近年來，我國在傳統(tǒng)生產(chǎn)行業(yè)加快了機(jī)器換人的步伐，混凝土管樁生產(chǎn)流水線工藝布置中必不可少需要配置管樁生產(chǎn)專用起重機(jī)。管樁生產(chǎn)專用起重機(jī)采用雙梁雙小車橋式起重機(jī)形式，在吊鉤下面懸掛自動夾具吊梁。針對管樁生產(chǎn)的工況特點(diǎn)，該起重機(jī)在設(shè)計中應(yīng)滿足該工況的使用要求。

一、工況特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)

混凝土管樁生產(chǎn)一般是三班制不間斷生產(chǎn)，生產(chǎn)車間噪聲、濕度均較大，蒸養(yǎng)車間環(huán)境溫度較高，流水線生產(chǎn)效率要求較高?？紤]到效率的因素，起重機(jī)司機(jī)操作比較急躁，常采取大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用打反向運(yùn)行的制動方式，而起重機(jī)在內(nèi)的設(shè)備可靠性要求高，不允許出現(xiàn)故障，一旦出現(xiàn)故障整條生產(chǎn)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(guī)格較多，自動夾具要求通用各規(guī)格的管樁生產(chǎn)。同時，自動夾具吊梁隨起重機(jī)在車間內(nèi)立體運(yùn)行，要求自動夾具在夾持管樁模具運(yùn)動時必須安全可靠，自動夾具在空中不得打開以免發(fā)生事故。自動夾具吊梁在大車運(yùn)行方向上應(yīng)能準(zhǔn)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(dǎo)致自動夾具難以迅速定位、夾持模具。針對工況特點(diǎn)，起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)有：QE型雙小車橋式起重機(jī)，整機(jī)工作級別應(yīng)為 A7?A8，操作形式為室內(nèi)操作，起重量按“管樁+管?！辟|(zhì)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(chǎn)專用起重機(jī)示意圖。

二、設(shè)計要點(diǎn)

2.1 起升機(jī)構(gòu)

在選擇起升電動機(jī)時，應(yīng)考慮環(huán)境溫度高、濕度大、機(jī)構(gòu)工作級別M7?M8的實際工況，起升電動機(jī)須通過發(fā)熱校核計算。在選擇起升減速器時，應(yīng)考慮機(jī)構(gòu)頻繁啟、制動的特點(diǎn)，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(zhì)一般為42CrMo，所以與減速器低速軸端外齒盤嚙合的卷筒內(nèi)齒盤材質(zhì)應(yīng)匹配以ZG42CrMo，而通常 橋式起重機(jī)起升卷筒內(nèi)齒盤材質(zhì)為ZG340-640，如果管樁生產(chǎn)專用起重機(jī)起升卷筒內(nèi)齒盤材質(zhì)仍采用ZG340-640，則其使用后磨損量會超過正常值，發(fā)生斷齒事故。

1.司機(jī)室 2.小車總成 3.橋架 4.大車運(yùn)行機(jī)構(gòu) 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(chǎn)專用起重機(jī)總圖

起升制動器是起升機(jī)構(gòu)的安全裝置，宜采用單推桿液壓制動器。由于管樁生產(chǎn)專用起重機(jī)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(chǎn)的實際，制動力矩比GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》推薦的安全系數(shù)高25% 左右為宜，以滿足管樁生產(chǎn)的長周期無故障使用。

2.2 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)

管樁生產(chǎn)專用起重機(jī)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(yùn)行機(jī)構(gòu)只作小行程調(diào)整用（一般行程不大于2m）。由此可見，小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的工作級別僅為M4?M5，無需以整機(jī)的工作級別等同或接近匹配。

2.3 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)

由于追求管樁生產(chǎn)產(chǎn)量，起重機(jī)維修人員在實際工作中普遍會把大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的制動器徹底放松，起重機(jī)司機(jī)采用打反向運(yùn)行的方式來強(qiáng)制停車，以達(dá)到瞬間停車的目的。然而，這種粗暴的操作方式會給大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的電動機(jī)、減速器、車輪等零部件造成很大的沖擊破壞，為此，在設(shè)計大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

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

2）在滿足高速軸輸入功率、輸出扭矩的基礎(chǔ)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(fā)生扭斷低速軸的事故；

