高速鐵路軌道板多功能大懸臂門吊設計與應用

張耀輝,張 平,逯久喜

(石家莊鐵道大學國防交通研究所,石家莊 050043)

1 概述

近幾年來,我國高速鐵路的建設正在進入快速發展時期,在高速鐵路的高密度施工建設中,無砟軌道板的鋪設是高速鐵路施工中的重要一環。軌道板的鋪設任務重,工期要求時間短,鋪設精度要求高,施工作業空間條件受到限制等因素的制約,使得鋪板設備的選擇和合理的工序安排尤為重要。目前我國在建高速鐵路,如:京滬線、滬寧線、滬杭線、哈大線、石武線等線路的無砟軌道板主要是 CRTSⅠ型和 CRTSⅡ型兩種規格,所以,針對無砟軌道板的鋪設施工,由石家莊鐵道大學國防交通研究所最新研發的 LGM10新型高速鐵路軌道板多功能大懸臂門吊設備應運而生。由于其功能的多樣性、操作的方便性和便于升級改造的模塊化設計等優點,該型設備已經正在應用于在建的多條高速鐵路的施工中,受到了用戶的青睞。

2 大懸臂門吊的設計

2.1 設計方案的確定

鑒于施工環境條件、施工工期和施工的合理性等方面的考慮,無砟軌道板的鋪設施工是具有一定難度并有很大的研究性的。以下就從幾個方面來闡述該新型多功能軌道板門吊的方案確定問題。

(1)從橋面的斷面尺寸和橋面的實際情況來看(圖1),門吊最好采用輪胎走行方式,因為其走行靈活,對橋面路況的適應性好;走行輪胎的走行空間是橋面上兩側軌道板底座的外側邊緣與擋墻之間的狹窄縫隙,不同的線路該縫隙的寬度大約在 0.6～0.4m,這就要求在選擇設計走行系統時,它的下部輪廓寬度要小于空間尺寸,并且兩側至少要有10cm左右的富余空間,門吊走行時要有左右的方向調整空間;走行機構應具有轉向功能以便適應在線路的曲線段或進行走向微調。

圖1 高速鐵路橋梁無砟軌道橋面斷面

(2)每個施工標段,軌道板的數量少說也有幾萬塊,它們都在軌道板的預制廠進行預制加工,那么等到鋪設時,這些軌道板應提前順序運到沿整個施工標段的線路兩側的施工便道或臨時空地上,按要求的存放位置,疊放要求進行存放。它很少大量集中存放,因為不僅需要很大的場地,而且還得進行二次倒運,工期和費用都不允許。那么,這就需要軌道板門吊在橋上施工時,應帶有兩側的大懸臂結構伸到橋梁外側,進行軌道板的吊裝作業。

(3)考慮到橋上線路施工的交叉作業情況出現,有時電氣化的電桿也許會先于軌道板的施工而提前豎起,那么就要求軌道板門吊的大懸臂能夠輕松方便地折疊下來,以便在走行時不和電桿相碰,同時也要能夠很方便的恢復。

(4)當遇到高鐵線路的隧道時,門吊要能夠在折轉大懸臂后,其空間的輪廓尺寸應能夠穿越隧道并進行隧道內軌道板的鋪設施工。

(5)目前高鐵上的軌道板有兩種規格,CRTSⅠ型和 CRTSⅡ型,所以門吊的吊具要能夠適應吊取兩種板的情況,這樣門吊才有更好的適應性,減少施工方重復的設備投資,降低工程成本;起重小車和吊具配合要具有軌道板的空間狀態的微調功能,以便適應在曲線上鋪設軌道板時的需要。

(6)懸臂門吊要自帶動力系統。因為高速鐵路的每個施工標段往往幾十公里,所以必須自帶動力才能方便快捷。

(7)整個門吊采用模塊化設計制作,變化和升級靈活,便于長短途運輸、現場組裝、拆解和轉場;同時要考慮門吊的成本費用,因為每個標段的需要量都比較大,且門吊的故障率要低,維修要方便。

2.2 大懸臂門吊的構造組成與設計特點

門吊的整體結構形式見圖2、圖3。門吊的主體框架結構部分是由 4根懸臂梁、2根主梁、4根立柱(2根活動立柱和 2根固定立柱)和 2個下橫梁組成。主梁與懸臂梁間的連接方式為:梁橫截面的下部采用鋼銷連接,梁橫截面的上部采用高強度精軋螺紋鋼連接(圖4)。只要抽掉上面的鋼精軋螺紋鋼,則懸臂梁即可在折臂油缸的作用下,繞下部的鋼銷鉸點向下翻轉90°,呈垂直狀態(圖5)。上部連接點之所以采用高強度精軋螺紋鋼,而沒有采用鋼銷連接,是因為上部要經常拆解,如果用鋼銷,根據以前的經驗,拆解起來非常困難。主梁與立柱之間采用高強螺栓連接,且主梁的螺栓孔是預留富余孔位的,可實現左右立柱中心間距從 8m到 8.4m的10cm級的連續變化,這樣就非常容易適應不同高鐵線路橋面尺寸的變化要求。立柱和下橫梁間采用螺栓法蘭連接。

圖2 門吊正面

圖3 門吊側面

圖4 主梁、懸臂梁和立柱連接

門吊的起升系統包括起重小車系統和吊具兩部分,見圖6、圖7。起重小車橫梁可沿懸臂梁和主梁頂面上的方鋼軌道行走,采用電機驅動;小車橫梁上在 4個點布置了 4臺電動卷揚機。卷揚機和吊具之間通過定滑輪和動滑輪連接,其中懸吊吊具一端的鋼絲繩是連通的,而另一端是各自獨立的,這樣吊具的 4個吊點就形成了三點平衡的受力模式,保證了吊具的 4個吊點的受力均衡性。

