1000噸整孔預制混凝土箱梁輪胎式提梁機技術研究

劉培勇，張利軍，楊桂龍，王金祥

（秦皇島天業通聯重工科技有限公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

截止到2019年底，我國高速鐵路運營里程已突破35000公里，“八縱八橫”高速鐵路主干線網絡正在形成，其中橋梁占比較高，一般達到50%-60%，有的甚至到達80%，墩臺基礎的造價占比較大，采用40m箱梁代替32m箱梁，箱梁每延米減輕6%，且跨度增加使梁體和橋墩數量減少20%，能夠大幅度提高橋梁布局的靈活性和建設工效、降低橋梁修建成本，同時也節約了大量的土地資源[1]。

1000 t提梁機作為預制場內整孔箱梁的起吊、場內轉運和裝車工作的專用設備，需要滿足各種特殊工況的需求，其多功能核心技術體現如下：

（1）適應跨度多，可以滿足40m、32m、24m、20m及非標梁型長度的吊裝需求；

（2）側門架寬度可調整，具有寬式和窄式兩種組合方式；

（3）轉向模式多，具有直行、橫行、斜行三大運行模式；

（4）操作模式多，具有駕駛室和遙控器兩大操作模式，操作方便；

（5）吊裝方式多，可適應目前高鐵出現的各種梁型吊裝孔位置，型式多達6種。

該裝備采用高性能材料的門架結構以保證整機的綜合力學性能，兼顧了剛度、強度及自重輕盈的綜合要求；采用4點起吊3點平衡的起吊方式，起升穩定；功能模塊化設計充分滿足了40m、32m、24m、20m及非標梁型長度；采用液壓液壓懸掛系統，懸掛分組串聯，適應不平路面；采用液壓獨立轉向系統，可實現90°橫向行走；整機CAN總線無線通信控制技術，將驅動、轉向、升降及卷揚起升等各子系統協調控制，形成一套機、電、液同步作業的網絡控制系統；機載現場監控系統能夠檢測設備工作狀態、動力學行為與故障狀態、作業危險狀態等信息，出現異常及時報警并發出操控指令；基于云平臺與無線網絡的遠程監控系統可為裝備用戶企業提供不同級別的信息服務與技術支持，形成基于多傳感器融合、互聯互通的綜合性BIM系統[2]。

1 主要技術參數

2 總體設計

1000t輪胎式提梁機是預制場內必不可少上的大型搬運裝備，其通過電液比例變量泵-電比例馬達組成的起升、驅動、轉向等各系統的協調配合，組成了一套載重量達到1000 t的起重裝備，完成各種不同長度預制箱型梁的吊裝轉運，并配合運梁車完成裝車作業。其組成包括金屬承載結構，液壓天車系統、液壓驅動輪組、動力系統、電液控制系統及無線遙控系統等。

3 總體及設計關鍵技術研究

3.1 金屬門架承載結構

金屬結構是提梁機的承載鋼結構部分，是主要的受力部件，在其提梁運行過程中主梁的受力是非常復雜的，在設計階段利用三維制圖軟件SolidWorks完成了1000t提梁機的三維實體建模工作，并利用并利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對三維模型進行了有限元分析，得到了結構的應力分布和撓度變化，為結構方案的最終確定提供依據[3]。

門架結構屬于焊接件且結構復雜，體積龐大，網格數目的多少不僅影響仿真結果的正確性，而且會導致分析的失敗。數目較少結果會偏差較大，數目較多會對CPU的要求很高。通過多次的仿真驗證，最終選擇的結果是網格節點數為786532個，網格元素為444453個。

整個結構的材料均采用Q345C，密度為7850kg/m3，楊氏模量為2*1011pa，泊松比為0.3，屈服極限σs為345MPa，抗拉強度σb為490～620MPa。

根據實際情況，將多個工況進行分析對比，本文僅展示其危險工況32m900t偏載工況，經過有限元計算得到的應力云圖和最大撓度變形，可知其最大的應力范圍為120～194MPa，尖點應力是根據輪胎的特殊性載荷反向施加造成的，屬于計算過程人為產生，實際過程是不存在的，可忽略。根據材料極限應力可得其安全系數均大于1.5倍，結構強度和剛度均滿足設計要求[4]。

3.2 多功能吊裝吊具設計

在高鐵梁場規劃選址設計過程中，要全面考慮橋跨與梁型布置，一般選擇在橋群中心或兩端附近，同時要利于大型制梁、運梁設備、原料運輸進場等因素，運距越短越合理，一般不超過15km。在條件允許情況下，采用輪軌或者輪胎式提梁機直接提混凝土箱梁上橋裝車運輸，可徹底省去運梁便道的費用。但是在選址過程中，無論怎么優化設計，還是會有支線節點和進出車站的大曲線路基出現，這樣就不可避免的出現其它梁型，其結構型式和吊裝方式均發生改變，為了節省預制場內設備的固定投資，需要其提梁設備滿足多種梁型的吊裝要求，本設計綜合考慮了6種梁型的吊裝孔位置要求，該吊具設計達到了一機多用的效果。

3.3 液壓驅動系統同步性研究

1000t提梁機采用的單主梁結構型式，其輪組根據結構和驅動型式的布置分為左右兩組，每組由單獨的發動機+液壓泵驅動分組內的液壓馬達，形成兩套相同的變量泵和變量馬達的閉式回路液壓驅動系統，然后通過集成的CAN總線控制策略對速度和壓力雙閉環控制方式提高了提梁機的同步控制穩定性和可靠性。

提梁機在重載工況下的兩側位移偏差是衡量設備性能的主要指標，為滿足該使用條件，采用電比例變量泵-電比例變量馬達的容積調速回路設計思路，通過電磁換向閥的動態響應對變量調節機構進行控制。為了驗證該設計的可行性及協同作業的響應時效，對驅動系統各元件進行建立數學模型，分析了三種不同工況下的驅動系統在坡道啟動和平路運行的動態特性（分析過程不再此詳述），得到了不同工況下變量泵的輸入特性參數，通過理論+實踐的方式驗證了仿真得到的參數能夠降低驅動系統同步性走行偏差，表明該同步控制策略是可行并且可靠的。

3.4 監控集成系統性研究

特種大型起重裝備的安全使用是目前工程施工的重要問題，其安全運行會直接關系到企業的經濟利益。在目前國家強制標準的基礎上二次開發了智能監控基礎系統，以現代視頻圖像處理技術、物聯網傳感技術、衛星定位等技術為核心，經過車載智能主機計算分析后，對異常情況進行甄別篩選實施分級別報警措施，利用聲光報警提醒駕駛員進行規范操作，并通過4G/局域網絡將實施數據進行上傳至監控平臺中心，通過遠程數據的傳輸可以起到監控作用，經過不斷的對產品進行更新，逐步發展形成了系統化、智能化的監控集成系統產品及行業解決方案[5]。

同時，為了提高系統的可用性和友好性，設置了液晶顯示屏和觸摸式操控界面，駕駛員可直接查看設備GPS定位、CAN總線數據信息、輸入輸出信息等等，管理員級別用戶可用通過密碼進入更深層次的界面，更改程序代碼、查看遠程中心的命令等等，通過這種方式讓監控系統的交互性能進一步提升。

4 結語

自2019年以來，1000t輪胎式提梁機在南沿江及其它項目提梁共計300多片，成功應用于南沿江、昌景黃等多個項目施工，使用過程其各項技術參數均達到設計要求，性能穩定，順利的通過了客戶的驗收工作，設備的多樣化設計帶來了顯著的經濟效益和社會效益。