張先鋒，丁世英，韓小勇

（中國人民解放軍96608部隊(duì)，河南 洛陽 471031）

地下工程施工過程中有大量的構(gòu)件（如模板等）和機(jī)電設(shè)備設(shè)施（如通風(fēng)管道等）需要在3m以上的高空范圍內(nèi)進(jìn)行安裝。受施工場地制約，一般起重機(jī)因自身體積較大、無法帶載行走、使用功能單一、噪聲與排氣污染嚴(yán)重等原因而無法展開作業(yè)。特別是在短距離混凝土被覆施工中，目前還缺乏專用工程裝備的技術(shù)支持，鋼制模板、混凝土拱圈、水平支承等構(gòu)件的搬運(yùn)、提升、豎立、調(diào)姿和拆卸仍然主要依靠人工作業(yè)來完成，尤其是鋼制模板，每塊重量達(dá)400kg，其安裝、拆卸與轉(zhuǎn)移等施工過程，具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、安全隱患多、精度要求高等特點(diǎn)，全人工作業(yè)落后的現(xiàn)狀與地下工程現(xiàn)代化建設(shè)規(guī)模格格不入，嚴(yán)重制約著施工質(zhì)量和效率。

為適應(yīng)地下工程施工特點(diǎn)，加速推進(jìn)工程施工的機(jī)械化進(jìn)程，項(xiàng)目組經(jīng)多方調(diào)研論證，研制了一種地下工程建設(shè)領(lǐng)域高效能被復(fù)施工的模板舉升作業(yè)專用裝備，即自行式全液壓模板舉升作業(yè)車。該裝備對(duì)于減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高被覆作業(yè)效率、促進(jìn)工程建設(shè)的規(guī)?；c科學(xué)化管理具有重要意義。

1 自行式全液壓模板舉升作業(yè)車技術(shù)要求與結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

1.1 主要技術(shù)要求

根據(jù)模板施工技術(shù)要求，綜合考慮地下工程混凝土被覆施工的作業(yè)需求，模板舉升作業(yè)車采用了系統(tǒng)集成技術(shù)，選用國內(nèi)技術(shù)成熟、性能可靠的全液壓自行式底盤作為基礎(chǔ)平臺(tái)，改進(jìn)設(shè)計(jì)伸縮臂臂架結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度，對(duì)液壓與電氣系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，采用了全新研制的五軸液壓機(jī)械手和電永磁吸盤裝置，使其具備液壓驅(qū)動(dòng)、輪式行走、多模轉(zhuǎn)向、舉升作業(yè)等功能，能夠完成鋼制模板的抓取、轉(zhuǎn)運(yùn)、舉升和裝卸等作業(yè)任務(wù)。

1.2 主要結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

自行式全液壓模板舉升作業(yè)車采用液壓驅(qū)動(dòng)、輪式行走、臂架式結(jié)構(gòu)的技術(shù)形式。主要由底盤、車架、轉(zhuǎn)臺(tái)、伸縮式臂架、五軸液壓機(jī)械手、電永磁吸盤裝置、液壓傳動(dòng)及CAN總線控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、浮動(dòng)懸掛機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)總成組成。模板舉升作業(yè)車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2.1 底盤與車架設(shè)計(jì)

綜合考慮地下工程有限空間內(nèi)裝備靈活施工需要，選用浙江鼎力機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的BT16RT直臂式高空作業(yè)車的底盤、上裝轉(zhuǎn)臺(tái)與支撐，整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 全液壓自行式模板舉升作業(yè)車總體結(jié)構(gòu)

圖2 底盤、上裝轉(zhuǎn)臺(tái)與支承

該底盤結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)：

（1）底盤采用美國進(jìn)口、整體式4×4工程機(jī)械專用驅(qū)動(dòng)橋。內(nèi)置濕式剎車裝置、變量柱塞泵和變量馬達(dá)組成的閉式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)效率高，制動(dòng)性能可靠，結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)橋、泵與馬達(dá)

（2）前后橋配備45%差速鎖止裝置，當(dāng)前、后車橋任意一個(gè)車輪離地或在結(jié)冰及泥濘道路上出現(xiàn)打滑時(shí)，另外一側(cè)的車輪仍具有45%的驅(qū)動(dòng)力，越野行駛能力強(qiáng)；

（3）前橋?yàn)閿[動(dòng)式驅(qū)動(dòng)橋，后橋?yàn)檎w式驅(qū)動(dòng)橋，底盤可以根據(jù)路面情況進(jìn)行上下浮動(dòng)，使4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪能夠全部壓實(shí)地面，確保輪胎具有一定的附著力；

