王增良

(邯鄲中鐵橋梁機(jī)械有限公司,河北邯鄲 056003)

1 概述

DJ型架橋機(jī)運輸、安裝拆卸方便并對其小曲線、大坡度架梁具有良好的適應(yīng)性,因此受到施工單位青睞,在我國鐵路、公路重點建設(shè)項目普遍使用。2010年發(fā)生了2起架橋機(jī)傾覆事故。這2起事故,使用的架橋機(jī)結(jié)構(gòu)形式相同、施工工況和事故原因類似,都是在橋面連續(xù)出現(xiàn)坡度變化的情況下,作業(yè)人員未及時調(diào)整0號柱支起的高度,使機(jī)臂過度傾斜超出安全范圍而造成的責(zé)任事故。

截至目前,對架橋機(jī)機(jī)臂防傾斜問題已有了多項研究,并提出了鐘擺式、紅外線式、角度檢測等方法來實現(xiàn)機(jī)臂防傾斜。有些方法應(yīng)用效果不佳,抗干擾能力差,系統(tǒng)不穩(wěn)定,人為因素影響大。本文介紹了機(jī)臂自動檢測采用液位法實時檢測,并采用Profibus DP通訊方式與主控可編程序控制器雙CPU通信,該系統(tǒng)成功應(yīng)用于DJ型公鐵架橋機(jī),實際應(yīng)用表明該控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾性,檢測精度高,且應(yīng)用性強(qiáng),易于安裝,應(yīng)用前景廣泛。

DJ型架橋機(jī)主要由0號柱、1號柱、2號柱、3號柱、機(jī)臂、曲梁、吊梁行車、機(jī)臂橫移機(jī)構(gòu)、1號柱橫移軌道、2號柱橫移軌道、電氣和液壓控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。架橋機(jī)的控制部分采用了可編程序自動控制技術(shù),在施工中各工序動作之間設(shè)置了互鎖程序,可避免操作不當(dāng)發(fā)生事故。

圖1 架橋機(jī)結(jié)構(gòu)組成

架橋機(jī)作業(yè)過程可分為吊梁作業(yè)和過孔作業(yè)。

1.1 吊梁作業(yè)

吊梁行車上的走行電機(jī)驅(qū)動齒輪與固定在機(jī)臂上的齒條嚙合傳動,實現(xiàn)吊梁行車沿機(jī)臂前后走行。1號柱和2號柱的走行機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)橋梁全斷面整機(jī)橫向行走架梁。橫移機(jī)構(gòu)可以通過自身的橫移油缸來實現(xiàn)機(jī)臂左右橫移，滿足邊梁的安裝就位。

1.2 過孔作業(yè)

吊梁完畢，2臺吊梁行車分別與1號柱、2號柱曲梁銷接。取消機(jī)臂與1號柱、2號柱曲梁銷接,使吊梁行車與機(jī)臂能夠做相對運動。1號柱、2號柱走行梁與各自橫移軌道聯(lián)接。主要過孔步驟如圖2所示。

圖2 過孔作業(yè)步驟

第一步：機(jī)臂和0號柱、3號柱前移。

收3號柱,用2個吊梁行車驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動機(jī)臂前行7 m,支起3號柱。

第二步：2號柱前移。

收2號柱,后吊梁行車帶2號柱連同橫移軌道前行19 m支起。

第三步：機(jī)臂和0號柱、3號柱再次前移。

收3號柱,驅(qū)動機(jī)臂前行18.5 m,0號柱至前橋臺,支起0號柱、3號柱。此時4個支柱全部支起,使整個機(jī)臂處于水平狀態(tài)。

第四步：2號柱再次前移就位。

收2號柱,用后吊梁行車帶動2號柱連同其橫移軌道,前行21 m至已架梁末端支起。

第五步：1號柱前移就位。

收1號柱,用前吊梁行車帶動1號柱連同其橫移軌道,前行至前橋臺支起。使整個機(jī)臂處于水平狀態(tài)。機(jī)臂與1號柱、2號柱的曲梁銷接,使架橋機(jī)構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。取消2個吊梁行車與1號柱、2號柱銷接后,將2個行車退至機(jī)臂后端；取消1號柱、2號柱與其橫移軌道聯(lián)接,使整機(jī)可以沿其橫移軌道橫向移動。過孔工序完成,架橋機(jī)處于待架梁狀態(tài)。

