伸缩臂制造的技术要求(伸缩臂吊在深海区墩台零星吊装中的应用技术)

杨光常晨曦中交二航局第二工程有限公司

摘要：为满足厦门第二东通道A2标深海区预制墩台零星吊装施工需求，减少浮吊使用数量，结合随车吊的上车部分，按照“油改电”的思路，改制电动伸缩臂吊后投入使用。从墩台下节段完成吊装之后的工作场景入手，分析实际需求，叙述了设计构想，并结合三维软件仿真建模模拟各方案优缺点，以及基础机架的设计、布置和安装。

关键词：机械制造及其自动化;矩形框架吊具;基础机架;随车吊;伸缩臂吊;

厦门第二东通道工程A2标段海上区桥梁全长1830m,包含西非通航孔桥、西通航孔桥、中通航孔桥。桥梁标准宽度为37m。中通航孔跨径为2×150m,其余跨径均为90m。海中桥梁上部结构采用全封闭钢箱梁，下部结构采用群桩基础，墩身及承台采用混凝土预制结构。吊装梁段及下部结构构件最大重量约为2700t,含吊具重约3200t。

1墩台零星吊装施工环境

深海区共计23个独立墩台。桥梁下部结构皆为复合钢管桩。钢管桩采用700t浮吊配合APE600液压振动锤+MENCK800冲击锤施沉，工艺顺序是先用液压振动锤夹持钢护筒精准定位并施沉至初始入岩，再用冲击锤重锤敲击嵌岩至设计深度。墩台分为高低墩。高墩区(HT1～H09)分为上中下3个节段，低墩区(H10～H19)分为上下两个节段。墩台下节段由量身打造的矩形框架形吊具(图1)采用4点销轴系挂，4000t浮吊提升，吊具4个角点的调位底座安放在外围4根钢护筒上后(图2),由底座上的三向千斤顶来承接整个吊具+墩台的重量，完成初步受力，然后将4000t浮吊卸载移走。中间2号、5号钢护筒需焊接剪力键，割除底座孔底面以上钢护筒，绑扎钢筋，浇筑C45混凝土填充2个后浇孔；完成体系转换后拆走吊具，继续进行剩余1号、3号、4号、6号钢护筒剪力键焊接，进行多余钢护筒割除、后浇孔浇筑填充等。从初步受力到完成体系转换后，期间会有大量的零星吊装需求，例如剪力键、钢筋、小型机具等吊运及孔内出渣，特点是重量轻、频率高，如果采用传统的墩旁停靠小型全回转浮吊(100t)辅助施工的方式，现有浮吊数量难以满足需求且经济性不高。

图1矩形框架形墩台吊具下载原图

图2墩台下节安放在4根钢护筒上下载原图

2吊机方案初步设想

为了提高施工效率，同时降低生产成本，项目部考虑在下节墩台顶部安装一种类似克令吊的小型吊装机械，来代替浮吊满足零星吊装需求。结合墩台和吊具的几何尺寸，初步设想其主要参数如表1所示。

表1克令吊基本性能参数导出到EXCEL

驱动方式

最大工作幅度/m

基本臂长/m

变幅角度/(°)

最大吊重/t

回转范围/(°)

电力-液压

14.5

≤7

0～75

≤2

360

因小型吊装机械在体系转换前后都有使用，因此很重要的一点是其吊臂不能影响墩台吊具的拆除。其吊臂应该通过伸缩、折叠、俯仰组合等方式，限定在吊具的内框架里面。为此，通过查找相关资料，了解目前国内相应产品情况，主要有手动型、电动型两种。

2.1定柱悬臂吊

这种定柱悬臂吊成本较低，结构简单，外形类似拉臂式塔吊，见图3。机架基础采用圆柱钢筒，可根据使用要求来设计高度。但是其吊臂无法伸缩或折叠，只能通过断开后利用螺栓连接的方式变化长度。

