1 000 t 輪胎式搬運(yùn)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

劉新華

（中鐵十一局集團(tuán)漢江重工有限公司，湖北襄陽(yáng) 441006）

0 引言

我國(guó)高速鐵路橋梁以簡(jiǎn)支梁橋?yàn)橹?，其中?4、32 m整孔簡(jiǎn)支箱梁最為廣泛，采用預(yù)制架設(shè)建造模式，大量使用提梁機(jī)、搬運(yùn)機(jī)、運(yùn)梁車(chē)和架橋機(jī)等大型施工設(shè)備。隨著我國(guó)高鐵橋梁建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，面臨的地形、地質(zhì)、環(huán)境等條件逐漸復(fù)雜，對(duì)簡(jiǎn)支梁的跨越能力提出了更高需求，為進(jìn)一步發(fā)揮高速鐵路“綠色、智能、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)保護(hù)”的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了大跨度40 m簡(jiǎn)支箱梁建造關(guān)鍵技術(shù)研究［1－5］。為了滿(mǎn)足高鐵40 m簡(jiǎn)支箱梁施工需求，國(guó)內(nèi)也同步開(kāi)展了配套的搬提運(yùn)架成套施工裝備研究工作［6－12］。通過(guò)技術(shù)調(diào)研分析，國(guó)內(nèi)目前研制的1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)存在諸多需要提升的方向，同時(shí)新的發(fā)展形勢(shì)下，對(duì)設(shè)備的適用性、智能化、少人化、技術(shù)水平等提出了更高要求。

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)分析，以依托項(xiàng)目工況和技術(shù)需求為依據(jù)，提出設(shè)備的優(yōu)化提升方向，結(jié)合以往輪胎式搬運(yùn)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)多項(xiàng)智能化、少人化核心技術(shù)攻關(guān)，研究一種新型1 000 t 輪胎式搬運(yùn)機(jī)技術(shù)方案，并通過(guò)有限元分析計(jì)算與試驗(yàn)檢測(cè)相結(jié)合的方法進(jìn)行驗(yàn)證，最終研制出其功能更全、使用范圍更廣、自動(dòng)化程度更高、技術(shù)水平更高、成本更低的新型1 000 t輪胎式搬梁機(jī)，為我國(guó)高速鐵路大跨度簡(jiǎn)支箱梁建造技術(shù)提供強(qiáng)有力的設(shè)備保障，助推我國(guó)高鐵大跨度橋梁建設(shè)快速發(fā)展。

1 1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方向

1.1 現(xiàn)有1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前用于高鐵40 m簡(jiǎn)支箱梁搬運(yùn)施工的1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)主要有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是采用單主梁A 型支腿結(jié)構(gòu)的輪胎式搬運(yùn)機(jī)［9］，由于采用了單主梁和A 型支腿，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，下部大車(chē)走行不能分開(kāi)，因此不能滿(mǎn)足能給運(yùn)梁車(chē)裝梁；另一種是采用雙主梁門(mén)型支腿結(jié)構(gòu)的輪胎式搬運(yùn)機(jī)，由于采用了雙主梁和門(mén)型腿，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，下部大車(chē)為分體式結(jié)構(gòu)，可以滿(mǎn)足給運(yùn)梁車(chē)裝梁需求。

通過(guò)調(diào)研，分析現(xiàn)有1 000 t 輪胎式搬運(yùn)機(jī)還存在有一些問(wèn)題需要技術(shù)提升，由于起升均采用4 組卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)箱梁的起吊工作，需要4 組卷?yè)P(yáng)機(jī)起升同步，而現(xiàn)有設(shè)備的起升同步均需人工調(diào)整，存在梁片水平控制難，安全風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題；為滿(mǎn)足吊運(yùn)不同跨度的箱梁，搬運(yùn)機(jī)兩個(gè)起重小車(chē)需具備變幅功能，現(xiàn)有設(shè)備起重小車(chē)移動(dòng)采用油缸頂推，需要人工插拔銷(xiāo)軸，存在變跨效率低的問(wèn)題。

1.2 依托項(xiàng)目概況及技術(shù)需求

昌景黃鐵路位于贛東北和皖南地區(qū)，西起江西省南昌市，途經(jīng)江西省上饒市、景德鎮(zhèn)市，東至安徽省黃山市，正線(xiàn)全長(zhǎng)289.807 km，是蘇皖贛鐵路通道的重要組成部分。

