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        管樁專用起重機的設計與應用

        2018-10-31 13:55:23

        近年來,我國在傳統生產行業加快了機器換人的步伐,混凝土管樁生產流水線工藝布置中必不可少需要配置管樁生產專用起重機。管樁生產專用起重機采用雙梁雙小車橋式起重機形式,在吊鉤下面懸掛自動夾具吊梁。針對管樁生產的工況特點,該起重機在設計中應滿足該工況的使用要求。

        一、工況特點及技術參數

        混凝土管樁生產一般是三班制不間斷生產,生產車間噪聲、濕度均較大,蒸養車間環境溫度較高,流水線生產效率要求較高??紤]到效率的因素,起重機司機操作比較急躁,常采取大車運行機構采用打反向運行的制動方式,而起重機在內的設備可靠性要求高,不允許出現故障,一旦出現故障整條生產線就會癱瘓。自動夾具的通用性、安全可靠性及使用壽命要求都比較高,通常的管樁直徑為φ400?φ800mm,管樁長度10?15m,管樁規格較多,自動夾具要求通用各規格的管樁生產。同時,自動夾具吊梁隨起重機在車間內立體運行,要求自動夾具在夾持管樁模具運動時必須安全可靠,自動夾具在空中不得打開以免發生事故。自動夾具吊梁在大車運行方向上應能準確定位在模具位置,不允許大車停車時自動夾具吊梁前后晃動導致自動夾具難以迅速定位、夾持模具。針對工況特點,起重機主要技術參數有:QE型雙小車橋式起重機,整機工作級別應為 A7?A8,操作形式為室內操作,起重量按“管樁+管?!辟|量可選8t+8t、10t+10t、16t+16t、20t+20t,起升速度為13?15m/min,小車速度為30?45m/min,大車速度為110?120m/min。圖1為管樁生產專用起重機示意圖。

        二、設計要點

        2.1 起升機構

        在選擇起升電動機時,應考慮環境溫度高、濕度大、機構工作級別M7?M8的實際工況,起升電動機須通過發熱校核計算。在選擇起升減速器時,應考慮機構頻繁啟、制動的特點,宜選用硬齒面減速器,減速器的徑向載荷、高速軸輸入功率和低速軸輸出扭矩在工作級別M7?M8時需滿足要求。由于硬齒面減速器低速軸端外齒盤材質一般為42CrMo,所以與減速器低速軸端外齒盤嚙合的卷筒內齒盤材質應匹配以ZG42CrMo,而通常 橋式起重機起升卷筒內齒盤材質為ZG340-640,如果管樁生產專用起重機起升卷筒內齒盤材質仍采用ZG340-640,則其使用后磨損量會超過正常值,發生斷齒事故。

        管樁專用起重機

        1.司機室 2.小車總成 3.橋架 4.大車運行機構 5.防晃擺臂 6.管模上蓋模 7.管模下底模 8.自動夾具吊梁 9.卡式自動夾具

        圖1 管樁生產專用起重機總圖

        起升制動器是起升機構的安全裝置,宜采用單推桿液壓制動器。由于管樁生產專用起重機吊鉤懸掛著自動夾具吊梁,對制動器而言無空載時間段,故對起升制動器的工作級別要求更高,考慮到管樁生產的實際,制動力矩比GB/T 3811-2008《起重機設計規范》推薦的安全系數高25% 左右為宜,以滿足管樁生產的長周期無故障使用。

        2.2 小車運行機構

        管樁生產專用起重機采用雙梁雙小車形式,兩臺小車的布置間距固定不變(一般間距為6?8m的某一定值),所以小車運行機構只作小行程調整用(一般行程不大于2m)。由此可見,小車運行機構的工作級別僅為M4?M5,無需以整機的工作級別等同或接近匹配。

        2.3 大車運行機構

        由于追求管樁生產產量,起重機維修人員在實際工作中普遍會把大車運行機構的制動器徹底放松,起重機司機采用打反向運行的方式來強制停車,以達到瞬間停車的目的。然而,這種粗暴的操作方式會給大車運行機構的電動機、減速器、車輪等零部件造成很大的沖擊破壞,為此,在設計大車運行機構時應注意以下幾點:

        1)電動機的功率選擇必須滿足M8的工作制要求,大車電動機推薦采用變頻電動機,變頻控制大車運行可以大幅度改善因打反向運行的方式來強制停車的后果;

        2)在滿足高速軸輸入功率、輸出扭矩的基礎上,宜將減速器低速軸直徑、平鍵和軸承加大處理(一般承載能力需提高30%左右),以避免減速器在使用中發生扭斷低速軸的事故;

        3)車輪組同樣應加大主動車輪軸頭的直徑、平鍵規格,并提高車輪材質等級,將通常在橋機上使用的車輪材質ZG340-640改為ZG50SiMn,對車輪踏面淬火改為整體熱處理,以提高車輪的耐磨性和使用壽命。

        2.4 橋架

        管樁生產專用起重機的橋架由兩個平行布置的主梁與兩個分別安裝在兩側大車軌道上面的端梁組成。在設計主梁時,由于起升速度比較大,起升載荷動載系數比較大,主梁疲勞強度應予以充分考慮:由于大車運行速度較快,且存在打反向運行的方式來強制停車的惡習,應嚴格水平向剛度要求:由于兩臺小車的間距是固定值的尺寸,且吊鉤上懸掛有自動夾具吊梁,兩臺小車不存在意外靠攏的問題,故小車自重及吊重載荷可以按間隔布置受力的模型計算。

