一种自爬升轨道系统的设计和研究_操建丽.pdf

82 建设机械技术与管理 2023.01 产品结构一 种自爬 升 轨 道 系 统 的 设 计 和 研 究A Self-climbing Orbit System Design and Research操建丽 盛朝晖(武汉武桥交通装备技术有限公司，湖北 武汉 430000)摘要：对于较高的桥梁钢塔安装，可采用一种爬模和液压步履走行相结合的自爬升起重机，取代传统的塔吊方式。该起重机可依附在塔壁上自动进行爬升和下降，也可以锁定销轴后进行钢塔节段吊装。其轨道系统通过在各支座与轨道之间设置合理的间隙，允许轨道经过数次较小的转角，以便度过变截面塔柱的曲率变化点。关键词：爬升；轨道；插拔销；支座；曲率变化点中图分类号：TH213.5 文献标识码：A1 引 言一般斜拉桥和悬索桥的塔柱有混凝土结构、钢-混组合结构和钢结构几种类型，塔柱多采用爬模或者塔吊进行施工。对于塔柱高度较高，塔节分段重量较大的钢塔柱安装，采用塔吊的成本很高，工期也长。用一种附壁式自爬升起重机替代传统塔吊，进行桥梁钢塔节段安装，经济效益显著。该起重机通过轨道系统与钢塔进行连接和传递载荷，在吊装钢塔节段工况下，轨道系统与钢塔采用插拔销机构进行锁固，然后进行钢塔节段吊装作业；在爬升工况下，轨道系统的插拔销机构交替动作，在同步顶升机构作用下，起重机可沿轨道爬升和下降。2 轨道系统设计根据现有技术的爬模原理，结合液压步履式走行方式，对轨道系统进行结构设计，经过复核优化和工艺设计，明确各部件参数。2.1 结构设计根据塔型特点，在塔壁一侧设置两条平行的轨道，具体方式为将锚固座焊接在塔壁上，然后将轨道与锚固座固接。每条轨道由若干个标准节段轨道依次连接组成，轨道上设有等间距的销孔。在相邻轨道对接处设置一锚固座，可将轨道节段拆除和倒换以重复利用。每条轨道设上下两组爬升机构，爬升机构组成见图 1，其中顶升座和油缸座分别设置自动插拔销机构，顶升座与起重机主体结构固接，油缸座通过插拔销与轨道相对锁定。通过顶升座和油缸座交替进行插拔销动作，配合顶升油缸同步顶升，即可实现起重机步履式爬升功能。轨道截面采用箱型结构，顶升座和油缸座截面均呈 C型，与轨道四周配合，并分别预留一定活动间隙A1、A2和B，见图 2。2.1.1 支座活动间隙轨道系统的关键之一在于活动间隙的设置，既要保证图 1 爬升机构组成图 2 轨道系统截面图DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.0122023.01建设机械技术与管理 83产品结构起重机在爬升过程中各支座与轨道之间有足够的活动余量，还要保证整机爬升过程中不会产生较大的晃动和重心位置变化。因此，为了控制活动间隙在较小的范围内，对于塔柱1.1的曲率变化点，采用多次小角度轨道转角的方式实现。在吊重工况下，起重机重心偏向塔柱一侧，上下两组爬升机构的顶升座销轴共同承载，其受力状态为两条轨道的上顶升座都压紧在轨道面上，下顶升座则为反钩面作用于轨道，即在上下顶升座的销轴与安装面间距 L1 相同的条件下，设置上顶升座间隙 A1=0，下顶升座 A2=0（见图 2）。在爬升工况下，为了保证各销轴的插拔销动作顺利，需要使轨道系统继续保持上述状态，因此需要将起重机整机的重心控制在塔柱一侧。即在每次插拔销动作之前，需要保证上下顶升座为上压下拉的受力状态，明确姿态后再进行插拔销动作，即可有效实现插拔销对中的准确度，提高工作效率。由于顶升油缸的上下铰点都可以转动，因此油缸座的活动间隙可以尽量小。2.1.2 轨道销孔在上下顶升座上压下拉的受力状态下，轨道系统的插拔销过程就相对简单些，只需要销孔直径稍大于销轴直径即可。另外，由于轨道在现场定位安装过程中，高度方向不可避免的会产生一定的误差，可将销孔设为竖向腰圆孔，其长度涵盖误差范围即可。3 轨道系统计算3.1 轨道计算采用三维建模进行轨道截面强度校核，加载水平载荷50tf，计算得到最大应力约 90MPa；销孔加载竖向力 64tf，计算得到销孔承压应力最大值约 170MPa。