劉新華

（中鐵十一局集團漢江重工有限公司，湖北襄陽 441006）

0 引言

我國高速鐵路橋梁以簡支梁橋為主，其中以24、32 m整孔簡支箱梁最為廣泛，采用預制架設(shè)建造模式，大量使用提梁機、搬運機、運梁車和架橋機等大型施工設(shè)備。隨著我國高鐵橋梁建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，面臨的地形、地質(zhì)、環(huán)境等條件逐漸復雜，對簡支梁的跨越能力提出了更高需求，為進一步發(fā)揮高速鐵路“綠色、智能、經(jīng)濟、生態(tài)保護”的技術(shù)優(yōu)勢，我國已經(jīng)開展了大跨度40 m簡支箱梁建造關(guān)鍵技術(shù)研究［1－5］。為了滿足高鐵40 m簡支箱梁施工需求，國內(nèi)也同步開展了配套的搬提運架成套施工裝備研究工作［6－12］。通過技術(shù)調(diào)研分析，國內(nèi)目前研制的1 000 t輪胎式搬運機存在諸多需要提升的方向，同時新的發(fā)展形勢下，對設(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。

本文通過對現(xiàn)有1 000 t輪胎式搬運機的優(yōu)缺點分析，以依托項目工況和技術(shù)需求為依據(jù)，提出設(shè)備的優(yōu)化提升方向，結(jié)合以往輪胎式搬運機的優(yōu)點，通過多項智能化、少人化核心技術(shù)攻關(guān)，研究一種新型1 000 t 輪胎式搬運機技術(shù)方案，并通過有限元分析計算與試驗檢測相結(jié)合的方法進行驗證，最終研制出其功能更全、使用范圍更廣、自動化程度更高、技術(shù)水平更高、成本更低的新型1 000 t輪胎式搬梁機，為我國高速鐵路大跨度簡支箱梁建造技術(shù)提供強有力的設(shè)備保障，助推我國高鐵大跨度橋梁建設(shè)快速發(fā)展。

1 1 000 t輪胎式搬運機優(yōu)化設(shè)計方向

1.1 現(xiàn)有1 000 t輪胎式搬運機優(yōu)缺點分析

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

通過調(diào)研，分析現(xiàn)有1 000 t 輪胎式搬運機還存在有一些問題需要技術(shù)提升，由于起升均采用4 組卷揚系統(tǒng)實現(xiàn)箱梁的起吊工作，需要4 組卷揚機起升同步，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，安全風險高的問題；為滿足吊運不同跨度的箱梁，搬運機兩個起重小車需具備變幅功能，現(xiàn)有設(shè)備起重小車移動采用油缸頂推，需要人工插拔銷軸，存在變跨效率低的問題。

1.2 依托項目概況及技術(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，正線全長289.807 km，是蘇皖贛鐵路通道的重要組成部分。

昌景黃鐵路4 標段線路位于江西省上饒市鄱陽縣及余干縣境內(nèi)，全線共計有1 255 孔預制箱梁，其中40 m箱梁930 孔，占總預制箱梁施工內(nèi)容的74.1%，屬大規(guī)模采用40 m箱梁建設(shè)的高鐵工程，該線路還有32 m單、雙線簡支箱梁，在預制梁場內(nèi)配置的1 000 t 輪胎式搬運機，具備40 m簡支箱梁搬運功能外，還需具備32 m單、雙線箱梁搬運功能。而該梁場的提梁站位于線路道岔位置，對搬運機尺寸有嚴格限制。

1.3 1 000 t輪胎式搬運機優(yōu)化設(shè)計方向

依托昌景黃高鐵項目，根據(jù)項目難點及技術(shù)需求，并結(jié)合以往輪胎式搬運機研制的經(jīng)驗，研制的新型1 000 t輪胎式搬運機，要求其功能更全、使用范圍更廣、自動化程度更高，同時成本控制更合理；可適用于國內(nèi)鐵路客運專線20、24、32、40 m等跨度的整孔箱梁在預制場內(nèi)起吊、運輸、轉(zhuǎn)移等工作。同時通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分梁場選址存在局限性，存梁臺座與發(fā)梁臺座間可能存在夾角，需要研究輪胎式搬運機的重載轉(zhuǎn)彎技術(shù)，以實現(xiàn)箱梁的重載轉(zhuǎn)向移動，提高施工效率，減少轉(zhuǎn)運設(shè)備的投入。

