基于物聯網技術的公路架橋機過孔防傾覆控制

郭文奇

（中鐵九局集團第七工程有限公司，遼寧沈陽 110041）

0 引言

懸掛配重方式過孔的架橋機采用更短主梁長度，可以有效降低設備生產成本和運輸成本，目前已經被廣泛使用。但是，這類架橋機過孔時，需要依靠施工人員主動控制來保證過孔的安全，如果經驗不足操作不當，很容易引起傾覆事故。本文以SH-JQJ220-50A3 型公路架橋機為例，結合物聯網技術，對50 mT 梁過孔過程中如何監控公路架橋機的過孔狀態進行研究，以避免人為操作不當造成的事故。

1 物聯網

物聯網的體系架構可分為三層：感知層、傳輸層和應用層。

（1）感知層相當于人體的感知器官，由傳感器、執行器與控制器及傳感網絡構成，是聯系物理世界與虛擬世界的紐帶。傳感器是把物理信號轉換成數字信號的儀器。本文利用電阻應變式稱重傳感器采集架橋機過孔過程中，提升小車所吊配重的重力；利用位移傳感器采集小車、中支腿位移信息，根據位移信息計算各部件位置。

（2）傳輸層是對采集到的數字信號的進行傳輸，包括NFC 等近場通信技術和GPRS 等遠距離傳輸技術。

（3）應用層是在終端將傳輸層傳送過來的數字信號轉換成數據，并利用終端設備對數據進行整理分析，把分析計算過程集成到終端軟件中，讓最終結果和數據一目了然。本文通過采集到的配重重力數據、小車及支腿位移數據和公路架橋機本身的長度、重量等相關數據，計算架橋機過孔時的安全系數，并根據不同的安全系數產生不同的反饋。

2 架橋機過孔防傾覆控制

2.1 架橋機組成

SH-JQJ220-50A3 型公路架橋機主要由主梁、后支腿、后托輪、中支腿、前支腿、橫移軌道、提升小車組成（圖1）。其中主梁為桁架式雙主梁，全長84 m，總重為1400 kN，后支腿重60 kN，后托輪重80 kN，中支腿重170 kN；前支腿重120 kN，中支腿橫移軌道重100 kN，前支腿橫移軌道重50 kN，提升小車2 個，每個重200 kN。

圖1 SH-JQJ220-50A3 型公路架橋機結構

2.2 公路架橋機過孔程序

（1）將主梁調節至水平狀態，將預制梁運至橋機尾部，做好過孔準備。

（2）啟動前后支腿液壓系統，靠千斤頂均勻頂起主梁至適當位置，在前后伸縮筒內穿入銷軸。將橫移軌道調整到適當位置，并調平墊實，使主梁落在后托輪和中支腿上。

（3）使橋機前進一定距離，前后小車同步后移，使小車距主梁后端與主梁懸臂端之和等于梁長。

（4）拉出前后伸縮筒內銷軸，均勻收起前后支腿。

（5）將后提升小車與預制梁捆綁連接，形成整體，增加公路架橋機的抗傾覆能力。

（6）向前移動主梁至規定位置，同步向后移動小車，保持預制梁不動。

（7）前支腿到達下一墩柱支撐位置后，調節高度并插入銷軸，使前支腿滿足架梁要求，同時收起后支腿和反托架，完成過孔動作。

2.3 公路架橋機過孔傾覆風險

在架設50 mT 梁工況下，公路架橋機縱移過孔時，前支腿端處將于懸臂狀態，以中支腿為支點，就會產生向前傾覆力矩。隨著架橋機的縱向移動，懸臂端長度將會不斷變長，傾覆力矩也隨之不斷變大。當架橋機前端的傾覆力矩大于后端抗傾覆力矩時，就會發生向前的傾覆事故。SH-JQJ220-50A3 型公路架橋機設計長度較短，無法通過自平衡過孔，需要靠配重增加抗傾覆能力，并通過隨時調整提升小車位置保證抗傾覆安全系數符合要求。這就導致了此類型的公路架橋機過孔的安全性受人為因素影響大，如果操作人員對公路架橋機的整體不熟悉或者經驗不足，導致未能配置足夠的配重或者未能及時調整小車位置，就可能會導致傾覆事故的發生。