昌景黃鐵路4 標(biāo)段線(xiàn)路位于江西省上饒市鄱陽(yáng)縣及余干縣境內(nèi)，全線(xiàn)共計(jì)有1 255 孔預(yù)制箱梁，其中40 m箱梁930 孔，占總預(yù)制箱梁施工內(nèi)容的74.1%，屬大規(guī)模采用40 m箱梁建設(shè)的高鐵工程，該線(xiàn)路還有32 m單、雙線(xiàn)簡(jiǎn)支箱梁，在預(yù)制梁場(chǎng)內(nèi)配置的1 000 t 輪胎式搬運(yùn)機(jī)，具備40 m簡(jiǎn)支箱梁搬運(yùn)功能外，還需具備32 m單、雙線(xiàn)箱梁搬運(yùn)功能。而該梁場(chǎng)的提梁站位于線(xiàn)路道岔位置，對(duì)搬運(yùn)機(jī)尺寸有嚴(yán)格限制。

1.3 1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方向

依托昌景黃高鐵項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目難點(diǎn)及技術(shù)需求，并結(jié)合以往輪胎式搬運(yùn)機(jī)研制的經(jīng)驗(yàn)，研制的新型1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)，要求其功能更全、使用范圍更廣、自動(dòng)化程度更高，同時(shí)成本控制更合理；可適用于國(guó)內(nèi)鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)20、24、32、40 m等跨度的整孔箱梁在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)起吊、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)移等工作。同時(shí)通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分梁場(chǎng)選址存在局限性，存梁臺(tái)座與發(fā)梁臺(tái)座間可能存在夾角，需要研究輪胎式搬運(yùn)機(jī)的重載轉(zhuǎn)彎技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)箱梁的重載轉(zhuǎn)向移動(dòng)，提高施工效率，減少轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的投入。

2 新型1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)總體方案研究

新型1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)由主梁、門(mén)架、大車(chē)走行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、起重小車(chē)、起升系統(tǒng)、附屬結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成，如圖1 所示。集合現(xiàn)有搬運(yùn)機(jī)優(yōu)點(diǎn)，采用單主梁、門(mén)型支腿結(jié)構(gòu)，既能滿(mǎn)足給運(yùn)梁車(chē)裝梁需要，又能有效減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時(shí)在單主梁與門(mén)型支腿橫梁之間設(shè)置連接支撐桿，增加主結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖1 新型1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)方案示意圖

2.1 主梁及門(mén)架

新型1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)采用單主梁門(mén)型結(jié)構(gòu)，主梁設(shè)置8 m調(diào)整節(jié)段，可變跨度，即可適用于40 m箱梁場(chǎng)地施工，拆除中間8 m調(diào)整節(jié)后重新組裝，也可以適應(yīng)32 m梁場(chǎng)地布置。門(mén)架橫梁的支腿連接位置設(shè)置為兩組，一側(cè)大車(chē)采用分開(kāi)設(shè)計(jì)，支腿與大車(chē)走行機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)支腿的兩種安裝方式，一種是寬腿安裝方式，使兩組大車(chē)之間留有運(yùn)梁車(chē)通過(guò)的空間，從而滿(mǎn)足給運(yùn)梁車(chē)裝梁，另一種為窄腿安裝方式，可以合并一側(cè)的兩組大車(chē)，減少設(shè)備的橫向尺寸，從而節(jié)約梁場(chǎng)橫移通道。多種安裝方式提高了設(shè)備的適用性，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際工況選擇性安裝使用。

2.2 起升系統(tǒng)及起重小車(chē)

新型1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)起升系統(tǒng)設(shè)置有4 臺(tái)液壓卷?yè)P(yáng)機(jī)，通過(guò)兩種卷繞方式，形成4 點(diǎn)起升、3 點(diǎn)平衡吊裝系統(tǒng)。配備了多吊孔組合型吊具，實(shí)現(xiàn)了一種吊具就可以滿(mǎn)足40、32 m及以下簡(jiǎn)支箱梁的搬運(yùn)需求。小車(chē)分為上下兩層，分別設(shè)置橫移油缸和縱移油缸，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)方向的微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)箱梁的精確對(duì)位。

2.3 大車(chē)走行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

新型輪胎式搬運(yùn)機(jī)大車(chē)走行系統(tǒng)有4 組，共8 軸線(xiàn)，分別布置在搬運(yùn)機(jī)的兩側(cè)，走行采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)向通過(guò)油缸推動(dòng)，可直行、橫行、斜行、小角度轉(zhuǎn)向、半八字轉(zhuǎn)向，通過(guò)半八字轉(zhuǎn)向模式可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的重載轉(zhuǎn)向功能。

