管樁離心成型工序自動化起重機(jī)

高灼均 莊炳春

廣州起重機(jī)械有限公司 廣州 510405

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，混凝土管樁生產(chǎn)工藝不斷的改進(jìn)，管樁自動化生產(chǎn)線已陸續(xù)出現(xiàn)。對管樁搬運(yùn)起重機(jī)的要求不斷提高，常規(guī)起重機(jī)的構(gòu)造、控制方式等已逐漸不能滿足自動化生產(chǎn)的要求，起重機(jī)逐漸向?qū)Ｓ没?、自動化形式的過渡勢在必行。本文提出的管樁生產(chǎn)自動化起重機(jī)可配合管樁自動化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)自動化、信息化、提高生產(chǎn)效率、減少人身傷害等功能。

1 管樁生產(chǎn)線及起重機(jī)使用狀況

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁生產(chǎn)流程主要由籠筋制備、籠筋入管模、管模合蓋、泵送混凝土漿、離心成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)、管樁脫模、高壓蒸養(yǎng)等工序組成。以往，管樁生產(chǎn)線上的起重機(jī)多采用常規(guī)老式QE雙小車形式的橋式起重機(jī)，起重量為8 t+8 t、10 t+10 t、12 t+12 t等規(guī)格，工作級別A6～A7，起升額定速度12～15 m/min，大車運(yùn)行額定速度80～100 m/min，小車運(yùn)行額定速度30～40 m/min，司機(jī)室手動操作，起升機(jī)構(gòu)、大車機(jī)構(gòu)和小車機(jī)構(gòu)均采用接觸器切電阻的啟動調(diào)速控制方式。為提高工作效率，起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的抱閘基本處于松開狀態(tài)，司機(jī)在使用過程中，通過多次打反車操作使電動機(jī)瞬間改變旋轉(zhuǎn)方向，從而達(dá)到快速停止和對位的目的。打反車操作給起重機(jī)帶來較大弊端，容易破壞橋架的金屬結(jié)構(gòu)，降低橋架的使用壽命；反向制動瞬間產(chǎn)生的大扭矩和強(qiáng)電流對電動機(jī)、傳動軸等傳動系統(tǒng)均造成極大損傷，容易造成傳動軸扭斷、電動機(jī)燒毀、電氣元器件燒壞等危害。

2 離心成型工序自動化起重機(jī)的規(guī)劃

離心成型工序是混凝土管樁生產(chǎn)線工序中的重要環(huán)節(jié)，其主要功能是使管模內(nèi)混凝土通過離心使緩凝土密實(shí)均勻并成型為管樁。離心成型工序需經(jīng)歷低速、中速、高速等階段，離心過程管樁模具速度可達(dá)400 r/min以上。管樁離心成型是離心力加振動力的復(fù)合，在離心成型過程中，管模的振動頻率一般達(dá)每分鐘數(shù)千次，管樁模具的跑圈與離心機(jī)的滾輪時常發(fā)生摩擦及較大碰撞。在混凝土離心的過程中，由于地面沉降導(dǎo)致離心機(jī)滾輪出現(xiàn)水平偏差或管樁模具老化導(dǎo)致模具的跑圈出現(xiàn)磨損變形等原因，造成管樁模具出現(xiàn)跳動甚至彈飛等安全隱患。不同類型的混凝土制品離心時間也不同。對于Φ300～Φ600 mm規(guī)格的混凝土管樁，每根管樁離心時間一般在5～8 min，生產(chǎn)線上分布多臺離心機(jī)，起重機(jī)工作相當(dāng)頻繁。因此，為降低安全風(fēng)險(xiǎn)，降低工人勞動強(qiáng)度，配合管樁自動化生產(chǎn)線的效率要求，需要對起重機(jī)的機(jī)構(gòu)、控制等進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)。

新型設(shè)計(jì)的離心成型工序自動化起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示?；窘Y(jié)構(gòu)仍然采用QE形式的雙小車橋式起重機(jī)，起重量改為QE32(8/8+8/8) t，工作級別為A7級，起升高度降低為5 m，起升速度0～20 m/min，大車運(yùn)行速度0～110 m/min，小車運(yùn)行速度0～32 m/min，控制方式為自動、遠(yuǎn)程手動、司機(jī)室備用控制3種形式。起重機(jī)帶機(jī)械防搖裝置、自動吊具。