圖5 懸臂梁折轉后效果

圖6 起重小車俯視圖

圖7 吊具俯視圖

吊具是一個平面框架結構,在它上面除了安裝有4個動滑輪吊點以外,還有 4個可 90°轉動的鏟狀的卡爪,用來卡住軌道板的 4個位置,進行起吊。卡爪的縱向設計位置考慮了 2種型號軌道板的縱向尺寸,能夠同時滿足它們的吊取;卡爪在吊具上的橫向位置,是通過卡爪和吊具橫桿間采用螺栓連接的方式,預留多個孔位,當軌道板橫向寬度變化時,只要挪動卡爪在橫桿上的連接位置,就能夠滿足寬度變化要求。吊具下落到軌道板上方起吊位置后,手動轉動 4個卡爪 90°,完成卡住軌道板的動作,同時將定位銷穿入卡爪的轉盤和吊具框架的定位孔中,保證吊具位于半空中起吊過程中,不會出現軌道板墜落事故的發生。當需釋放軌道板時,只需將定位銷拔出,手動轉動 4個卡爪使其與軌道板脫離即可,簡單方便。

門吊的大車走行系統,為適應在高速鐵路橋梁和路基上鋪設軌道板的施工要求,走行機構采用 4個走行輪胎組方式,每組由兩個走行輪胎組成,配套有均衡梁、驅動轉向等裝置,兩個走行輪有一個為主動輪,走行驅動裝置為 K系列斜齒輪 -傘齒輪減速機,通過鏈輪鏈條傳動對主動輪進行驅動(圖8)。轉向系統形式為液壓獨立轉向,采用轉向液壓缸驅動,轉向角度 ±17°,最大負荷靜止狀態可以實現轉向。走行輪胎選用橡膠工業輪胎,輪胎規格:8.25-20工業充氣輪胎,單只最大負荷:58.45kN。

圖8 大車走行輪組及轉向平面

門吊的立柱分為可升降的活動立柱和固定立柱,活動立柱靠兩個升降油缸實現立柱的高度調節,其作用就是可隨時實現門吊高低水平調節。門吊的輔助支撐系統在下橫梁的下部,其目的就是,當門吊懸臂吊板時,由于輪胎的承載能力(限于橋面走行空間的狹窄尺寸)是有限的,所以用其來幫助輪胎組受力,從而解決了輪胎規格選擇的難題。

門吊的電氣控制系統分為發電機組、司機室、遙控器、電氣控制柜、變頻器、電機和電纜等部分。大車、起重小車和吊具的起升均采用變頻控制,從而使得各種動作平穩、安全;遙控器的使用,可使得施工人員在橋上鋪軌道板精確對位時更加方便。

2.3 大懸臂門吊的設計參數

門吊的主要設計參數詳見表1。

表1 門吊主要設計參數

3 大懸臂門吊的現場應用

每個標段數量龐大的軌道板,各施工單位一般都在預制場地進行集中流水線預制加工。那么等到鋪設時,應采用什么樣的施工方案,設備投資既少,工期短且合理,要根據具體標段的線路所處的地理環境等情況具體而定,根據已完成的京津城際等客運專線施工經驗來看,一般會有以下幾種情況。

(1)對于橋梁兩側比較平坦,且有施工臨時便道時。提前將軌道板順橋向依次擺在橋梁兩側的便道空地上,注意擺放的軌道板板內側邊距橋梁的外側邊緣的距離在 0～1m時,最有利于橋上懸臂門吊的吊取。對于橋比較長時,可采用兩臺懸臂門吊從橋的梁端相向鋪設,也可以從靠近中間的位置反向鋪設。施工方案一示意見圖9。

圖9 施工方案一

(2)對于橋梁兩側有河流、水塘、湖泊等不適合在橋梁兩側存儲軌道板時,只有在線路合適位置部分集中存放,利用一臺懸臂門吊定點吊到軌道板運輸平板車上,然后長距離運到橋上待鋪位置,再利用橋上的另外一臺懸臂門吊進行正面卸車并鋪設。這樣一來增加定點起吊設備和長距離運板車,并且施工工期會增加。施工方案二示意見圖10。

圖10 施工方案二

(3)對于路基上鋪設軌道板時,軌道板不能夠存到路基兩側,因為懸臂門吊的懸臂沒有那么長,所以只能從路基上正面運輸軌道板并由懸臂門吊正面鋪設。

(4)當線路上遇到隧道時,隧道內軌道板的鋪設要通過門吊的正面吊取進行鋪設。那么,此時懸臂門吊的懸臂要向下折轉 90°,呈豎直狀態,門吊的輪廓尺寸在設計之初就已經考慮了隧道內施工的工況要求,所以成功解決了隧道內施工的難題。施工方案示意見圖11。

圖11 門吊隧道內施工

根據以往經驗,1臺懸臂門吊的鋪設速度為每天40～50片軌道板,基本上每 10～15km必須配備 1臺懸臂門吊才能滿足工期要求。

4 結語

LGM10新型多功能大懸臂軌道板門吊目前已經生產幾十臺,正在京滬線、滬寧線、滬杭線、廣深港線、哈大線等在建的高速鐵路施工中發揮著重要作用。由于其具有模塊化設計、跨度可調、高度水平可調、懸臂自由折轉、側面和正面均可吊板、可實現隧道內鋪設、吊具可適應兩種軌道板類型、遙控操作、拼組方便等眾多優點,所以受到眾多工程施工單位的青睞。

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