2.4 電氣控制系統(tǒng)

整機(jī)使用IFM控制器作為控制系統(tǒng)核心，所有的動(dòng)作：如發(fā)動(dòng)機(jī)控制、卷?yè)P(yáng)升降、行走驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向、懸掛、支腿等，均由基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（CAN－BUS）的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。CAN－BUS是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一，控制系統(tǒng)采用CAN 總線(xiàn)方式，具有設(shè)備電纜布線(xiàn)簡(jiǎn)單，可靠性高，容易進(jìn)行故障診斷和運(yùn)行狀態(tài)記錄的優(yōu)點(diǎn)［13］。

2.5 安全監(jiān)控系統(tǒng)

新型1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)設(shè)置了全方位的安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括本機(jī)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控和視頻監(jiān)控兩大部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)開(kāi)機(jī)情況下的全面實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄。系統(tǒng)通過(guò)配置一系列傳感器采集起重機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，將起重機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)在人機(jī)界面顯示，配置存儲(chǔ)、視頻監(jiān)控設(shè)備對(duì)操作、運(yùn)行及報(bào)警等信息進(jìn)行存儲(chǔ)。

3 新型輪胎式搬運(yùn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

新型1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)攻克了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，解決了前文提到的目前1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)存在的技術(shù)問(wèn)題，滿(mǎn)足了更高的技術(shù)需求，從而提高了新型1 000 t 搬運(yùn)機(jī)的技術(shù)水平，大幅提高了設(shè)備的使用性能和操作更便捷。其關(guān)鍵技術(shù)的如下。

（1）起升同步控制技術(shù)

吊梁過(guò)程采用雙閉環(huán)同步控制，4 個(gè)吊點(diǎn)高差可控制在5 cm 內(nèi)，有效保證了起吊過(guò)程動(dòng)作平穩(wěn)和梁片水平，人機(jī)界面可實(shí)時(shí)顯示四鉤下降深度和四鉤高差，提高設(shè)備使用效率和安全性，解決了起升同步需人工調(diào)整，存在梁片水平控制難，安全風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題。

（2）自動(dòng)變幅技術(shù)

起重小車(chē)走行機(jī)構(gòu)采用步履式頂推方式實(shí)現(xiàn)吊梁小車(chē)的自動(dòng)變幅移位，該方式不需人工插拔銷(xiāo)軸，提高了變幅效率，可實(shí)現(xiàn)20～40 m 等不同跨度箱梁的吊運(yùn)。解決了現(xiàn)有設(shè)備起重小車(chē)移動(dòng)采用油缸頂推，需要人工插拔銷(xiāo)軸，存在變跨效率低的問(wèn)題。

（3）走行同步控制技術(shù)

自主開(kāi)發(fā)多傳感器融合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)左右兩側(cè)大車(chē)走行及轉(zhuǎn)向的高精度自動(dòng)同步，保證行車(chē)安全。解決了現(xiàn)有輪胎式搬運(yùn)機(jī)兩側(cè)大車(chē)存在不同步的問(wèn)題。

（4）重載轉(zhuǎn)彎施工技術(shù)

創(chuàng)新研發(fā)了搬梁機(jī)重載轉(zhuǎn)彎技術(shù)，解決了傳統(tǒng)施工技術(shù)不能滿(mǎn)足存梁臺(tái)座與發(fā)梁臺(tái)座間存在夾角時(shí)重載轉(zhuǎn)向移動(dòng)施工技術(shù)難題，有效減少梁場(chǎng)建設(shè)耗材，提高了施工效率。

4 主結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算

4.1 工況分析及載荷

高速鐵路現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支箱梁跨度有20、24、32、40 m共4 種跨度，分別對(duì)4 種工況進(jìn)行了載荷分析及有限元計(jì)算，得出最不利工況為吊運(yùn)32 m 箱梁工況［13］，所以本文有限元計(jì)算僅展示吊運(yùn)32 m梁工況，且為前文提到的寬腿安裝方式（最不利工況）。其載荷如表1 所示，工況受力示意圖如圖2 所示，圖中單位為mm。