图3定柱悬臂吊下载原图

2.2伸缩臂吊

伸缩臂吊常见的有汽车随车吊上车部分。其动力来自柴油发动机，通过底盘变速箱增加的一根取力轴带动液压泵站完成内燃机-液压转换联动。改为船用后放置在船舷，由船用发电机驱动，方便快速装卸船。机架基础为型钢组合结构，采用焊接或铆接方式固定，见图4。

2.3折叠臂吊

折叠臂吊其实也是汽车随车吊的一种升级变形款，特点是通过多个液压油缸伸展吊臂实现吊装作业，见图5。吊臂分为多段，之间通过铰接机构连接在一起，多用在狭窄空间的货物装卸。它完成动作快，工作效率高；折叠臂式随车吊的折叠臂在运货的时候可以将整个吊臂收缩在一起，占用空间相对更小。其结构比较复杂，精度要求高，价格上也相对较高。

图4伸缩臂吊下载原图

图5折叠臂吊下载原图

3吊机方案选择3.1经验借鉴

经过多方调研，包括港珠澳大桥采用的类似预制墩台吊装工艺的工程项目，可知深海区墩台下节就位之后的零星吊装，基本都是借助浮吊来辅助施工，暂无成熟的经验可以借鉴。

3.2初步设计

结合市场上成熟产品的调研，根据目前工地上吊装的实际需求，理清了初步的设计思路。

(1)采用电力-液压驱动方式，避免内燃机工作时产生的废气、噪声等对周边海洋环境造成不良影响(桥轴线附近有白海豚活动区)。

(2)吊臂的最大工作幅度至少要超过14.5m,即超过墩台挡水钢围堰壁板2m,方便交通船上小型机具、钢筋等的吊运。

(3)吊臂的最大起升高度至少要超过16.5m,即吊钩起到最大高度后，被吊物底部应超过挡水钢围堰0.5m高。

(4)吊臂长度可变化、工作幅度可变化，且不影响墩台外部吊具的拆除。

(5)机架基础应可靠、方便地与下节墩台的顶部锚固，能抵抗台风、海蚀性空气的侵袭。

(6)不增加额外的操作人员，工业遥控器随动响应性好，与主机的无线连接受海洋性气候影响小。

3.3吊机具体方案

初始方案选项主要有2类，即定柱直臂式和伸缩臂(折叠臂)式。通过三维软件进行建模，在墩台模型上进行虚拟安装，以检验查看最终效果。

3.3.1定柱直臂式

中心圆柱高6m,吊臂长15m,平衡臂长6m,需要制作一个井字形型钢底架，用粗钢筋锚固在墩台顶部。中心圆筒焊接在井字架上，吊臂上悬挂2t的电动葫芦，长度方向通过7m+8m分段后进行高强螺栓连接，以满足墩台吊具拆卸的需要，见图6。

图6定柱直臂式下载原图

3.3.2伸缩臂(折叠臂)式

伸缩臂(折叠臂)式，见图7方案，已经非常成熟可靠，相较定柱直臂式会增加一套液压泵站以及附属的油管连接。

图7伸缩臂(折叠臂)式下载原图

3.4方案比选

采用3种方案进行比选。通过对方案进行逐一分析，从结构特点和经济成本方面进行了比对，结果见表2。权衡各方案的综合特点，并结合海上作业区实际施工情况，决定采用伸缩臂吊方案。大部分汽车随车吊上车部分也是采用此种方案。