2 新型1 000 t輪胎式搬運機總體方案研究

新型1 000 t輪胎式搬運機由主梁、門架、大車走行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、起重小車、起升系統(tǒng)、附屬結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成，如圖1 所示。集合現(xiàn)有搬運機優(yōu)點，采用單主梁、門型支腿結(jié)構(gòu)，既能滿足給運梁車裝梁需要，又能有效減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時在單主梁與門型支腿橫梁之間設(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輪胎式搬運機方案示意圖

2.1 主梁及門架

新型1 000 t輪胎式搬運機采用單主梁門型結(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箱梁場地施工，拆除中間8 m調(diào)整節(jié)后重新組裝，也可以適應32 m梁場地布置。門架橫梁的支腿連接位置設(shè)置為兩組，一側(cè)大車采用分開設(shè)計，支腿與大車走行機構(gòu)可實現(xiàn)支腿的兩種安裝方式，一種是寬腿安裝方式，使兩組大車之間留有運梁車通過的空間，從而滿足給運梁車裝梁，另一種為窄腿安裝方式，可以合并一側(cè)的兩組大車，減少設(shè)備的橫向尺寸，從而節(jié)約梁場橫移通道。多種安裝方式提高了設(shè)備的適用性，用戶可根據(jù)實際工況選擇性安裝使用。

2.2 起升系統(tǒng)及起重小車

新型1 000 t輪胎式搬運機起升系統(tǒng)設(shè)置有4 臺液壓卷揚機，通過兩種卷繞方式，形成4 點起升、3 點平衡吊裝系統(tǒng)。配備了多吊孔組合型吊具，實現(xiàn)了一種吊具就可以滿足40、32 m及以下簡支箱梁的搬運需求。小車分為上下兩層，分別設(shè)置橫移油缸和縱移油缸，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個方向的微調(diào)，從而實現(xiàn)箱梁的精確對位。

2.3 大車走行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

新型輪胎式搬運機大車走行系統(tǒng)有4 組，共8 軸線，分別布置在搬運機的兩側(cè)，走行采用液壓馬達驅(qū)動，轉(zhuǎn)向通過油缸推動，可直行、橫行、斜行、小角度轉(zhuǎn)向、半八字轉(zhuǎn)向，通過半八字轉(zhuǎn)向模式可以實現(xiàn)設(shè)備的重載轉(zhuǎn)向功能。

2.4 電氣控制系統(tǒng)

整機使用IFM控制器作為控制系統(tǒng)核心，所有的動作：如發(fā)動機控制、卷揚升降、行走驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、懸掛、支腿等，均由基于現(xiàn)場總線（CAN－BUS）的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。CAN－BUS是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，控制系統(tǒng)采用CAN 總線方式，具有設(shè)備電纜布線簡單，可靠性高，容易進行故障診斷和運行狀態(tài)記錄的優(yōu)點［13］。

2.5 安全監(jiān)控系統(tǒng)

新型1 000 t輪胎式搬運機設(shè)置了全方位的安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括本機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控和視頻監(jiān)控兩大部分，實現(xiàn)對設(shè)備工作狀態(tài)開機情況下的全面實時監(jiān)控和記錄。系統(tǒng)通過配置一系列傳感器采集起重機實時狀態(tài)信息，將起重機實時狀態(tài)在人機界面顯示，配置存儲、視頻監(jiān)控設(shè)備對操作、運行及報警等信息進行存儲。

3 新型輪胎式搬運機關(guān)鍵技術(shù)

新型1 000 t輪胎式搬運機攻克了多項關(guān)鍵技術(shù)，解決了前文提到的目前1 000 t輪胎式搬運機存在的技術(shù)問題，滿足了更高的技術(shù)需求，從而提高了新型1 000 t 搬運機的技術(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)

