橋梁高空維修作業用便攜式吊裝機創新設計

李思陽

中國鐵路呼和浩特局集團有限公司呼和浩特工務段 內蒙古 呼和浩特 010010

在鐵路橋梁養護過程中，需要定期對內外側病害進行維修，如更換橋梁水泥板、聲屏障等，以求橋梁病害及時維修并保證橋梁的正常使用，同時保證橋上維修作業人員的安全。但是目前將維修用水泥板及相關物件從地面向橋上運輸時，通常采用人工搬運或人工橋上提拉的方式效率低，尤其對于鐵路橋梁，人工提拉耗時長，工人勞動強度大，費時費力，維修成本高，而且在消耗大量人力物力的同時，非常不安全，常常出現維修人員被砸傷碰傷的事故；因此，需要設計一種便攜、高效操作簡單快捷的新型吊裝機構解決作業中的問題。

1 創新設計

1.1 產品功能分析和問題分析

鐵路橋梁高空維修作業用便攜式吊裝機作為鐵路工務養護重要的工具，應具備以下功能：

(1) 方便上下道功能，主要是重量必須足夠輕；

(2) 方便安裝、拆解功能；

(3) 快捷高效的功能；

(4) 操作簡單的功能；

(5) 結構簡單，故障方便排除的功能。

1.2 技術矛盾確定與解決思路

技術創新問題的核心是解決矛盾，矛盾被分為技術矛盾和物理矛盾。技術矛盾是指實際工程問題中兩個工程參數之間的矛盾，即改善一個技術參數的同時，帶來了另外一個技術參數的惡化。

鐵路橋梁高空維修作業用便攜式吊裝機的技術矛盾在于。(1) 現場工人上下道不方便，希望機器重量比較輕，結構簡單，拆和裝方便，最好1-2人就可以進行搬運上下道，但是現實矛盾是鐵路橋上沒有安裝其他設備的支點，吊裝機需要自身攜帶固定裝置；(2) 現場工人技能水平不高，希望機器操作簡單，快捷高效，現實矛盾是操作簡單就需要自動化程度高，快捷高效需要提升電機功率增大，這無疑也給方便上下道帶來挑戰[1]。

1.3 創新方案設計

1.3.1 總體結構方案設計

我們計劃采用電機帶動滑輪組進行起吊工作，滑輪組的合理應用和布置可以減小電機的負載，節省電力，減少電源消耗。具體的結構設計如下。

1.3.2 機械總體結構設計

如圖1至圖2所示，橋梁高空維修作業用便攜式吊裝機，其總體方案中包括的零部件有吊臂1、支撐臂2、電動卷揚機3、滑輪4和鋼絲繩5；

支撐臂2包括套管2.1和穿設于套管2.1內的旋轉軸2.2；旋轉軸2.2的兩端長于套管2.1外，旋轉軸2.2的頂端與吊臂1固定連接，成為整體旋轉結構。

吊臂1的每個端部兩側均固定有護板8，同一端的兩塊相對的護板8之間轉動設有滑輪4，通過護板8能夠有效的對鋼絲繩5進行防護，避免鋼絲繩從滑輪4脫出，形成卡滯，輕則不能提升重物，重則鋼絲繩在電機拉力作用下斷裂，起吊的重物脫落，造成安全事故和起吊物損壞財物損失；吊臂1與旋轉軸2.2之間固定有加強臂19，形成穩定的三角結構，有效提高吊臂1的承載能力；兩個滑輪4的凹槽在同一平面內，保證鋼絲繩在電機拉力作用時不脫出，兩個滑輪4的軸線相對于套管2.1垂直，防止起吊重物時吊裝機傾斜歪倒。