過孔作業(yè)的第四步,即2號柱再次前移就位接近1號柱時,該作業(yè)狀態(tài)是0號柱已經(jīng)到達(dá)前橋臺支起,應(yīng)該說在0號柱即將達(dá)到前橋臺時,懸臂最大,屬于過孔工序中最危險狀態(tài)。

1.3 機(jī)臂傾斜分析

2號柱移動前,結(jié)構(gòu)受力及變形情況：2號柱收起懸空,此時0號柱、1號柱和3號柱起支撐作用。如果0號柱與1號柱高差較大,1號柱至0號柱之間的機(jī)臂呈傾斜狀態(tài),由此產(chǎn)生了較大的水平分力。此時,2號柱重力較大且靠近3號柱, 3號柱承受的壓力較大。3號柱與橋面接觸產(chǎn)生的摩擦阻力大于水平向前的作用力,此時架橋機(jī)結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定狀態(tài),隨著2號柱前移,在接近1號柱時,穩(wěn)定力矩逐漸減小,如果小于了傾覆力矩,重心移至傾覆區(qū)域；隨著2號柱前移,3號柱承受的壓力逐漸減小,即摩擦阻力逐漸減小。當(dāng)摩擦阻力減至不能抵抗水平向前的作用力時,整機(jī)突然產(chǎn)生了縱向移動,0號柱和1號柱發(fā)生傾斜,結(jié)構(gòu)支撐失穩(wěn),架橋機(jī)向前傾覆。

2 自動檢測系統(tǒng)構(gòu)成

為了避免由于機(jī)臂過度傾斜造成架橋機(jī)傾覆,本文講述了一種架橋機(jī)機(jī)臂水平自動檢測裝置,它由信號發(fā)生及采集裝置、信號檢測和轉(zhuǎn)換單元、可編程序控制器、顯示報警裝置組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 信號發(fā)生及采集裝置

在架橋機(jī)機(jī)臂內(nèi)設(shè)置3個檢測點,分別在架橋機(jī)機(jī)臂前端、中部和尾部,每個檢測點安裝1個在機(jī)臂頂部吊掛的圓柱形水管,水管底部用塑料軟管相連,當(dāng)機(jī)臂傾斜時各點形成水平液位差,在每個圓柱型水管上方中心位置加裝一超聲波傳感器檢測液位變化。超聲波傳感器采用P+F UB1000型,其具有測量窗口可調(diào),聲錐寬度可調(diào),同步功能和溫度補(bǔ)償?shù)忍匦?精度值1 mm,2種不同聲錐形狀可選：寬聲錐和窄聲錐,響應(yīng)特性曲線如圖4所示,系統(tǒng)采用窄聲錐以縮小圓柱型水管的直徑。超聲波傳感器的檢測液位值輸出信號為模擬量信號,通過屏蔽雙絞線傳輸?shù)叫盘柡徒邮辙D(zhuǎn)換單元內(nèi)。

圖4 響應(yīng)特性

2.2 信號接收和轉(zhuǎn)換單元

超聲波傳感器根據(jù)液位變化輸出4～20 mA電流,可編程序控制器模擬量轉(zhuǎn)換模塊G7F-AD2A采集超聲波傳感器信號,將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的I/O特性，如圖5所示,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號存儲在可編程序控制器數(shù)字存儲區(qū),3個存儲數(shù)值分別存儲在3個數(shù)據(jù)單元內(nèi)。

圖5 I/O特性

2.3 可編程序控制器

其采用LS系列,將數(shù)字轉(zhuǎn)換值進(jìn)行差值運算,分別為0號柱相對1號柱高差,3號柱相對1號柱高差,將高差值進(jìn)行存儲。機(jī)臂水平自動檢測系統(tǒng)可編程序控制器與架橋機(jī)主系統(tǒng)可編程序控制器采用用Profibus DP通訊方式,數(shù)字量點對點連接方式,以及雙CPU通信方式,其中雙CPU通信速度最快最可靠,但要求設(shè)備主系統(tǒng)與機(jī)臂調(diào)平系統(tǒng)采用同型號CPU。DP通訊和點對點方式可以和使用任何控制系統(tǒng)的設(shè)備相連,大大增強(qiáng)了本系統(tǒng)的適用性。

