基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公路架橋機(jī)過孔防傾覆控制

郭文奇

（中鐵九局集團(tuán)第七工程有限公司，遼寧沈陽 110041）

0 引言

懸掛配重方式過孔的架橋機(jī)采用更短主梁長度，可以有效降低設(shè)備生產(chǎn)成本和運(yùn)輸成本，目前已經(jīng)被廣泛使用。但是，這類架橋機(jī)過孔時，需要依靠施工人員主動控制來保證過孔的安全，如果經(jīng)驗(yàn)不足操作不當(dāng)，很容易引起傾覆事故。本文以SH-JQJ220-50A3 型公路架橋機(jī)為例，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對50 mT 梁過孔過程中如何監(jiān)控公路架橋機(jī)的過孔狀態(tài)進(jìn)行研究，以避免人為操作不當(dāng)造成的事故。

1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)可分為三層：感知層、傳輸層和應(yīng)用層。

（1）感知層相當(dāng)于人體的感知器官，由傳感器、執(zhí)行器與控制器及傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，是聯(lián)系物理世界與虛擬世界的紐帶。傳感器是把物理信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的儀器。本文利用電阻應(yīng)變式稱重傳感器采集架橋機(jī)過孔過程中，提升小車所吊配重的重力；利用位移傳感器采集小車、中支腿位移信息，根據(jù)位移信息計(jì)算各部件位置。

（2）傳輸層是對采集到的數(shù)字信號的進(jìn)行傳輸，包括NFC 等近場通信技術(shù)和GPRS 等遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)。

（3）應(yīng)用層是在終端將傳輸層傳送過來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，并利用終端設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，把分析計(jì)算過程集成到終端軟件中，讓最終結(jié)果和數(shù)據(jù)一目了然。本文通過采集到的配重重力數(shù)據(jù)、小車及支腿位移數(shù)據(jù)和公路架橋機(jī)本身的長度、重量等相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算架橋機(jī)過孔時的安全系數(shù)，并根據(jù)不同的安全系數(shù)產(chǎn)生不同的反饋。

2 架橋機(jī)過孔防傾覆控制

2.1 架橋機(jī)組成

SH-JQJ220-50A3 型公路架橋機(jī)主要由主梁、后支腿、后托輪、中支腿、前支腿、橫移軌道、提升小車組成（圖1）。其中主梁為桁架式雙主梁，全長84 m，總重為1400 kN，后支腿重60 kN，后托輪重80 kN，中支腿重170 kN；前支腿重120 kN，中支腿橫移軌道重100 kN，前支腿橫移軌道重50 kN，提升小車2 個，每個重200 kN。

圖1 SH-JQJ220-50A3 型公路架橋機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 公路架橋機(jī)過孔程序

（1）將主梁調(diào)節(jié)至水平狀態(tài)，將預(yù)制梁運(yùn)至橋機(jī)尾部，做好過孔準(zhǔn)備。

（2）啟動前后支腿液壓系統(tǒng)，靠千斤頂均勻頂起主梁至適當(dāng)位置，在前后伸縮筒內(nèi)穿入銷軸。將橫移軌道調(diào)整到適當(dāng)位置，并調(diào)平墊實(shí)，使主梁落在后托輪和中支腿上。

（3）使橋機(jī)前進(jìn)一定距離，前后小車同步后移，使小車距主梁后端與主梁懸臂端之和等于梁長。

（4）拉出前后伸縮筒內(nèi)銷軸，均勻收起前后支腿。

（5）將后提升小車與預(yù)制梁捆綁連接，形成整體，增加公路架橋機(jī)的抗傾覆能力。

（6）向前移動主梁至規(guī)定位置，同步向后移動小車，保持預(yù)制梁不動。

（7）前支腿到達(dá)下一墩柱支撐位置后，調(diào)節(jié)高度并插入銷軸，使前支腿滿足架梁要求，同時收起后支腿和反托架，完成過孔動作。

2.3 公路架橋機(jī)過孔傾覆風(fēng)險

在架設(shè)50 mT 梁工況下，公路架橋機(jī)縱移過孔時，前支腿端處將于懸臂狀態(tài)，以中支腿為支點(diǎn)，就會產(chǎn)生向前傾覆力矩。隨著架橋機(jī)的縱向移動，懸臂端長度將會不斷變長，傾覆力矩也隨之不斷變大。當(dāng)架橋機(jī)前端的傾覆力矩大于后端抗傾覆力矩時，就會發(fā)生向前的傾覆事故。SH-JQJ220-50A3 型公路架橋機(jī)設(shè)計(jì)長度較短，無法通過自平衡過孔，需要靠配重增加抗傾覆能力，并通過隨時調(diào)整提升小車位置保證抗傾覆安全系數(shù)符合要求。這就導(dǎo)致了此類型的公路架橋機(jī)過孔的安全性受人為因素影響大，如果操作人員對公路架橋機(jī)的整體不熟悉或者經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致未能配置足夠的配重或者未能及時調(diào)整小車位置，就可能會導(dǎo)致傾覆事故的發(fā)生。

為了改變僅依靠操作人員經(jīng)驗(yàn)及管理人員管控來防止風(fēng)險的現(xiàn)狀，通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，增加設(shè)備過孔時的自動化控制，從而達(dá)到防止人為因素產(chǎn)生風(fēng)險的目的。