圖1 管樁自動化起重機(jī)示意圖

3 機(jī)械和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 起升機(jī)構(gòu)

管樁生產(chǎn)節(jié)奏快、工作繁忙，離心成型工序的自動化起重機(jī)每個工作循環(huán)基本處于滿載的狀況，起升機(jī)構(gòu)工作級別為M7及以上。在選擇電動機(jī)、減速器等零部件時，需結(jié)合其工作級別選取計(jì)算并有一定余量，需對起升電動機(jī)進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn)和過載校驗(yàn)核算。如圖2所示，為滿足離心機(jī)生產(chǎn)效率，起重機(jī)的每個小車架上前后布置2套同樣規(guī)格的起升機(jī)構(gòu)，左右小車的2個起升機(jī)構(gòu)共同懸掛1套管樁吊具，1臺起重機(jī)同時懸掛2套吊具。起升機(jī)構(gòu)高速軸采用2套液壓推桿制動器作為安全裝置，每套制動器的制動力矩均高于GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的安全系數(shù)。在安全保護(hù)功能方面，起升制動器設(shè)置磨損檢測開關(guān)，當(dāng)磨損超出設(shè)定值時，系統(tǒng)自動切斷起升機(jī)構(gòu)的動力電源。起升制動器加裝制動襯墊磨損自動補(bǔ)償裝置，通過此裝置，可使制動器制動力矩自動維持在設(shè)定范圍。除須配置滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的硬限位外，起升機(jī)構(gòu)設(shè)置軟限位。軟限位由PLC讀取測距傳感器的數(shù)據(jù)，通過軟件程序柔性地設(shè)置減速和停止限位；硬限位為物理元件硬接線限位。通過這樣的搭配，可延長硬限位的使用壽命，也使限位開關(guān)的設(shè)置更加的柔性。起升機(jī)構(gòu)高位的硬限位開關(guān)采用2種不同形式的檢測裝置，當(dāng)高位行程開關(guān)分別動作時，可分別控制不同的斷路裝置，到達(dá)更佳的保護(hù)作用。

圖2 起升機(jī)構(gòu)示意圖

3.2 防搖裝置

自動化起重機(jī)大車運(yùn)行額定速度高，起制動頻繁，吊具、管模和管樁質(zhì)量大，慣性擺動能量大，為使起重機(jī)在加減速過程中迅速達(dá)到平穩(wěn)以及快速準(zhǔn)確定位的目的，在小車架底部安裝圖3所示機(jī)械剛性防搖裝置。通過機(jī)械的方式消耗擺動的能量以實(shí)現(xiàn)消除搖擺，從而提高起重機(jī)的工作效率。防搖裝置由防搖架、支座、滾輪組、導(dǎo)向桿等裝置組成。支座和定位裝置與小車架連接在一起，導(dǎo)向柱在滑輪組的導(dǎo)向牽引下自由伸縮，導(dǎo)向裝置與自動夾具吊梁采用銷軸連接。在小車架上，正對著導(dǎo)向桿方向，安裝有減速和停止檢測功能的接近開關(guān)傳感器，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)向桿的減速與到位檢測。鋼絲繩卷筒尾部凸輪旋轉(zhuǎn)開關(guān)起第二級極限保護(hù)。起升機(jī)構(gòu)采用此方式的傳感器作為減速和停止功能檢測，在起重機(jī)更換鋼絲繩時能更加快速方便地恢復(fù)自動功能的參數(shù)標(biāo)定。

圖3 防搖裝置示意圖

3.3 自動吊具

自動化起重機(jī)吊鉤下懸掛如圖4所示的自動吊具。自動吊具由掛梁、卡爪、氣缸、接近開關(guān)傳感器、超聲波傳感器等組成。一般管樁的長度在14.5 m以內(nèi)，掛梁長度設(shè)計(jì)為9.2 m，掛梁內(nèi)有4組卡爪，每組卡爪間距2 m，可適用于Φ300～Φ600 mm的管樁，自動吊具的卡爪縱向兼容性±75 mm。

