CN112796256B - 一种摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置及其运行方法，该装置包括台座、可翻转滑块、控速限位弹簧、复位单元、常力支撑单元和超载报警单元，所述台座支承所述可翻转滑块和常力支撑单元，并在所述台座与所述可翻转滑块之间设置所述控速限位弹簧和所述复位单元，根据车辆载重，可翻转滑块可以形成5％～10％左右坡度，从而强制车辆限行，同时，超载报警单元发出超载警报。本发明利用界面摩擦力与车辆总重是否平衡来自动控制车辆是否可以上桥，限制了上桥车辆的荷载，减轻了桥梁承载负担，可以有效防止由于车辆超载引起的桥梁损坏。

Description

一种摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置及其运行方法，属于土木工程道路施工技术领域。

背景技术

车辆会对道路的产生一定的损坏日，超载车辆对桥梁的损害比较突出，有着极大的安全隐患。超限超载车辆的核载远超桥梁的设计承受荷载，这会致使桥梁使用年限极大地缩短，缩短了旧桥成为危桥的时间。目前对于可能在重载作用下的桥梁，多以监测、加固处理、采取限载措施来进行保护，以免造成较大的损失。其中，限载措施方面尚缺少严格有效且更加自动的方法。

申请号为CN201220028274.8的中国实用新型专利，公开了一种车辆超载移动检测装置、检测控制装置及系统，该车辆超载移动检测控制装置通过相连接的GIS模块、中央控制模块，处理地理位置信息、定位信息，能够根据调度指令在需检查路口快速架设，应用超高频有源RFID技术、GPRS技术、GPS技术和GIS技术，提高了识别的准确性，加快了检测速度，工作效率更高。但无法避免超载车辆在行驶过程中存在的潜在危险。

发明内容

为了克服现有技术中超载车辆在行驶过程中具有潜在危险的缺陷，从而提供一种摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置及其运行方法，能够有效地提示车辆超载并将其拦截，起到保护桥梁的作用。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置，其包括台座、可翻转滑块、控速限位弹簧、复位单元和超载报警单元，所述台座包括中间的柱面摩擦铰、左弧形摩擦副、右弧形摩擦副，所述台座支承所述可翻转滑块，对应所述左弧形摩擦副和所述右弧形摩擦副的下面，设置所述控速限位弹簧和所述复位单元，所述柱面摩擦铰与所述超载报警单元连接。

优选的，所述复位单元为复位球铰千斤顶，所述复位球铰千斤顶设置在所述受压控速限位弹簧一侧。

优选的，所述控速限位弹簧包括受压控速限位弹簧和受拉控速限位弹簧，所述受压控速限位弹簧和所述受拉控速限位弹簧分别设置在所述台座的两端。

优选的，所述超载报警单元包括可压缩报警触发板、报警单元电极，所述报警单元电极埋入所述台座中。

优选的，所述台座还包括排水沟和检修通道，所述排水沟设置在底部。

优选的，所述可翻转滑块的下表面设有带凹弧橡胶垫，设置于所述复位单元上方。

优选的，所述常力支撑单元包括锚杆、弹簧、隔板、摩擦块，所述锚杆锚固压缩固定所述弹簧，并固定所述摩擦块，所述摩擦块与所述可翻转滑块接触。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置的运行方法，其包括，当车辆由路面全部驶入可翻转滑块的路面时，当车辆的重量所产生的力矩大于可翻转滑块与台座接触面的摩擦力所提供的抵抗力矩，可翻转滑块沿着台座的圆弧摩擦面滑动，此时受压控速限位弹簧、受拉控速限位弹簧限制下沉速度，并提供逐渐增大的反力使装置达到新的平衡，可翻转滑块形成5％～10％左右坡度，强制车辆限行，同时，可压缩报警触发板和报警单元电极接触，装置发出超载警报；其中，右弧形摩擦副(5)上的支持力为左弧形摩擦副(4)上的α倍，有车载时，0＜α＜1，车辆的行车荷载G_2k≤G₂，G₂为车辆荷载。