吊梁過程采用雙閉環(huán)同步控制，4 個吊點高差可控制在5 cm 內(nèi)，有效保證了起吊過程動作平穩(wěn)和梁片水平，人機界面可實時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，安全風險高的問題。

（2）自動變幅技術(shù)

起重小車走行機構(gòu)采用步履式頂推方式實現(xiàn)吊梁小車的自動變幅移位，該方式不需人工插拔銷軸，提高了變幅效率，可實現(xiàn)20～40 m 等不同跨度箱梁的吊運。解決了現(xiàn)有設(shè)備起重小車移動采用油缸頂推，需要人工插拔銷軸，存在變跨效率低的問題。

（3）走行同步控制技術(shù)

自主開發(fā)多傳感器融合控制系統(tǒng)，實現(xiàn)左右兩側(cè)大車走行及轉(zhuǎn)向的高精度自動同步，保證行車安全。解決了現(xiàn)有輪胎式搬運機兩側(cè)大車存在不同步的問題。

（4）重載轉(zhuǎn)彎施工技術(shù)

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

4 主結(jié)構(gòu)有限元分析計算

4.1 工況分析及載荷

高速鐵路現(xiàn)有標準簡支箱梁跨度有20、24、32、40 m共4 種跨度，分別對4 種工況進行了載荷分析及有限元計算，得出最不利工況為吊運32 m 箱梁工況［13］，所以本文有限元計算僅展示吊運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輪胎式搬運機吊運32 m箱梁工況載荷

圖2 吊運32 m箱梁工況受力示意圖

4.2 計算模型建立

采用大型通用有限元分析軟件進行C型輪胎式搬運機的主結(jié)構(gòu)計算模型建立，并根據(jù)實際工況模式設(shè)置連接及施加約束。其中，以小車運行方向為X 軸，豎直高度方向為Y軸，大車運行方向為Z軸［14］。

4.3 計算結(jié)果分析

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

圖3 吊運32 箱梁工況計算應

圖4 吊運32 箱梁工況計算變形

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

表2 吊運32 m箱梁工況各部件最大應力匯總表

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

4.4 型式試驗檢測結(jié)果對比分析

第1 臺新型1 000 t輪胎式搬運機在昌景黃鐵路鄱陽制梁場應用，設(shè)備實際檢測各項性能良好，并順利取得了特種設(shè)備型式試驗證書。其中型式試驗檢測數(shù)據(jù)為主結(jié)構(gòu)應力最大值為215.5 MPa（理論計算最大值為228.943 MPa），寬中最大靜擾度值為85 mm（理論計算值為80.886 7 mm），均滿足規(guī)范要求，且與理論計算較為接近，為今后大型起重設(shè)備設(shè)計及理論計算提供了經(jīng)驗。

5 推廣應用

目前新型1 000 t 輪胎式搬運機已在昌景黃鐵路、滬蘇湖鐵路等大跨度40 m簡支箱梁施工中成功應用，圓滿完成了預制梁場內(nèi)箱梁的搬運工作，該設(shè)備自動化程度高，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)場應用情況如圖5所示。

圖5 新型輪胎式搬梁機現(xiàn)場應用照片

6 結(jié)束語

本文通過技術(shù)調(diào)研、對比分析、有限元計算、試驗驗證相結(jié)合的方法，對1 000 t 輪胎式搬運機進行了優(yōu)化設(shè)計，研究的新型1 000 t 輪胎式搬運機通過推廣應用，證明其功能更全、使用范圍更廣、自動化程度更高、成本更低。本文研制的新型1 000 t輪胎式搬運機攻克了多項關(guān)鍵技術(shù)，在全國的高速鐵路40 m箱梁運架施工領(lǐng)域創(chuàng)造更好的信譽口碑，樹立良好的企業(yè)形象。該設(shè)備以高效、安全、穩(wěn)定的應用，為其順利完成梁場內(nèi)箱梁的搬運施工任務提供了有效保障。本文的研究方法能夠為今后大型起重設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計提供理論支撐，具有很強的借鑒參考意義。