為了改變僅依靠操作人員經驗及管理人員管控來防止風險的現狀，通過引入物聯網技術，增加設備過孔時的自動化控制，從而達到防止人為因素產生風險的目的。

2.4 架橋機過孔時抗傾覆系數計算

在架橋機過孔時，中支腿做為支點，前支腿到中支腿的距離為l0，前提升小車到中支腿距離為l1，后提升小車到中支腿距離為l2，配重吊在前提升小車上。前支腿和前支腿橫移軌道產生的傾覆力矩為P1，主梁自身產生的傾覆力矩為P2。后支腿產生的抗傾覆力矩為P3，提升小車產生的抗傾覆力矩為Pt1、Pt2，主梁自身產生抗傾覆力矩為P4，配重產生的抗傾覆力矩為Pp。

架橋機雙主梁對稱且為均布載荷，可計算架橋機主梁上的均布載荷為：

各部分產生的力矩計算如下：

式（1）～式（8）中，G1為主梁重力，G2為前支腿重力，G3為提升小車重力，G4為后支腿重力，G5為前支腿橫移軌道重力，Gp為配重重力，L 為主梁全長。

抗傾覆安全系數K 的計算：

由式（9）可以看出，隨著架橋機過孔，前支腿懸臂長度l0的增加，抗傾覆安全系數不斷減小，這時要通過調整2 個提升小車到支點的距離l1、l2來保證安全系數滿足要求。

2.5 基于物聯網技術的架橋機過孔防傾覆控制

將SH-JQJ220-50A3 型公路架橋機數據代入上述公式，安全系數K 取1.3，懸臂長度l0按T 梁長度50 m取值，提升小車放在架橋機尾部，提升小車寬2 m，l2最大取值為L-l0-1=33 m，l1最大取值L-l0-3=31 m，計算得出配重Gp最小為440.65 kN。按此配重進行過孔作業，如果未及時將l1調整到31 m，或支點位置選取不當、未及時停止主梁縱移導致懸臂長度超出50 m，都會造成安全系數小于1.3，而且提升小車、主梁縱移全靠人為調整，很難精準控制。例如，因為操作失誤，懸臂長度l0達到52 m，抗傾覆安全系數K 就會降低至1.12，這就會大大增加傾覆的風險。

結合物聯網技術，通過傳感器采集信息，并通過GPRS 等遠距離傳輸技術將信息傳輸到應用層，在應用層計算并顯示安全系數，并根據安全系數控制架橋機動作。通過將電阻應變式稱重傳感器安裝在提升小車定滑輪軸上采集配重重力Gp，并通過選用僵性較小的鋼絲繩、效率高的滑輪組滾動軸承來提高傳感器的精度。通過位移傳感器采集提升小車、中支腿的位移，根據位移數據計算出懸臂長度l0、提升小車距中支腿距離l1、l2。在應用層將感知層采集到的Gp、l1、l2和已知的G1、G2、G3、G4、G5、L 數據代入安全系數計算公式，可實時計算并顯示當前的安全系數：當安全系數小于1.3時，架橋機蜂鳴報警；當安全系數小于1.2 時，切斷主梁前進回路；安全系數增加到1.3 后恢復正常。

可以將架橋機劃分為過孔狀態和正常狀態，當架橋機調至過孔狀態時候，防傾覆控制系統生效。這樣可以避免防傾覆控制系統影響架橋機未過孔時的其他動作。

過孔防傾覆控制系統不能代替公路架橋機作業過程的其他安全措施。必須要確定橫移軌道下支撐的強度，否則支撐不足或者枕木壓碎都會導致失穩，發生傾覆事故；所有支腿必須鋪墊枕木，避免與混凝土面直接接觸。這樣既可以通過枕木對公路架橋機進行調平，也可以增加公路架橋機支腿與混凝土面的接觸面積，提高穩定性，避免對混凝土面的破壞，防止傾覆風險；公路架橋機就位后，需要空載橫向移動，檢查架橋機橫向、縱向是否保持水平；過孔完成后，在固定前支腿時候，要注意前支腿的垂直度是否滿足要求。前支腿垂直度不滿足要求或者由于未要要求安裝插銷導致固定不牢度，在架梁時極易發生傾覆事故。

3 結束語

利用物聯網技術，可以在架橋機過孔時即時顯示安全系數，安全情況一目了然。當安全系數降低到閾值時，通過物聯網系統提示預警并控制架橋機動作，可以有效避免過孔時人為操作失誤、配重不足或計算錯誤等原因造成的架橋機傾覆事故。