桥梁高空维修作业用便携式吊装机创新设计

李思阳

中国铁路呼和浩特局集团有限公司呼和浩特工务段 内蒙古 呼和浩特 010010

在铁路桥梁养护过程中，需要定期对内外侧病害进行维修，如更换桥梁水泥板、声屏障等，以求桥梁病害及时维修并保证桥梁的正常使用，同时保证桥上维修作业人员的安全。但是目前将维修用水泥板及相关物件从地面向桥上运输时，通常采用人工搬运或人工桥上提拉的方式效率低，尤其对于铁路桥梁，人工提拉耗时长，工人劳动强度大，费时费力，维修成本高，而且在消耗大量人力物力的同时，非常不安全，常常出现维修人员被砸伤碰伤的事故；因此，需要设计一种便携、高效操作简单快捷的新型吊装机构解决作业中的问题。

1 创新设计

1.1 产品功能分析和问题分析

铁路桥梁高空维修作业用便携式吊装机作为铁路工务养护重要的工具，应具备以下功能：

(1) 方便上下道功能，主要是重量必须足够轻；

(2) 方便安装、拆解功能；

(3) 快捷高效的功能；

(4) 操作简单的功能；

(5) 结构简单，故障方便排除的功能。

1.2 技术矛盾确定与解决思路

技术创新问题的核心是解决矛盾，矛盾被分为技术矛盾和物理矛盾。技术矛盾是指实际工程问题中两个工程参数之间的矛盾，即改善一个技术参数的同时，带来了另外一个技术参数的恶化。

铁路桥梁高空维修作业用便携式吊装机的技术矛盾在于。(1) 现场工人上下道不方便，希望机器重量比较轻，结构简单，拆和装方便，最好1-2人就可以进行搬运上下道，但是现实矛盾是铁路桥上没有安装其他设备的支点，吊装机需要自身携带固定装置；(2) 现场工人技能水平不高，希望机器操作简单，快捷高效，现实矛盾是操作简单就需要自动化程度高，快捷高效需要提升电机功率增大，这无疑也给方便上下道带来挑战[1]。

1.3 创新方案设计

1.3.1 总体结构方案设计

我们计划采用电机带动滑轮组进行起吊工作，滑轮组的合理应用和布置可以减小电机的负载，节省电力，减少电源消耗。具体的结构设计如下。

1.3.2 机械总体结构设计

如图1至图2所示，桥梁高空维修作业用便携式吊装机，其总体方案中包括的零部件有吊臂1、支撑臂2、电动卷扬机3、滑轮4和钢丝绳5；

支撑臂2包括套管2.1和穿设于套管2.1内的旋转轴2.2；旋转轴2.2的两端长于套管2.1外，旋转轴2.2的顶端与吊臂1固定连接，成为整体旋转结构。

吊臂1的每个端部两侧均固定有护板8，同一端的两块相对的护板8之间转动设有滑轮4，通过护板8能够有效的对钢丝绳5进行防护，避免钢丝绳从滑轮4脱出，形成卡滞，轻则不能提升重物，重则钢丝绳在电机拉力作用下断裂，起吊的重物脱落，造成安全事故和起吊物损坏财物损失；吊臂1与旋转轴2.2之间固定有加强臂19，形成稳定的三角结构，有效提高吊臂1的承载能力；两个滑轮4的凹槽在同一平面内，保证钢丝绳在电机拉力作用时不脱出，两个滑轮4的轴线相对于套管2.1垂直，防止起吊重物时吊装机倾斜歪倒。

旋转轴2.2的底端通过托架6固定有电动卷扬机3，在电动卷扬机3的卷筒上固定绕设有钢丝绳5，钢丝绳5的端部依次绕设穿过两个滑轮4且固定有吊钩20。

1.3.3 支撑结构设计

由于工务施工现场的钢轨作为信号导电用，不能够作为支撑物，同时架设电线的水泥柱由于强度也不能作为支撑物，这些一旦损伤都将造成行车安全事故。

支撑结构我们进行创新设计，使用桥梁边缘的围栏作为支撑物，卡接机构要求可靠、方便拆卸和移动。参照图2、图4，具体结构如下。

支撑臂2的外壁固定有卡接机构7，卡接机构7包括连接部7.1和围栏水平卡勾7.2；连接部7.1为L形连接板，连接部7.1的水平板7.11与支撑臂2的外壁垂直固定连接，连接部7.1的竖直板7.12顶端通过铰接轴9铰接有围栏水平卡勾7.2，铰接轴9相对于支撑臂2垂直设置；在水平板7.11下方平行设有与支撑臂2的外壁固定连接的支撑板10，支撑板10与水平板7.11之间固定有相对于竖直板7.12平行设置的加强板11，通过加强板11能够提高水平板7.11的承载能力；在加强板11上开设有固定孔，在固定孔内穿设有螺杆12，螺杆12邻近支撑臂2的一端套设螺接有固定螺母13，螺杆12的另一端固定有围栏竖直卡勾14，将本设备固定于围栏上时，首先使加强板11紧靠在围栏的竖梁上，再通过螺杆12拉动围栏竖直卡勾14卡接在围栏的竖梁上后，锁紧固定螺母13，使加强板11与围栏竖直卡勾14牢固的夹紧在围栏的竖梁上，使本设备更牢固的固定在围栏上，使吊装作业更加稳定；以此，通过卡接机构7的围栏水平卡勾7.2卡接在围栏的横梁上，围栏竖直卡勾14卡接在围栏的竖梁上，将本设备牢固的固定在桥梁的围栏上；吊钩20将桥梁下绑扎的水泥板勾住，启动本设备的电动卷扬机3，便能够快速的将水泥板吊装到桥梁上，以此提高作业效率，降低了工人劳动强度，有效避免了人工搬运的安全隐患[2]。

