SC700輪胎搬梁機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

劉廣華 李 哲

(邯鄲中鐵橋梁機(jī)械有限公司 河北邯鄲 056003)

1 引言

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的不斷加快，建設(shè)里程已經(jīng)是世界第一，其中橋梁長(zhǎng)度占比很大。高速鐵路除特殊工況大多采用預(yù)制箱梁，預(yù)制箱梁從臺(tái)座的預(yù)制到養(yǎng)生區(qū)存放、再到存梁區(qū)停放、最后吊裝到運(yùn)梁車(chē)上，都需要用搬梁機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)位置的轉(zhuǎn)移。

搬梁機(jī)作為梁場(chǎng)特重型起重設(shè)備具有工作載荷大、自重大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、使用頻繁等特點(diǎn)。設(shè)備對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和可操作性，直接決定了使用效率。由于梁片的特殊性，每臺(tái)搬梁機(jī)都是需要特殊定制的，或者在類(lèi)似項(xiàng)目改造而來(lái)的，設(shè)備進(jìn)場(chǎng)后如果出現(xiàn)問(wèn)題，只能局部檢修和更換，很難短時(shí)間內(nèi)找到設(shè)備替代，嚴(yán)重的就會(huì)影響工程的進(jìn)度[1]。

目前大噸位搬梁機(jī)整機(jī)走行分為輪胎和輪軌兩種方式，輪胎走行大多采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，輪軌走行大多采用電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)。其中輪軌走行方式的搬梁機(jī)在施工場(chǎng)地的運(yùn)行路線(xiàn)和與運(yùn)梁車(chē)配合會(huì)受到一定的限制。而輪胎走行是采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式，液壓馬達(dá)國(guó)產(chǎn)件在耐用度上還是有一些問(wèn)題，大都采用進(jìn)口馬達(dá)和相匹配的液壓泵，而受全球疫情的影響，液壓零部件訂貨周期加長(zhǎng)，而在后期使用維護(hù)中，需要專(zhuān)業(yè)的人員和設(shè)備才能進(jìn)行保養(yǎng)和檢修，并且在檢修的時(shí)候液壓油有泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染；再者相比于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓傳動(dòng)的效率相對(duì)較低，這就需要配備更大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)組，日常使用中增加了燃油消耗進(jìn)而增加了成本，不符合當(dāng)今社會(huì)綠色環(huán)保施工的要求。

隨著高鐵建設(shè)的進(jìn)一步加速，越來(lái)越多的項(xiàng)目需要在山區(qū)和高海拔的地方使用，設(shè)備在這里使用挑戰(zhàn)的就是氧氣含量小、溫度低等不利影響，然而采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)受溫度的影響相對(duì)較小，只要增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率就可以了，相反采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，液壓油在低溫的影響下，流動(dòng)性變差，功率損失會(huì)進(jìn)一步加大，這樣對(duì)液壓油要求也會(huì)提高。

通過(guò)對(duì)目前市面上已有的搬梁機(jī)進(jìn)行調(diào)研和比對(duì)，在此基礎(chǔ)上研發(fā)了一種采用電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)的大噸位搬梁機(jī)走行系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以推廣到其他的走行驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。針對(duì)大噸位卷?yè)P(yáng)多層纏繞容易亂繩的問(wèn)題采用了先進(jìn)的折線(xiàn)卷?yè)P(yáng)。行車(chē)縱移采用拖拉卷?yè)P(yáng)替代油缸，提高了生產(chǎn)效率。針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采取了新的糾偏裝置，更加準(zhǔn)確。還對(duì)搬梁機(jī)目前操作方面不方便的地方也進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化改進(jìn)[2-3]。

2 SC700輪胎搬梁機(jī)介紹

SC700輪胎搬梁機(jī)可用于高速鐵路32 m預(yù)制箱梁700 t及以下梁片的吊裝作業(yè)，在預(yù)制梁場(chǎng)內(nèi)有3個(gè)重要作用:第1把預(yù)制的梁片從制梁臺(tái)座搬運(yùn)到養(yǎng)生區(qū)；第2從養(yǎng)生區(qū)搬運(yùn)到存梁區(qū)；第3把梁片倒裝到運(yùn)梁車(chē)上。除此之外還可以協(xié)助制梁區(qū)的龍門(mén)吊吊裝模板和鋼筋等輔助機(jī)具。

整機(jī)必須滿(mǎn)足橫向和縱向走行轉(zhuǎn)換，并在走行過(guò)程中通過(guò)編碼器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)走正調(diào)整糾偏功能。起升高度方向滿(mǎn)足提1片梁通過(guò)2片梁。兩個(gè)支腿中間留有運(yùn)梁車(chē)通過(guò)的空間，可以與運(yùn)梁車(chē)配合把梁片吊裝到運(yùn)梁車(chē)上[4]。

