缆索维护

2024-11-05

缆索维护（精选7篇）

缆索维护篇1

0 引言

缆索作为斜拉桥的主要受力构件, 由于其长期暴露在大气之中, 受到风吹、日晒、雨淋和环境污染的侵蚀, 其表面的防护层极易受到破坏, 防护层的破损会引起周围介质对内部钢索产生电化腐蚀, 进而威胁到缆索的使用寿命, 定期对缆索表面进行涂漆是目前缆索维护的主要方式。从世界范围看, 缆索维护机器人的研究还处于起步阶段, 通过各大学课题组研究分析可知:缆索维护机器人爬缆机构的运动方式大体可分为摩擦轮连续滚动式和夹紧蠕动式两种。

由于定期对缆索表面进行涂漆是目前缆索维护的主要方式, 涂膜作业质量的好坏将直接影响到缆索的使用寿命。因此, 研制出一种对缆索适应能力强、具有连续稳速行进特点的缆索维护机器人对缆索实施喷涂作业维护, 是该领域一直探索研究的重点问题。

1 连续行进式气动缆索维护机器人实验方案设计及实验环境的确定

针对连续行进式气动缆索维护机器人原理样机进行了相关技术性能试验和可靠性试验, 以验证其技术保证情况和可靠性。

1.1 机器人本体运动平顺性试验

为了使机器人在运动过程中有良好的平顺性, 在其导向机构上我们选择效率较高的直线轴承。为保证安装后两根直线轴承的平行度, 在机械加工工艺上我们采用数控铣床一次装夹同时完成两块体板的加工。机器人制作完成后, 在不同环境、不同状况下, 对其运动平顺性进行测试, 它的一些关键性能指标都达到了设计要求。在实际运行中, 当机器人的运行速度小于0.5 m/min时, 会出现爬行现象;当运行速度大于6 m/min时, 出现较大冲击。经过实际测试得出其合适的工作速度为0.5~6 m/min, 这完全符合设计要求。

1.2 控制系统的逻辑准确性试验

在制作完成后, 对机器人控制系统各个逻辑单元进行测试, 在整个测试过程中重点测试了以下内容。

1) 控制按钮与指示灯的逻辑对应关系。

2) 在各种状态下控制按钮与其产生结果的正确逻辑关系。

3) 输入与输出的逻辑对应关系。

4) 中间继电器与输出的逻辑对应关系。

5) 在各种状态下电磁阀之间的正确逻辑关系。

6) 在各种状态下电磁阀动作正确顺序。

7) PLC内部各辅助继电器的正确逻辑关系。

在调试初期, 出现了一些逻辑关系的错误。经过修改, 保证了机器人各控制系统的逻辑准确性。

1.3 整体工作性能稳定性测试

整机制造、安装调试完成后, 我们对机器人的工作稳定性进行了长时间测试。主要考察以下内容。

1) 机器人本体运动稳定性。

2) 喷涂涂料的雾化效果。

3) 喷涂机构摆动速度与机器人移动速度的匹配。

4) 控制按钮的可靠性。

5) 指示灯的指示正确性。

6) 单片机数据处理的精度及工作可靠性。

7) 传感器工作可靠性。

在调试初期, 出现过信号传输不稳定、单片机程序跑飞、指示灯显示错误等。经过认真排查, 采取了一些措施, 保证了各单元工作的稳定性。例如:在单片机电路中增加了硬件抗干扰措施;按工程需要重新布线;对接线端子一一排查保证其电气连接的可靠性。到目前为止, 机器人的工作状态稳定, 达到了设计指标, 能够满足实际施工要求。

1.4 人-机交互系统的性能测试试验

机器人的人-机交互系统主要由机器人的作业监测控制系统来完成。我们对其测试内容包括以下几个方面。

1) 监视器信号的稳定性和图像的清晰度。

2) 控制面板上的信号灯、数显等视觉显示装置的观察精度。

3) 操作人员操作时的方便性、舒适性、安全性。

在测试过程中, 我们充分考虑了设计对象的使用群体和设计对象的使用范围, 对一些可调部位进行了预先调节, 使作业者群体的大多数能舒适的操作。

1.5 绝缘试验

整机装备完毕, 在电源接通前, 对电气设备进行绝缘试验 (测量) , 检查导体之间和导体对地之间的绝缘电阻, 应当大于1 000Ω/V, 对于主回路和电气安全装置电路, 其值不得小于0.5 MΩ, 对于其他电路 (控制、照明、信号等) , 其值不得小于0.25 MΩ。

1.6 空运转试验

在空载条件下, 按照设计和标准要求, 在模拟环境中上行和下行维护1个月, 试验结果应当符合要求。

2 结语

本文在深入研究气动夹紧蠕动式缆索机器人移动装置的基础上, 提出一种可实现连续稳速行进的新型缆索维护机器人, 用以完成斜拉桥缆索的清洗、喷涂、探伤等作业任务。该装置在爬升过程中以斜拉桥缆索为中心, 沿缆索升降, 采用模块式设计方法, 全气压驱动, 主从式PLC控制, 具有稳速行进、作业无盲区、适应力强, 带载力高及安全回收的特点。针对连续行进式气动缆索维护机器人原理样机进行了相关技术性能试验和可靠性试验, 从而验证其技术保证情况和可靠性。

参考文献

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[4]孙丽英, 孔繁星.分段式管道机器人的分析与研究[J].中国科技信息, 2006 (23) :70-72.