2.4 顯示報警裝置

圖6 顯示界面

顯示報警裝置選用臺達(dá)AS38系列人機(jī)界面,其可與可編程序控制器進(jìn)行讀取并存儲數(shù)據(jù),可連接打印機(jī)將機(jī)臂水平差值打印出來,顯示界面如圖6所示,當(dāng)水平差值超過危險值后人機(jī)界面發(fā)出音頻警報,可編程序控制器停止行車移動命令輸出直至將機(jī)臂水平值調(diào)整到安全范圍。

3 系統(tǒng)功能

架橋機(jī)機(jī)臂水平報警分為2個工作狀態(tài),架梁工作狀態(tài)和過孔工作狀態(tài)；在架梁工作狀態(tài)時,檢測前端、中部和尾部的豎管液位差,當(dāng)差值超過安全范圍±70 mm,人機(jī)界面發(fā)出音頻警報,當(dāng)差值超過安全范圍±100 mm，架橋行車走行動作不允許執(zhí)行。過孔工作狀態(tài)時,當(dāng)0號柱在下一墩臺支好,根據(jù)前端水柱、中部水柱、尾部水柱之間液位差進(jìn)行調(diào)整,0號柱處與1號柱處機(jī)臂高差范圍-50～+150 mm，即0號柱可比1號柱低50 mm或高150 mm,3號柱與1號柱處機(jī)臂高差范圍0～+100 mm，即3號柱可比1號柱高100 mm時人機(jī)界面發(fā)出音頻警報,架橋動作不允許執(zhí)行過孔作業(yè),只有調(diào)整0號柱、3號柱的高度,將液位差調(diào)整到安全范圍以內(nèi)才可以進(jìn)行過孔動作。機(jī)臂調(diào)平系統(tǒng)誤差為≤10 mm。

4 數(shù)據(jù)通訊

在該系統(tǒng)中,人機(jī)界面、調(diào)平可編程序控制器和主控可編程序控制器之間數(shù)據(jù)傳輸采用基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，利用其開放性,可方便快捷地進(jìn)行自動化系統(tǒng)通訊,PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊速率為19.2 K～12 Mbp/s,通訊數(shù)據(jù)包為244字節(jié),故其傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點，極大地滿足了現(xiàn)場需要。

在該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸中,主控可編程序控制器利用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊采集調(diào)平可編程序控制器的數(shù)據(jù),人機(jī)界面利用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊采集主控可編程序控制器的數(shù)據(jù),準(zhǔn)確無誤的顯示機(jī)臂水平差值,系統(tǒng)反映速度快。在架梁過孔時,操作人員選擇人機(jī)界面上的過孔檢測或架梁檢測按鈕即可控制當(dāng)水平差值超限時,人機(jī)界面利用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊迅速向主控可編程序控制器發(fā)送禁止行車動作命令,主控可編程序控制器停止行車動作命令輸出。

5 結(jié)語

本文對DJ型架橋機(jī)機(jī)臂水平自動檢測進(jìn)行了研究，通過采用液位法和可編程序控制器通訊控制開發(fā)了DJ型架橋機(jī)機(jī)臂水平自動檢測系統(tǒng),實現(xiàn)了架橋機(jī)架梁和過孔自動檢測機(jī)臂水平差值并具有報警和禁止動作功能。架橋機(jī)在遇到高橋臺、坡度連續(xù)變化架梁時,人工檢測機(jī)臂水平及其不便且測量精度易受干擾,架橋機(jī)架梁過孔時容易發(fā)生傾斜造成事故。通過在多套該機(jī)型架橋機(jī)中的實踐應(yīng)用證明，該系統(tǒng)為操作人員提供了精確可靠的數(shù)據(jù)且系統(tǒng)具有超出安全值報警和禁止動作的功能,提高了架梁過孔效率,減輕了操作人員勞動強(qiáng)度,系統(tǒng)配置靈活,可靠,安裝方便,有效地防止了架橋機(jī)安全事故的發(fā)生。

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