旋轉軸2.2的底端通過托架6固定有電動卷揚機3，在電動卷揚機3的卷筒上固定繞設有鋼絲繩5，鋼絲繩5的端部依次繞設穿過兩個滑輪4且固定有吊鉤20。

1.3.3 支撐結構設計

由于工務施工現場的鋼軌作為信號導電用，不能夠作為支撐物，同時架設電線的水泥柱由于強度也不能作為支撐物，這些一旦損傷都將造成行車安全事故。

支撐結構我們進行創新設計，使用橋梁邊緣的圍欄作為支撐物，卡接機構要求可靠、方便拆卸和移動。參照圖2、圖4，具體結構如下。

支撐臂2的外壁固定有卡接機構7，卡接機構7包括連接部7.1和圍欄水平卡勾7.2；連接部7.1為L形連接板，連接部7.1的水平板7.11與支撐臂2的外壁垂直固定連接，連接部7.1的豎直板7.12頂端通過鉸接軸9鉸接有圍欄水平卡勾7.2，鉸接軸9相對于支撐臂2垂直設置；在水平板7.11下方平行設有與支撐臂2的外壁固定連接的支撐板10，支撐板10與水平板7.11之間固定有相對于豎直板7.12平行設置的加強板11，通過加強板11能夠提高水平板7.11的承載能力；在加強板11上開設有固定孔，在固定孔內穿設有螺桿12，螺桿12鄰近支撐臂2的一端套設螺接有固定螺母13，螺桿12的另一端固定有圍欄豎直卡勾14，將本設備固定于圍欄上時，首先使加強板11緊靠在圍欄的豎梁上，再通過螺桿12拉動圍欄豎直卡勾14卡接在圍欄的豎梁上后，鎖緊固定螺母13，使加強板11與圍欄豎直卡勾14牢固的夾緊在圍欄的豎梁上，使本設備更牢固的固定在圍欄上，使吊裝作業更加穩定；以此，通過卡接機構7的圍欄水平卡勾7.2卡接在圍欄的橫梁上，圍欄豎直卡勾14卡接在圍欄的豎梁上，將本設備牢固的固定在橋梁的圍欄上；吊鉤20將橋梁下綁扎的水泥板勾住，啟動本設備的電動卷揚機3，便能夠快速的將水泥板吊裝到橋梁上，以此提高作業效率，降低了工人勞動強度，有效避免了人工搬運的安全隱患[2]。

1.3.4 鋼絲繩強度設計計算

鋼絲繩在工作過程中，受力非常復雜，即使受到簡單的拉伸力，每根鋼絲繩之間的受力分布也不盡相同，此外鋼絲繩繞過卷筒、滑輪后產生彎曲應力、鋼絲與鋼絲之間的擠壓力等，精密計算鋼絲繩受力以確定鋼絲繩的規格較難，一般采用靜力計算法。

鋼絲繩最大靜拉力應滿足下列要求：

式中：Pmax—鋼絲繩作業時可以承受的最大靜應力

Pd—鋼絲繩破斷應力

n—安全系數

Pmax=（Q+q）/(αη)

式中：Q—吊裝機的額定起重量；

q—吊鉤重量；

α—滑輪組承載的繩分支總數；

η—滑輪組的總效率；

鋼絲繩最大允許工作拉力的計算式為：

P=Pd/n

式中：P—鋼絲繩作業時額定的最大靜應力；

P≥Pmax是安全的。由此可知，鋼絲繩破斷的主要原因是超載，同時還與在滑輪、卷筒的穿繞次數有關，每穿繞一次鋼絲繩就產生由直變曲再由曲變直的過程，穿繞次數越多就易損壞、破斷；其次鋼絲繩的破斷與繞過滑輪、卷筒的直徑、工作環境、工作類型、保養情況有關。

所以我們在設計時著重注意以下幾點：

(1) 吊裝機在作業過程中起重量不要超過額定起重量。我們在說明書銘牌中說明額定起重量，在機器顯眼位置粘貼標識。

(2) 吊裝機的鋼絲繩要根據工作類型及環境選擇適合的鋼絲繩，我們根據實際選用雙繞繩的，由鋼絲擰成股后再由股圍繞繩芯擰成繩。繩芯浸潤潤滑油，減少鋼絲之間的互相摩擦產生的損傷。