桥梁缆索钢丝腐蚀特征篇2

缆索 (拉索以及吊索、吊杆) 是桥梁结构的主要承载构件, 也是对环境作用最为敏感的构件。目前, 大多采用钢丝平均腐蚀深度进行桥梁缆索腐蚀状况。实际上腐蚀钢丝表面的蚀坑形态很复杂, 在钢丝腐蚀研究中考虑局部蚀坑形态分布特征的也较少。

本文通过某服役系杆拱桥吊杆钢丝表面的蚀坑形状特征和三维尺寸观测分析, 对于蚀坑形状进行分类, 根据蚀坑分布特征讨论蚀坑的发展演变规律。

1 工程背景

位于宜春市的袁州大桥, 建于1996年, 主桥为中承式钢管混凝土拱桥, 主桥跨径布置 (13+101.4+13) m, 上下游侧共有15对平行镀锌高强钢丝吊杆, 钢管防护体系, 内部灌注水泥浆 (见图1) 。2012年年初, 对于袁州大桥进行了全面检测。大桥的主要病害包括:吊杆内部灌浆不密实, 钢管护套锈蚀严重, 高强钢丝锈蚀严重且有部分断丝, 吊杆锚头钢护套内有积水, 锚头及附近钢丝腐蚀严重。因此, 对全桥吊杆进行了更换。

2 钢丝表面腐蚀检测与腐蚀程度量化

为了研究拱桥吊杆高强钢丝表面的腐蚀分布特征, 从袁州大桥每个拆下吊杆靠近下部锚固段随机选择200根钢丝进行表面腐蚀检测分析。检测前, 先将钢丝进行等长切割, 每段30 cm。然后放入10%的稀硫酸中浸泡3 min, 用清洁球除去表面铁锈后用蒸馏水冲洗, 棉布擦干后放入恒温箱中干燥, 然后用稀硫酸进行表面浮锈去除处理并烘干。然后采用电子单尖头千分尺测量钢丝直径, 最后计算蚀坑深度。采用精密游标卡尺分别测量蚀坑宽度W和蚀坑长度L。

为了统一评价钢丝的腐蚀程度, 采用平均腐蚀深度进行量化表征。采用称重法并经过计算平均腐蚀深度作为试件腐蚀程度指标。用电子天平对烘干钢丝试件称重, 称量之后贴上标签序号。根据钢丝未腐蚀之前的理论值和称量的数据计算钢丝失重, 然后计算平均腐蚀深度h, 表达式为:

其中, W0为钢丝原始质量;W1为清除腐蚀产物后的钢丝质量;ρ为钢丝材料的密度;d为钢丝直径;l为钢丝长度。

3 蚀坑形状的分类

目前关于桥梁缆索钢丝腐蚀蚀坑分布特征研究主要采用蚀坑深度表征。钢丝腐蚀表面是较纤细的圆柱面, 蚀坑的几何形状具有很大的不确定性, 因此, 仅采用腐蚀深度显然不能准确表征蚀坑, 直径也不能描述某个维度的尺寸。

对钢丝试件进行大量的仔细观测发现蚀坑形状特征大致可以分成4种形状, 分别是:深椭球形, 浅椭球形, 凹槽形和马鞍形。4种形状的特点描述如下:

1) 深椭球形:蚀坑的长度和宽度基本相等, 蚀坑深度大于宽度的1/3, 蚀坑较为尖锐, 典型的深椭球形蚀坑如图2a) 所示;

2) 浅椭球形:通常蚀坑长度大于蚀坑宽度, 蚀坑深度也小于宽度的1/3, 典型浅椭球形蚀坑如图2b) 所示;

3) 凹槽形:蚀坑边界难以用规则线条描述, 横断面上也没有明显弧度, 将此类蚀坑归类为槽状, 典型蚀坑如图2c) 所示;

4) 马鞍形:蚀坑长度远远大于蚀坑深度和宽度, 蚀坑内表面稍向外凸出, 坑内边界与坑外边界过渡相对比较平滑, 类似于马鞍形状, 典型蚀坑如图2d) 所示。。

4 蚀坑的生长演变规律

1) 4种形状的蚀坑中, 深椭球形蚀坑宽度和长度尺寸相差不大, 蚀坑深度相对较大, 但是绝大多数蚀坑深度不超过0.4 mm。说明深椭球蚀坑的深度存在一个临界值, 即蚀坑进一步发展时, 蚀坑在长度和宽度方向的腐蚀速率大于深度方向的发展速率。2) 钢丝的腐蚀程度越高, 深椭球蚀坑个数越少, 也就是说钢丝腐蚀程度越高, 深椭球蚀坑发展为浅椭球蚀坑或者其他形状蚀坑的几率越大。3) 钢丝的腐蚀程度越高, 凹槽形蚀坑的个数不断增加, 这说明凹槽形蚀坑来源于深椭球形蚀坑和浅椭球形蚀坑的发展。4) 钢丝的腐蚀程度越高, 马鞍形蚀坑的数量也大幅度增加。这说明马鞍形蚀坑也来源于其他类型蚀坑的发展。宏观蚀坑是由微观蚀坑发展而来, 微观蚀坑多为椭球形。微观蚀坑扩展机理则是以闭塞电池模型进行的, 由于闭塞电池的作用发展为深窄型。这种深窄型蚀坑内的腐蚀产物难以与坑外的物质发生交换, 而且蚀坑内部存在一种“自催化酸化作用”, 其演变过程如下:

蚀坑源头初期, 内部铁溶解的阳极反应和氧离子化的阴极反应如下:

阴极:O2+H2O-4e-=4OH- (3)

阴极腐蚀产物在蚀坑口的累积导致蚀坑内外物质难以交换, 蚀坑内的氧消耗完就只能进行阳极反应, 于是阴极反应就转移到蚀坑的外侧, 蚀坑外侧没有阳极反应产物Fe2+, 所以蚀坑外只能进行式 (3) 的阴极反应。蚀坑外阴极反应产生的OH-也无法进入蚀坑内, 于是蚀坑外的p H值升高。而蚀坑内Fe2+越积越多, 由于电荷的不平衡作用, 蚀坑外带负电的Cl-便迁入到坑内与Fe2+生成Fe Cl2;Fe Cl2水解生成了不溶的铁锈和易溶的盐酸, 见式 (7) 。

酸性条件使得蚀坑内保持活化状态, 坑内电位低;而坑外由于阴极反应产物有利于钝化, 其电位高。由于坑外电位高于坑内以及坑内的酸化条件致使坑内金属仍保持活化溶解状态, 坑内是闭塞电池的阳极, 而坑外为阴极, 坑蚀不断扩大。随着蚀坑的发展和坑内腐蚀产物的累积, 逐渐减缓了Fe的溶解速度, 同时深窄型蚀坑周围不断出现新的坑蚀点, 更多坑蚀点的出现减小了深窄型蚀坑内外的电位差, 也使得蚀坑往深部发展速度减慢。随后坑口周围活化区域也相对较大, 蚀坑长度和宽度方向的发展速率越来越大, 这使得深窄型的深椭球形蚀坑逐渐发展为浅椭球、凹槽形等开放型蚀坑。桥梁拉索钢丝处于应力腐蚀、钢丝与钢丝摩擦状态中, 这导致钢丝表面存在极小的条纹状缺陷。雨水、雾露往往沿着钢丝纵向下流, 腐蚀性溶液必然加大蚀坑纵向的发展, 也易使缺陷周围的小蚀坑贯通, 形成超长的蚀坑, 这也是蚀坑长度方向的发展速率最大的重要原因。

