面向山地輸電線路基坑鋼筋籠立式成型設(shè)備研制與試驗研究

楊永全 楊 成 黃 昊 陳 進 鄭涪文 楊國強 胡立錦

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司建設(shè)分公司，重慶 401121；2.重慶大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，重慶 400044；3.國網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 400014）

隨著我國城市建設(shè)的加快和電網(wǎng)規(guī)模的日益擴大，架設(shè)高壓或超高壓輸電線路成為當前及未來電力系統(tǒng)發(fā)展的一個潮流[1]。供配電網(wǎng)絡(luò)的一個重要組成部分就是輸電線路，而鋼筋籠的制作質(zhì)量是影響其工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

目前，輸電線路基坑鋼筋籠多采用臥式滾焊機成型、再整體吊裝的技術(shù)，但對于山地特別是斜坡等大型機械動力設(shè)備難以到達的場合則不適用，只能采用人力成型，即通過人工下入基坑中將內(nèi)箍筋、外箍筋通過焊接、扎絲等方式繞制在主筋相應(yīng)位置形成一個完整的鋼筋籠。此過程中，往往存在虛焊、漏焊等現(xiàn)象[2]，導(dǎo)致制作的鋼筋籠質(zhì)量一般，且施工效率極低、存在嚴重的安全隱患。

為保障施工人員的施工安全及施工效率等，急需研制出一種模塊化鋼筋籠立式成型設(shè)備。通過人工現(xiàn)場在基坑上對設(shè)備進行組裝，再使用設(shè)備配合人工對鋼筋籠進行制作并吊入基坑中，以提高山地輸電線路基坑鋼筋籠制作的機械化作業(yè)程度，提高施工效率及施工質(zhì)量，減少人工作業(yè)量及工序，使人工更安全、更有效地進行鋼筋籠現(xiàn)場制作及吊裝。

1 鋼筋籠立式成型設(shè)備工作原理及總體設(shè)計

1.1 工作原理

本文借鑒臥式鋼筋籠自動滾焊機的工作原理[3]，結(jié)合現(xiàn)場施工條件和需求，將鋼筋籠立式成型設(shè)備設(shè)計為3層式結(jié)構(gòu)，底層是整體框架的支撐，上中兩層承受旋轉(zhuǎn)的鋼筋籠。鋼筋籠邊下落邊旋轉(zhuǎn)，并進行外箍筋的繞制及內(nèi)箍筋的焊接。通過控制鋼筋籠旋轉(zhuǎn)速度和繞筋機吐絲速度來實現(xiàn)外箍筋不同螺距的繞制，最終加工出合格的鋼筋籠產(chǎn)品。整個設(shè)備均在地面上安裝，避免了人工下入基坑中進行作業(yè)，極大地提高了工作的安全性。

1.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼筋籠立式成型設(shè)備包含支架、轉(zhuǎn)盤機構(gòu)、吊裝機構(gòu)、上料機構(gòu)以及成型機構(gòu)5個部分。其機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼筋籠立式成型設(shè)備機械結(jié)構(gòu)示意圖

支架用于支撐轉(zhuǎn)盤組合、吊裝機構(gòu)及上料機構(gòu)。轉(zhuǎn)盤機構(gòu)放置在支架上固定盤的環(huán)形軌道內(nèi)，用于鋼筋籠主筋限位，保持主筋的豎直狀態(tài)，并帶動鋼筋籠轉(zhuǎn)動繞制外筋。吊裝機構(gòu)采用電葫蘆作為吊裝設(shè)備，安裝在轉(zhuǎn)盤機構(gòu)中心，用于鋼筋籠的起吊，保持鋼筋籠勻速下落或懸停在需要位置。托環(huán)是一個內(nèi)箍筋的加強版?？紤]鋼筋籠起吊時所需的剛度和強度[4]，托環(huán)的截面尺寸應(yīng)比內(nèi)箍筋稍大，并添加桁架筋防止整個鋼筋籠在吊裝過程中產(chǎn)生較大的形變。上料機構(gòu)位于支架中間層固定盤上，方便工人將主筋放到旋轉(zhuǎn)盤上的相應(yīng)位置。成型機構(gòu)中的繞筋機放置在支架一側(cè)的地面上，將外箍筋矯直且沿鋼筋籠切向吐出；成型機構(gòu)中的內(nèi)箍筋放置桿則安裝在轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)盤下方，用于將內(nèi)箍筋預(yù)先放置在鋼筋籠內(nèi)部。