圖4 自動吊具示意圖

卡爪夾具與掛梁之間的連接采用鏈條懸掛的柔性連接方式，此方式相對于剛性連接，可減少卡爪夾具與管樁模具之間的碰撞強(qiáng)度，使夾具更加的耐用。在抓取和釋放管樁模具時，控制系統(tǒng)能柔性地對夾具速度進(jìn)行控制。夾具采用氣缸實(shí)現(xiàn)伸縮動作，具有自鎖功能，當(dāng)管樁模具被吊起離開地面后，無論出現(xiàn)氣壓不夠或斷電、誤操作等，均不會在空中意外打開，安全可靠。每組夾具均安裝有松開到位和夾緊到位傳感器，傳感器采用M18屏蔽式電容接近開關(guān)，因離心成型作業(yè)區(qū)域混凝土灰塵較多，采用此形式的接近開關(guān)能有效地起到抗干擾作用，并且接近開關(guān)帶有導(dǎo)通指示燈，能直觀地反映出當(dāng)前狀態(tài)。接近開關(guān)采用M12接插件的連接方式，維護(hù)和更換零件時更加快速靈活。在吊具的中心位置，安裝有超聲波傳感器，通過此傳感器能實(shí)時地反饋吊具與管樁模具之間的距離。超聲波傳感器采用4～20 mA模擬量形式輸出，相比于0～20 mA的超聲波傳感器，4～20 mA模擬量形式的超聲波傳感器能更好地區(qū)分信號0和故障0，能更加方便檢修與維護(hù)。

4 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 電控系統(tǒng)架構(gòu)

自動化起重機(jī)電控系統(tǒng)有地面中控系統(tǒng)和車體控制系統(tǒng)2部分，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖5所示。地面中控系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC、交換機(jī)、無線Client組成，車體控制系統(tǒng)由PLC、變頻器、絕對值編碼器、增量式編碼器、起重量限制器、超聲波、無線AP、遠(yuǎn)程監(jiān)控等組成，地面中控系統(tǒng)以及車體控制系統(tǒng)均采用三菱FX5U系列PLC作為控制器，車體控制系統(tǒng)絕對值編碼器、增量式編碼器、變頻器、起重量限制器等元器件之間采用Modbus-rtu通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。自動化起重機(jī)有中控室自動控制、遠(yuǎn)程手動控制、駕駛室手動控制3種控制模式。自動控制模式時，可通過上位機(jī)控制系統(tǒng)下達(dá)和接收任務(wù)，實(shí)現(xiàn)自動操作。當(dāng)自動化系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況，需要人工干預(yù)時，可通過中控室遠(yuǎn)程手動或起重機(jī)司機(jī)室手動的方式對起重機(jī)進(jìn)行操作。以上3種控制模式的結(jié)合，可滿足系統(tǒng)的控制要求。

圖5 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

4.2 電動機(jī)調(diào)速方式

起重機(jī)采用交流傳動時，一般采用變極調(diào)速、晶閘管定子調(diào)壓、變頻調(diào)速、反接制動、渦流制動器、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等控制方案。隨著微電子技術(shù)、晶體管技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速方式已逐漸成為起重機(jī)調(diào)速的主要方案。采用變頻調(diào)速可避免起重機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)等由于打反車操作而產(chǎn)生沖擊，延長起重機(jī)的使用壽命，提高系統(tǒng)的平穩(wěn)度。離心成型工序自動化起重機(jī)采用CH700系列變頻器作為驅(qū)動器對各機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)速控制。提升機(jī)構(gòu)采用速度閉環(huán)矢量控制模式，使用增量型編碼器進(jìn)行實(shí)時測速，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能以及轉(zhuǎn)矩特性，實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速滿轉(zhuǎn)矩的需求，有效地防止溜鉤，也使系統(tǒng)具有更廣的調(diào)速范圍以及更高的轉(zhuǎn)速控制精度。大車機(jī)構(gòu)采用變頻器一拖二的方式，VF控制模式。起升機(jī)構(gòu)和大車機(jī)構(gòu)在輕載和空載的工況下，采用恒功率調(diào)速，在滿載工況下，采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。管樁線起重機(jī)小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)基本處于靜止或短行程的運(yùn)動狀態(tài)，故采用開環(huán)矢量控制模式能滿足生產(chǎn)需求。

