DJ型架橋機機臂水平自動檢測系統(tǒng)的研究與應用

王增良

(邯鄲中鐵橋梁機械有限公司,河北邯鄲 056003)

1 概述

DJ型架橋機運輸、安裝拆卸方便并對其小曲線、大坡度架梁具有良好的適應性,因此受到施工單位青睞,在我國鐵路、公路重點建設項目普遍使用。2010年發(fā)生了2起架橋機傾覆事故。這2起事故,使用的架橋機結(jié)構(gòu)形式相同、施工工況和事故原因類似,都是在橋面連續(xù)出現(xiàn)坡度變化的情況下,作業(yè)人員未及時調(diào)整0號柱支起的高度,使機臂過度傾斜超出安全范圍而造成的責任事故。

截至目前,對架橋機機臂防傾斜問題已有了多項研究,并提出了鐘擺式、紅外線式、角度檢測等方法來實現(xiàn)機臂防傾斜。有些方法應用效果不佳,抗干擾能力差,系統(tǒng)不穩(wěn)定,人為因素影響大。本文介紹了機臂自動檢測采用液位法實時檢測,并采用Profibus DP通訊方式與主控可編程序控制器雙CPU通信,該系統(tǒng)成功應用于DJ型公鐵架橋機,實際應用表明該控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾性,檢測精度高,且應用性強,易于安裝,應用前景廣泛。

DJ型架橋機主要由0號柱、1號柱、2號柱、3號柱、機臂、曲梁、吊梁行車、機臂橫移機構(gòu)、1號柱橫移軌道、2號柱橫移軌道、電氣和液壓控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。架橋機的控制部分采用了可編程序自動控制技術,在施工中各工序動作之間設置了互鎖程序,可避免操作不當發(fā)生事故。

圖1 架橋機結(jié)構(gòu)組成

架橋機作業(yè)過程可分為吊梁作業(yè)和過孔作業(yè)。

1.1 吊梁作業(yè)

吊梁行車上的走行電機驅(qū)動齒輪與固定在機臂上的齒條嚙合傳動,實現(xiàn)吊梁行車沿機臂前后走行。1號柱和2號柱的走行機構(gòu)可以實現(xiàn)橋梁全斷面整機橫向行走架梁。橫移機構(gòu)可以通過自身的橫移油缸來實現(xiàn)機臂左右橫移，滿足邊梁的安裝就位。

1.2 過孔作業(yè)

吊梁完畢，2臺吊梁行車分別與1號柱、2號柱曲梁銷接。取消機臂與1號柱、2號柱曲梁銷接,使吊梁行車與機臂能夠做相對運動。1號柱、2號柱走行梁與各自橫移軌道聯(lián)接。主要過孔步驟如圖2所示。

圖2 過孔作業(yè)步驟

第一步：機臂和0號柱、3號柱前移。

收3號柱,用2個吊梁行車驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動機臂前行7 m,支起3號柱。

第二步：2號柱前移。

收2號柱,后吊梁行車帶2號柱連同橫移軌道前行19 m支起。

第三步：機臂和0號柱、3號柱再次前移。

收3號柱,驅(qū)動機臂前行18.5 m,0號柱至前橋臺,支起0號柱、3號柱。此時4個支柱全部支起,使整個機臂處于水平狀態(tài)。

第四步：2號柱再次前移就位。

收2號柱,用后吊梁行車帶動2號柱連同其橫移軌道,前行21 m至已架梁末端支起。

第五步：1號柱前移就位。

收1號柱,用前吊梁行車帶動1號柱連同其橫移軌道,前行至前橋臺支起。使整個機臂處于水平狀態(tài)。機臂與1號柱、2號柱的曲梁銷接,使架橋機構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。取消2個吊梁行車與1號柱、2號柱銷接后,將2個行車退至機臂后端；取消1號柱、2號柱與其橫移軌道聯(lián)接,使整機可以沿其橫移軌道橫向移動。過孔工序完成,架橋機處于待架梁狀態(tài)。

過孔作業(yè)的第四步,即2號柱再次前移就位接近1號柱時,該作業(yè)狀態(tài)是0號柱已經(jīng)到達前橋臺支起,應該說在0號柱即將達到前橋臺時,懸臂最大,屬于過孔工序中最危險狀態(tài)。

1.3 機臂傾斜分析

2號柱移動前,結(jié)構(gòu)受力及變形情況：2號柱收起懸空,此時0號柱、1號柱和3號柱起支撐作用。如果0號柱與1號柱高差較大,1號柱至0號柱之間的機臂呈傾斜狀態(tài),由此產(chǎn)生了較大的水平分力。此時,2號柱重力較大且靠近3號柱, 3號柱承受的壓力較大。3號柱與橋面接觸產(chǎn)生的摩擦阻力大于水平向前的作用力,此時架橋機結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定狀態(tài),隨著2號柱前移,在接近1號柱時,穩(wěn)定力矩逐漸減小,如果小于了傾覆力矩,重心移至傾覆區(qū)域；隨著2號柱前移,3號柱承受的壓力逐漸減小,即摩擦阻力逐漸減小。當摩擦阻力減至不能抵抗水平向前的作用力時,整機突然產(chǎn)生了縱向移動,0號柱和1號柱發(fā)生傾斜,結(jié)構(gòu)支撐失穩(wěn),架橋機向前傾覆。

2 自動檢測系統(tǒng)構(gòu)成

為了避免由于機臂過度傾斜造成架橋機傾覆,本文講述了一種架橋機機臂水平自動檢測裝置,它由信號發(fā)生及采集裝置、信號檢測和轉(zhuǎn)換單元、可編程序控制器、顯示報警裝置組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 信號發(fā)生及采集裝置