1.3 電控系統(tǒng)總體設(shè)計

考慮設(shè)備工作環(huán)境比較復(fù)雜、操作員操作等因素，可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，PLC）控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、便于使用等特點，因此采用PLC作為設(shè)備的控制處理器。由于電葫蘆下降速度為定速，只需要使用遙控器控制其下落或懸停即可。輸入外箍筋螺距和直徑、內(nèi)箍筋外沿直徑以及主筋直徑和長度，由PLC計算控制電機轉(zhuǎn)速及繞筋機吐絲速度，實現(xiàn)鋼筋籠邊下落邊旋轉(zhuǎn)的同時由人工進行外箍筋的繞制。每當?shù)竭_需要焊接內(nèi)箍筋的位置時，暫停電葫蘆及PLC模塊運行，并由人工將內(nèi)箍筋焊接在鋼筋籠內(nèi)周。焊接完成后繼續(xù)開機，如此反復(fù)直至鋼筋籠制作完成。其電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.4 運動參數(shù)設(shè)計

本設(shè)計主要鋼筋籠長度為12～13 m，所以理論設(shè)計計算其長度為15 m。這樣設(shè)計的原因是留有工作時間余量用以內(nèi)箍筋的焊接工作。同時，鋼筋籠的外箍筋螺距分別為s1=0.1 m、s2=0.2 m?？紤]施工人員的扎絲效率，設(shè)計總工作時長為2 h。設(shè)定鋼筋籠勻速下降，外筋間隔由外齒圈轉(zhuǎn)速來調(diào)定，可計算得出電葫蘆吊鉤下落速度為

式中：l為鋼筋籠理論設(shè)計計算長度；t為鋼筋籠制作總時長。

帶值計算得出電葫蘆吊鉤下落速度v為0.125 m/min。

將鋼筋籠平面展開后，主筋與外箍筋會形成若干平行四邊形網(wǎng)格。根據(jù)平行四邊形理論，相鄰兩條外箍筋間所夾主筋長度處處相等。因此，外齒圈轉(zhuǎn)速為

式中：Ti為不同外箍筋螺距下外齒圈轉(zhuǎn)動一周的周期；si為不同外箍筋螺距。

帶值得出鋼筋籠不同外筋間隔的外齒圈轉(zhuǎn)速為n1=1.25 r/min，n2=0.625 r/min。

針對不同規(guī)格的鋼筋籠及不同外箍筋螺距，繞筋機沿鋼筋籠切向吐絲速度采用下式計算得出

式中：si為外箍筋螺距；D為內(nèi)箍筋外沿直徑；d1為主筋直徑；d2為外箍筋直徑；ni為外齒圈轉(zhuǎn)速。

2 主要技術(shù)要求及有限元仿真分析

2.1 設(shè)備承重仿真分析

利用SolidWorks軟件對所需仿真內(nèi)容進行模型簡化建模，導(dǎo)入ANSYS軟件進行有限元分析，定義設(shè)備材料為45鋼。根據(jù)計算，所設(shè)計制作的鋼筋籠總質(zhì)量約為2.9 t，因此，對設(shè)備施加3 t的承重，仿真計算出鋼筋籠立式成型設(shè)備及鋼筋籠的形變、應(yīng)力分布情況。其結(jié)果分別如圖3與圖4所示。

圖3 設(shè)備及鋼筋籠承重變形圖

圖4 設(shè)備及鋼筋籠承重應(yīng)力圖

由圖3仿真結(jié)果可知，當施加3 t的承重時，設(shè)備最大的變形量發(fā)生在第二層旋轉(zhuǎn)盤中心處，最大變形量不超過6 mm；鋼筋籠最大變形量發(fā)生在主筋頂部，最大變形量不超過6.5 mm。從仿真結(jié)果來看，托環(huán)對鋼筋籠的承重有較好的輔助效果。托環(huán)在下落過程中能夠較好地保持其圓度，不至于向內(nèi)收縮導(dǎo)致鋼筋籠整體有較大的變形?？傮w來看，設(shè)備承受鋼筋籠質(zhì)量時，設(shè)備與鋼筋籠的變形量均較小。由圖4可知，最大應(yīng)力產(chǎn)生在軸承處，約為450 MPa；在支柱與固定盤連接處存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其余部分所受最大應(yīng)力不超過270 MPa。對于45鋼而言，其屈服強度約為390 MPa[5]，因此設(shè)備承重的強度與剛度滿足要求。