表23种方案特点比较导出到EXCEL

方案

电机功率

操作难度

灵活性

制造成本

定柱直臂吊

较低

低

差

低

伸缩臂吊

较高

较高

较好

较高

折叠臂吊

高

高

非常好

高

4吊机方案设计实施4.1型钢基础设计

吊机原型为汽车随车吊，考虑到产品方案成熟度并节约制造周期，决定完全保留汽车随车吊的上车吊机部分，底座不作任何改变，独立进行液压泵站的制造。这就需要在墩台顶面上提供一个机架，方便吊机将来“骑坐”在上面。为了方便周转使用且提高安全性能，机架不宜与墩台顶部直接连接，需要一个型钢基础承接受力体系。经分析，墩台下节中间有一道横隔墙，内壁均布有预埋铁件(供墩台上下节焊接导向装置用),因此考虑制作纵横搭接的双拼型钢基础，见图8。纵梁焊接在预埋铁件上，横梁搁置在中间横隔墙上，两端搭放在横梁上，受力明确稳固，并焊接一个外悬臂平台，供安放液压泵站使用。

图8型钢基础下载原图

4.2机架设计

机架下部与型钢基础焊接，上部与伸缩臂吊机底座通过高强螺栓压固连接。其相当于汽车随车吊底盘上的上车部分底座，区别在于汽车随车吊回转转盘法兰盘以下部分高度整合在汽车底盘大梁上。和厂家商讨后，结合类似船用克令吊安装经验，考虑搭建一个长方体金属框架结构，几何尺寸为1800mm×1000mm×800mm,用120mm×8mm的方钢焊接，在竖向受力面用斜杆撑分割成三角形结构确保稳定性，见图9和图10。

图9机架焊接在型钢基础上下载原图

图10机架剖面下载原图

单位：mm

4.3液压系统设计

墩台伸缩臂吊的动力装置由内燃机改为电机，布置方案和汽车随车吊相比，发生了较大的变化，需要重新进行优化设计。

4.3.1循环方式

首先确定液压系统循环方式，一般分为开式系统和闭式系统，见表3。海中作业区施工环境较为恶劣，墩台顶部空间宽裕，对操作换向冲击振动不敏感，故优先采用开式系统。

表3开闭式系统特点比较导出到EXCEL

液压系统

开式系统

闭式系统

液压油回油路径

经换向阀直接返回液压油箱

回油管一般接入液压泵的进油管

液压油与空气接触时间

较长，空气易进入系统，液压油易变质

较短，空气不易混入系统，平稳性好

液压油箱体积

较大，可发挥散热、沉淀杂质等作用

较小，对液压油散热不利

换向冲击振动

较大

小，线性柔和

系统复杂程度

较简单，体积较大

较复杂，系统紧凑

制造成本

较低

较高

4.3.2电机选型

电机选型主要根据动力元件——液压泵的参数来计算选取。本系统主要移植自12t汽车随车吊，直接套用其配套的轴向柱塞泵Q63M-CY14B。这种泵采用缸体旋转，由于滑靴和变量头之间、配油盘和缸体之间采用了液压静力平衡的油膜厚度设计，使上述两对运动面之间处在纯液体摩擦下运转，并省去了重型推力轴承，具有结构简单、体积小、效率高、重量轻、噪音低、寿命长、自吸能力强等优点。

最终确定电机功率为30kW,并选用4极电机以匹配柱塞泵输出较大扭矩的需要。查阅电机国标，选取的型号为YE2-200L-4。

4.3.3液压站布置方式

液压站为整个系统的动力源，配套的液压油箱容积为500L。其工作原理：电机带动油泵旋转，油泵从油箱中吸油后打油，将液压油的压力能转化为机械能，液压油通过液压阀实现了方向、压力、流量调节后经外接管路传输到液压机械的油缸或油马达中，从而推动各种液压机械做功。其布置方式主要有上置立式、上置卧式、旁置式、下置式，见表4和图11。本系统中柱塞泵为定量泵，电机功率达到30kW,重量达到220kg,不适宜放置在油箱顶盖上，因此选用了旁置式布置方式。