1.3.4 钢丝绳强度设计计算

钢丝绳在工作过程中，受力非常复杂，即使受到简单的拉伸力，每根钢丝绳之间的受力分布也不尽相同，此外钢丝绳绕过卷筒、滑轮后产生弯曲应力、钢丝与钢丝之间的挤压力等，精密计算钢丝绳受力以确定钢丝绳的规格较难，一般采用静力计算法。

钢丝绳最大静拉力应满足下列要求：

式中：Pmax—钢丝绳作业时可以承受的最大静应力

Pd—钢丝绳破断应力

n—安全系数

Pmax=（Q+q）/(αη)

式中：Q—吊装机的额定起重量；

q—吊钩重量；

α—滑轮组承载的绳分支总数；

η—滑轮组的总效率；

钢丝绳最大允许工作拉力的计算式为：

P=Pd/n

式中：P—钢丝绳作业时额定的最大静应力；

P≥Pmax是安全的。由此可知，钢丝绳破断的主要原因是超载，同时还与在滑轮、卷筒的穿绕次数有关，每穿绕一次钢丝绳就产生由直变曲再由曲变直的过程，穿绕次数越多就易损坏、破断；其次钢丝绳的破断与绕过滑轮、卷筒的直径、工作环境、工作类型、保养情况有关。

所以我们在设计时着重注意以下几点：

(1) 吊装机在作业过程中起重量不要超过额定起重量。我们在说明书铭牌中说明额定起重量，在机器显眼位置粘贴标识。

(2) 吊装机的钢丝绳要根据工作类型及环境选择适合的钢丝绳，我们根据实际选用双绕绳的，由钢丝拧成股后再由股围绕绳芯拧成绳。绳芯浸润润滑油，减少钢丝之间的互相摩擦产生的损伤。

(3) 对钢丝绳进行定期的润滑。说明书铭牌中说明，并在机器显眼位置粘贴标识。

1.3.5 电机的选型

托架6包括相互平行设置的槽盒6.1和托板6.2；槽盒6.1通过连接件6.3与托板6.2固定连接，在托板6.2上装设有电动卷扬机3，电动卷扬机3的卷筒中心轴与滑轮4的中心轴相互平行设置；旋转轴2.2的底端垂直固定有连接梁6.4，连接梁6.4插接在槽盒6.1内，槽盒6.1的一端顶部固定有挡板6.5，挡板6.5与连接梁6.4的顶面抵接，通过挡板6.5能够将槽盒6.1的一端卡接在连接梁6.4的一端上，槽盒6.1的另一端两侧之间活动穿设有卡条6.6，卡条6.6与连接梁6.4的顶面抵接，将槽盒6.1扣合在连接梁6.4上后，通过将卡条6.6的一端依次穿过连接梁6.4另一端上方的槽盒6.1两侧，使得槽盒6.1的另一端通过卡条6.6卡接在连接梁6.4的另一端上，以此能够实现将装设有电动卷扬机3的托板6.2与连接梁6.4可拆卸连接，便于拆装和携带。

其中电机的选型设计关系到吊装机的最终性能。在起重过程中，为了配合吊装机的作业特点，电机也是经常处于频繁通、断电，起动、制动和反转的状态，而且它所承受的负载在各个阶段都是不同的。鉴于这一点，电机一定要有较强过载能力，从而足够承受较大的过载和机械冲击[3]。

而且在很多起重情况下，电机都是负载起动的，所以除了要有较好的起动性能之外，起动转矩也要尽量大。同时由于吊装机对作业中准确性方面的要求非常高，所以设备的调速是一个关键，但综合各因素来看，只能进行电气调速才能与实际工况相符。

吊装机吊钩必须垂直往上吊并始终保持这个状态。当重物超过支承点的时候自然就会翻过去了。

游翻操作是用于扁体物件的翻转，当物件被吊起来后会出现较大幅度的摇摆，在摆动达到较大值的时候，物件会瞬间迅速掉落。而带翻操作则是把物体吊起来后，再紧直落下直至使吊装机钢丝绳绷紧的程度，然后向要翻的方向开车后物体倾倒[4]。

根据受力分析可以简单得出电机功率P、钢丝绳作业时可以承受的最大静应力Pmax、电机转速存在以下关系：

式中：P—电机功率

Pmax—钢丝绳作业时可以承受的最大静应力

R—卷筒的作用半径

n—电机转速

由以上公式可以推断，为了实现我们的设计目标，机械结构设计时应尽量将卷筒直径做大，减少电机功率自然就降低能耗。实现设计目标。

吊臂1与套管2.1之间的旋转轴2.2上垂直固定有定位卡板16，在定位卡板16上开设有定位孔16.1；在套管2.1邻近吊臂1的一端外壁垂直固定有限位板17，在限位板17上沿套管2.1的周向开设有若干个限位孔17.1，在定位孔16.1和对应的限位孔17.1之间穿设有限位销钉18；根据实际作业情况，通过转动旋转轴2.2能够实现调整吊臂1的位置，完成调整后，将限位销钉 18穿设在定位孔16.1与对应的限位孔17.1内，避免旋转轴2.2继续转动，便于吊装作业；围栏竖直卡勾14和卡条6.6的另一端分别通过链条15与连接部7.1固定连接，通过链条15将围栏竖直卡勾14和卡条6.6能够固定在连接部7.1上，避免丢失。

2 结论

通过调研现场实际试验的情况，基本解决相关的水泥板安全更换的矛盾，创新性、科学性的研制出铁路桥梁高空维修作业用便携式吊装机，让铁路桥人行步道安全的工作难题迎刃而解，并极大的提高作业效率，降低了工人劳动强度，避免了人工搬运的安全隐患，有很好的推广价值。