2.4 架橋機(jī)過孔時抗傾覆系數(shù)計(jì)算

在架橋機(jī)過孔時，中支腿做為支點(diǎn)，前支腿到中支腿的距離為l0，前提升小車到中支腿距離為l1，后提升小車到中支腿距離為l2，配重吊在前提升小車上。前支腿和前支腿橫移軌道產(chǎn)生的傾覆力矩為P1，主梁自身產(chǎn)生的傾覆力矩為P2。后支腿產(chǎn)生的抗傾覆力矩為P3，提升小車產(chǎn)生的抗傾覆力矩為Pt1、Pt2，主梁自身產(chǎn)生抗傾覆力矩為P4，配重產(chǎn)生的抗傾覆力矩為Pp。

架橋機(jī)雙主梁對稱且為均布載荷，可計(jì)算架橋機(jī)主梁上的均布載荷為：

各部分產(chǎn)生的力矩計(jì)算如下：

式（1）～式（8）中，G1為主梁重力，G2為前支腿重力，G3為提升小車重力，G4為后支腿重力，G5為前支腿橫移軌道重力，Gp為配重重力，L 為主梁全長。

抗傾覆安全系數(shù)K 的計(jì)算：

由式（9）可以看出，隨著架橋機(jī)過孔，前支腿懸臂長度l0的增加，抗傾覆安全系數(shù)不斷減小，這時要通過調(diào)整2 個提升小車到支點(diǎn)的距離l1、l2來保證安全系數(shù)滿足要求。

2.5 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的架橋機(jī)過孔防傾覆控制

將SH-JQJ220-50A3 型公路架橋機(jī)數(shù)據(jù)代入上述公式，安全系數(shù)K 取1.3，懸臂長度l0按T 梁長度50 m取值，提升小車放在架橋機(jī)尾部，提升小車寬2 m，l2最大取值為L-l0-1=33 m，l1最大取值L-l0-3=31 m，計(jì)算得出配重Gp最小為440.65 kN。按此配重進(jìn)行過孔作業(yè)，如果未及時將l1調(diào)整到31 m，或支點(diǎn)位置選取不當(dāng)、未及時停止主梁縱移導(dǎo)致懸臂長度超出50 m，都會造成安全系數(shù)小于1.3，而且提升小車、主梁縱移全靠人為調(diào)整，很難精準(zhǔn)控制。例如，因?yàn)椴僮魇д`，懸臂長度l0達(dá)到52 m，抗傾覆安全系數(shù)K 就會降低至1.12，這就會大大增加傾覆的風(fēng)險。

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過傳感器采集信息，并通過GPRS 等遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)將信息傳輸?shù)綉?yīng)用層，在應(yīng)用層計(jì)算并顯示安全系數(shù)，并根據(jù)安全系數(shù)控制架橋機(jī)動作。通過將電阻應(yīng)變式稱重傳感器安裝在提升小車定滑輪軸上采集配重重力Gp，并通過選用僵性較小的鋼絲繩、效率高的滑輪組滾動軸承來提高傳感器的精度。通過位移傳感器采集提升小車、中支腿的位移，根據(jù)位移數(shù)據(jù)計(jì)算出懸臂長度l0、提升小車距中支腿距離l1、l2。在應(yīng)用層將感知層采集到的Gp、l1、l2和已知的G1、G2、G3、G4、G5、L 數(shù)據(jù)代入安全系數(shù)計(jì)算公式，可實(shí)時計(jì)算并顯示當(dāng)前的安全系數(shù)：當(dāng)安全系數(shù)小于1.3時，架橋機(jī)蜂鳴報警；當(dāng)安全系數(shù)小于1.2 時，切斷主梁前進(jìn)回路；安全系數(shù)增加到1.3 后恢復(fù)正常。

可以將架橋機(jī)劃分為過孔狀態(tài)和正常狀態(tài)，當(dāng)架橋機(jī)調(diào)至過孔狀態(tài)時候，防傾覆控制系統(tǒng)生效。這樣可以避免防傾覆控制系統(tǒng)影響架橋機(jī)未過孔時的其他動作。

過孔防傾覆控制系統(tǒng)不能代替公路架橋機(jī)作業(yè)過程的其他安全措施。必須要確定橫移軌道下支撐的強(qiáng)度，否則支撐不足或者枕木壓碎都會導(dǎo)致失穩(wěn)，發(fā)生傾覆事故；所有支腿必須鋪墊枕木，避免與混凝土面直接接觸。這樣既可以通過枕木對公路架橋機(jī)進(jìn)行調(diào)平，也可以增加公路架橋機(jī)支腿與混凝土面的接觸面積，提高穩(wěn)定性，避免對混凝土面的破壞，防止傾覆風(fēng)險；公路架橋機(jī)就位后，需要空載橫向移動，檢查架橋機(jī)橫向、縱向是否保持水平；過孔完成后，在固定前支腿時候，要注意前支腿的垂直度是否滿足要求。前支腿垂直度不滿足要求或者由于未要要求安裝插銷導(dǎo)致固定不牢度，在架梁時極易發(fā)生傾覆事故。

3 結(jié)束語

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以在架橋機(jī)過孔時即時顯示安全系數(shù)，安全情況一目了然。當(dāng)安全系數(shù)降低到閾值時，通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提示預(yù)警并控制架橋機(jī)動作，可以有效避免過孔時人為操作失誤、配重不足或計(jì)算錯誤等原因造成的架橋機(jī)傾覆事故。