5 结语

结合某系杆拱桥换索工程, 对于桥梁缆索钢丝腐蚀分布进行了检测与量化分析。根据蚀坑形状将蚀坑分为四类:深椭球形, 浅椭球形, 凹槽形和马鞍形。根据蚀坑分布特征讨论了蚀坑的发展演变规律。

参考文献

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黄金大桥缆索设备安装施工计算篇3

黄金大桥位于湖北省通山县慈口乡富水库区, 是富池 (黄石市阳新县境) —通羊 (咸宁市通山县境) 公路跨越富水水库的一座重要桥梁。本桥主桥为1-120 m等截面悬链线钢筋混凝土箱形无铰拱, 拱上建筑和引桥均采用标准跨径L=10 m的钢筋混凝土空心板。主桥净跨L0=120 m, 净矢高f0=15 m, 净矢跨比1/8, 拱轴系数m=1.347。主拱圈由5片闭合拱箱组成, 每片拱箱高1.9 m, 拱箱底宽1.46 m, 拱箱间横桥向净距0.04 m。每片箱分5段预制, 边箱最大吊装重65 t, 中箱最大吊装重61 t。

2吊装方案的确定

因桥位跨水库处水较深, 采用缆索起重机吊装及斜拉扣挂工艺;拱肋合龙单片拱肋合龙。根据本桥的实际情况, 决定采用一台65 t无塔式缆索吊机进行吊装。

3缆索吊机计算

根据本桥的实际情况, 决定采用两台45 t的吊机组合安装。

3.1 设计参数

1) 缆索起重机形式:

桅杆式;跨度:L=350 m, 塔高45 m;最大吊重:G=65 t (起吊构件重量) ;承重后的主索垂度:F=L/14 (满载时垂度) , F=L/22.2 (空载时垂度) 。

2) 各种索的安全系数:

主索:[K]=3;牵引索:[K]=3;起重索:[K]=5。

3.2 主索计算

3.2.1 主索荷载

1) 均布荷载。

主索为12根ϕ39的钢丝绳。作用于主索上的均布荷载由下面的三部分组成:

a.主索重力:q1=12×53.08=636.96 N/m;b.起重索重力:q2=2×13.27=26.54 N/m;c.牵引索重力:q3=2×19.82=39.64 N/m;

q=q1+q2+q3=636.96+26.54+39.64=703.14 N/m。

2) 集中载荷。

a.行车及定滑轮重力P1=30 kN;b.吊点动滑轮及配重重力P2=50 kN;c.起重索 (走12布置) $Ρ_{3} = \frac{2 \times 12 \times 50 \times 13.27}{1 000} = 15.92 k Ν$ ;d.构件重P4=650 kN。则:

P=P1+P2+P3+P4=745.9 kN。

3.2.2 主索最大张力及相应垂度

当跑车吊重至跨中时, 主索张力最大, 取 $f = \frac{L}{14.7} = \frac{350}{14} = 25 m$ 。

主索最大水平力: $Η_{\max} = \frac{Ρ L}{4 f} + \frac{q L^{2}}{8 f} = \frac{[2 Ρ + q (L - s)] \times L}{8 f}$ 。

求得: $Η_{\max} = \frac{[2 \times 745.9 + 0.703 14 \times (350 - 20)] \times 350}{8 \times 25} = 2 892 k Ν$ 。

主索最大张力: $Τ_{\max} = \frac{Η_{\max}}{\cos θ} = \frac{2 892}{\cos 9.7 °} = 2 934$ kN。

主索安全系数: $Κ = \frac{Τ_{n}}{Τ_{\max}} = \frac{12 \times 787}{2 934} = 3.22 ＞ 3.0$ (主索符合设计要求) 。

3.2.3 起重索计算

由于对单个缆索是采用两点吊装, 其绞车端张力的计算公式为:Tmax=PS。

跑车中起重索采用钢丝绳“走12”布置, 即有效绳数为n=8, 转向滑轮c=2, 滚动轴承k=1.02, 查表得 $S = \frac{k - 1}{k^{n} - 1} k^{n - 1} k^{c} = 0.096 45$ ;P= (P2+P3+P4) /2=365 kN。

因此起重索的张力为:Tmax =365×0.096 45=35 kN。

起重机的安全系数:K=Tn/F=197/35=5.63>5。

因此, 选用ϕ19.5的钢丝绳作起重索是安全的。

3.2.4 牵引索的计算

总牵引力由三部分组成:

1) 跑车的运行阻力:W1=P (fcosγ+sinγ) 。

其中, P为跑车所负载重, 即集中力P=557.4 kN;f为跑车运行阻力系数, 取0.01。

求得:W1=875.9× (0.01×cos6.19°+sin6.19°) =103 kN 。

2) 起重索的运行阻力:W2=2 (1-n9) (2PF) 。

其中, n=0.98。

因此, W2=2× (1-0.989) × (2×35) =16 kN。

3) 后牵引索的松弛张力:

$W_{3} = \frac{G_{3} \times x_{0}^{2}}{8 f_{x}} = \frac{0.039 64 \times (350 - 70)^{2}}{8 \times 25} = 16$ kN。

所以总牵引力:W=W1+W2+W3=103+16+16=135 kN。

牵引索按“走2”布置, 牵引索的最大拉力:

Tmax= (W+2Lg1) (2-ηn) /2= (135+2×350×0.039 64) × (2-0.982) /2=84.5 kN。

拉力安全系数: $Κ = \frac{Τ_{n}}{Τ_{\max}} = \frac{294}{84.5} = 3.48 ＞ 3$ , 牵引索的拉力安全系数满足要求。