优选的，启动所述复位部件，使所述摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置恢复至初始状态。

本发明的有益效果：

本发明提供的摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置，可以利用界面摩擦力与车辆总重是否平衡来自动控制车辆是否可以上桥，限制了上桥车辆的荷载，减轻了桥梁承载负担，可以有效防止由于车辆超载引起的桥梁损坏。

附图说明

图1为摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置的连接关系图；

图2为摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置构造剖面图；

图3为装置在路面上的安装位置及复位千斤顶、控速限位弹簧布置位置平面示意图；

图4为超载车辆驶入装置情况示意图；

图5为有车载时可翻转滑块2的受力分析图；

图6为无车载时可翻转滑块2的受力分析图；

图7为当界面摩擦力f＝μN时，可翻转滑块2的受力分析图；

图8为常力支持单元的结构示意图；

附图标记说明

1—台座；2—可翻转滑块；3—柱面摩擦铰；4—左弧形摩擦副；5—右弧形摩擦副；6—受压控速限位弹簧；7—受拉控速限位弹簧；8—复位球铰千斤顶；9—带凹弧橡胶垫；10—防反转橡胶垫；11—可压缩报警触发板；12—报警单元电极；13—排水沟；14—检修通道；15—常力支持单元；16—控速限位弹簧；17—复位单元；18—超载报警单元；19—锚杆；20—弹簧；21—隔板；22—摩擦块。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例1

一种摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置，其包括台座1、可翻转滑块2、控速限位弹簧16、复位单元17和超载报警单元18。台座1通过三段同心圆弧摩擦面支承上部的可翻转滑块2，可翻转滑块2的左臂下(来车方向一侧)与台座1之间设置复位球铰千斤顶8、受压控速限位弹簧6；对应千斤顶上方，设有带凹弧橡胶垫9安装在可翻转滑块2的下表面；该侧靠近中间柱面摩擦铰3部位设有触发式超载报警单元18。装置的宽度按行车道宽控制，目标翻转角度控制在5％～10％范围内，左臂下最大沉陷量控制为0.4～0.8m。限载值不大于道路桥梁极限荷载的1/2，不小于主控车型额定载重的1.2倍。

台座1为钢筋混凝土制底座，台座1与可翻转滑块2间的圆弧摩擦面，分别由中间底部柱面摩擦铰3、左弧形摩擦副4、右弧形摩擦副5组成，柱面摩擦铰行车方向接触面宽度不小于1m，垂直行车方向长度不小于车道宽度的1/2，不大于车道宽度，可对称分段设置；左弧形摩擦副、右弧形摩擦副接触面弧段长度需要大于设计目标下沉值的2倍。

可翻转滑块2是钢筋混凝土制滑块，共有三个圆弧摩擦面，分别为中间底部柱面摩擦铰、左弧形摩擦副、右弧形摩擦副，与台座1的三个圆弧摩擦面逐一对应。可翻转滑块2的右臂下台座1向局部外伸，用以防止滑块反向滑动，上部设有防反转橡胶垫10，直接与右臂下表面接触；右臂和台座1间设有受拉控速限位弹簧7。可翻转滑块2的总长不少于主控限载车型长度的2倍；滑块厚度不小于1.0m和臂长的1/8。并且如果需要，可通过偏移可翻转滑块2的重心位置增大抵抗力矩。为检修方便和防水，可翻转滑块2上设有检修通道14，台座1上设有排水沟13，便于及时排出雨水污水，减少对装置的侵蚀。

可翻转滑块2是实现判别车辆是否超载的主要构件，起到道路、桥梁承载“保险丝”的功能。当超载车辆由路面驶向可翻转滑块2时，若可翻转滑块2与台座1接触面上的摩擦力所提供的抵抗力矩大于车辆的重量所产生的力矩，则可翻转滑块2保持静止；若可翻转滑块2与台座1接触面摩擦力所提供的抵抗力矩不足以抵抗超载车辆的重量所产生的力矩，则可翻转滑块2沿着台座1弧面开始滑动，可翻转滑块2顶面(即一段路面)逐渐翻转翘起成一定角度，使得装置上路段抬起，强制阻止超载车辆通行。