（4）底盤采用前后橋液壓獨(dú)立轉(zhuǎn)向，具有前輪、后輪、蟹行和同心等多種轉(zhuǎn)向模式（如圖4所示）；

圖4 同心與蟹行轉(zhuǎn)向模式

（5）底盤采用下沉式布局方式，將發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)和附件安裝于車架兩側(cè)，整車重心低，穩(wěn)定性好；

（6）主要總成采用進(jìn)口件，發(fā)動(dòng)機(jī)選用道依茨D2.9L4TIER 4FINAL作動(dòng)力，液壓件選用力士樂、丹佛斯等國際知名品牌，高效、節(jié)能，污染小，故障率低，可靠性高。

1.2.2 五軸液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)

五軸液壓機(jī)械手是模板舉升作業(yè)車實(shí)現(xiàn)模板抓取、轉(zhuǎn)運(yùn)、舉升和裝卸等功能的關(guān)鍵裝置，由五個(gè)液壓執(zhí)行元件通過連接件串聯(lián)在一體，機(jī)械手與伸縮臂架和電永磁吸盤裝置相互連接。該裝置由調(diào)平支座、轉(zhuǎn)臺(tái)、小臂四連桿機(jī)構(gòu)、馬達(dá)回轉(zhuǎn)支承裝置和油缸等部分組成。5個(gè)執(zhí)行元件構(gòu)成了5個(gè)自由度，每個(gè)自由度在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，只能做中心自由回轉(zhuǎn)或直線伸縮運(yùn)動(dòng)，通過比例閥操作控制，可實(shí)現(xiàn)五軸的單獨(dú)或復(fù)合動(dòng)作。

五軸液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 五軸液壓機(jī)械手示意圖

1.2.3 電永磁吸盤裝置的設(shè)計(jì)

電永磁吸盤裝置是直接抓取、舉升和裝卸模板的主要裝置，由電永磁鐵、吊具和控制器等組成。電永磁吸盤裝置結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 電永磁吸盤裝置結(jié)構(gòu)示意圖

電永磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電永磁鐵是一種采用電脈沖控制的永磁吸持器件。磁鐵內(nèi)部由兩種不同的永磁材料和勵(lì)磁線圈構(gòu)成磁源，當(dāng)電永磁線圈兩端接受到一個(gè)足夠大的正向脈沖電流時(shí)（0.5-1s后自動(dòng)斷開），改變可逆永磁材料的極性，使兩種永磁材料產(chǎn)生的磁場并聯(lián)，磁路疊加，電永磁鐵呈勵(lì)磁狀態(tài)，模板被吸合并長期保持勵(lì)磁狀態(tài)。若線圈兩端接受一個(gè)同樣大的負(fù)向脈沖電流時(shí)（0.5-1s后自動(dòng)斷開），改變可逆永磁材料的極性，使兩種永磁材料產(chǎn)生的磁場串聯(lián)，磁場相互抵消，電永磁鐵呈退磁狀態(tài)，模板就會(huì)被釋放。

與傳統(tǒng)電磁鐵相比，電永磁鐵依靠永久磁性材料的永久磁力吸持工件，工作過程不消耗電能，即使斷電也不會(huì)改變磁場狀態(tài)。磁體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，磁路獨(dú)特，磁力強(qiáng)大，退磁徹底，不衰減，壽命長，可以組合使用。具有操作簡單、安全可靠、節(jié)能環(huán)保、實(shí)用高效等特點(diǎn)。具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 電永磁鐵的結(jié)構(gòu)與原理圖

1.2.4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)主要包括行走驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向、工作裝置和應(yīng)急單元等系統(tǒng)。

（1）行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)。

行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)采用閉式回路、靜壓傳動(dòng)技術(shù)。由變量柱塞泵、變量柱塞馬達(dá)和電液比例閥等液壓元件構(gòu)成，該系統(tǒng)運(yùn)特點(diǎn)在于行平穩(wěn)性好，控制精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

變量柱塞泵內(nèi)置高壓安全緩沖閥，壓力切斷閥，防止泵與馬達(dá)過載，有利于保護(hù)液壓元件，提高系統(tǒng)可靠性。

由于存在背壓且對(duì)稱工作，柱塞泵和馬達(dá)又具有很高的容積效率，其內(nèi)部泄漏隨壓力變化很小，因而閉式系統(tǒng)能平穩(wěn)的從正轉(zhuǎn)通過零點(diǎn)向反轉(zhuǎn)過渡并能在任意方向?qū)嵭腥簤褐苿?dòng)操作，同時(shí)保證輸出軸具有足夠的剛性，在負(fù)荷大小和方向突然變化時(shí)仍能平穩(wěn)工作。