(3) 對鋼絲繩進行定期的潤滑。說明書銘牌中說明，并在機器顯眼位置粘貼標識。

1.3.5 電機的選型

托架6包括相互平行設置的槽盒6.1和托板6.2；槽盒6.1通過連接件6.3與托板6.2固定連接，在托板6.2上裝設有電動卷揚機3，電動卷揚機3的卷筒中心軸與滑輪4的中心軸相互平行設置；旋轉軸2.2的底端垂直固定有連接梁6.4，連接梁6.4插接在槽盒6.1內，槽盒6.1的一端頂部固定有擋板6.5，擋板6.5與連接梁6.4的頂面抵接，通過擋板6.5能夠將槽盒6.1的一端卡接在連接梁6.4的一端上，槽盒6.1的另一端兩側之間活動穿設有卡條6.6，卡條6.6與連接梁6.4的頂面抵接，將槽盒6.1扣合在連接梁6.4上后，通過將卡條6.6的一端依次穿過連接梁6.4另一端上方的槽盒6.1兩側，使得槽盒6.1的另一端通過卡條6.6卡接在連接梁6.4的另一端上，以此能夠實現將裝設有電動卷揚機3的托板6.2與連接梁6.4可拆卸連接，便于拆裝和攜帶。

其中電機的選型設計關系到吊裝機的最終性能。在起重過程中，為了配合吊裝機的作業特點，電機也是經常處于頻繁通、斷電，起動、制動和反轉的狀態，而且它所承受的負載在各個階段都是不同的。鑒于這一點，電機一定要有較強過載能力，從而足夠承受較大的過載和機械沖擊[3]。

而且在很多起重情況下，電機都是負載起動的，所以除了要有較好的起動性能之外，起動轉矩也要盡量大。同時由于吊裝機對作業中準確性方面的要求非常高，所以設備的調速是一個關鍵，但綜合各因素來看，只能進行電氣調速才能與實際工況相符。

吊裝機吊鉤必須垂直往上吊并始終保持這個狀態。當重物超過支承點的時候自然就會翻過去了。

游翻操作是用于扁體物件的翻轉，當物件被吊起來后會出現較大幅度的搖擺，在擺動達到較大值的時候，物件會瞬間迅速掉落。而帶翻操作則是把物體吊起來后，再緊直落下直至使吊裝機鋼絲繩繃緊的程度，然后向要翻的方向開車后物體傾倒[4]。

根據受力分析可以簡單得出電機功率P、鋼絲繩作業時可以承受的最大靜應力Pmax、電機轉速存在以下關系：

式中：P—電機功率

Pmax—鋼絲繩作業時可以承受的最大靜應力

R—卷筒的作用半徑

n—電機轉速

由以上公式可以推斷，為了實現我們的設計目標，機械結構設計時應盡量將卷筒直徑做大，減少電機功率自然就降低能耗。實現設計目標。

吊臂1與套管2.1之間的旋轉軸2.2上垂直固定有定位卡板16，在定位卡板16上開設有定位孔16.1；在套管2.1鄰近吊臂1的一端外壁垂直固定有限位板17，在限位板17上沿套管2.1的周向開設有若干個限位孔17.1，在定位孔16.1和對應的限位孔17.1之間穿設有限位銷釘18；根據實際作業情況，通過轉動旋轉軸2.2能夠實現調整吊臂1的位置，完成調整后，將限位銷釘 18穿設在定位孔16.1與對應的限位孔17.1內，避免旋轉軸2.2繼續轉動，便于吊裝作業；圍欄豎直卡勾14和卡條6.6的另一端分別通過鏈條15與連接部7.1固定連接，通過鏈條15將圍欄豎直卡勾14和卡條6.6能夠固定在連接部7.1上，避免丟失。

2 結論

通過調研現場實際試驗的情況，基本解決相關的水泥板安全更換的矛盾，創新性、科學性的研制出鐵路橋梁高空維修作業用便攜式吊裝機，讓鐵路橋人行步道安全的工作難題迎刃而解，并極大的提高作業效率，降低了工人勞動強度，避免了人工搬運的安全隱患，有很好的推廣價值。