        三、技術創新點

        3.1 創新運用鉸接式防晃擺臂

        通常,大車運行速度達到110?120m/min,如自動夾具吊梁接近管模上方時突然停車,吊梁會在大車運行方向上前后晃動,使自動夾具難以迅速準確定位,故需要配置防晃裝置。防晃裝置采用擺臂形式(見圖2),上端通過雙向(大車運行方向和起升方向)鉸軸與下車架連接在一起,下端通過銷軸與吊梁上方的連接座聯接,這種設計既能滿足吊梁迅速準確定位,又能保證上下鉸接點結構的可靠安全。如果擺臂上端沒有大車運行方向上的鉸接結構,在大車突然停車時擺臂上端承受由慣性力引起的彎矩,導致擺臂上端的連接焊縫開裂或在焊接應力交變處母材斷裂。

        防晃擺臂上端鉸接示意圖

        1.鉸軸1 2.鉸軸2 3.上擺臂

        圖2 防晃擺臂上端鉸接示意圖

        3.2 輪邊制動器的合理運用

        由于出廠時會將大車運行機構的制動器放松,起重機在斷電狀態下就沒有了自動制動停車的能力(譬如大車高速運行時突然遇到停電或斷電,此時由于沒有了大車制動器的作用,起重機會在慣性作用下直接沖撞車間端部的大車止擋),這種意外情況會給安全生產帶來事故隱患。所以,在設計時必須安裝電動輪邊制動器(常閉式),一旦斷電時輪邊制動器就自動夾緊大車車輪。該輪邊制動器作為安全裝置,而非制動大車運行機構,輪邊制動器的電氣控制和整機的電源是否斷電相關,與大車運行機構是否動作無關。一旦發生整機意外斷電或停電情況,輪邊制動器就會抱住大車車輪,起到安全停車的作用。

        3.3 創新設計管樁生產各工序所需的自動夾具

        管樁生產專用起重機的吊鉤下面懸掛自動夾具吊梁,根據管樁生產的工藝布置,針對各工序吊梁下單獨或組合式安裝有各類自動夾具。

        1)離心、蒸養工序在工藝布置時,離心、蒸養工序在同一跨車間內,在此車間配置卡式自動夾具。管樁長度通常為15m及以下,采用4只卡式夾具,吊梁長度為10.5m,能滿足φ400?φ800mm的各類管樁離心、蒸養所需的吊裝工作。如圖1所示,卡式夾具可夾持模具至上蓋模的跑輪處,以便搬運整根模具、打開上蓋?;蚝仙仙仙w模,分別用于將模具吊運至離心機上離心及離心后倒漿完成后將模具放入蒸養池里面蒸養、蒸養后的啟模工序。

        2)啟模、喂料、合模工序啟模、合模工序需要卡式夾具;喂料工序需要搬運管樁下底模,需要抱式夾具。所以,起重機為滿足這兩種不同夾具的配置要求,將自動夾具吊梁下方同時布置有卡式+抱式組合式夾具。喂料時還要在下底模中放入鋼筋籠,故在卡式+抱式組合式夾具基礎上再增加鋼筋籠夾具,設計成“卡+抱+鋼筋籠的三合一”功能的自動夾具,如圖3所示。

        3)出樁工序在卡式夾具吊運走上模后,需要采用真空吸盤出樁自動夾具,用真空吸盤將混凝土管樁從下模中吊運出來并且搬運到指定堆放的區域。真空吸盤出樁自動夾具示意圖見圖4。

        4)自動夾具的設計要點

        上述各類自動夾具用于管樁生產的各工序流水線上,真空吸盤出樁自動夾具是通過真空泵帶動6個真空吸盤吸附混凝土管樁表面,實現管樁從模具的下底模中出樁及搬運??紤]到各吸盤受力的不均勻性和安全性,真空吸盤吸力的安全冗余系數以不小于2.5倍為宜。由于吸盤和管樁表面的結合部在一定使用周期后容易磨損,故建議真空吸盤每隔一個月做一次檢測吸載管樁的超載試驗,如果吸載試驗的結果不能滿足安全冗余系數2倍的下限,應及時更換新的吸盤。

        其他自動夾具通過空壓機的壓縮空氣帶動氣缸的伸縮動作實現卡或抱的夾持、打開??諌簷C安裝在起重機橋架走臺上,并用彈簧氣管向氣缸供氣。氣缸和控制氣缸動作的電子閥一般均安裝在吊梁箱體內??c或抱式設計自帶自鎖功能(一般采用力學原理的自鎖,夾具夾持的垂直載荷越大,夾具的水平向閉合力就越大),當起吊模具離地后無論是遇見突然斷電、斷氣、漏氣還是撞擊障礙物、誤操作都不會在放下模具之前意外打開,安全可靠并且效率高。壓縮空氣綠色環保無污染,維修保養方便。

        管樁自動夾具

        1.鋼筋籠夾具 2.卡式夾具 3.抱式夾具 4.鋼筋籠 5.模具上蓋模 6.模具下底模

        圖3 卡+抱+鋼筋籠三合一夾具示意圖

        管樁真空吸盤

        1.電力真空泵 2.真空吸盤終端氣閥及控制集成 3.吊梁 4.真空吸盤總成 5.導向輪裝置 6.混凝土管樁

        圖4 真空吸盤出樁夾具示意圖

        四、使用效果

        通常的管樁生產采用雙跨車間循環流水線作為一條管樁自動生產線布置,離心、蒸養車間配置兩臺卡式自動夾具管樁生產專用起重機,啟模出樁、喂料合模車間配置2臺“卡+抱+鋼筋籠”三用自動夾具管樁生產專用起重機和一臺真空吸盤出樁起重機。上述一條自動流水線可實現年產600?800km的混凝土管樁產量,自動化程度很高,勞動力配置很少,且安全性比傳統生產工藝時顯著提高。