西堠门大桥属于分体式钢箱梁悬索桥，跨径长且地处风口，桥面上装有抵御横风保护行车安全的风障。但当桥面风力大于十级时，风障又增加了大桥结构受风面，为减少对结构的安全威胁，活动风障便孕育而生。
西堠门大桥活动风障系统于2009年建成，分为风障主体、机械传动、电气控制三大部分。共包括60个区间及956片独立动作单元。在长期海洋腐蚀性气候环境下，整个系统逐渐暴露出一些问题，譬如风障系统驱动结构腐蚀、部件进水、转轴变形等，这些病害影响了风障系统正常升降，增加了维护人员应急处置成本，限制了系统重要基础保障功能的发挥。
为破解上述疑难杂症，大桥管理单位分别于2018年及2019年联合某高校实施活动风障升降驱动结构改造和维修比对试点，试点范围内风障单元在近一年使用中各项指标均稳定正常，未出现一次升降卡死，升降机构运行质量大幅提升，无论整体改造还是单点维修均取得显著成效。
溯源与分析
通过现场检查及测试西堠门大桥活动风障问题部位，可概括为驱动结构腐蚀、部件进水、转轴变形等三大症结。
元件锈蚀“卡”住机械
活动风障升降系统采用外螺杆作为推动元件，在其与蜗杆内螺旋配合面上必须预留较大传动间隙才能保证正常升降，而伸缩式防护罩（风琴罩）在跨海大桥桥面这种特殊场景下使用存在以下短板：
1.采用帆布面+碳钢卡簧等常规材质构建的防护罩，防护等级较低，在腐蚀性较强的海洋环境下，其耐久性和使用寿命难以控制。经过日晒、雨淋、风吹和腐蚀等多诱因综合作用，防护帆布易老化脆裂，出现破洞属于正常现象，腐蚀性水汽会由此侵入传动机构内部，诱发轴承等传动元件锈蚀（如图1所示）。
图1 轴承及传动件锈蚀
2.保护罩和螺杆上盖体连接处，仅用青壳纸垫密封。该密封方式在桥面海域冷热交替频繁，湿度高且腐蚀性强的条件下极易出现间隙，腐蚀性水汽会随着海风渗入传动机构。
3.保护罩帆布内的碳钢卡簧在海平面上空30～50米桥面高空弱碱性环境下，脆断理论寿命仅为1～2年，由于帆布保护罩外观整体包裹设计，实际营运中只有发现卡簧脱落才会更换。等到卡簧脱落更换时，脆断下来的金属碎屑恰好卡入梯形螺旋传动中，造成螺杆无法正常升降。
4.防护罩内碳钢卡箍日晒雨淋发生严重锈蚀，强烈海风使已破裂的防护罩剧烈运动，卡箍频繁振动断裂，卡箍碎片沿伸缩螺杆通道进入传动螺纹副和支承轴承中，导致整个升降系统卡死（如图2所示）。
图2 活动风障机械系统
限位开关失效
西堠门大桥活动风障系统限位机构主要由机械式限位开关构成，为便于安装，采用平面连接结构（如图3所示）。但此种结构设计使海水容易从上端螺旋间隙渗入，而下端又是全密封结构，积水会逐渐淹没限位开关动作机构或接通常开触点造成限位失效。
图3 限位机构
尽管初装时使用了高品质原装限位开关来降低动作机构故障率，但积水导通本应断开的触点实质上与限位开关品质无关，只能通过技术改造进一步完善，来排除隐患。
三轴不同心 升降阻力大
活动风障独立动作单元选用三轴固定支撑结构，而三根转轴又为分离式，只在装配时通过工装以保证同轴，而现场施工缺乏大面积生产环境保障设施，致使三轴同心安装精度控制难度极大。设计制造单位通过利用高性能数控加工确保零件一致性，同时使用多项组装工装和反变形焊接工艺，保证风障独立动作单元升降灵活性。
图4 升降支撑结构
历经温湿度和海水侵蚀的共同作用，风障独立动作单元在使用多年后必然产生变形，三根转轴不同心亦不可避免。因此，升降阻力增大属于正常现象，而由于电机推杆过载性能较强，机动情况下尚能保证正常升降。
经过深入分析发现，只有从设计上重新改进，将固定支撑改为可自由浮动的支撑方法，才能彻底解决此问题。综合考虑改进工期、难度和对大桥立柱等附属结构的影响，暂时通过增加风障日常升降频率的方式以提高支撑活动性。
改造升级技术方案的“PK”
全新改造
驱动部分整体的全新改造,旨在完全杜绝腐蚀性海水进入机械升降机构,确保轴承、限位开关等内部零件不因积水腐蚀损坏失效,同时全面增强伸缩部分在海域环境下抗腐蚀及耐久性能提升。针对西堠门活动风障系统中驱动部分整体故障最多、问题最严重的几个部分，开展改造探索。
图5 活动风障总成
1.改造推杆结构
推杆结构的改造秉持“合理利旧、尽小变动”的科学优化原则，原机构中的原装进口电机、涡轮涡杆传动减速机构、丝杆接头等均未更新，只少量增加或更换必要易损件及不满足运行环境的非标零件。