选用ϕ24钢丝绳作牵引索按“走2”布置符合设计要求。

3.2.5 索鞍受力

主索对索鞍竖向下压力:V1=2 934× (sin0°+sin9.7°) =494 kN。

主索对索鞍水平力:H1=2 934× (-cos0°+cos9.7°) =-42 kN (方向朝向地锚) 。

牵引索、起重索对索鞍竖向下压力:

V2=2× (35+84.5) × (sin0°+sin9.7°) =40 kN。

牵引索、起重索对索鞍水平力:H2=2× (35+84.5) × (-cos0°+cos9.7°) =-3 kN (方向朝向地锚) 。

索鞍所受竖向下压力:V=V1+V2=494+40=534 kN。

索鞍所受水平力:

H=H1+H2=-42-3=-45 kN (方向朝向地锚) 。

3.2.6 钢筋混凝土地锚计算

主索锚端最大水平分力:

FH=Tmaxcosθ=2 934×10/ (102+3.52) 0.5=2 769.3 kN。

主索最大垂直分力:

FV=Tmaxsinθ=2 934×3.5/ (102+3.52) 0.5=969.2 kN。

G=AHγ=0.752×3.14×5×25×2=442 kN。

Gh=Gsinθ=221×3.5/ (102+3.52) 0.5=146 kN。

Gv=Gcosθ=221×10/ (102+3.52) 0.5=417.2 kN。

N2=FH×0.9/3.3=2 769.3×0.9/3.3=755.3 kN。

N1=N2+FH=755.3+2 769.3=3 524.6 kN。

1) 抗拔稳定性K1=[Gv+f (N1+N2) ]/FV。

其中, f为摩擦系数, f=0.4;Gv为桩重力在桩轴线上的分力, 值见上;N1, N2分别为桩上前、下后的岩层抗力, 值见上;FV为主索拉力在桩轴线上的分力, 值见上。

K1=[417.2+0.4× (755.3+3 524.6) ]/969.2=2.2>2 (满足要求) 。

2) 抗拉稳定性K2=hb[σ]/N1。

其中, h为受压高度, h=0.8 m;b为受压宽度b=2D=2×1.5=3 m;[σ]为岩层 (石灰岩) 抗压强度, [σ]=3 400 kPa;N1为水平拉力, N1=3 524.6 kN。

K2=0.8×3×3 400/3 524.6=2.3>2 (满足要求) 。

4扣挂系统计算

4.1 扣索计算

经计算, 扣索一最大索力为53.1 t, 现采用两根ϕ39钢丝绳作为一束扣索一;扣索二最大索力为74.1 t, 现采用两根ϕ47.5钢丝绳作为一束扣索二。

4.2 垫梁计算

b=atan (-3.5/10) =-19.3°, a1=25.9°, a2=19.9°。

扣索对垫梁的下压力:N=T1 (sina1+sinb) +T2 (sina2+sinb) =53.1× (sin25.9°+sin19.3°) +74.1× (sin19.9°+sin19.3°) =6.37 t=62.4 kN。

扣索对垫梁的水平力:H=T1 (cosa1-cosb) +T2 (cosa2-cosb) =53.1× (cos25.9°-cos19.3°) +74.1× (cos19.9°-cos19.3°) =-2.61 t=-25.6 kN (方向朝向地锚) 。

4.2.1 垫梁抗倾覆

K= (V+G) a/ (Hh) 。

其中, V为索鞍所受竖向下压力, V=62.4 kN;G为垫梁自重, 暂不考虑;a为基础中心至地锚侧基础边距离, a=1 m;H为索鞍所受水平力, H=25.6 kN;h为索鞍顶至基底高度, h=1.05 m。

K= (62.4+0) ×1/ (25.6×1.05) =2.32>1.3, 满足要求。

4.2.2 垫梁基底应力

σ= (V+G) /A±M/W。

其中, V为索鞍所受竖向下压力, V=62.4 kN;G为垫梁自重, G= (2×1) ×2×25=100 kN;A为基底面积, A=2×2=4 m2;M为基底弯矩, M=Hh=25.6×1.05=26.88 kN·m;W为基底抵抗矩, W=2×22/6=1.333 m3。

σ= (62.4+100) /4±26.88/1.333=60.8 kPa (20.4 kPa) <[σ]=3 400 kPa (石灰岩) 。

4.3 钢筋混凝土地锚计算

扣索地锚所受拉力:T=T1+T2= (53.1+74.1) ×9.8=1 246.6 kN。

单个地锚 (两根ϕ150 cm混凝土桩) :

G=AHγ=0.752×3.14×5×25×2=442 kN。

Gh=Gsinθ=442×3.5/ (102+3.52) 0.5=146 kN。

Gv=Gcosθ=442×10/ (102+3.52) 0.5=417.2 kN。

N2=Fh×0.9/3.3=1 246.6×0.9/3.3=340.0 kN。

N1=N2+Fh=340.0+1 246.6=1586.6 kN。

1) 抗拔稳定性:

因沿桩轴线方向的上拔力为0, 故抗拔稳定性不需进行计算。

2) 抗拉稳定性K2=hb[σ]/N1。

其中, h为受压高度, h=0.8 m;b为受压宽度, b=2D=2×1.5=3 m;[σ]为岩层 (石灰岩) 抗压强度, [σ]=3 400 kPa;N1为水平拉力, N1=1 586.6 km。

K2=0.8×3×3 400/1 586.6=5.1>2 (满足要求) 。

5结语

通过对该设备有关参数的验算, 可以看出该设备能够满足本桥预制拱箱的吊运安装要求, 同时是安全可靠的, 可以用于本桥预制拱箱的吊装施工。

参考文献

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桥梁缆索用HDPE寿命研究现状篇4

关键词：HDPE,应力开裂,寿命,大气老化

1 概述

HDPE在1956年就已推出,它具有密度较大,力学强度、熔点和硬度较高的特点,同时可应用各种先进技术改善和提高HDPE的其他性能。近50年来,HDPE在土木工程行业中的应用越来越广泛,桥梁工程中应用是以HDPE为基料的缆索热挤护套用料,其中添加了2.5%左右的炭黑并已加入了抗氧剂以保持HDPE加工和成型后的热稳定性,使之具备吸湿性小、耐磨性好、耐寒性好、耐化学药品性好、易加工及良好的耐环境应力开裂性等优点。但是它存在提前开裂这一普遍的问题。开裂与HDPE材料性质、几何外形都有关系。在桥梁拉索护套上使用的HDPE还受到包括大气老化与受力因素的综合作用。因此需要找出对应这些条件下HDPE护套应力开裂寿命和老化寿命的方法。