控速限位弹簧16由受拉弹簧和受压弹簧组成，受压控速限位弹簧6和受拉控速限位弹簧7，宜优先布置在可翻转滑块2左、右臂的端部，对称布置，上端与可翻转滑块2底面、下端和台座1之间固定连接，避免左右滑动。弹簧刚度根据目标翻转角度和限载值确定。该装置在可翻转滑块2滑动时逐渐受力，使得滑块滑动速度得到控制，同时也可以帮助使得滑动后的滑块恢复原来的状态。

复位单元17为复位球铰千斤顶8。复位球铰千斤顶8宜优先布置在可翻转滑块2左、右臂的端部，呈对称布置，以获得较大力臂，提供较大力矩，方便在整体装置因车辆超载滑移后进行复位。对应复位球铰千斤顶8顶面的可翻转滑块2的下方安装有带凹弧橡胶垫9，防止滑块撞击台座1而产生损伤。复位球铰千斤顶8活塞顶面和带凹弧橡胶垫9下表面均为弧面，表面设有弧形钢板，由于弧面适应可翻转滑块2转动后产生偏心接触应力集中产生的损害，而降低摩擦系数和圆弧半径差提供一定的滑动余量，以适应可翻转滑块2转动一定角度后的水平位移，所以钢板表面有降低摩擦系数涂层，摩擦系数不大于3％；同时橡胶垫凹弧半径应不小于千斤顶面凸弧半径的1.5倍。等待状态时上部净空不应小于目标沉陷量，可翻转滑块2两臂下方的净空不小于0.8m。复位球铰千斤顶8总额定顶升力不小于限载值和可翻转滑块2复位所需顶升力之和的2倍。因为摩擦系数等具有一定的离散型，本装置主要目标为保护路桥，因此设置20％的余量，避免出现非超载车报警情况。

超载报警单元18采用触发式，其包括可压缩报警触发板11和报警单元电极12，可压缩报警触发板11由后部弹性垫和前端的金属板组成；可压缩的报警单元电极12埋入台座1中，并和外部声控报警装置相连；两者的间距根据报警沉陷值确定，报警沉陷值宜取10～20mm。当车辆超载使得可翻转滑块2滑移时，可压缩报警触发板11和报警单元电极12接触，可将信号传至外部声控报警装置，从而向车主发出车辆超载警告。

本实施例提供的一种摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置，其参数设计步骤为：

1)根据道路桥梁等级和结构承载能力设定主控超载车型和限载值，取目标沉陷量；

2)根据主动车型选择可翻转滑块长度、厚度和整个装置长度；

3)选择耐磨摩擦副材料，摩擦系数不应小于0.3；

4)根据限载值、可翻转滑块重量、摩擦系数、目标沉陷量确定控速限位弹簧刚度；

5)根据目标超载限值、可翻转滑块重量确定复位千斤顶额定荷载；根据目标沉陷量和复位千斤顶布置位置，预留净空，确定千斤顶高度和型号；

6)根据报警沉陷量确定目标转角范围和触发式报警器触发板和电极间距。

如图2所示为摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置构造剖面图，结合图3的俯视图，在路桥来车一侧放置本装置，当车辆由路面全部驶入可翻转滑块2的路面时，可翻转滑块2与台座1的柱面摩擦铰3、左弧形摩擦副4、右弧形摩擦副5所提供的界面摩擦力与车辆的全部重量存在一个对滑块中点的力矩平衡关系：当车辆小于额定荷载时，即车辆的重量所产生的力矩小于可翻转滑块2与台座1接触面所提供的摩擦力所提供的抵抗力矩，滑块保持静止，车辆可正常驶出本装置；当车辆的荷载大于额定荷载时，即车辆的重量所产生的力矩大于可翻转滑块2与台座1接触面所提供的摩擦力所提供的抵抗力矩，力矩平衡被打破，可翻转滑块2沿着台座1的圆弧摩擦面滑动。此时，受压控速限位弹簧6、受拉控速限位弹簧7开始工作。通过滑块的滑动受压控速限位弹簧6、受拉控速限位弹簧7中的力逐渐变大，可逐步缓解由于最大静摩擦力大于滑动摩擦力而引起的滑块滑动速度加快的情况，限制下沉速度，并提供逐渐增大的力，最后装置达到新的平衡，滑块形成5％～10％左右坡度。当翻转角达到报警值时，可压缩报警触发板11和报警单元电极12接触，接通电源，外部相连的语音报警装置发出超载警报。交管部门接到报警信息后，到现场处理，启动复位千斤顶8，超载车辆驶出，不允许其上桥。