改造后伸出的推杆与推杆外壳间只有间隙配合的缝隙，同时用高压液压缸双向密封圈（不带弹簧）密封，彻底杜绝水滴直接渗入传动机构，保护轴承、涡轮涡杆等不受海水侵蚀，最大限度延长使用寿命。
2.改进升降滑动支撑
风障的电动升降推杆选取直线滚动轴承，推杆与轴承间隙较大，腐蚀性强的海水会沿着两者间隙进入升降机构内部。而市场上常见的铜轴承热胀冷缩变化敏感，间隙过大使海水容易渗入，间隙过小热胀时伸缩杆容易抱死。铸铁轴承虽然可以解决热胀冷缩问题，但耐腐蚀性能较差。为有效解决该难题，最终选择耐腐蚀金属为原料，石墨为润滑介质的直线轴承，其在试验过程中运行表现良好，传动噪音极小。
3.升级升降轴
升降轴既是主要承重部件，又是传动丝杆的防护罩，其内部空心，外部直线度和圆柱度标准较高，还必须确保伸缩部分在海面上空复杂环境条件下能长期稳定使用，不被腐蚀。
图6 升降轴
根据海面上空呈弱碱性的特点，升降轴理想材料为两相不锈钢或316L不锈钢，但举升风障的受力要求不允许使用不锈钢制造传动螺纹。若用异性材料焊接成形，易使两相不锈钢在焊接部位失去两相组织，而316L焊接容易形成较高的焊接电位差。
综合考虑制造技术、材料、成本、寿命等因素，选用316L作为主体材料，通过反复试验焊接工艺方案和参数，将焊接试样通过模拟环境试验，得到较为成熟的成品。
4．改造防护罩
原防护罩在日常升降过程中频繁伸缩，较易破损。改造后采用UN密封圈，密封结构在推杆内部，密闭性好，不受外部风雨影响，也彻底隔绝海水通过光滑推杆与含油导套间缝隙进入传动机构内部。为避免沙粒小石子撞击升降轴使之变形损坏，特别增设碳纤维与聚丙烯腈混纺布料制作的风沙防护罩，并可根据现场实际情况决定是否安装。
图7 改造后的防护结构
5．改造限位开关防护机构
为方便安装设计，原防护机构为平面连接，采用了多达32个紧固螺钉副强化密封性能，但导致维护拆装颇为麻烦，密封性效果亦未达到预期。
改造后的行程开关防护机构采用侧面连接，并借助防护不锈钢薄钢板弹性，使防护罩内腔和安装基座紧扣在一起，还使用密封胶进一步夯实密封效果。
全新改造的十片风障独立动作单元，经过近一年来多次升降测试检验，运行参数和状态符合设计预期且效果良好，未发生一次升降卡死故障。
全面维修
风障全新改造整体效果非常显著，但总成定制的生产周期和成本优势并不明显，其耐久性能仍需要一段时间检验。有鉴于此，所拟定的全面维修方案，拆解和细致检查151套升降不畅的驱动机构总成，对主体结构进行除锈和清洗，并按原设计图纸重新加工已失效的零件，更换老化和损伤的轴承、密封圈、限位开关、垫片等部件。
1．驱动总成拆卸与清洗
活动风障驱动总成从桥体拆离，运至加工厂统一全面拆解。由于使用时间长，又多次涂刷防护油漆，拆解过程遇到一些周折，通过常规机械工具无法完成有效分离，而改用定制专用工具后，拆解分离效率得以明显提高。
图8 锈蚀严重的原装零部件
2．耗损件更换
驱动总成中的轴承、密封圈、限位开关等耗损件大部分是专门设计定做的，为了使更换后的这些零部件和原总成实现匹配融合，延长驱动总成使用寿命，提高系统运行效率，按照原厂设计图纸要求对上述耗损件进行更换。
图9 零件手工清洗
3．厂内安装调试
驱动总成全面维修质量控制关键取决于升降行程控制及运行的平稳性。在重新组装过程中，对每个零部件实施严格质量把控，为每台设备加注足够润滑油。总装检查合格后，每套驱动总成都要进行严格出厂前跑合试验。
图10 组装及跑合试验
4．现场安装调试
维修后的驱动总成需要进行严格的出厂前检验，并统一进行防腐喷涂。在安装过程中，集中更换原信号线护套，同时在接头处打上密封胶，增强密封性能。顶部插销实施细致防腐及润滑处理，内孔涂抹润滑脂。
图11 现场安装调试
5．现场运行情况
风障驱动总成，在现场维修调试后，整个系统基本恢复正常使用状态，电机运转负荷大幅降低，使用效率明显提高，调试达到预期效果。
驱动总成全面维修解决了原总成进水积水、内部锈蚀等问题，确保活动风障系统抬升时完全垂直，下降时达到完全水平，减少运行噪音，延长风障系统使用寿命，彻底提升了其在大风环境下的稳定性。同时，应用玻璃纤维板内衬的防尘罩，能更好保护风障驱动总成内核，避免碳钢圈生锈、破损、脱落造成的螺杆和涡轮卡死现象。