2 HDPE的破坏

HDPE护套的开裂可以归为以下三种原因[1]:1)第三方损伤。2)节点破坏。3)材料失效。第三方损伤是由一些不规范的施工方式造成的。节点破坏可能是由于HDPE与锚固端的连接方式不合理或者材料缺陷导致的熔融结合瑕疵。与材料失效和聚合物的材性、制作过程错误等有关。

HDPE的开裂存在两种破坏形态:脆性和延性。延性破坏过程会伴随着宏观屈服现象。延性破坏时间由蠕变速率决定;脆性破坏过程会伴随着裂纹增长。这两种过程同时进行,最终失效取决于在一定应力、温度和刻痕深度下,哪个过程发展的更快。

3 应力开裂机理

3.1 微观机理

Lustiger曾提出一个简单模型来描述HDPE材料[2]:

HDPE材料包含有序结晶性区域和无定形区域两部分,结晶区域包括称为片晶的褶皱晶层,它们被无定形区域分隔开来。晶层间的聚合物链在变形时起关键作用。晶层间有三种这样的链:纤毛、松散环和分子结。Lustiger模型的关键点就是分子结在破坏过程中的作用。当应力较小,分子结会慢慢解开并随时间松弛,因此应力开裂破坏发生在片晶之间。图1显示了这个过程,断裂面呈现脆性破坏的特征。

3.2 宏观机理

银纹可以被认为是应力开裂的宏观表现。银纹(损伤区)就是裂纹尖部张开和纤维拉伸开的区域。图2表示银纹的结构。破坏过程可以分成几步。首先,在刻痕末端施加荷载后立即形成银纹。在银纹的末端,材料的局部屈服产生了塑性区。

微纤维承受应力,随着时间的推进,微纤维伸长导致银纹缓慢增长。银纹区域微纤维的断裂使裂纹增长。当微纤维减少到临界值时,材料就完全破坏了。

4 应力开裂实验方法

实验室采用加速法模拟SCG过程。最常用的方法包括应力集中(刻痕),升高温度,改变环境,施加高应力或者疲劳荷载。常见HDPE应力开裂实验方法见表1。

5 HDPE应力开裂寿命预测方法

5.1 断裂力学方法

分析HDPE的开裂通常采用线弹性断裂力学(LEFM),许多学者研究了应力强度因子K和裂纹增长率之间的关系,提出了一些半经验模型,但是多数断裂力学模型中裂纹增长率的稳定性只有在增长速率达到或者超过10-9 m/s时才成立[10],但实际的裂纹增长速率远低于那个值。LEFM方法不方便计入蠕变效应[11]也使它无法预测HDPE的开裂行为。

5.2 转换法

Boltzmann提出了线性粘弹性基本方程,其应用之一就是时温等效原理(简称TTS)。

D(t,T)=D(t/aT,Tr)。

其中,aT为时间温度转换系数,可以通过Williams-Landel-Ferry(WLF)方程得到:

$\log a_{Τ} = \frac{C_{1} \cdot (Τ - Τ_{r})}{C_{2} + (Τ + Τ_{r})}$ 。

其中,C1,C2均为常数。

TTS假定材料结构在测试过程中不改变,而且只有材料低于熔点温度下的线性变形范围内才有效,温度会影响微晶体的运动,当温度高于熔点时,PE的晶体结构就会改变,而且高温会导致材料重结晶,小的晶体会生成大晶体。因为温度对结晶度有影响,单独对曲线进行水平转换不能得到连贯的主曲线。我们需要对曲线同时进行水平和竖向转换,即双向转换。转换因子表达如下[12,13]:

aT=exp[-0.109(T-Tr)];

bT=exp[0.011 6(T-Tr)]。

其中,aT为水平转换系数;bT为竖向转换系数;T为实验室测试温度;Tr为任意参考温度或者目标温度。

5.3 反应速率法

瑞典化学家Arrhenius发现化学反应速率的对数是温度倒数的函数,认为温度变化不会引起材料较大的结构变化。可以用下列方程表示:

k=k0e-E/RT。

其中,k为动力学速率常数;k0为动力学速率指前常数;E为表观活化能;R为气体常数,取8.314 J/mol;T为绝对温度。

从Arrhenius方程引申出如下反应速率法模型[17],这也被ASTM和ISO规范采用:

$\log t = A + \frac{B}{Τ} + C \cdot \log σ$ 。

其中,t为实验温度下的失效时间;σ为施加的应力;T为实验温度;A,B,C均为常数。

6 大气老化

抗应力开裂能力仅仅从物理性质方面规定了对HDPE的要求,但是一些桥梁实际运营过程中HDPE始终暴露在大气环境中,大气环境中的辐射、温度会使HDPE发生劣化。老化后HDPE的实际抗应力开裂能力降低。这种化学变化对使用性能影响不可忽视,甚至直接决定了护套的使用寿命。

大气老化的作用可以通过化学反应动力学角度,推导出某物理性能指标达到一定值时的时间与试验地点的光能量和环境温度的关系式,即寿命方程。利用已知的实验数据进行回归分析,就可以预报HDPE在任意地点的寿命。下面的公式可以用来描述HDPE的老化寿命[7]:

$\log t = \log A + \frac{B}{Τ} - D \cdot \log Q$ 。

其中,t为某一性能指标达到某一定值的时间,例如拉伸强度或者伸长率保持70%的时间;T为户外暴露试验地点的年平均温度;Q为户外暴露试验地点的太阳年均总辐射量;A,B均为常数。

7 结语

渡槽施工中缆索吊装技术应用研究篇5

瑞昌市位于江西省北部偏西,长江中下游南岸,东邻九江,南接安县,具有“通衢”之称,交通便捷。其下辖的横岗镇远景村设置有多座高架渡槽,上接横岗水库,下至各个村落,是该地区主要的农田灌溉渠道。由于年久失修,渡槽出现了不同程度的淤塞、漏水等问题,无法发挥应有的灌溉效果。对此,地区政府决定新建渡槽工程项目,以满足农田灌溉需求。

