1000噸整孔預(yù)制混凝土箱梁輪胎式提梁機(jī)技術(shù)研究

劉培勇，張利軍，楊桂龍，王金祥

（秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工科技有限公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

截止到2019年底，我國高速鐵路運(yùn)營里程已突破35000公里，“八縱八橫”高速鐵路主干線網(wǎng)絡(luò)正在形成，其中橋梁占比較高，一般達(dá)到50%-60%，有的甚至到達(dá)80%，墩臺基礎(chǔ)的造價占比較大，采用40m箱梁代替32m箱梁，箱梁每延米減輕6%，且跨度增加使梁體和橋墩數(shù)量減少20%，能夠大幅度提高橋梁布局的靈活性和建設(shè)工效、降低橋梁修建成本，同時也節(jié)約了大量的土地資源[1]。

1000 t提梁機(jī)作為預(yù)制場內(nèi)整孔箱梁的起吊、場內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和裝車工作的專用設(shè)備，需要滿足各種特殊工況的需求，其多功能核心技術(shù)體現(xiàn)如下：

（1）適應(yīng)跨度多，可以滿足40m、32m、24m、20m及非標(biāo)梁型長度的吊裝需求；

（2）側(cè)門架寬度可調(diào)整，具有寬式和窄式兩種組合方式；

（3）轉(zhuǎn)向模式多，具有直行、橫行、斜行三大運(yùn)行模式；

（4）操作模式多，具有駕駛室和遙控器兩大操作模式，操作方便；

（5）吊裝方式多，可適應(yīng)目前高鐵出現(xiàn)的各種梁型吊裝孔位置，型式多達(dá)6種。

該裝備采用高性能材料的門架結(jié)構(gòu)以保證整機(jī)的綜合力學(xué)性能，兼顧了剛度、強(qiáng)度及自重輕盈的綜合要求；采用4點起吊3點平衡的起吊方式，起升穩(wěn)定；功能模塊化設(shè)計充分滿足了40m、32m、24m、20m及非標(biāo)梁型長度；采用液壓液壓懸掛系統(tǒng)，懸掛分組串聯(lián)，適應(yīng)不平路面；采用液壓獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可實現(xiàn)90°橫向行走；整機(jī)CAN總線無線通信控制技術(shù)，將驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、升降及卷揚(yáng)起升等各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，形成一套機(jī)、電、液同步作業(yè)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；機(jī)載現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)能夠檢測設(shè)備工作狀態(tài)、動力學(xué)行為與故障狀態(tài)、作業(yè)危險狀態(tài)等信息，出現(xiàn)異常及時報警并發(fā)出操控指令；基于云平臺與無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可為裝備用戶企業(yè)提供不同級別的信息服務(wù)與技術(shù)支持，形成基于多傳感器融合、互聯(lián)互通的綜合性BIM系統(tǒng)[2]。

1 主要技術(shù)參數(shù)

2 總體設(shè)計

1000t輪胎式提梁機(jī)是預(yù)制場內(nèi)必不可少上的大型搬運(yùn)裝備，其通過電液比例變量泵-電比例馬達(dá)組成的起升、驅(qū)動、轉(zhuǎn)向等各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，組成了一套載重量達(dá)到1000 t的起重裝備，完成各種不同長度預(yù)制箱型梁的吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)，并配合運(yùn)梁車完成裝車作業(yè)。其組成包括金屬承載結(jié)構(gòu)，液壓天車系統(tǒng)、液壓驅(qū)動輪組、動力系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)及無線遙控系統(tǒng)等。

3 總體及設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 金屬門架承載結(jié)構(gòu)

金屬結(jié)構(gòu)是提梁機(jī)的承載鋼結(jié)構(gòu)部分，是主要的受力部件，在其提梁運(yùn)行過程中主梁的受力是非常復(fù)雜的，在設(shè)計階段利用三維制圖軟件SolidWorks完成了1000t提梁機(jī)的三維實體建模工作，并利用并利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對三維模型進(jìn)行了有限元分析，得到了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和撓度變化，為結(jié)構(gòu)方案的最終確定提供依據(jù)[3]。

門架結(jié)構(gòu)屬于焊接件且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，網(wǎng)格數(shù)目的多少不僅影響仿真結(jié)果的正確性，而且會導(dǎo)致分析的失敗。數(shù)目較少結(jié)果會偏差較大，數(shù)目較多會對CPU的要求很高。通過多次的仿真驗證，最終選擇的結(jié)果是網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為786532個，網(wǎng)格元素為444453個。

整個結(jié)構(gòu)的材料均采用Q345C，密度為7850kg/m3，楊氏模量為2*1011pa，泊松比為0.3，屈服極限σs為345MPa，抗拉強(qiáng)度σb為490～620MPa。