表4液压站4种布置方式特点导出到EXCEL

液压系统

布置方式

主要特点

上置立式

泵装置立式安装在油箱盖板上，主要用于定量泵系统。

上置卧式

泵装置卧式安装在油箱盖板上，主要用于变量泵系统，以便于流量调节。

旁置式

泵装置卧式安装在油箱旁边，主要用于油箱容量大于250L,电机功率大于7.5kW以上系统。

下置式

泵装置安装在油箱底部，有利于进油，整机高度较高，应用较少。

4.3.4液压泵安装方式

液压泵与电机一般采用支架安装或法兰盘安装，都需要弹性联轴器将电机输出轴和油泵输入轴连接在一起，如图12所示。

相比于支架安装，凸缘法兰为标准定型产品，可直接选用，安装更方便快捷，在结构上更紧凑，因此考虑选用法兰盘安装形式，见图13。

图11液压站4种布置方式下载原图

图12支架安装与法兰盘安装下载原图

图13液压泵法兰盘安装实际效果下载原图

4.4基础机架安装

型钢基础在现场由焊工先完成型钢双拼焊接后，再由纵梁到横梁逐根施焊，且在与预埋铁件焊接、纵横梁之间焊接时全面采用满焊。最后将拼装好的机架总成吊装到基础上，使其中间立柱中心线与墩台中间隔墙中心线重合，先点焊机架底平面4个角点防止位移，然后对下弦杆逐一施焊，见图14。所有焊缝完成后，先进行外观检测，观察是否有咬边、烧穿、裂纹等，然后再用超声波进行无损检测，确保无质量缺陷。

图14现场安装完成的基础机架下载原图

4.5整机安装

将伸缩臂吊吊臂保持为全缩回至基本臂状态，由100t全回转浮吊船装载靠泊至墩台，将其吊放到机架上，用8颗高强螺栓进行压紧锚固，完全消除吊机中心回转底座与上弦杆之间的间隙，并提供适当的预紧力，见图15、图16。接着安放液压泵站，连接附属油管和380V电缆，检查液压油位是否在油箱上下刻度线之间，通电试运行，查看电机的旋转方向是否和标注箭头一致。然后先按照正反360°回转→伸缩臂→俯仰变幅步骤进行整机空载试运行。最后对比起重曲线，进行负载运行，测试起重性能。

图15伸缩臂吊整机吊装下载原图

图16锚固吊机底盘到机架上下载原图

5操作使用

操作人员通过厂方技术人员简单培训后，即可操作工业遥控器对伸缩臂吊进行实际作业，类似于在车间厂房内对桥式起重机进行地面遥控操作。

5.1日常使用

日常零星吊装施工时，操作人员可根据需要站在墩顶或钢围堰顶端平台通道上，在目视范围内吊装。一些小型机具或零散的钢筋杂物等可放置在交通船甲板上，并将交通船靠泊在挡水钢围堰外侧，位于墩顶的伸缩臂吊就可以像一个巨大的机械手臂，抓取各种小型货物，灵活高效作业。

5.2拆吊具前准备工作

墩台中间2个后浇孔浇筑完毕并完成受力体系转换后，在拆除墩台吊具前，需将伸缩臂吊完全缩至基本臂状态，旋转臂长方向至吊具框架长方向，并仰臂至45°状态，避免与吊具在空间上的干涉。300t浮吊挂上吊具4个角点，垂直起升超过伸缩臂吊钩头最高点，即可顺利拆除，见图17。然后用100t浮吊将伸缩臂吊连同型钢基础整体拆卸，转至下一个墩台安装。

图17吊具从墩台垂直向上脱离下载原图

6结语

“油改电”之后的伸缩臂吊体积小巧、操控灵活、转运方便，对海洋环境友好。经过实际使用检验，其整机性能安全稳定，为海上桥梁墩台顺利施工提供了有力保障。

参考文献

[1]张利平.《液压站设计与使用》出版[J].液压与气动，2004,(8):41.

[2]周恩祥.CY14-B型柱塞泵特点及维护[J].化工管理，2016,(20):221.

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