工程全长306.7m,横跨河谷和水田,周边河流众多,水资源丰富,软土广泛分布,基础承载能力和稳定性略有不足,需要采取相应的加固措施。工程属于拱式渡槽,渡槽平面位于直线段,主拱圈跨度103.2m,矢跨比1:4,渡槽设计流量12m3/s,加大设计流量15.3m3/s,河流水深2.33m,水流速度1.86m3/s,糙率为0.021。在渡槽工程中,一共设置有16座排架、2座槽台,排架的最大高度为12.35m。主要工程量见下页表。

2 缆索吊装技术在渡槽工程施工中的应用

缆索吊装技术,简单来讲,就是利用悬挂的缆索对构件进行运输和安装的一种施工技术,在渡槽工程施工中有着相当广泛的应用,相比较传统施工技术,在质量、效率和安全等方面都有着显著的优势[1]。缆索吊装技术的基本结构见下图。

2.1 施工方案

考虑工程的施工要求以及具体的施工环境,在工程中选择无支架缆索吊装技术,对箱型拱肋进行运输和安装,同时在拱圈临时定位中,应用了斜拉扣挂的方法。在单箱拱肋预制中,为了方便运输和吊装,将其分为9段,在空中完成拼接工作。需要注意的是,在拱箱预制完成后,必须首先进行全面的检测工作,如果发现问题,需要及时进行处理,避免不合格产品进入施工现场,影响工程的施工质量。确认无误后,利用运输车辆将拱箱运输到缆索正下方,借助缆索将其吊装到设计安装位置。在进行拱箱就位的过程中,采用临时钢板,而中箱的吊装则应该由两端向中间对称进行,合拢后拆除扣锚索。之后,还需要安装边拱箱,直到全桥的拱箱合拢完成。

2.2 施工难点

在工程施工中,存在着下列两个难点问题:

a.场地的局限性。

施工现场的地形相对复杂,给施工组织带来了很大困难,而且在施工过程中,需要进行吊塔和扣塔横移,不仅难度大,而且导致了工程量的增加。因此,需要设置能够实现自动横移的缆索起重机。

b.技术本身的复杂性。

在工程施工中,采用了无支架缆索吊装技术和斜拉扣挂的方法,在实际操作方面有着较大的难度,需要做好规划设计和安全防护工作[2]。

2.3 技术要点

缆索吊装系统设备包括吊塔、扣塔、主索等。吊塔的作用是连接缆绳,由贝雷钢桁架片构成,下部与基础铰接,可以在水平方向上自由移动,具有良好的灵活性,可以适应不同的施工要求;扣塔多由钢管组成,包括6根主钢管,钢管的尺寸由施工需求确定,两两对接;主索的类型多种多样,利用主索地锚固定,必须具备良好的强度和抗拉性能。

a.功能。

一般来讲,缆索起重机包括吊装系统、扣索系统、稳定系统。吊装系统包括索塔、吊锚、吊装索缆。扣索系统包括扣塔、钢绞线扣索、索锚结构。在该工程中,从施工需求出发,选择6根钢丝绳作为吊装系统主索,利用一套两吊点进行拱肋的吊装,两点的连接可以借助钢丝绳实现,从而保证两套牵引系统同步运行。在对主索道上两个吊点进行串联后,通过一套牵引绳进行联动。以贝雷片拼装成吊塔,并将主塔架设置在进口岸的渐变段,与出口岸塔的高度分别为27m和15m。对钢管桁架进行搭建和焊接,形成扣塔,同时设置相应的辅助连杆[3]。

b.安装。

在对缆索吊装系统进行安装时,必须严格按照设计要求进行,确保安装流程的合理性。首先是塔体的安装,由贝雷片拼装而成的吊塔在预制和运输上非常方便,可以在施工现场进行叠加和拼装,需要做好现场管理工作,保证良好的拼装效果。其次是扣塔的安装,考虑到扣塔需要借助钢管桁架才能形成,可以利用缆索吊机来进行扣塔的安装操作,在安装时,需要设置现场指挥人员,保证施工安全。然后,需要确保粗细钢丝绳有效结合,实现缆索安装。在实际操作中,应该首先将细钢丝绳的绳头放到谷底,对两个钢丝绳的绳头进行人工连接,之后利用15t牵引卷扬机,使劲拉细钢丝绳,并且带动牵引索进入牵引卷扬机。最后,借助牵引卷扬机完成对主索的来回牵引,实现缆索安装。而在缆索安装完成后,需要利用滑轮组和卷扬机相互配合来收紧主索,确保其达到设计垂度,同时保证缆索的牢固性。

c.试吊。

在缆索吊装系统安装完成后,需要做好试吊工作,对系统的稳定性和可靠性进行检测,避免在施工中出现安全事故。应该按照逐级加载的方式来增加试吊的重量,通常在加载开始时,仅为设计标准的25%,然后逐渐提高到50%、75%、100%、120%,当达到120%的吊装重量后,只需要进行塔前起吊,不需要来回牵引,以免造成缆索断裂[4]。在试吊过程中,必须加强现场管理,对塔架位移、后锚情况以及主索垂度的变化进行细致观察,如果发现异常,则应该立即停止操作,查明原因并采取针对性的应对和处理措施。在试吊结束后,还应该对整个过程中观察到的数据进行记录,分析可能存在的安全隐患,设置相应的应急防范措施,切实保证缆索吊装施工的安全。

2.4 注意事项

在现场施工中,存在着许多可能影响施工质量和施工安全的因素,必须得到足够的重视,切实做好现场施工管理。一是应该针对软土基础进行处理,通过排水固结的方法,排除多余水分,提升基础的稳定性和承载能力,确保其能够满足工程的施工要求:二是在进行缆索吊装施工的过程中,必须安排专人进行现场指挥,做好防护工作,划出相应的施工高危区域,减少安全事故发生的概率。例如,在平台底部铺设钢板网,在四周设置围栏,在平台下设置保护网,避免出现高空坠落的情况,在爬梯两侧安装扶手,在底部铺设钢丝防护网,以保证安全。三是应该做好施工质量控制,在对缆索吊装技术进行应用时,需要严格依照设计施工要求进行操作,同时做好施工材料的质量检测,保证材料的性能良好,防止质量隐患出现[5]。