见图 3。3.2 顶升座计算采用三维建模对顶升座的销孔、反钩面等进行强度和刚度校核，并进行优化设计。在单侧销孔加载 32tf 竖向力，计算得到销孔最大承压应力约 193MPa，顶升座结构最大位移约 0.6mm，见图 4。在顶升座单侧反钩面加载 28tf 水平力，计算得到顶升座最大局部应力约 213MPa，顶升座腹板处最大位移约1.6mm，见图 5。上述轨道系统主要部件计算模型优化后的模拟结果符合相关技术规范要求。4 轨道系统工艺控制根据设计要求，轨道系统的工艺控制要求较高，主要有以下几个方面：首先，由于插拔销机构的工作行程较长，因此销轴端头采用较大的弧面倒角以便导向，并进行精加工处理。其次，锚固座、轨道、顶升座、油缸座的所有配合面均需进行精加工，粗糙度、公差、垂直度等需严格按照工艺标准进行控制，尤其是顶升座和轨道之间上压下拉的接触面，需要精加工控制，以保证轨道系统爬升过程和插拔销对销顺利。锚固座的现场定位至关重要，需采用专用工装严格控制两条轨道的安装位置满足三个方位的定位精度要求。5 结束语上述自爬升轨道系统经过合理的结构设计，采用三维建模计算和优化，以及严格的工艺控制，实现了起重机与钢塔之间的爬升和锁定功能，安全可靠，为钢塔施工提供了一图 3 轨道计算应力图图 4 顶升座销孔应力和位移图图 5 顶升座反钩应力和位移图（下转 86 页）86 建设机械技术与管理 2023.01 产品结构图 7图 8图 9再次以相同的工况对滑移架进行受力分析，以偏载状态下的掏槽工况和截割工况分析，其结果如下：滑移机构在掏槽工况下，偏载截割下的等效应力云图如图 8 所示。（上接 83 页）种创新的技术和设备，相较于塔吊等施工成本低，效率高，有良好的推广应用前景。参考文献1 李宗平，唐启，张六一.南京长江第三大桥钢塔柱安装施工 J.施工技术，2008(05)：107-108.2 戴书学.泰州长江公路大桥钢塔柱吊装施工 J.中国港湾建设，2011(02):51-53.3 朱磊.独塔斜拉桥倾斜式索塔施工关键技术研究 J.安徽建筑，2021,28(04):140-141.4 李广权.高墩步履式液压提升模板仿真分析 J.低温建筑技术，2019,41(08):130-132.5 李德胜.高速公路桥梁高墩步履式液压提升模板施工工艺研究 J.交通世界，2020(15):114-115.收稿日期：2022-08-29作者简介：操建丽，学士，工程师，主要从事桥梁相关机械设备的设计工作。滑移机构的在下拉截割工况下，偏载截割下的等效应力云图如图 9 所示。从受力分析结果可知：优化后的滑移机构在相同的工况条件下，其应力集中区受力情况大大改善，对设备的安全性性有了很大的提高。滑移架等效应力水平较低，约为 200MPa，小于相应位置的母材和焊缝的许用应力300 500MPa，结构强度符合设计要求，可靠性较强。4 结束语本文以掘锚一体机截割滑移机构为研究对象，探究截割滑移机构的结构组成、受力分析及在正常掏槽和截割下拉工况下的受力情况，验证了该滑移机构设计的合理性，为后续掘锚机滑移机构的设计提供了设计参考，同时对掘锚机滑移架失效问题的预防和改进具有很重要的现实意义。参考文献1 季现亮,张标,王华超.掘锚一体机滑移架结构设计与分析 J.煤矿机械,2021,42(03):121-123.2 范 要 辉.快 掘 成 套 装 备 的 设 计 研 究 J.煤 矿 机械,2022,43(09):25-27.3 王冰,李海江.复杂地质条件下掘锚一体机应用实践J.陕西煤炭,2021,40(06):128-131+139.4 鄂宇，李钦彬，王江平，等.掘锚护一体机的设计研究J.煤矿机械，2011，32（9）：8-9.5 陈宇，张洋，耿继业，等.高应力煤巷掘锚护一体机快速掘进工序优化与支护技术 J.煤炭科学技术，2016，44（1）：55-60.收稿日期：2022-10-13作者简介：李欢，学士，工程师，主要研究方向为煤矿机械和矿山机械的结构设计工作。