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摘要：目前桥梁墩柱人工覆膜存在高空作业安全风险、施工效率低、覆膜质量不可控等问题。为了解决这些问题，开发了一款自动覆膜机。该覆膜机由机架、爬升轮组、限位轮组、回转环以及膜具等组成。其中回转环受力复杂，其作业稳定性对覆膜作业质量和安全性具有较大影响。为此采用有限元分析方法，开展了回转环覆膜动力学仿真分析，研究作业过程中回转环结构参数对其结构强度和振幅的影响。结果表明：结构钢回转环等效应力４８．３２ＭＰａ，振动幅值为７．２ｍｍ，满足覆膜机安全稳定的要求。回转环振动是影响作业稳定性和安全性的主要因素。密度和厚度越小回转环振动越大，不利于覆膜机的安全稳定作业。为此在进行覆膜机回转环轻质化设计中需合理设计回转环厚度和材料，防止回转环作业振幅过大，导致作业风险。
关键词：墩柱；覆膜机；回转环；振动；动力学仿真
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｉｅｒｃｏｌｕｍｎｓ；ｌａｍｉｎａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ；ｒｏｔａｒｙｒｉｎｇ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
０引言
墩柱是桥梁工程的重要组成部分，墩柱质量的好坏直接影响到桥梁的安全性能和使用寿命［１－３］。２００７年广东佛山九江大桥被运砂船猛烈撞击，造成九江大桥３个桥墩倒塌，其所承桥面约２００ｍ坍塌，致使８人死亡。墩柱质量对桥梁至关重要。
墩柱是由钢筋混凝土浇筑而成，混凝土浇筑后，由于水泥水化作用［４］逐渐凝结硬化。水化作用需要适当的温度和湿度条件，因此为了保证混凝土有适宜的硬化条件，使其强度不断增长，必须对混凝土进行养护作业。目前关于混凝土的养护方式主要包括蓄水养护、喷雾养护、洒水养护、带模供水养护、蒸汽养护、喷涂养护剂和覆盖塑料薄膜等［５－７］。邹小平等［８］研究了养护剂中成膜组分和无机增强组分对养护剂的性能的影响，并对比了不同品牌水泥下养护剂的性能。徐有为［９］基于桥梁高墩爬模施工的工艺特点，设计出了一种适应于爬模施工混凝土智能养护装置，解决了爬模施工过程混凝土养护质量问题。习晓红等［１０］采用多变量模式对混凝土养护的温湿度偏差及温湿度均匀性进行控制。通过智能传感网络、精细分段控制、均匀性控制、组合式超声雾化等技术的应用，研制出一套混凝土标准养护智能测控系统。李双越［１１］对桥梁墩柱的裂缝成因进行了说明，并阐述了覆膜对于桥梁墩柱质量的重要性。可以发现，洒水养护、喷涂养护剂和覆盖塑料薄膜是应用最多的养护方式，其中洒水养护存在养护效率低，养护质量不稳定等特点；喷涂养护剂存在适用范围窄，原料成本较高的缺点。而覆盖塑料薄膜是应用最为广泛的养护方式，具有使用方便、成本低廉的优势，但是在覆膜中存在高空作业安全风险、施工效率低、覆膜质量不可控等问题，因此本文设计一款全自动的覆膜机，可有效解决上述覆膜问题。
在覆膜机研究领域，意大利ＦＯＲＩＧＯ公司［１２］研制了一种主要适用于砂土的起垄覆膜一体机，覆膜作业时，开沟器先将地垄两侧边缘划出一条沟槽，整机行走地膜平铺于地垄上侧，随后压膜轮将地膜边缘压入沟槽，最后由覆土铲将垄沟周围土壤铲入地膜两侧完成覆膜；赵立军［１３］等人研制的２ＢＦ－１４００型水稻覆膜播种机，作业时，由最前端整地装置将地表整平，由开沟器在机器两侧开出压膜沟，机器向前行进，挂膜装置上的地膜展开平铺于地面，压膜轮将地膜两侧压紧至垄沟，最后由覆土圆盘将土壤压至地膜两侧，完成覆膜作业；韩占华等［１４］设计了一款主要应用在为外形规则的圆柱形产品（如铜卷、大桶奶粉、大桶化工品等）表面覆盖薄膜的生产线或装配线上。
国内外覆膜机大多运用于农业上的覆膜，针对桥梁墩柱覆膜的自动化设备并无先例，因此本文设计了一款自动覆膜机，可有效降低桥梁墩柱人工覆膜存在的高空作业和吊车违章操作等安全风险，解决施工效率低、覆膜质量不可控等问题。并采用有限元分析方法，对自动覆膜机关键部件回转环进行动力学仿真分析，为桥梁墩柱覆膜工程的施工安全提供了保障。
１覆膜机结构及工作原理