改造与维修对比分析
成本对比
一次投入方面：与全面维修相比，全新改造单套成本上升60%，所增部分主要为成套总成制造费用，因试点数量受限，其成批生产成本优势未得以发挥，成批生产后单套成本还能下降至少10%。
后期维护方面：防护罩、风障挡板三转轴支点、原驱动总成进排水情况都需要定期检查维护，而全面改造后驱动总成不再需要日常维护。
两种方式后期维护成本对比如下：
按照全新改造驱动总成使用寿命为10年计算，能节省后期维护费用约420万元，全线全新改造的一次性投入费用比全面维修多约330万元，如果考虑驱动总成成批制造的成本下降率，一次性投入还能再减少约30万元。因此从成本上来看全新改造仍具备一定优势。
预期寿命
全新改造彻底解决设计缺陷及材料零件中存在的四大问题。一是以石墨润滑替代脂润滑，润滑效果好，使用寿命可达10年以上，基本能够免维护。二是钛材与碳钢复合制造的升降推杆，彻底杜绝外伸推杆腐蚀现象，钛材可永久使用。三是所有传动件均在密封腔内运动，不受雨水和潮气侵蚀。四是行程开关安装在环氧树脂密封的防护盒内，其寿命主要受开关触点使用次数限制，而整个活动风障系统使用频率相对较低，它亦可以长期服役。
全面维修实质上只是一种大修，没有根本解决设计与选材缺陷，尽管在维修时选用了更为耐用的材料和零件，预期使用寿命并未得到明显提高。
运行质量
1．噪音对比
全新改造的活动风障驱动总成伸出的推杆与推杆外壳间只有间隙配合缝隙，配合使用高压液压缸双向密封圈（不带弹簧）进行密封。水滴无法直接渗入传动机构，轴承、涡轮涡杆等重要零部件免受海水侵蚀，可延长总成使用寿命。
升降电动推杆创新设计使用了以耐腐蚀金属为原料，石墨为润滑介质的直线轴承，能严格满足设计要求的推杆与轴承之间间隙指标，随着推杆每一次升降石墨在推杆内部进行自润滑，使系统实现传动噪音减轻，并有效减小电机负荷。
而全面维修后的活动风障驱动总成沿用原先设计结构，维修时进行了全面的拆解、除锈、和清洗，安装时新注入了大量高规格润滑脂以减少涡轮及螺杆摩擦，提高使用寿命。实际试用过程中，风障升降产生的噪音和流畅度较维修前有了较大改善，但与改造后风障升降效果相比，尚存一些差距。
2．电机负荷对比
在桥面平稳的舒适环境下，经过全面维修的活动风障驱动总成升降时电机工作电流为2.5-3.2A，而全新改造的电机工作电流为2.5-3.0A，两者基本持平。但在遇到大风等恶劣天气时，受桥体晃动、摇摆等因素影响，原设计的驱动系统中螺杆会发生摆动，从而无法达到与涡轮保持垂直的理想运行状态，并产生较大阻力，增加电机运行负荷，有时甚至会造成电机过热而无法升降。
活动风障驱动总成在全面改造设计时系统考虑了该项不足，不再单一靠螺杆自身保持垂直，除螺杆与涡轮接触点外，其顶部通过长达180毫米的自润滑导套锁住推杆，使其运行中不受外界因素影响，始终保持垂直，有力提升电机在恶劣环境中运行的稳定性。
西堠门大桥活动风障驱动总成全面维修后能暂时解决进水积水、内部锈蚀等问题，通过严格按标准要求实施日常维护，基本可以达到设计使用寿命。但受现结构和桥面复杂环境影响，未能有效根治活动风障卡死故障。整个维修方案虽然成本相对较低，但后期维护成本较高。
而全新改造，除前期投入费用略高于全面维修以外，在预期寿命、运行质量、维护成本等方面均比后者略胜一筹。而后期维护成本大幅缩减，因使用年限增加所产生的经济效益基本能抵消前期一次性投入。
综上所述，西堠门大桥活动风障驱动采用全新改造策略是一种符合运营实际且较为经济的选择，可分阶段实施，最终达到全覆盖。
本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志
2022年 第2期 总第18期
作者 / 戴珂泱 伍国军 韩宏略
作者单位 / 浙江沪杭甬高速公路股份有限公司
浙江省交通集团高速公路舟山管理中心
编辑 / 陈晖
美编 / 赵雯
责编 / 裴小吟
审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲
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