4.3 通訊方式

為減少線路鋪設(shè)，降低故障率，自動化起重機(jī)地面中控系統(tǒng)和車體控制系統(tǒng)之間采用無線通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。無線通訊有Zigbee、433 MHz、藍(lán)牙、WiFi等技術(shù)方案，應(yīng)契合現(xiàn)場帶寬需求和現(xiàn)場工況選擇。Zigbee應(yīng)用于傳輸速率不大于250 kbps、433 MHz技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率只有9 600 bps、低于Zigbee的速率，兩者一般只適用于數(shù)據(jù)傳輸量較少的應(yīng)用場合。藍(lán)牙屬于WPAN無線個域網(wǎng)，即點(diǎn)對點(diǎn)、多點(diǎn)對多點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捠? Mbps，通信距離一般10 m左右，主要是用來連接一些外接設(shè)備的，或用于近距離進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。WiFi符合802.11標(biāo)準(zhǔn)，屬于WLAN無線局域網(wǎng)，支持多個終端設(shè)備同時傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)模式，即一對多的模式。WiFi的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率高，傳輸范圍可達(dá)100 m，2.4/5 GHz傳輸速率最大可以達(dá)到600 Mbps，故離心工序自動化起重機(jī)工業(yè)地面控制系統(tǒng)與車體控制系統(tǒng)采用無線WiFi的通訊連接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。

在工業(yè)環(huán)境下，WLAN在通訊的實(shí)時性、確定性、安全性等有嚴(yán)格的要求。自動化起重機(jī)車體上使用AWK-1131A作為無線AP，符合IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)，具備高電磁抗擾度，可在2.4 GHz或5 GHz頻段上運(yùn)行，適用于極端震動的環(huán)境，可避免由于起重機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的震動影響。地面中控系統(tǒng)采用AWK-1137C作為無線Client，使用此無線通訊的方式實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)與地面控制系統(tǒng)的快速、柔性連接，滿足了控制要求。

4.4 自動化功能設(shè)計(jì)

自動化起重機(jī)具有多項(xiàng)智能化檢測技術(shù)。起升機(jī)構(gòu)和大車機(jī)構(gòu)配有絕對值編碼器，檢測起重機(jī)實(shí)時位置，使自動化起重機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確位置定位，重復(fù)定位精度達(dá)到±10 mm。系統(tǒng)具有輕載高速功能，根據(jù)負(fù)載大小自動調(diào)整起升機(jī)構(gòu)和大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的速度，從而提高生產(chǎn)效率。變頻器采用S型速度曲線啟制動模式，根據(jù)不同的載荷，系統(tǒng)實(shí)時在線自動調(diào)整切換加減速時間，使起重機(jī)在啟動和停止過程中達(dá)到快速且平穩(wěn)的效果。通過中控系統(tǒng)獲取多臺離心機(jī)空閑、故障、工作中等狀態(tài)信息，系統(tǒng)自動生成最優(yōu)路徑作業(yè)秩序等指令，命令起重機(jī)按相應(yīng)規(guī)則完成管模的搬運(yùn)任務(wù)。為應(yīng)對管樁模具偏載等情況，2個起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為主從速度跟蹤模式，使2吊鉤共同抬吊的全過程保證管樁模具始終保持水平狀態(tài)。起重機(jī)還具有遠(yuǎn)程監(jiān)控與遠(yuǎn)程診斷功能，使用者通過手機(jī)或電腦終端便可實(shí)時對起重機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與遠(yuǎn)程診斷。

5 結(jié)論

離心成型工序通過采用自動化起重機(jī)替代常規(guī)起重機(jī)實(shí)現(xiàn)了離心成型工序管樁模具的自動化搬運(yùn)，杜絕了打反車等不規(guī)范操作，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度、避免了人身傷害事故的發(fā)生，提高了生產(chǎn)效率，產(chǎn)能基本符合當(dāng)初的規(guī)劃預(yù)期。

針對管樁行業(yè)特殊工況，管樁自動化起重機(jī)在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的工況，充分考慮相關(guān)的功能設(shè)計(jì)以及安全維護(hù)設(shè)計(jì)。經(jīng)過1 a多的投產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，采用以上方案設(shè)計(jì)的離心成型工序自動化起重機(jī)運(yùn)行比較穩(wěn)定。隨著傳感器技術(shù)、視覺技術(shù)的發(fā)展，若引入多元化的智能檢測方案，可使管樁自動化起重機(jī)更加智能化。