2.5 安全管理

a.重视安全教育。

施工前,需要做好相应的技术培训和安全教育,引导现场施工人员和管理人员牢固树立安全意识和责任意识,加强对安全生产相关法律法规的学习,完善现场安全管理制度,使员工能够真正认识到安全生产的重要性,并且重视起来。应该做好施工现场的安全管理,对于施工中存在的安全隐患,必须有一个清楚的了解和认识。也可以利用一些事故案例,对安全生产的经验进行总结,使员工看到安全事故带来的严重后果,强化安全意识,在施工中约束自身行为,杜绝违规操作。对于一些特殊的工种,如高空作业,必须经过专业培训和身体检查,确保持证上岗。

b.提升安全技术。

在进行施工前,需要从工程的实际情况考虑,编制完善的安全措施计划,同时确保计划的严格落实,在没有安全保障的情况下,不能开始施工。应该设置专门的安全领导小组,定期开展会议,对安全生产问题进行讨论,做好相应的安全检查工作。应该设立应急救援队伍,配备完善的救援设备,确保在安全事故发生时,能够第一时间进行现场救护,保证员工的生命安全。以安全用电为例,在施工过程中,应该尽可能用电缆进行临时电源的连接,同时确保电缆不经过易燃易爆物品,减少施工活动对于电缆的影响。

3 结语

远景村渡槽工程建设的主要目的是满足农田灌溉的客观需求,关系着当地农业的发展。在工程建设中,利用缆索吊装技术,在很大程度上简化了施工难度,保证了施工质量,而且使工程能够提前完工,没有耽误农田灌溉。在试运行阶段,工程运行良好,没有出现质量问题,表明缆索吊装技术在渡槽工程施工中有着非常显著的应用效果。

参考文献

[1]姚宇.悬臂吊装拱式渡槽施工技术及疑难问题解决措施[J].水利建设与管理,2014,34(7):6-9.

[2]邓颖新.缆索吊装技术在水利水电渡槽施工中的应用[J].黑龙江水利科技,2015,43(4):129-130.

[3]李梅,朱莉.水利水电渡槽施工中缆索吊装技术[J].低碳世界,2016(2):78-79.

[4]韩征.探析水利水电渡槽施工中缆索吊装技术的应用[J].住宅与房地产,2015(22):55.

缆索机器人及喷涂机构实现方法篇6

斜拉桥是大跨度桥梁的最主要桥型,由索塔、主梁、斜拉索组成。斜拉索是重要的受力部件。加强斜拉索防腐保护的研究,是当前斜拉桥的重要研究内容之一。针对斜拉索在空气中的环境污染腐蚀等问题,目前的保护形式主要是人工维护,它有维护工期长、成本高和工作环境危险性高等缺点[1],因此有研究缆索机器人取代人工维护的必要。

缆索机器人作为机器人的一种,在工程实践中有着较为广泛的运用,如除了对斜拉桥的缆索进行喷漆等维护外,还可用于供电电缆的维护、架空管道的维护等。基于此目的,本课题拟开发一种自动沿索爬升并能完成喷涂任务的缆索机器人。

目前的国内外各种爬升模型,有直线连续爬升、夹紧蠕动爬升、螺旋攀援爬升和吸附爬升等几种方式。其中,螺旋爬升方式有利于减小爬升阻力,但不利于操作机构及必要作业物资的携带。当缆索截面为较小的圆形或近似圆形时,真空或磁力吸附其上的爬升方式难于实现[2]。目前研究成功的有电动连续式爬缆机构、气动蠕动式、液压蠕动式爬缆机构。气驱动或液压驱动爬缆机构结构较复杂,需要空气压缩站或液压站,气缸或液压缸行程所限,只能实现脉动式前进,速度较慢,成本较高。本文提出一种新的电驱动爬缆机构,该机器人结构合理,可有较高的爬升速度,主要功能是用来给斜拉桥缆索喷漆,代替传统的人工操作。经过扩展设计还可用于缆索检测和清洗等。

2 机器人结构

2.1 机器人整体结构

机器人整体结构如图1所示,其主要部件有PLC、爬升机构和操作机构等。

2.2 电驱动爬升机构

该电驱动爬升机构由机架,锥形夹头机构,链传动机构,驱动电机,光电编码器,滚动轮,步进电机,喷涂机构等部分组成,如图2所示。

锥形夹头机构是一个单向自动定心夹紧装置。外壳内的锥体[3]在弹簧的作用下上移,使120°均布的3颗滚动体,由于套螺母内锥面的作用向中心收拢夹紧缆索,机构静止;工作时,电机带动链传动机构,锥形夹头机构中的滚动体因相对运动滑向椎体大端,松开缆索,使机体上升。

为使喷涂装置正常作业,机器人返回运动时,采用恒速系统控制下滑速度。

1.机架2.链传动机构3.驱动电机4.光电编码器5.滚动轮6.步进电机7.缆索8.喷涂机构9.锥形夹头机构

机器人爬升到缆索顶部时,传感器给PLC到顶信号,步进电机正转,驱动偏心轴将锥体向下压,滚动体松开缆索,机器人靠重力作用自然下滑。下滑时经光电编码器检测达到一定速度时,PLC控制步进电机反转,滚动体向椎体小端运动,摩擦力增加,速度下降。如此往复,达到匀速下滑目的。下滑的同时,PLC控制操作系统进行喷漆作业。

3 喷涂机构

以南京长江二桥为例,最长斜拉索长335.8m,钢丝根数为265根丝,最大表面积为105m2,按17m2/L/单遍(干膜30μm计)计算,加上50%的喷涂损耗,缆索机器人需携漆量为13L。市场上容量20L的涂料压力桶为30kg左右,可挂在机架的上底板上。