2.2 鋼筋籠運動仿真分析

在SolidWorks軟件中建立設(shè)備及某一規(guī)格鋼筋籠的簡化模型如圖5所示。在SolidWorks軟件中的Motion算例，設(shè)置鋼筋籠下落速度及螺距為100 mm對應(yīng)的轉(zhuǎn)速進行設(shè)備運行2 min運動仿真。其結(jié)果如圖6所示。

圖5 鋼筋籠運動仿真模型圖

圖6 鋼筋籠運動仿真結(jié)果圖

根據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)鋼筋籠邊下落邊旋轉(zhuǎn)。圖6（a）中數(shù)據(jù)顯示，設(shè)備運行2 min時，鋼筋籠下落的位移為25 cm，符合設(shè)計計算。圖6（b）中數(shù)據(jù)顯示，設(shè)備運行2 min時，鋼筋籠剛好轉(zhuǎn)動了2.5圈，符合設(shè)計計算。結(jié)合兩個圖的數(shù)據(jù)來看，此時對應(yīng)的鋼筋籠外箍筋螺距剛好為100 mm，因此符合設(shè)計要求。同時，針對12 m長的鋼筋籠，可以計算出其外箍筋繞制用時為96 min，而設(shè)計制作鋼筋籠的加工總時長在2 h，因此留有24 min的工時余量去供人工對內(nèi)箍筋進行焊接。另外，鋼筋籠兩個內(nèi)箍筋之間間距為1.5 m，從計算與仿真結(jié)果來看，需要設(shè)備每運行12 min暫停工作，由人工對內(nèi)箍筋進行焊接工作。

3 樣機裝配與試驗驗證

將鋼筋籠立式成型設(shè)備各零件運至試驗場地進行裝配、鋼筋籠制作、拆卸。試驗由兩個工人進行操作，總耗時未超過7 h，現(xiàn)場設(shè)備試驗圖與試驗數(shù)據(jù)圖分別如圖7、圖8所示。從試驗過程來看，設(shè)備能夠順利實現(xiàn)鋼筋籠邊下落邊旋轉(zhuǎn)，以及人工對內(nèi)、外箍筋進行扎絲、焊接作業(yè)。施工時工作人員在地表完成了鋼筋籠制作，而且整個過程中設(shè)備運行平穩(wěn)可靠。從實驗結(jié)果來看，每到內(nèi)箍筋焊接處時，設(shè)備運行了12 min，下降了1.5 m；整個12 m長且質(zhì)量約3 t的鋼筋籠制作總用時沒有超過2 h，結(jié)果與理論設(shè)計計算基本一致，與仿真結(jié)果也基本吻合，設(shè)備基本達到了設(shè)計要求。相比原來的工人入基坑中4個人手工作業(yè)至少需要3 d，該設(shè)備的應(yīng)用大大縮短了工期。

圖7 樣機現(xiàn)場試驗圖

圖8 試驗位移—時間變化曲線圖

4 結(jié)語

本文針對山地、丘陵等地區(qū)特別是重型運輸車輛和吊裝設(shè)備難以到達的場合，設(shè)計了一種輸電線路基坑的鋼筋籠立式成型設(shè)備，并對關(guān)鍵參數(shù)進行了有限元仿真分析，結(jié)果表明該設(shè)備承重及運動設(shè)計滿足要求。在此基礎(chǔ)上，通過樣機現(xiàn)場試驗驗證得出，該設(shè)備能夠很好地完成對鋼筋籠進行立式加工成型，且試驗結(jié)果與理論設(shè)計計算基本一致，與仿真結(jié)果也基本吻合。該設(shè)備具有運行平穩(wěn)、制作效率高、便于安裝、安全可靠等特點。相較于人工下入基坑中手工制作鋼筋籠的現(xiàn)狀，該設(shè)備不僅極大地提高了工人的工作效率，也避免了很多危險因素和安全事故，使得工人能夠在一個安全可靠的環(huán)境下工作。