盾構管片鋼筋籠加工設備物流系統設計

李 荊/LI Jing

（中鐵隧道局集團有限公司 勘察設計研究院，廣東 廣州 511455）

近年來，隨著盾構和TBM廣泛應用于城市地下工程隧道建設，鋼筋混凝土管片數量需求也隨之快速增長，國內現有鋼筋加工設備可以完成如鋼筋折彎、剪切、簡單的鋼筋籠、平面網焊接功能[1]，但對于結構復雜的管片鋼筋籠，其整體加工設備及加工工藝在國內外均為空白。

管片鋼筋籠的加工流程主要為鋼筋下料、鋼筋彎曲、鋼筋籠焊接等[2、3]，目前這3個工序流程是在不同的工作裝置上分開進行的。其中，鋼筋的調直、下料、彎弧、彎曲均采用人工配合鋼筋加工設備完成。鋼筋的焊接工藝則是先在小模型架上將鋼筋焊接成片，然后將成片的部件放在鋼筋籠胎模上用CO2保護焊機焊接成型[3、4]。由于工序作業分散不集中，且人工參與過程較多，無法連續不斷的作業，使得鋼筋籠的生產率無法滿足工程項目的需求，并且存在一定的安全隱患。

鑒于此，為了能更好地適應快速發展的隧道盾構掘進施工，提高生產和施工效率，中鐵隧道局的科技工作者根據多年的設計經驗同時結合現場施工的條件和要求，設計了這套鋼筋籠一體化加工設備。該盾構管片鋼筋籠加工設備物流系統是實現自動化加工的一個重要輔助系統，旨在解決當前國內現有鋼筋籠加工設備物流系統功能單一，自動化程度低等問題。

1 物流系統

1.1 物流系統概述

本套設備物流系統分為物流吊運機構、單根輸送軌道和平面網輸送軌道3部分。

1.1.1 物流吊運系統

如圖1所示，物流吊運系統采用的是龍門式吊裝設備。該設備結構簡單、維修方便、工作平穩、節省能耗。其主要結構包括立柱、連接橫梁、軌道和主機等。

圖1 物流吊運機構

設備采用機械、氣動和電磁控制，單根鋼筋的吊裝采用電磁鐵，網片的吊裝采用氣動機械手，電磁鐵或機械手吊起物料后，經氣缸帶動完成起升動作，再由伺服電機帶動同步帶完成橫向移動，放入需要的位置。

1.1.2 單根輸送軌道

單根輸送軌道用于單根收料倉與單片網成型機之間，起到連接運輸作用，本物流系統共設置有4套單根輸送軌道，每2套為一組，分別輸送網片內弧筋與外弧筋[5]，具體結構詳見圖2所示。

圖2 單根鋼筋輸送軌道

單根輸送軌道由機架、輸送輥、輸送電機以及防護罩等構成，機架由型材焊接而成，機架上安裝有輸送輥裝置及輸送電機。單根輸送軌道的傳動方式為鏈條傳動，可以實現單根鋼筋的自動化運輸，該軌道特點在于輸送平穩，輸送能力強，且可輸送大直徑單根鋼筋。

1.1.3 平面網輸送軌道

平面網輸送軌道主要作用在于將單片網成型機焊接成型的弧形網片輸送到指定位置，通過輥道將單片網成型機與出料小車進行銜接，本處輥道主要起調度、轉運作用[5]。

該輸送軌道為自動輸送軌道，采用鏈條傳動。由輸送輥輪、輸送架、防護罩、電機等組成。該軌道特點為輸送平穩，適應多種規格網片的運送，具體結構見圖3所示。

圖3 平面網輸送軌道

物流系統主要技術參數如表1所示。

1.2 物流系統工作流程

該物流系統工作流程如圖4所示，先用吊運機構將單根鋼筋棒料放在輸送輥道上，運輸到指定位置，隨后線狀棒料剪切機將棒材切割為預定的長度。在單根輸送軌道的作用下繼續前進，并依次經過彎弧機、橫筋焊機與單片弧形網成型機，經過這些工序的加工，即可將鋼筋棒料制成一塊塊鋼筋單片網。接下來，通過單片網吊運機構的作用，將已經制成的單片網放入單片網輸送軌道，傳送至指定位置后，再由吊運機構將單片網安放在碼放機上，當碼放機上的單片網達到既定數量時，及進行鋼筋綁扎，最后碼放機構運載著綁扎好的鋼筋網沿著弧形軌道進入立體鋼筋籠成型機內部焊接工位，進行焊接工作，將鋼筋箍與單片網焊接為一體，至此，整個管片鋼筋籠制作完成。

表1 鋼筋籠加工物流系統主要技術參數表

圖4 物流系統工作流程示意簡圖

2 存在的問題與解決措施

2.1 存在的問題

由于該自動加工設備是原創性開發設計，因此不可避免地存在一些小缺陷，其中有關物流系統的問題主要集中于以下3個方面。

1）實際工作過程中，物流系統傳送原料的效率并不高。其主要原因可能在于，還沒有完全弄清楚傳送速率與其它加工工序的配合關系，沒有找到最適合的傳送速率。

2）吊運機構抓手定位不夠精準，致使有時候不能恰到好處的夾緊平面網鋼筋。

3）未完全實現自動化。平面網鋼筋通過吊運機構碼放在碼垛機后，還需要人工進行鋼筋綁扎工作，然后才能進行立體焊接，造成物流系統的臨時中斷。

2.2 解決方法

上文中所提到的問題為后續的改進設計指明了方向，課題組未來的工作主要集中在如下3個方面。

1）深入研究物流系統傳送速率與其它加工工序的匹配關系，找到最適合的工件傳送速率。

2）引入激光位移傳感器，將其布置在合適的位置，通過提高信息反饋的精度來間接提升吊運機構抓手的定位精度。

3）開發設計一種鋼筋自動綁扎機械手，實現該鋼筋籠加工設備的全自動化與物流系統的連續性。

3 結論與建議

目前，含有該物流系統的盾構管片鋼筋籠加工設備正在長株潭城際鐵路CZTHZ-1標盾構管片廠進行應用，盾構管片鋼筋籠整體式加工設備物流系統的成功開發產生了以下功效：①成功解決了當前鋼筋籠加工過程中所面臨的工序繁多、工序之間銜接不連貫等難題；②減輕了工人的勞動強度，間接提升了鋼筋籠加工效率；③改變了工作人員對鋼筋籠加工方法的認知，有效地促進了鋼筋籠加工設備的技術革新。

雖然該物流系統是集許多優勢技術于一體研制而成的，但由于制造技術的限制，在實際工作中不可避免的會存在一些問題，后續會根據實際工作中出現的問題進行相應的改進設計，以期更好地服務于盾構管片鋼筋籠加工。