2.1 設(shè)備組成

SC700輪胎搬梁機(jī)主要由主梁、橫梁、行車(chē)、支腿、輪胎走行系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和扶梯系統(tǒng)等部分組成，見(jiàn)圖1。

圖1 SC700輪胎搬梁機(jī)

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

(1)額定起重量: 700 t(不含吊具)

(2)跨度: 40 m

(3)起升高度: 12 m

(4)起升速度: 重載0～0.5 m/min

空載0～1 m/min

(5)運(yùn)行速度: 重載0～15 m/min

空載0～30 m/min

(6)滿(mǎn)載爬坡能力:＜2%

(7)輪胎數(shù)量: 128個(gè)

(8)輪胎型號(hào): 12.0R20

(9)驅(qū)動(dòng)橋: 16個(gè)

(10)從動(dòng)橋: 16個(gè)

(11)支撐油缸數(shù)量/噸位:8個(gè)/150 t

(12)轉(zhuǎn)向角度:-10°～100°調(diào)節(jié)

(13)運(yùn)行模式:縱行/橫行

(14)起吊方式:4點(diǎn)起吊，3點(diǎn)平衡

(15)整機(jī)功率:435 kW

(16)整機(jī)工作級(jí)別:A3

(17)機(jī)構(gòu)工作級(jí)別:M4

3 SC700輪胎搬梁機(jī)主要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 輪胎走行系統(tǒng)

整機(jī)有4組單獨(dú)的輪胎走行臺(tái)車(chē)，單個(gè)走行臺(tái)車(chē)采用2縱列4軸線(xiàn)共8組懸掛，整機(jī)共有32×4＝128個(gè)輪胎，每組懸掛配有1個(gè)懸掛油缸，保證在崎嶇不平的路面上走行時(shí)每組懸掛受力均衡。走行臺(tái)車(chē)主要由:驅(qū)動(dòng)橋、從動(dòng)橋、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、整機(jī)起升油缸、走行架體等組成，見(jiàn)圖2。

圖2 SC700輪胎搬梁機(jī)

驅(qū)動(dòng)橋采用電機(jī)減速機(jī)傳動(dòng)，電機(jī)采用走行專(zhuān)用的YVPEJ電機(jī)，減速機(jī)采用行星減速機(jī)，減速機(jī)帶動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)。4組懸掛上面采用1個(gè)橫梁連接，兩根橫梁之間采用縱梁連接，縱梁下設(shè)有整機(jī)起升油缸，整機(jī)搬梁機(jī)需要轉(zhuǎn)向時(shí)需要采用整機(jī)起升油缸把整機(jī)頂升高位后，才能通過(guò)轉(zhuǎn)向油缸把走行輪組旋轉(zhuǎn)。

走行轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用連桿相連使4組懸掛組成1個(gè)轉(zhuǎn)向模塊，連桿間采用絲杠調(diào)整間隙。當(dāng)整機(jī)起升油缸支撐于地面后，起升油缸動(dòng)作，由于懸掛油缸是單作用油缸，不能讓輪胎完全懸空，只需要把輪胎由于重載產(chǎn)生的下?lián)享斊饋?lái)后，然后解除走行電機(jī)抱閘后，輪胎可以自由旋轉(zhuǎn)，這時(shí)就可以通過(guò)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)讓走行輪組旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)整機(jī)直行和橫行功能的切換，為了調(diào)整偏差量，旋轉(zhuǎn)角度設(shè)計(jì)值為 -10°～100°[5-6]。

以SC700輪胎搬梁機(jī)為例，整機(jī)走行和行車(chē)起升采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)和采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)在燃油消耗方面對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 燃油消耗對(duì)比

通過(guò)計(jì)算可以知道，在1年按照325 d工作，每天工作8 h的情況下，可以節(jié)省燃油約52 000 L。而且電機(jī)驅(qū)動(dòng)省去了定期更換液壓油的需要，提高了生產(chǎn)效率，驅(qū)動(dòng)橋整體采用模塊化的設(shè)計(jì)，單個(gè)電機(jī)損壞可以快速地診斷和更換，比液壓驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)效果顯著。

3.2 行車(chē)縱移采用拖拉卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)

高鐵和城際鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁長(zhǎng)有40 m、32 m和24 m三種，也有20 m、27 m等長(zhǎng)度的非標(biāo)梁，遇到不同長(zhǎng)度非標(biāo)梁，需要頻繁地改變吊梁行車(chē)位置來(lái)滿(mǎn)足不同梁長(zhǎng)的吊裝需要，吊梁行車(chē)沿著搬梁機(jī)主梁方向需要變換位置。