实施例2

针对实施例1提供的摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置，由于装置受力情况较为复杂，为方便确定受力情况，在台座1的左右底座上设置常力支撑单元15，沿垂直路桥道路方向并排布置，优选为在左弧形摩擦副4和右弧形摩擦副5上分别设置常力支撑单元15。常力支撑单元15由锚杆19、弹簧20、隔板21及摩擦块22组成，摩擦块22上有孔，孔的上大下小两种半径的洞，可以卡住锚杆19端部，在锚杆19锚入时与锚杆一同运动，锚杆19穿过摩擦块22，端部卡在摩擦块22洞口。利用锚杆19锚固压缩并固定弹簧20，同时锚杆19也将摩擦块22固定，形成可以常力支撑的摩擦块22，摩擦块22与可翻转滑块2接触，形成左弧形摩擦副4和右弧形摩擦副5，从而提供人为设定的已知支持力N₂和N₃。

常力支撑单元15单元放置在台座1左右底座上，为了方便施工与检修还需在可翻转滑块2的左右两边分别设置检修通道14。

设定右弧形摩擦副5上的支持力为左弧形摩擦副4上的α倍(0＜α＜1)。有车载时，如图5所示，对可翻转滑块2进行受力分析可得

其中，G₁为滑块自重，G₂为车辆荷载，R为左右摩擦副半径，r柱面摩擦铰半径，l为车辆重心至装置重心的距离，为N₁是底座反力，N₂与N₃是已知力，f₁、f₂和f₃为对应界面的摩擦力，θ为已知力与水平方向夹角。规定N₃＝αN₂，取极限荷载时，界面摩擦力f＝μN，则有

由式(1)可知，0＜α＜1。

无车载时，如图6所示，对可翻转滑块2进行受力分析可得

(1)若不断N₂、N₃加大，刚好使得N′₁＝0，则必定有f₁＝0。此时由式(6)可知f₂＝f₃，但式(4)变为(N₂-N₃)cosθ＝(f₃-f₂)sinθ，显然不成立。故N′₁必须存在，否则滑块在给定的N₂、N₃下难以处于平衡状态。