在架橋機機臂內(nèi)設置3個檢測點,分別在架橋機機臂前端、中部和尾部,每個檢測點安裝1個在機臂頂部吊掛的圓柱形水管,水管底部用塑料軟管相連,當機臂傾斜時各點形成水平液位差,在每個圓柱型水管上方中心位置加裝一超聲波傳感器檢測液位變化。超聲波傳感器采用P+F UB1000型,其具有測量窗口可調(diào),聲錐寬度可調(diào),同步功能和溫度補償?shù)忍匦?精度值1 mm,2種不同聲錐形狀可選：寬聲錐和窄聲錐,響應特性曲線如圖4所示,系統(tǒng)采用窄聲錐以縮小圓柱型水管的直徑。超聲波傳感器的檢測液位值輸出信號為模擬量信號,通過屏蔽雙絞線傳輸?shù)叫盘柡徒邮辙D(zhuǎn)換單元內(nèi)。

圖4 響應特性

2.2 信號接收和轉(zhuǎn)換單元

超聲波傳感器根據(jù)液位變化輸出4～20 mA電流,可編程序控制器模擬量轉(zhuǎn)換模塊G7F-AD2A采集超聲波傳感器信號,將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的I/O特性，如圖5所示,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號存儲在可編程序控制器數(shù)字存儲區(qū),3個存儲數(shù)值分別存儲在3個數(shù)據(jù)單元內(nèi)。

圖5 I/O特性

2.3 可編程序控制器

其采用LS系列,將數(shù)字轉(zhuǎn)換值進行差值運算,分別為0號柱相對1號柱高差,3號柱相對1號柱高差,將高差值進行存儲。機臂水平自動檢測系統(tǒng)可編程序控制器與架橋機主系統(tǒng)可編程序控制器采用用Profibus DP通訊方式,數(shù)字量點對點連接方式,以及雙CPU通信方式,其中雙CPU通信速度最快最可靠,但要求設備主系統(tǒng)與機臂調(diào)平系統(tǒng)采用同型號CPU。DP通訊和點對點方式可以和使用任何控制系統(tǒng)的設備相連,大大增強了本系統(tǒng)的適用性。

2.4 顯示報警裝置

圖6 顯示界面

顯示報警裝置選用臺達AS38系列人機界面,其可與可編程序控制器進行讀取并存儲數(shù)據(jù),可連接打印機將機臂水平差值打印出來,顯示界面如圖6所示,當水平差值超過危險值后人機界面發(fā)出音頻警報,可編程序控制器停止行車移動命令輸出直至將機臂水平值調(diào)整到安全范圍。

3 系統(tǒng)功能

架橋機機臂水平報警分為2個工作狀態(tài),架梁工作狀態(tài)和過孔工作狀態(tài)；在架梁工作狀態(tài)時,檢測前端、中部和尾部的豎管液位差,當差值超過安全范圍±70 mm,人機界面發(fā)出音頻警報,當差值超過安全范圍±100 mm，架橋行車走行動作不允許執(zhí)行。過孔工作狀態(tài)時,當0號柱在下一墩臺支好,根據(jù)前端水柱、中部水柱、尾部水柱之間液位差進行調(diào)整,0號柱處與1號柱處機臂高差范圍-50～+150 mm，即0號柱可比1號柱低50 mm或高150 mm,3號柱與1號柱處機臂高差范圍0～+100 mm，即3號柱可比1號柱高100 mm時人機界面發(fā)出音頻警報,架橋動作不允許執(zhí)行過孔作業(yè),只有調(diào)整0號柱、3號柱的高度,將液位差調(diào)整到安全范圍以內(nèi)才可以進行過孔動作。機臂調(diào)平系統(tǒng)誤差為≤10 mm。

4 數(shù)據(jù)通訊

在該系統(tǒng)中,人機界面、調(diào)平可編程序控制器和主控可編程序控制器之間數(shù)據(jù)傳輸采用基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術，利用其開放性,可方便快捷地進行自動化系統(tǒng)通訊,PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊速率為19.2 K～12 Mbp/s,通訊數(shù)據(jù)包為244字節(jié),故其傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點，極大地滿足了現(xiàn)場需要。

在該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸中,主控可編程序控制器利用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊采集調(diào)平可編程序控制器的數(shù)據(jù),人機界面利用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊采集主控可編程序控制器的數(shù)據(jù),準確無誤的顯示機臂水平差值,系統(tǒng)反映速度快。在架梁過孔時,操作人員選擇人機界面上的過孔檢測或架梁檢測按鈕即可控制當水平差值超限時,人機界面利用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊迅速向主控可編程序控制器發(fā)送禁止行車動作命令,主控可編程序控制器停止行車動作命令輸出。

5 結(jié)語

本文對DJ型架橋機機臂水平自動檢測進行了研究，通過采用液位法和可編程序控制器通訊控制開發(fā)了DJ型架橋機機臂水平自動檢測系統(tǒng),實現(xiàn)了架橋機架梁和過孔自動檢測機臂水平差值并具有報警和禁止動作功能。架橋機在遇到高橋臺、坡度連續(xù)變化架梁時,人工檢測機臂水平及其不便且測量精度易受干擾,架橋機架梁過孔時容易發(fā)生傾斜造成事故。通過在多套該機型架橋機中的實踐應用證明，該系統(tǒng)為操作人員提供了精確可靠的數(shù)據(jù)且系統(tǒng)具有超出安全值報警和禁止動作的功能,提高了架梁過孔效率,減輕了操作人員勞動強度,系統(tǒng)配置靈活,可靠,安裝方便,有效地防止了架橋機安全事故的發(fā)生。

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