（2）轉(zhuǎn)向、工作裝置。

轉(zhuǎn)向、工作裝置采用負(fù)載敏感控制技術(shù)，具有壓力補(bǔ)償和壓力保護(hù)功能，系統(tǒng)損耗較低，效率遠(yuǎn)高于常規(guī)液壓系統(tǒng)。

系統(tǒng)能夠在不同負(fù)載的情況下，自動(dòng)調(diào)整輸入到每一個(gè)執(zhí)行元件的流量保持恒定，確保轉(zhuǎn)向動(dòng)作平穩(wěn)及裝置動(dòng)作保持穩(wěn)定；當(dāng)負(fù)載有壓力波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)還能夠?qū)χ饕簤涸M(jìn)行保護(hù)。

五軸液壓機(jī)械手的液壓控制單元安裝在小臂轉(zhuǎn)臺(tái)上，比例閥控制，無級(jí)調(diào)速，微動(dòng)性能好。系統(tǒng)設(shè)有液壓動(dòng)力單元，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)急下降。

1.2.5 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)是基于現(xiàn)場CAN總線的PLC控制系統(tǒng)，控制信號(hào)和儀表信號(hào)通過多芯通信電纜直接輸入主控箱，然后由主控箱的中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換或數(shù)字開關(guān)量直接送到各末端控制、調(diào)節(jié)和執(zhí)行裝置。

裝置的行走驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向與工作裝置控制系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)均采用獨(dú)立的車載控制器作為主要控制模塊，各控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，通訊控制信息共享，但相互不控制，在正常運(yùn)行時(shí)，工作裝置與行走系統(tǒng)互鎖，當(dāng)行走與升降系統(tǒng)任何一個(gè)出現(xiàn)故障時(shí)，不影響另外正常模塊的運(yùn)行。其運(yùn)行信息與報(bào)警信息在顯示終端都可以正常顯示。

裝備采用無線遙控的操作方式，控制板面上設(shè)置有控制行走手柄、轉(zhuǎn)向盤、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)、駐車剎車、轉(zhuǎn)向模式、重新設(shè)置傾斜、行走速度（正常速度和慢動(dòng)作）、鳴笛、緊急停車按鈕及本地與遙控器轉(zhuǎn)換操作的切換按鈕與開關(guān)，滿足裝備正常工作需要。

1.2.6 吊具系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吊具系統(tǒng)主要由橫梁和彈簧懸掛體等部件組成。橫梁是吸盤的承載構(gòu)件，橫梁的上端與機(jī)械手的腕部馬達(dá)連接，下端吊掛2套彈簧懸掛體。每2塊磁鐵共用一套彈簧懸掛體，懸掛體由上彈簧、下彈簧、導(dǎo)向軸、導(dǎo)向套和鉸支座構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)磁鐵支承、彈性抓取和磁鐵與模板的緊密結(jié)合。

彈簧懸掛體能夠在橫梁上左右移動(dòng)，以適應(yīng)模板網(wǎng)格式筋板結(jié)構(gòu)的尺寸要求，使電永磁鐵的抓取位置與模板網(wǎng)格間距相互吻合。

彈簧懸掛體依靠其上下彈簧和導(dǎo)向軸的相互作用，實(shí)現(xiàn)電永磁鐵與模板的柔性接觸、彈簧壓緊。抓取作業(yè)過程，首先通過操作五軸液壓機(jī)械手將電永磁吸盤裝置對(duì)準(zhǔn)模板網(wǎng)格，當(dāng)電永磁鐵表面距離模板底部高度為100-160mm時(shí)，壓緊油缸伸出，吸盤裝置壓緊模板，此時(shí)，電永磁鐵通電，模板被吸合，可以完成模板舉升、定位等操作。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)與技術(shù)優(yōu)勢

該裝備在設(shè)計(jì)過程中采用了安全性、可靠性、可維修性和標(biāo)準(zhǔn)化等先進(jìn)的技術(shù)方法，采用了多項(xiàng)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和技術(shù)方法，大大提高了該裝備的易用性和安全使用性能。主要有3個(gè)特點(diǎn)。