本項(xiàng)目梁長(zhǎng)有32 m和24 m兩種，存梁區(qū)為了少做樁基，接梁臺(tái)座采取一端對(duì)齊的方式。從32 m梁變換到24 m梁，需要其中1個(gè)行車(chē)沿著主梁方向移動(dòng)8 m的距離。如果行車(chē)采用油缸作為動(dòng)力，缺點(diǎn)就是油缸作為間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，每次的行程大多控制在1 m左右，這樣就需要往復(fù)8次，主梁上需要有多個(gè)固定油缸的位置，如果從40 m梁變換到20 m梁，行車(chē)需要移動(dòng)20 m的距離，而且需要操作人員上到主梁上去插拔銷(xiāo)軸，效率非常低。本項(xiàng)目采用了拖拉卷筒作為動(dòng)力，見(jiàn)圖3[7]。

圖3 拖拉卷?yè)P(yáng)

拖拉卷?yè)P(yáng)采用YEJ制動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力，通過(guò)行星減速機(jī)驅(qū)動(dòng)筒體旋轉(zhuǎn)，拖拉卷?yè)P(yáng)通過(guò)螺栓固定在行車(chē)上，鋼絲繩固定在主梁的端頭，當(dāng)梁長(zhǎng)變化的時(shí)候可以通過(guò)拖拉卷?yè)P(yáng)快速地把行車(chē)放置到相應(yīng)的位置上。

拖拉卷?yè)P(yáng)是把行車(chē)大致的位置放置到位，當(dāng)搬梁機(jī)運(yùn)行到梁片的上方后，如果扁擔(dān)的吊點(diǎn)與梁片的吊裝孔沒(méi)有對(duì)齊的情況下，就需要調(diào)整行車(chē)底座上面的縱向和橫向調(diào)整油缸進(jìn)行微調(diào)來(lái)精準(zhǔn)對(duì)位。

3.3 折線(xiàn)卷筒

整機(jī)主起升采用4個(gè)卷?yè)P(yáng)，每個(gè)卷?yè)P(yáng)采用1臺(tái)YZPEJ起重專(zhuān)用變頻電機(jī)通過(guò)行星減速機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)。整機(jī)滿(mǎn)足提1片梁通過(guò)存梁區(qū)2片梁的要求，起升高度為12 m，為了滿(mǎn)足起升高度，卷筒上纏繞的鋼絲繩要達(dá)到3層，為了解決多層纏繞容易出現(xiàn)亂繩的事情，卷筒采用了折線(xiàn)卷筒，見(jiàn)圖4。

圖4 折線(xiàn)卷筒

折線(xiàn)卷筒以獨(dú)特的設(shè)計(jì)和功能可以滿(mǎn)足多層纏繞和排繩不整齊的情況，折線(xiàn)卷筒的特點(diǎn)就是斜繩槽約占圓周長(zhǎng)的25%，直繩槽約占75%[8]。

卷?yè)P(yáng)重載從最低位起升的時(shí)候，鋼絲繩卷入卷筒的第1層的第1圈和第2層最后1圈會(huì)出現(xiàn)間隙，處理不當(dāng)時(shí)第2層的鋼絲繩會(huì)在重載的牽引下強(qiáng)行勒進(jìn)第1層，當(dāng)卷?yè)P(yáng)重載下放的時(shí)候鋼絲繩從第1層里面跳出來(lái)會(huì)造成很大的沖擊，造成整機(jī)的震動(dòng)和鋼絲繩的磨損破壞。需要根據(jù)實(shí)際的繞繩位置提前把這個(gè)空間填補(bǔ)起來(lái)，這樣就可以很好地避免了這個(gè)情況的發(fā)生。

采用折線(xiàn)卷筒，還可以最大限度地保護(hù)在卷筒上多成纏繞的鋼絲繩，使其繩股之間的點(diǎn)接觸區(qū)域大幅度減小，從而延長(zhǎng)了鋼絲繩的使用壽命，減少了更換鋼絲繩的頻率，提高了作業(yè)效率，降低了使用成本。

3.4 走行通過(guò)變頻糾偏系統(tǒng)

整機(jī)在走行的過(guò)程中，由于輪胎氣壓、前后支腿受力不均、路面不平等原因勢(shì)必造成走偏的情況，梁場(chǎng)空間有限而且每一片梁到達(dá)存梁區(qū)位置是固定的，行車(chē)上調(diào)整油缸行程有限，這就需要在走行過(guò)程中設(shè)備通過(guò)自身的糾偏系統(tǒng)糾正線(xiàn)路，讓搬梁機(jī)沿著預(yù)定的走行路線(xiàn)走行。