表1 新型1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)吊運(yùn)32 m箱梁工況載荷

圖2 吊運(yùn)32 m箱梁工況受力示意圖

4.2 計(jì)算模型建立

采用大型通用有限元分析軟件進(jìn)行C型輪胎式搬運(yùn)機(jī)的主結(jié)構(gòu)計(jì)算模型建立，并根據(jù)實(shí)際工況模式設(shè)置連接及施加約束。其中，以小車(chē)運(yùn)行方向?yàn)閄 軸，豎直高度方向?yàn)閅軸，大車(chē)運(yùn)行方向?yàn)閆軸［14］。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)吊運(yùn)32 m箱梁工況的載荷和受力示意圖在有限元計(jì)算模型上施加各類(lèi)載荷并分別組合，載荷包括吊重載荷、動(dòng)載系數(shù)、風(fēng)載荷及慣性載荷等，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重載荷。主結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)構(gòu)如圖3 所示，變形計(jì)算結(jié)果如圖4 所示，圖中單位為mm。

圖3 吊運(yùn)32 箱梁工況計(jì)算應(yīng)

圖4 吊運(yùn)32 箱梁工況計(jì)算變形

新型1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)主結(jié)構(gòu)采用Q355C低合金高強(qiáng)度鋼焊接而成，依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB5017—2017）［15］，材質(zhì)Q355C的鋼板厚度為16 mm ＜δ≤40 mm時(shí)，其許用強(qiáng)度應(yīng)力值為［σ］ ＝295 MPa。吊運(yùn)32 箱梁工況計(jì)算應(yīng)力最大值為237.572 MPa，小于許用應(yīng)力設(shè)計(jì)值［σ］，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。其中各部件最大應(yīng)力情況匯總?cè)绫? 所示，通過(guò)匯總數(shù)據(jù)可以看出各部件最大應(yīng)力都接近許用值，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理。

表2 吊運(yùn)32 m箱梁工況各部件最大應(yīng)力匯總表

依據(jù)《通用門(mén)式起重機(jī)》（GB／T14406—2011）［16］要求，對(duì)低對(duì)位精度要求的起重機(jī)，或具有無(wú)級(jí)調(diào)速控制特性的起重機(jī)，采用低起升速度和低加速度能達(dá)到可接受定位精度的起重機(jī)，主梁跨中額定載荷作用下的最大垂直靜擾度［f］≤S／500。吊運(yùn)32 箱梁工況計(jì)算變形量最大值為f ＝80.8867 mm，小于允許最大靜撓度［f］＝97 mm（跨度S ＝48.5 m），滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.4 型式試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

第1 臺(tái)新型1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)在昌景黃鐵路鄱陽(yáng)制梁場(chǎng)應(yīng)用，設(shè)備實(shí)際檢測(cè)各項(xiàng)性能良好，并順利取得了特種設(shè)備型式試驗(yàn)證書(shū)。其中型式試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)為主結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為215.5 MPa（理論計(jì)算最大值為228.943 MPa），寬中最大靜擾度值為85 mm（理論計(jì)算值為80.886 7 mm），均滿(mǎn)足規(guī)范要求，且與理論計(jì)算較為接近，為今后大型起重設(shè)備設(shè)計(jì)及理論計(jì)算提供了經(jīng)驗(yàn)。

5 推廣應(yīng)用

目前新型1 000 t 輪胎式搬運(yùn)機(jī)已在昌景黃鐵路、滬蘇湖鐵路等大跨度40 m簡(jiǎn)支箱梁施工中成功應(yīng)用，圓滿(mǎn)完成了預(yù)制梁場(chǎng)內(nèi)箱梁的搬運(yùn)工作，該設(shè)備自動(dòng)化程度高，減少了人工投入、提高了施工效率、縮短了施工周期，大大降低了施工成本。在昌景黃鐵路現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況如圖5所示。

圖5 新型輪胎式搬梁機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)技術(shù)調(diào)研、對(duì)比分析、有限元計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對(duì)1 000 t 輪胎式搬運(yùn)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究的新型1 000 t 輪胎式搬運(yùn)機(jī)通過(guò)推廣應(yīng)用，證明其功能更全、使用范圍更廣、自動(dòng)化程度更高、成本更低。本文研制的新型1 000 t輪胎式搬運(yùn)機(jī)攻克了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在全國(guó)的高速鐵路40 m箱梁運(yùn)架施工領(lǐng)域創(chuàng)造更好的信譽(yù)口碑，樹(shù)立良好的企業(yè)形象。該設(shè)備以高效、安全、穩(wěn)定的應(yīng)用，為其順利完成梁場(chǎng)內(nèi)箱梁的搬運(yùn)施工任務(wù)提供了有效保障。本文的研究方法能夠?yàn)榻窈蟠笮推鹬卦O(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐，具有很強(qiáng)的借鑒參考意義。