橋梁高空維修作業(yè)用便攜式吊裝機創(chuàng)新設(shè)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(wù)段 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010

在鐵路橋梁養(yǎng)護過程中，需要定期對內(nèi)外側(cè)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(yè)人員的安全。但是目前將維修用水泥板及相關(guān)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(xiàn)維修人員被砸傷碰傷的事故；因此，需要設(shè)計一種便攜、高效操作簡單快捷的新型吊裝機構(gòu)解決作業(yè)中的問題。

1 創(chuàng)新設(shè)計

1.1 產(chǎn)品功能分析和問題分析

鐵路橋梁高空維修作業(yè)用便攜式吊裝機作為鐵路工務(wù)養(yǎng)護重要的工具，應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單，故障方便排除的功能。

1.2 技術(shù)矛盾確定與解決思路

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

鐵路橋梁高空維修作業(yè)用便攜式吊裝機的技術(shù)矛盾在于。(1) 現(xiàn)場工人上下道不方便，希望機器重量比較輕，結(jié)構(gòu)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(xiàn)實矛盾是鐵路橋上沒有安裝其他設(shè)備的支點，吊裝機需要自身攜帶固定裝置；(2) 現(xiàn)場工人技能水平不高，希望機器操作簡單，快捷高效，現(xiàn)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(zhàn)[1]。

1.3 創(chuàng)新方案設(shè)計

1.3.1 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)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(yīng)用和布置可以減小電機的負載，節(jié)省電力，減少電源消耗。具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計如下。

1.3.2 機械總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1至圖2所示，橋梁高空維修作業(yè)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(shè)于套管2.1內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸2.2；旋轉(zhuǎn)軸2.2的兩端長于套管2.1外，旋轉(zhuǎn)軸2.2的頂端與吊臂1固定連接，成為整體旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

吊臂1的每個端部兩側(cè)均固定有護板8，同一端的兩塊相對的護板8之間轉(zhuǎn)動設(shè)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(zhuǎn)軸2.2之間固定有加強臂19，形成穩(wěn)定的三角結(jié)構(gòu)，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(nèi)，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(zhuǎn)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(shè)有鋼絲繩5，鋼絲繩5的端部依次繞設(shè)穿過兩個滑輪4且固定有吊鉤20。

1.3.3 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于工務(wù)施工現(xiàn)場的鋼軌作為信號導(dǎo)電用，不能夠作為支撐物，同時架設(shè)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(jié)構(gòu)我們進行創(chuàng)新設(shè)計，使用橋梁邊緣的圍欄作為支撐物，卡接機構(gòu)要求可靠、方便拆卸和移動。參照圖2、圖4，具體結(jié)構(gòu)如下。

支撐臂2的外壁固定有卡接機構(gòu)7，卡接機構(gòu)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(shè)置；在水平板7.11下方平行設(shè)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(shè)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(shè)有固定孔，在固定孔內(nèi)穿設(shè)有螺桿12，螺桿12鄰近支撐臂2的一端套設(shè)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(shè)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(shè)備更牢固的固定在圍欄上，使吊裝作業(yè)更加穩(wěn)定；以此，通過卡接機構(gòu)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(shè)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(shè)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(yè)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(shè)計計算

鋼絲繩在工作過程中，受力非常復(fù)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(chǎn)生彎曲應(yīng)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(guī)格較難，一般采用靜力計算法。

鋼絲繩最大靜拉力應(yīng)滿足下列要求：

式中：Pmax—鋼絲繩作業(yè)時可以承受的最大靜應(yīng)力

Pd—鋼絲繩破斷應(yīng)力

n—安全系數(shù)

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(shù)；

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(yè)時額定的最大靜應(yīng)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(shù)有關(guān)，每穿繞一次鋼絲繩就產(chǎn)生由直變曲再由曲變直的過程，穿繞次數(shù)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(huán)境、工作類型、保養(yǎng)情況有關(guān)。

所以我們在設(shè)計時著重注意以下幾點：

(1) 吊裝機在作業(yè)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(jù)工作類型及環(huán)境選擇適合的鋼絲繩，我們根據(jù)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(chǎn)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(shè)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(shè)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(shè)置；旋轉(zhuǎn)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(nèi)，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?qū)⒉酆?.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(cè)之間活動穿設(shè)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(cè)，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?qū)崿F(xiàn)將裝設(shè)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(shè)計關(guān)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(yè)特點，電機也是經(jīng)常處于頻繁通、斷電，起動、制動和反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，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(zhuǎn)矩也要盡量大。同時由于吊裝機對作業(yè)中準確性方面的要求非常高，所以設(shè)備的調(diào)速是一個關(guān)鍵，但綜合各因素來看，只能進行電氣調(diào)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(tài)。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(zhuǎn)，當物件被吊起來后會出現(xiàn)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(jù)受力分析可以簡單得出電機功率P、鋼絲繩作業(yè)時可以承受的最大靜應(yīng)力Pmax、電機轉(zhuǎn)速存在以下關(guān)系：

式中：P—電機功率

Pmax—鋼絲繩作業(yè)時可以承受的最大靜應(yīng)力

R—卷筒的作用半徑

n—電機轉(zhuǎn)速

由以上公式可以推斷，為了實現(xiàn)我們的設(shè)計目標，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量將卷筒直徑做大，減少電機功率自然就降低能耗。實現(xiàn)設(shè)計目標。

吊臂1與套管2.1之間的旋轉(zhuǎn)軸2.2上垂直固定有定位卡板16，在定位卡板16上開設(shè)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(shè)有若干個限位孔17.1，在定位孔16.1和對應(yīng)的限位孔17.1之間穿設(shè)有限位銷釘18；根據(jù)實際作業(yè)情況，通過轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸2.2能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)整吊臂1的位置，完成調(diào)整后，將限位銷釘 18穿設(shè)在定位孔16.1與對應(yīng)的限位孔17.1內(nèi)，避免旋轉(zhuǎn)軸2.2繼續(xù)轉(zhuǎn)動，便于吊裝作業(yè)；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(jié)論

通過調(diào)研現(xiàn)場實際試驗的情況，基本解決相關(guān)的水泥板安全更換的矛盾，創(chuàng)新性、科學(xué)性的研制出鐵路橋梁高空維修作業(yè)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(yè)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。