3.1 設(shè)計(jì)新穎，使用便捷

根據(jù)地下模板安裝工程的現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，為確保鋼制模板精確定位安裝，設(shè)計(jì)使用了五軸液壓機(jī)械手。該裝置具有5個(gè)自由度，能夠通過大臂左右擺動(dòng)和夾持裝置水平與垂直方向的任意角度的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)模板的姿態(tài)與相對(duì)位置調(diào)整，滿足模板在有限空間的姿態(tài)調(diào)整和安裝需要。其次，主臂架采用伸縮臂加固定臂的兩節(jié)臂架模式（如圖1所示），增加了臂架的工作長度，使裝備能夠在一個(gè)適當(dāng)?shù)恼疚煌瓿蓪?duì)3-4榀鋼制模板的依次抓取、舉升、調(diào)整、定位和安裝操作，大大提高了地下工程模板施工的效率和靈活性。同時(shí)，為便于操作，設(shè)計(jì)過程中擯棄了傳統(tǒng)的夾具夾持定位模板的方法，采用了電永磁鐵充磁吸附和消磁卸載的先進(jìn)技術(shù)理念，通過多塊靈活組合，集成控制，達(dá)到了吸附倍增、操作簡便、安全可控、使用高效的目的。

3.2 智能控制，功能強(qiáng)大

裝備在工作過程中，可以采用手持式遙控器或本地控制手柄兩種操作方式，有效提高了裝備操控的靈活性和作業(yè)的安全性。遙控操作有利于近距離觀察和調(diào)整模板間距，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。同時(shí)，通過多手柄同時(shí)適度操作，能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)自由度或多自由度的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，大大提高裝備的作業(yè)效能。

采用的電永磁鐵吸附技術(shù)屬國內(nèi)先進(jìn)技術(shù)，與傳統(tǒng)電磁鐵相比，電永磁鐵依靠永久磁性材料的磁力吸持模板，工作過程中無需消耗電能，即使斷電也不會(huì)改變磁場狀態(tài)。磁體的形狀和結(jié)構(gòu)可根據(jù)需要靈活設(shè)計(jì)，可單獨(dú)或組合使用。

3.3 技術(shù)先進(jìn)，安全可靠

整個(gè)裝備在設(shè)計(jì)過程中，充分考慮操控的安全性。一是通過控制系統(tǒng)對(duì)底盤行駛速度進(jìn)行控制，限制臂架伸出狀態(tài)及作業(yè)過程中的行駛速度不超過1.2km/h，確保整備帶載作業(yè)過程中的安全穩(wěn)定。二是根據(jù)地下工程潮濕、煙塵等施工環(huán)境，充分考慮模板表面生銹、吸附力降低等不利影響因素，對(duì)電永磁鐵與鋼制模板之間的摩擦力與額定載荷進(jìn)行比對(duì)核算，取用足夠的磁鐵數(shù)量，以足夠的吸附力確保模板作業(yè)期間的絕對(duì)安全。三是采用了電永磁鐵作業(yè)過程中的防消磁措施，改變了單手柄正向充磁與反向消磁的操作方法，采用雙手柄控制措施，在遙控操作過程中，只有雙手柄同時(shí)操作才能使電永磁鐵消磁，有效防止了誤操作造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。四是施工過程中采用遙控操作的方式方法，人員能夠遠(yuǎn)離危險(xiǎn)作業(yè)現(xiàn)場，有效避免模板定位或前后移位過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。五是設(shè)計(jì)使用了彈簧懸掛體，不僅能夠避免五軸液壓機(jī)械手、伸縮臂架與模板之間產(chǎn)生剛性碰撞或過載擠壓，而且能夠依靠軸端鉸支座的輕微轉(zhuǎn)動(dòng)，確保每個(gè)電永磁鐵都能夠與模板緊密接觸（工作氣隙可達(dá)1.5mm），達(dá)到吸附力的最大化。六是底盤采用懸掛技術(shù)，滿足地面不平整情況下的作業(yè)要求，輪胎采用實(shí)心橡膠輪胎，在模板舉升及定位等作業(yè)過程中整機(jī)能夠保持較好的穩(wěn)定性，利于模板的精準(zhǔn)調(diào)整與定位安裝。七是下車設(shè)計(jì)安裝應(yīng)急泵站，在主動(dòng)力系統(tǒng)故障失效時(shí)能夠及時(shí)啟動(dòng)，進(jìn)行應(yīng)急操作，確保作業(yè)安全。

4 結(jié)語

作為一種地下工程鋼制模板安裝專用裝備，全液壓模板舉升作業(yè)車的研制，有效解決了模板作業(yè)施工人員多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)大的技術(shù)難題，大大提高了模板施工機(jī)械化水平，對(duì)于提高地下工程建設(shè)的速度、質(zhì)量和效益，推進(jìn)地下工程建設(shè)具有重要意義?？蒲袠訖C(jī)的作業(yè)性能和工程化試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝備能夠滿足常規(guī)條件下大多數(shù)地下模板工程施工需要，操作方便，工作靈活，安全可靠，是一項(xiàng)具有一定推廣應(yīng)用價(jià)值的成功的工程設(shè)計(jì)。

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