(2)若N₂的值与N₃的差值逐渐变大，即α逐渐接近0，整个滑块体系逐渐进入动态，临界时有界面摩擦力f＝μN。如图7所示，此时对可翻转滑块2进行受力分析可得

求解上式可得α的最小值为

则此时α的取值范围为：

在极限荷载下，对式(1)～(3)进行移项有

令cosθ+μ₂sinθ＝A；cosθ-μ₂sinθ＝B；sinθ-μ₂cosθ＝C；sinθ+μ₂cosθ＝D，则上式变为

(9)×l-μ₁((10)×l+(11))，并将μ₁N₁＝N₂B-N₂Aα带入，可得

(N₂lA+μ₁μ₂N₂R-μ₁N₂lC-μ₁N₂rA)α＝N₂lB+μ₁N₂lD-μ₁μ₂N₂R-μ₁N₂rB-μ₁N₂rB即可得

回代至式(11)中，可得

则行车荷载需满足G_2k≤G₂。

本发明公开了一种摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置，当超载车辆由左向右行驶经过时，装置中的可翻转滑块2会沿着三个同心圆弧摩擦面逆时针旋转，受压和受拉控速限位弹簧可限制下沉速度，并提供逐渐增大的反力，最后装置达到新的平衡，滑块形成5％～10％左右坡度；当翻转角达到报警值时，报警触发板和报警单元电极接触，接通电源，外部相连的语音报警装置发出超载警报。交管部门接到报警信息后，到现场处理，启动复位千斤顶，超载车辆驶出。该装置测试方便、安全可靠、可以有效限制车辆超载继续通行对道路桥梁的危害，并自动报警。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置，其特征在于：包括台座（1）、可翻转滑块（2）、控速限位弹簧（16）、复位单元（17）和超载报警单元（18），所述台座（1）包括中间的柱面摩擦铰（3）、左弧形摩擦副（4）、右弧形摩擦副（5），所述台座（1）支承所述可翻转滑块（2），所述左弧形摩擦副（4）和所述右弧形摩擦副（5）上分别设置常力支撑单元（15），对应所述左弧形摩擦副（4）和所述右弧形摩擦副（5）的下面，设置所述控速限位弹簧（16）和所述复位单元（17），所述柱面摩擦铰（3）与所述超载报警单元（18）连接。

2.如权利要求1 所述的摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置，其特征在于：所述复位单元（17）为复位球铰千斤顶（8），所述复位球铰千斤顶（8）设置在受压控速限位弹簧（6）一侧。

3.如权利要求1 所述的摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置，其特征在于：所述控速限位弹簧（16）包括受压控速限位弹簧（6）和受拉控速限位弹簧（7），所述受压控速限位弹簧（6）和所述受拉控速限位弹簧（7）分别设置在所述台座（1）的两端。

4.如权利要求1 所述的摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置，其特征在于：所述超载报警单元（18）包括可压缩报警触发板（11）、报警单元电极（12），所述报警单元电极（12）埋入所述台座（1）中。

5.如权利要求1 所述的摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置，其特征在于：所述台座（1）还包括排水沟（13）和检修通道（14），所述排水沟（13）设置在底部。

6.如权利要求1 所述的摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置，其特征在于：所述可翻转滑块（2）的下表面设有带凹弧橡胶垫（9），设置于所述复位单元（17）上方。

7.如权利要求1 所述的摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置，其特征在于：所述常力支撑单元（15）包括锚杆（19）、弹簧（20）、隔板（21）、摩擦块（22），所述锚杆（19）锚固压缩固定所述弹簧（20），并固定所述摩擦块（22），所述摩擦块（22）与所述可翻转滑块（2）接触。

8.一种摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置的运行方法，其特征在于：所述的摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置包括台座（1）、可翻转滑块（2）、控速限位弹簧（16）、复位单元（17）和超载报警单元（18），所述台座（1）包括中间的柱面摩擦铰（3）、左弧形摩擦副（4）、右弧形摩擦副（5），所述台座（1）支承所述可翻转滑块（2），所述左弧形摩擦副（4）和所述右弧形摩擦副（5）上分别设置常力支撑单元（15），对应所述左弧形摩擦副（4）和所述右弧形摩擦副（5）的下面，设置所述控速限位弹簧（16）和所述复位单元（17），所述柱面摩擦铰（3）与所述超载报警单元（18）连接；所述控速限位弹簧（16）包括受压控速限位弹簧（6）和受拉控速限位弹簧（7），所述受压控速限位弹簧（6）和所述受拉控速限位弹簧（7）分别设置在所述台座（1）的两端；所述超载报警单元（18）包括可压缩报警触发板（11）、报警单元电极（12），所述报警单元电极（12）埋入所述台座（1）中；

当车辆由路面全部驶入可翻转滑块（2）的路面时，当车辆的重量所产生的力矩大于可翻转滑块（2）与台座（1）接触面的摩擦力所提供的抵抗力矩，可翻转滑块（2）沿着台座（1）的圆弧摩擦面滑动，此时受压控速限位弹簧（6）、受拉控速限位弹簧（7）限制下沉速度，并提供逐渐增大的反力使装置达到新的平衡，可翻转滑块（2）形成5%~10%左右坡度，强制车辆限行，同时，可压缩报警触发板（11）和报警单元电极（12）接触，装置发出超载警报；

其中，右弧形摩擦副（5）上的支持力为左弧形摩擦副（4）上的α倍，有车载时，0＜α＜1，车辆的行车荷载G _2k ≤G ₂，G ₂为车辆荷载。

9.如权利要求8 所述的摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置的运行方法，其特征在于：启动复位单元 （17），使所述摩擦翻转式的道路桥梁防超载保险装置恢复至初始状态。

Images