1 000 t 輪胎式搬運機優化設計及應用*

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備。隨著我國高鐵橋梁建設規模的不斷擴大，面臨的地形、地質、環境等條件逐漸復雜，對簡支梁的跨越能力提出了更高需求，為進一步發揮高速鐵路“綠色、智能、經濟、生態保護”的技術優勢，我國已經開展了大跨度40 m簡支箱梁建造關鍵技術研究［1－5］。為了滿足高鐵40 m簡支箱梁施工需求，國內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］。通過技術調研分析，國內目前研制的1 000 t輪胎式搬運機存在諸多需要提升的方向，同時新的發展形勢下，對設備的適用性、智能化、少人化、技術水平等提出了更高要求。

本文通過對現有1 000 t輪胎式搬運機的優缺點分析，以依托項目工況和技術需求為依據，提出設備的優化提升方向，結合以往輪胎式搬運機的優點，通過多項智能化、少人化核心技術攻關，研究一種新型1 000 t 輪胎式搬運機技術方案，并通過有限元分析計算與試驗檢測相結合的方法進行驗證，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提供強有力的設備保障，助推我國高鐵大跨度橋梁建設快速發展。

1 1 000 t輪胎式搬運機優化設計方向

1.1 現有1 000 t輪胎式搬運機優缺點分析

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構形式，一種是采用單主梁A 型支腿結構的輪胎式搬運機［9］，由于采用了單主梁和A 型支腿，其結構質量較輕，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構的輪胎式搬運機，由于采用了雙主梁和門型腿，其結構質量大，下部大車為分體式結構，可以滿足給運梁車裝梁需求。

通過調研，分析現有1 000 t 輪胎式搬運機還存在有一些問題需要技術提升，由于起升均采用4 組卷揚系統實現箱梁的起吊工作，需要4 組卷揚機起升同步，而現有設備的起升同步均需人工調整，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，現有設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需求

昌景黃鐵路位于贛東北和皖南地區，西起江西省南昌市，途經江西省上饒市、景德鎮市，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，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容的74.1%，屬大規模采用40 m箱梁建設的高鐵工程，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輪胎式搬運機優化設計方向

依托昌景黃高鐵項目，根據項目難點及技術需求，并結合以往輪胎式搬運機研制的經驗，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；可適用于國內鐵路客運專線20、24、32、40 m等跨度的整孔箱梁在預制場內起吊、運輸、轉移等工作。同時通過調研發現，部分梁場選址存在局限性，存梁臺座與發梁臺座間可能存在夾角，需要研究輪胎式搬運機的重載轉彎技術，以實現箱梁的重載轉向移動，提高施工效率，減少轉運設備的投入。

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、大車走行轉向系統、起重小車、起升系統、附屬結構、動力系統、電氣系統、液壓系統等組成，如圖1 所示。集合現有搬運機優點，采用單主梁、門型支腿結構，既能滿足給運梁車裝梁需要，又能有效減輕結構質量，同時在單主梁與門型支腿橫梁之間設置連接支撐桿，增加主結構穩定性。

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構，主梁設置8 m調整節段，可變跨度，即可適用于40 m箱梁場地施工，拆除中間8 m調整節后重新組裝，也可以適應32 m梁場地布置。門架橫梁的支腿連接位置設置為兩組，一側大車采用分開設計，支腿與大車走行機構可實現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，可以合并一側的兩組大車，減少設備的橫向尺寸，從而節約梁場橫移通道。多種安裝方式提高了設備的適用性，用戶可根據實際工況選擇性安裝使用。

2.2 起升系統及起重小車

新型1 000 t輪胎式搬運機起升系統設置有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。配備了多吊孔組合型吊具，實現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，分別設置橫移油缸和縱移油缸，能夠實現兩個方向的微調，從而實現箱梁的精確對位。

2.3 大車走行轉向系統

新型輪胎式搬運機大車走行系統有4 組，共8 軸線，分別布置在搬運機的兩側，走行采用液壓馬達驅動，轉向通過油缸推動，可直行、橫行、斜行、小角度轉向、半八字轉向，通過半八字轉向模式可以實現設備的重載轉向功能。

2.4 電氣控制系統

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

2.5 安全監控系統

新型1 000 t輪胎式搬運機設置了全方位的安全監控系統，該系統包括本機工作狀態數據監控和視頻監控兩大部分，實現對設備工作狀態開機情況下的全面實時監控和記錄。系統通過配置一系列傳感器采集起重機實時狀態信息，將起重機實時狀態在人機界面顯示，配置存儲、視頻監控設備對操作、運行及報警等信息進行存儲。

3 新型輪胎式搬運機關鍵技術

新型1 000 t輪胎式搬運機攻克了多項關鍵技術，解決了前文提到的目前1 000 t輪胎式搬運機存在的技術問題，滿足了更高的技術需求，從而提高了新型1 000 t 搬運機的技術水平，大幅提高了設備的使用性能和操作更便捷。其關鍵技術的如下。

（1）起升同步控制技術

吊梁過程采用雙閉環同步控制，4 個吊點高差可控制在5 cm 內，有效保證了起吊過程動作平穩和梁片水平，人機界面可實時顯示四鉤下降深度和四鉤高差，提高設備使用效率和安全性，解決了起升同步需人工調整，存在梁片水平控制難，安全風險高的問題。

（2）自動變幅技術

起重小車走行機構采用步履式頂推方式實現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20～40 m 等不同跨度箱梁的吊運。解決了現有設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

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

（4）重載轉彎施工技術

創新研發了搬梁機重載轉彎技術，解決了傳統施工技術不能滿足存梁臺座與發梁臺座間存在夾角時重載轉向移動施工技術難題，有效減少梁場建設耗材，提高了施工效率。

4 主結構有限元分析計算

4.1 工況分析及載荷

高速鐵路現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構計算模型建立，并根據實際工況模式設置連接及施加約束。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 計算結果分析

根據吊運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、風載荷及慣性載荷等，同時考慮結構自重載荷。主結構應力計算結構如圖3 所示，變形計算結果如圖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輪胎式搬運機主結構采用Q355C低合金高強度鋼焊接而成，依據《鋼結構設計標準》（GB5017—2017）［15］，材質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，小于許用應力設計值［σ］，滿足設計要求。其中各部件最大應力情況匯總如表2 所示，通過匯總數據可以看出各部件最大應力都接近許用值，因此結構設計較為合理。

表2 吊運32 m箱梁工況各部件最大應力匯總表

依據《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），滿足設計要求。

4.4 型式試驗檢測結果對比分析

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，設備實際檢測各項性能良好，并順利取得了特種設備型式試驗證書。其中型式試驗檢測數據為主結構應力最大值為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），均滿足規范要求，且與理論計算較為接近，為今后大型起重設備設計及理論計算提供了經驗。

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箱梁的搬運工作，該設備自動化程度高，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。在昌景黃鐵路現場應用情況如圖5所示。

圖5 新型輪胎式搬梁機現場應用照片

6 結束語

本文通過技術調研、對比分析、有限元計算、試驗驗證相結合的方法，對1 000 t 輪胎式搬運機進行了優化設計，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鍵技術，在全國的高速鐵路40 m箱梁運架施工領域創造更好的信譽口碑，樹立良好的企業形象。該設備以高效、安全、穩定的應用，為其順利完成梁場內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備的優化設計提供理論支撐，具有很強的借鑒參考意義。