根據(jù)實際情況，將多個工況進(jìn)行分析對比，本文僅展示其危險工況32m900t偏載工況，經(jīng)過有限元計算得到的應(yīng)力云圖和最大撓度變形，可知其最大的應(yīng)力范圍為120～194MPa，尖點應(yīng)力是根據(jù)輪胎的特殊性載荷反向施加造成的，屬于計算過程人為產(chǎn)生，實際過程是不存在的，可忽略。根據(jù)材料極限應(yīng)力可得其安全系數(shù)均大于1.5倍，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計要求[4]。

3.2 多功能吊裝吊具設(shè)計

在高鐵梁場規(guī)劃選址設(shè)計過程中，要全面考慮橋跨與梁型布置，一般選擇在橋群中心或兩端附近，同時要利于大型制梁、運(yùn)梁設(shè)備、原料運(yùn)輸進(jìn)場等因素，運(yùn)距越短越合理，一般不超過15km。在條件允許情況下，采用輪軌或者輪胎式提梁機(jī)直接提混凝土箱梁上橋裝車運(yùn)輸，可徹底省去運(yùn)梁便道的費(fèi)用。但是在選址過程中，無論怎么優(yōu)化設(shè)計，還是會有支線節(jié)點和進(jìn)出車站的大曲線路基出現(xiàn)，這樣就不可避免的出現(xiàn)其它梁型，其結(jié)構(gòu)型式和吊裝方式均發(fā)生改變，為了節(jié)省預(yù)制場內(nèi)設(shè)備的固定投資，需要其提梁設(shè)備滿足多種梁型的吊裝要求，本設(shè)計綜合考慮了6種梁型的吊裝孔位置要求，該吊具設(shè)計達(dá)到了一機(jī)多用的效果。

3.3 液壓驅(qū)動系統(tǒng)同步性研究

1000t提梁機(jī)采用的單主梁結(jié)構(gòu)型式，其輪組根據(jù)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動型式的布置分為左右兩組，每組由單獨(dú)的發(fā)動機(jī)+液壓泵驅(qū)動分組內(nèi)的液壓馬達(dá)，形成兩套相同的變量泵和變量馬達(dá)的閉式回路液壓驅(qū)動系統(tǒng)，然后通過集成的CAN總線控制策略對速度和壓力雙閉環(huán)控制方式提高了提梁機(jī)的同步控制穩(wěn)定性和可靠性。

提梁機(jī)在重載工況下的兩側(cè)位移偏差是衡量設(shè)備性能的主要指標(biāo)，為滿足該使用條件，采用電比例變量泵-電比例變量馬達(dá)的容積調(diào)速回路設(shè)計思路，通過電磁換向閥的動態(tài)響應(yīng)對變量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。為了驗證該設(shè)計的可行性及協(xié)同作業(yè)的響應(yīng)時效，對驅(qū)動系統(tǒng)各元件進(jìn)行建立數(shù)學(xué)模型，分析了三種不同工況下的驅(qū)動系統(tǒng)在坡道啟動和平路運(yùn)行的動態(tài)特性（分析過程不再此詳述），得到了不同工況下變量泵的輸入特性參數(shù)，通過理論+實踐的方式驗證了仿真得到的參數(shù)能夠降低驅(qū)動系統(tǒng)同步性走行偏差，表明該同步控制策略是可行并且可靠的。

3.4 監(jiān)控集成系統(tǒng)性研究

特種大型起重裝備的安全使用是目前工程施工的重要問題，其安全運(yùn)行會直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。在目前國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上二次開發(fā)了智能監(jiān)控基礎(chǔ)系統(tǒng)，以現(xiàn)代視頻圖像處理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、衛(wèi)星定位等技術(shù)為核心，經(jīng)過車載智能主機(jī)計算分析后，對異常情況進(jìn)行甄別篩選實施分級別報警措施，利用聲光報警提醒駕駛員進(jìn)行規(guī)范操作，并通過4G/局域網(wǎng)絡(luò)將實施數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳至監(jiān)控平臺中心，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸可以起到監(jiān)控作用，經(jīng)過不斷的對產(chǎn)品進(jìn)行更新，逐步發(fā)展形成了系統(tǒng)化、智能化的監(jiān)控集成系統(tǒng)產(chǎn)品及行業(yè)解決方案[5]。

同時，為了提高系統(tǒng)的可用性和友好性，設(shè)置了液晶顯示屏和觸摸式操控界面，駕駛員可直接查看設(shè)備GPS定位、CAN總線數(shù)據(jù)信息、輸入輸出信息等等，管理員級別用戶可用通過密碼進(jìn)入更深層次的界面，更改程序代碼、查看遠(yuǎn)程中心的命令等等，通過這種方式讓監(jiān)控系統(tǒng)的交互性能進(jìn)一步提升。

4 結(jié)語

自2019年以來，1000t輪胎式提梁機(jī)在南沿江及其它項目提梁共計300多片，成功應(yīng)用于南沿江、昌景黃等多個項目施工，使用過程其各項技術(shù)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計要求，性能穩(wěn)定，順利的通過了客戶的驗收工作，設(shè)備的多樣化設(shè)計帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。