主缆检修车故障分析

目前，轮式主缆检修车是最先进的主缆检修车，代表着主缆检查车的最高技术水平，但由于投入工程应用时间较短，工程应用反馈信息较少，其系统可靠性还未能经过时间的考验，因此，需要对轮式主缆检修车进行常见故障分析，提出防治措施，以防患未然，并为进一步提高轮式主缆检修车系统可靠性提供指导。

2.1 控制系统故障

轮式主缆检修车采用液压控制系统，液压控制系统故障会导致压紧轮油缸的伸缩和翻转不同步、行走轮与驱动轮伸缩异常、压紧轮压紧力不足等。因此，需对液压控制系统进行故障分析，液压控制系统常见故障：①污染。液压油被污染是系统产生故障和元件过早磨损甚至损坏的主要原因。油液的污染为侵入污染和自然新生污染，主要来源于运输储存过程系统的清洗和组装过程、油箱的清洁程度与空气滤清器过滤精度、注入油液的清洁程度、系统的维护过程及维护周期。②温升。液压系统产生温升的主要原因是功率损失，其次元件的磨损、油液的污染、空气的进入和气穴现象等都会引起温升；油温过热会加速油液的变质，过热也会影响密封圈和防尘圈的寿命，形成油液和空气泄漏造成系统的效率很快降低。在损坏的密封圈和防尘圈处，污染物也会进入系统进一步缩短了系统的寿命。③泄露。液压系统的泄露分外泄和内泄，外泄主要发生在液压管路上，比较容易发现；内泄产生在液压元件内部，不容易直接发觉，它直接影响液压元件的性能；④泡沫。空气进入液压系统，混在油液里，会使系统工作不正常，产生振动、噪声、爬行和动作迟缓等现象，吸油口等负压区管路密封不良或维护不当等都会使空气进入液压系统。

针对以上液压系统常见故障可对应采取以下措施：

①针对主缆检修车的工作环境，应在油箱呼吸孔设置带有吸潮剂的空气滤清器；液压系统初次使用90 h左右，必须清洗一次滤油器；油液要定期抽样检测和更换。②选用黏度合适的液压油；因系统外部的污染物起到一个隔绝和阻碍正常的油液冷却的作用，保持液压系统外部和内部的清洁；经常检查油箱的液位，油位过低会造成系统没有足够的油液带走热量；定期更换过滤器滤芯，避免过滤器堵塞；③软管接头不要过度地旋紧，使管接头和密封圈产生扭曲变形造成密封圈表面的损坏，增加泄漏，应当使用设备制造商推荐的旋紧转矩值；使用合适的支架和管夹，要避免软管与软管之间或软管与硬管之间或者软管与设备之间形成摩擦，摩擦会缩短软管的寿命；安装时要使用合适的工具，不要使用密封胶来防止泄漏；无论什么时候在从液压系统中拆除软管和硬管时，都要用干净的材料盖住拆除部分的管道；④安装软管时，要保证它们被固定振动的软管可能会造成管接头松弛，使空气进入系统，所以应定期检查软管的连接处和固定部位；选取黏度合适的工作介质 ，油的黏度太高，对控制的反应有减慢的趋向，也会造成流体摩擦增加使系统的油温升高，或者造成液压泵吸入空气，从而增加泡沫的形成。

2.2 机械系统故障

（1）偏摆，纠偏行走机构在提升，下降过程中出现偏摆现象，提升筒表面有轻微的刮痕，通过现场观察，提升筒和提升滑块的一侧间隙偏大，通过对行走机构加压后，偏摆现象有所好转。轮式主缆检修车在行走过程中出现偏摆现象，不仅会在一定程度上影响行走舒适性与安全性，也会增大包胶轮额外荷载，从而增大包胶轮破坏涂层的可能性。

（2）主缆涂层破坏，轮式主缆检查车在运行过程中，包胶轮使主缆涂层发生破坏，这主要是由于机械系统设计误差或不周全导致的。轮式主缆检修车对主缆涂层造成损伤的现象，是与主缆检修车的功能相违背的，是必须要避免的。因此，在以下研究中，着重研究检修车导致主缆涂层破坏的原因，并提出主缆检修车改进方案。

3 轮式主缆检修车改进研究

3.1 主缆涂层失效

主缆一般采用高抗拉强度钢材（钢绞线、钢丝、钢缆等）制作，其外表面通常采用“防腐涂装＋缠包（玻璃纤维布或其它防腐布等）”、“防腐涂装＋圆形软钢丝缠丝＋表面油漆”等方法进行防护，如图8所示。主缆涂层是主缆防腐体系的重要组成部分，在主缆检修车运行过程中，容易导致主缆涂层破坏，破坏形式为萌生裂纹、划伤甚至撕裂，这无疑会加速主缆防腐体系的失效，降低主缆防腐体系寿命。因此，需对主缆检修车进行改进，避免主缆检车包胶轮对主缆涂层的损害。此外，也可以优化主缆涂层材料以及涂层厚度，使主缆涂层具有更高的强度。

图8 主缆外层防护结构示意图

3.2 主缆检修车改进措施

改进措施：

①增加减振与阻尼装置，抵抗车体偏摆、运行冲击与振动破坏主缆涂层；②优化包胶轮结构，扩大轮部接触面积，可采用椭圆形截面包胶轮，避免应力分布不均破坏主缆涂层；③在轮前设置除尘装置，减少车轮与灰尘颗粒共同对涂层的磨削破坏作用；④控制优化，缓冲制动，避免制动冲击破坏主缆涂层。

4 结束语

国内大跨度悬索桥建设正在蓬勃发展的同时，主缆作为其特殊重要的功能构件，需要配备主缆检修装置来保障主缆的安全，主缆检修车是目前最主要的主缆检修装置，主缆检修车分为自行式与牵引式，目前最优良的主缆检修车是轮式主缆检修车，轮式主缆检修车除常见的机械系统与控制系统故障外，还出现偏摆与破坏主缆涂层的的故障，因此，可以通过增加减振与阻尼装置、优化包胶轮结构（扩大轮部接触面积，可采用椭圆形截面包胶轮）、在轮前设置除尘装置、控制制动缓冲的改进措施，从而提高轮式主缆检查车的可靠性。