图１所示为自动覆膜机工作原理。首先，安装好的自动覆膜机在小车驱动轮的推力作用下沿着墩柱向上移动，到达墩柱顶端指定工作位置后，限位轮中的动力轮在电机的作用下转动，并通过摩擦力带动与之接触的回转环转动，回转环上固接的养护膜随着回转环的转动开始覆膜作业，同时覆膜机受到重力的作用开始向下运动，直至到达地面完成覆膜作业。回转环是覆膜工作中最重要的部分，在养护膜重力（偏载）和顶托轮支撑力、限位轮摩擦力等耦合作用下，可能发生晃动失稳，应力集中现象，所以对回转环的应力、塑性应变和振幅进行研究，以保证其稳定性达到要求，并在安全的范围内对回转环结构进行优化，以达到轻质化的作用，减少原料使用，可有效降低覆膜机成本。
图２给出了自动覆膜机的结构，其主要由膜具、限位轮组、回转环、机架和爬升轮组组成。其中回转环作为转动部件，在偏载作用下易发生振动，如果回转环振幅太大对覆膜质量造成较大影响，甚至出现回转环脱落的安全风险，为此开展回转环受力分析和动力学仿真至关重要。
２回转环动力学仿真分析
2.1受力分析
回转环是养护膜的承载部件，带动养护膜转动施工。其受力分析如图３所示。回转环受到的力包括自身的重力、养护膜的重力、限位轮中的动力轮对回转环的摩擦力、顶托轮的支撑力和摩擦阻力、回转环与限位轮之间的摩擦阻力。
２．２动力学仿真模型
回转环和限位轮的材料都设置为结构钢，材料参数如表１所示。为了更真实地模拟回转环的作业工况，建立了回转环运动的仿真模型，模型包括回转环、４个内、外限位轮、４个顶托轮和４个顶限位轮。具体仿真模型如图４所示。
２．３边界条件
２．４网格划分
通过上述建立的回转环仿真分析模型，对回转环进行网格划分。采用结构化六面体网格划分［１６］，网格数２８０００个。网格质量良好，网格划分如图６所示。
３结果分析
３．１等效应力
图７为回转环的等效应力云图。结果显示，回转环应力主要集中在膜具重力加载点和相近的顶托轮之间，当施加膜具重力为２００Ｎ时，回转环最大应力为４８．３２ＭＰａ，该应力远小于结构钢屈服应力２３５ＭＰａ，表明回转环作业过程中强度满足要求。
３．２等效塑性应变
３．４回转环结构优化
墩柱覆膜属于空中作业，覆膜机重量的轻质化设计不仅可以提高设备作业的稳定性，还可以增加高空作业的安全性以及设备成本。为此从回转环结构和材料两个方面开展了回转环的轻质化研究。基于上述仿真模型，对比了结构钢和铝合金两种材料的回转环安全性，以及两种厚度回转环的安全性。如图１０所示为厚度为６ｍｍ和５ｍｍ的回转环仿真模型。
表２为施加１００Ｎ的膜具重量时，３种仿真模型的计算结果。表中可以看出当厚度均为６ｍｍ时，与结构钢材料相比，回转环材料为铝合金时其振幅增大，应力变小。当回转环材料均为铝合金时，厚度越小振幅和应力越大。结果表明结构钢和铝合金２种材料的回转环，在作业过程中受到的最大等效应力均远低于材料的屈服强度，故两种材料均满足结构强度安全的要求。表中显示回转环相同厚度条件下，铝合金材料的回转环在作业过程中的振动情况更加严重。同时相同材料的条件下，厚度越小回转环的振幅越大，不利于覆膜作业。为此，在覆膜机轻质化设计的要求下，需合理设计回转环厚度和材料，防止回转环作业振幅过大，导致作业风险。
４结束语
为避免墩柱人工覆膜高空作业带来的风险，提出了一种墩柱自动覆膜机，解决了人工覆膜效率慢，覆膜质量不可控的问题。为提高覆膜机的安全性，对关键部件回转环进行了动力学分析，具体结论如下：
（１）仿真结果表明：回转环厚度为６ｍｍ时，施加２００Ｎ的膜具重量，０．６２８ｒａｄ／ｓ的转速，回转环的变形为７．２ｍｍ，最大等效应力为４８．３２４ＭＰａ，都在其材料参数允许的变化范围之内，说明结构钢的强度满足需求。
（２）与结构钢相比，在满足安全作业的条件下，回转环材料为铝合金时可有效减小覆膜机重量，实现覆膜机的轻质化设计。
（３）回转环作业振幅是影响覆膜机作业安全性的主要因素。在覆膜机轻质化设计的要求下，需合理设计回转环厚度和材料，防止回转环作业振幅过大，导致作业风险。
桥梁墩柱自动覆膜机的出现使桥梁墩柱的质量更加均匀细致，从而增加了墩柱承受冲击力和承载力的能力，减少了桥梁工程事故的发生。但本文只针对回转环两种材料进行了仿真分析对比，并且仅对回转环厚度进行了优化，可对自动覆膜机的进一步优化提供参考。后续可开展多种材料的仿真，并对自动覆膜机的其他部分开展综合优化研究。
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