为防止涂漆过程中缆索上有漏漆现象,可将喷涂机构设计成如下两种形式。如图3所示。

方案11.初级2.次级3.连接杆4.滑块5.导轨6.喷枪方案21.初级2.次级3.导轨4.喷枪5.连杆

方案1:该喷涂机构由圆筒形直线感应电机[4]的初级1、次级2、一组连接杆3、滑块4、导轨5和一组喷枪6构成。电机的初级固定在机架上底板上(图2未标记),次级2作往复直线运动,带动与之铰接的一组连接杆3,3推动滑块4在导轨5中运动,PLC控制涂料筒及喷枪开启,对缆索6实现喷漆过程。导轨5由内圈和外圈构成,共同固定在机架上底板上。图3(a)和图(b)为该喷涂机构的两个极限位置。

方案2:该喷涂机构也是由圆筒形直线感应电机的初级1、次级2、导轨3、一组喷枪4、连杆5构成。电机固定方式与方案1相同,连杆5与之铰接。导轨由上圈和下圈组成,下圈固定,上圈可相对下圈周向相对运动,喷枪与上圈固定连接。电机的次级带动连杆往复运动时,导轨上圈带动喷枪实现摆动喷漆。PLC控制涂料筒及喷枪开启,实现喷漆过程。两个方案中,电机的往复运动靠控制线路来实现。导轨和连杆尺寸可根据缆索直径,喷枪喷幅等通过优化设计实现。

4 结语

本文介绍了一种新型缆索机器人及两种喷涂机构的实现方法,是缆索涂装方面的一种新思路。

摘要：缆索机器人上升时,运动机构主体由两个锥形夹头机构和链轮组成,锥形夹头机构起导向作用。下降时,光电编码器的数字信号通过PLC模块处理控制步进电机,进而控制锥形夹头机构,进行速度控制。机器人在匀速下降时通过自动喷漆机构进行喷漆。

关键词：缆索机器人,PLC,锥形夹头机构,喷涂机构

参考文献

[1]吕恬生,罗军.缆索涂装机器人(CPR)爬升机构的研制[J].机械设计与制造工程,1999,28(4):32-34.

[2]张家辉,吕恬生,王钧功,等.斜拉桥爬缆机构的研制[J].中国机械工程,2001,12(12):1348-1351.

[3]党根茂.电子精密机械导论(第10版)[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.

某大桥缆索吊系统的设计与施工篇7

关键词：缆索吊,设计,施工

1 工程概况

本桥横跨长江河汊, 全桥长度469m, 桥梁全宽23m, 主桥采用上承式混凝土拱桥, 跨径组成为:4×80m+87m, 主拱圈为箱形板拱, 引拱为36.4m空腹式现浇拱。

2 缆索吊装系统的设计 (如图1所示)

缆索吊系统的组成: (1) 塔架:架体选用M型万能杆件组拼而成;岛侧塔架高73.3m, 公路侧塔架高53.3m, 横向宽28m, 纵向宽4m。 (2) 锚碇:岛侧每组锚碇设置4根直径1.6m钢筋砼锚桩, 公路侧每组锚碇设计6×12φ15.24钢铰线锚索, 锚索锚入基岩中的深度25m。 (3) 钢索:钢索选材详见表1。

3 缆索吊装系统的施工

3.1 缆索系统安装工艺流程 (如图2所示)

3.2 塔架基础施工及塔架安装

3.2.1 塔架基础施工。

公路侧塔架为整体板式基础, 基础尺寸为26×6.5×1.8m。岛侧塔架基础为分离式板式基础, 共设置3个, 两侧塔架基础尺寸为4×6.5×1.8m, 中间塔架基础尺寸为6×5m×1.8m。两侧塔架基础砼标号为C30。塔脚埋设φ32mm地脚螺栓进行栓接。

3.2.2 塔架安装。

塔架材料为M型万能杆件, 拼装时利用独脚拔杆配合卷扬机滑车组提升万能杆件。在索塔拼装过程中, 设置临时稳定风缆, 待固定风缆安装完成后拆除。

3.3 主锚碇施工

岛侧锚碇要求基底及侧壁承载力不小于0.25MPa。公路侧主锚碇锚位置为斜坡面, 开挖后应保证最低点位置C40垫梁的锚固 (即垫梁顶面不悬空) , 否则应在保证后拉索水平夹角变化不大的前提下, 对锚碇的标高及桩号进行一定调整;锚碇施工先开挖出前后倾斜面, 后倾斜岩层面最低点斜高不小于2.5m, 将新鲜岩层面冲洗干净, 然后紧贴岩层面浇筑高2.5m、厚1.2m的垫梁C40砼, 同时注意锚下钢筋网及索套管的精确预埋和定位 (必要时设置架立筋) ;砼养生达到设计强度后, 利用潜孔钻钻孔至设计锚孔深度, 制作并及时安装锚索, 灌注微膨胀水泥砂浆, 待砂浆强度满足设计要求后, 张拉锁定锚梁、安装钢索锚固滑轮和悬索吊装系统。

3.4 主索安装

塔架拼装完成后, 收紧风缆, 调整塔架轴线满足设计要求, 再进行主索、工作索等的安装。主索过河采用从岛侧展放通过导引索牵引至公路侧的方法。主索在运至工地前由厂家提前进行预张拉处理, 并根据施工要求的每根长度800m进行截取, 在每根主索的跨中涂红油漆标识, 以便于测量主索跨中矢度。

3.5 天跑车及起吊滑车组安装

天车及起吊滑车组均在岛侧塔架前进行, 逐台安装。利用塔架桅杆做起吊工具, 逐个按图安装于主索上。同样的方法安装另一台天车及起吊滑车组, 然后穿牵引索, 牵引索按来回线布置。

3.6 检测塔架的垂直度, 调整缆风绳初始张力, 使塔架初始位移满足设计要求。

4 试吊

缆索吊系统在安装并调整完成后, 进入试吊环节, 先空载运行几个回合, 观察系统工作情况, 无异常后, 再进行配重吊装, 配重吊装严格分三次进行, 配重分别为设计吊重的70%、110%及130%。试吊时必须随时观测主索垂度以及后锚情况, 发现异常及时停止作业并分析原因进行处理后才能继续进行吊装作业。

5 结束语

由于本桥为连拱拱桥, 缆索吊装过程中对临时扣索的要求相对较高、难度较大, 本大桥缆索吊装系统的成功使用, 期望能对今后多跨连拱拱桥的缆索吊装系统施工有参考意义。

参考文献

[1]范立础.桥梁工程 (第二版) .[M].人民交通出版社.

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