以操作者的視線(xiàn)為參照，前面兩組為前支腿，后面兩組為后支腿，前后走行為縱移模式，左右走行為橫移模式。具體的流程為:操作臺(tái)給后腿PLC操作指令(如橫移模式或者縱移模式，大車(chē)前進(jìn)后退，走行速度等)，后腿PLC與前腿PLC雙向通訊，使兩PLC同時(shí)控制4個(gè)走行機(jī)構(gòu)的變頻器輸出動(dòng)作給各個(gè)走行電機(jī)實(shí)現(xiàn)大車(chē)走行動(dòng)作。大車(chē)走行動(dòng)作的同時(shí)，兩PLC通過(guò)檢測(cè)兩對(duì)角的走行機(jī)構(gòu)的速度傳感器來(lái)判斷大車(chē)走行偏差，同時(shí)在監(jiān)控觸摸屏上顯示哪個(gè)走行機(jī)構(gòu)快或慢，當(dāng)偏斜量大于設(shè)定值時(shí)PLC會(huì)自動(dòng)改變對(duì)應(yīng)的變頻器速度通過(guò)走行電機(jī)差速實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾偏功能，見(jiàn)圖5[9-10]。

圖5 糾偏系統(tǒng)流程

3.5 多模塊化的大車(chē)走行系統(tǒng)

搬梁機(jī)在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)輕微偏差的情況，有時(shí)候會(huì)需要某一側(cè)單獨(dú)動(dòng)作來(lái)進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)位操作。相比較應(yīng)用比較多的液壓走行系統(tǒng)通過(guò)液壓馬達(dá)和泵來(lái)實(shí)現(xiàn)大車(chē)走行的情況來(lái)看，液壓走行系統(tǒng)分為前腿和后退兩個(gè)大部分，整機(jī)在橫移模式時(shí)可以實(shí)現(xiàn)前腿或后退的左右微調(diào)動(dòng)作，但是在縱移模式時(shí)不能夠滿(mǎn)足前腿左側(cè)和后腿的左側(cè)或者前腿的右側(cè)和后腿的右側(cè)進(jìn)行單獨(dú)的前后移微調(diào)操作，使設(shè)備使用具有局限性。

本設(shè)備大車(chē)走行方面采用多模塊化的設(shè)計(jì)，將大車(chē)走行系統(tǒng)分為4個(gè)大的部分(前腿左側(cè)走行系統(tǒng)、前腿右側(cè)走行系統(tǒng)、后腿左側(cè)走行系統(tǒng)和后腿右側(cè)走行系統(tǒng))，每個(gè)部分由1臺(tái)變頻器控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)大車(chē)走行動(dòng)作，此設(shè)計(jì)不僅滿(mǎn)足了橫移模式下的一側(cè)左右移微調(diào)動(dòng)作，而且滿(mǎn)足了縱移模式下的一側(cè)前后移的微調(diào)動(dòng)作，讓操作更加靈活和方便，大大提高工作效率和對(duì)位的精度。同時(shí)模塊化的設(shè)計(jì)讓故障排查和檢修更加方便和快捷，節(jié)約了維護(hù)成本[11-12]。

4 結(jié)束語(yǔ)

新研制的SC700輪胎搬梁機(jī)于2021年7月出廠(chǎng)，在中鐵二十四局集團(tuán)上海軌道交通市域線(xiàn)機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)梁場(chǎng)施工，截至目前搬運(yùn)梁片20多榀，設(shè)備運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。通過(guò)此次在搬梁機(jī)上采用的新設(shè)計(jì)總結(jié)如下:

(1)整機(jī)走行采用變頻電機(jī)，減小了整機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，減少了燃油消耗。變頻電機(jī)取代液壓馬達(dá)避免了定期更換潤(rùn)滑油的作業(yè)，可以適應(yīng)高海拔嚴(yán)寒環(huán)境，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(2)行車(chē)走行采用卷?yè)P(yáng)拖拉結(jié)構(gòu)，吊裝不同長(zhǎng)度梁片的時(shí)候只需要在操作室內(nèi)通過(guò)控制臺(tái)指令讓行車(chē)快速地移動(dòng)到相應(yīng)的位置，方便快捷，提高了操作效率。

(3)主起升卷?yè)P(yáng)采用折線(xiàn)卷筒，保證了在多層纏繞的情況下不發(fā)生亂繩，延長(zhǎng)了鋼絲繩的使用壽命，減小了維護(hù)成本。

(4)整機(jī)走行采用了糾偏系統(tǒng)和多模塊化的走行系統(tǒng)，走行偏差變小，可操作性進(jìn)一步增強(qiáng)。