3）車輪組同樣應(yīng)加大主動車輪軸頭的直徑、平鍵規(guī)格，并提高車輪材質(zhì)等級，將通常在橋機(jī)上使用的車輪材質(zhì)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(chǎn)專用起重機(jī)的橋架由兩個平行布置的主梁與兩個分別安裝在兩側(cè)大車軌道上面的端梁組成。在設(shè)計主梁時，由于起升速度比較大，起升載荷動載系數(shù)比較大，主梁疲勞強(qiáng)度應(yīng)予以充分考慮：由于大車運(yùn)行速度較快，且存在打反向運(yùn)行的方式來強(qiáng)制停車的惡習(xí)，應(yīng)嚴(yán)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(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 創(chuàng)新運(yùn)用鉸接式防晃擺臂

通常，大車運(yùn)行速度達(dá)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(yùn)行方向上前后晃動，使自動夾具難以迅速準(zhǔn)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(yùn)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(lián)接，這種設(shè)計既能滿足吊梁迅速準(zhǔn)確定位，又能保證上下鉸接點(diǎn)結(jié)構(gòu)的可靠安全。如果擺臂上端沒有大車運(yùn)行方向上的鉸接結(jié)構(gòu)，在大車突然停車時擺臂上端承受由慣性力引起的彎矩，導(dǎo)致擺臂上端的連接焊縫開裂或在焊接應(yīng)力交變處母材斷裂。

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(yùn)用

由于出廠時會將大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的制動器放松，起重機(jī)在斷電狀態(tài)下就沒有了自動制動停車的能力（譬如大車高速運(yùn)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(jī)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(chǎn)帶來事故隱患。所以，在設(shè)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(yùn)行機(jī)構(gòu)，輪邊制動器的電氣控制和整機(jī)的電源是否斷電相關(guān)，與大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)是否動作無關(guān)。一旦發(fā)生整機(jī)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(chuàng)新設(shè)計管樁生產(chǎn)各工序所需的自動夾具

管樁生產(chǎn)專用起重機(jī)的吊鉤下面懸掛自動夾具吊梁，根據(jù)管樁生產(chǎn)的工藝布置，針對各工序吊梁下單獨(dú)或組合式安裝有各類自動夾具。

1）離心、蒸養(yǎng)工序在工藝布置時，離心、蒸養(yǎng)工序在同一跨車間內(nèi)，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(yǎng)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(yùn)整根模具、打開上蓋模或合上上蓋模，分別用于將模具吊運(yùn)至離心機(jī)上離心及離心后倒?jié){完成后將模具放入蒸養(yǎng)池里面蒸養(yǎng)、蒸養(yǎng)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(yùn)管樁下底模，需要抱式夾具。所以，起重機(jī)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(chǔ)上再增加鋼筋籠夾具，設(shè)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(yùn)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(yùn)出來并且搬運(yùn)到指定堆放的區(qū)域。真空吸盤出樁自動夾具示意圖見圖4。

4）自動夾具的設(shè)計要點(diǎn)

上述各類自動夾具用于管樁生產(chǎn)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(xiàn)管樁從模具的下底模中出樁及搬運(yùn)?？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(shù)以不小于2.5倍為宜。由于吸盤和管樁表面的結(jié)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(jié)果不能滿足安全冗余系數(shù)2倍的下限，應(yīng)及時更換新的吸盤。

其他自動夾具通過空壓機(jī)的壓縮空氣帶動氣缸的伸縮動作實現(xiàn)卡或抱的夾持、打開?？諌簷C(jī)安裝在起重機(jī)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(nèi)。卡點(diǎn)或抱式設(shè)計自帶自鎖功能（一般采用力學(xué)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(dāng)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(huán)保無污染，維修保養(yǎng)方便。

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

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(dǎo)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(chǎn)采用雙跨車間循環(huán)流水線作為一條管樁自動生產(chǎn)線布置，離心、蒸養(yǎng)車間配置兩臺卡式自動夾具管樁生產(chǎn)專用起重機(jī)，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(chǎn)專用起重機(jī)和一臺真空吸盤出樁起重機(jī)。上述一條自動流水線可實現(xiàn)年產(chǎn)600?800km的混凝土管樁產(chǎn)量，自動化程度很高，勞動力配置很少，且安全性比傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝時顯著提高。