摘要：自行帶式混凝土布料機(jī)（俗稱胎帶機(jī)）是一種新型的混凝土澆筑及物料輸送施工設(shè)備，在國(guó)外已得到廣泛應(yīng)用。本文作者從1997年開始帶式布料機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)工作，2001年取得了國(guó)家專利。以帶式布料機(jī)專利為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制造的BLJ-600-40B自行帶式混凝土布料機(jī)，于2005年11月26日被中國(guó)企業(yè)聯(lián)合會(huì)和中國(guó)企業(yè)家協(xié)會(huì)審定為中國(guó)新記錄；2007年4月通過(guò)了中國(guó)水利水電集團(tuán)公司組織的專家鑒定，認(rèn)為該設(shè)備是混凝土澆筑及物料輸送設(shè)備的創(chuàng)新，技術(shù)上達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。本文介紹了自行帶式混凝土布料機(jī)的專利保護(hù)要點(diǎn)及BLJ600-40 布料機(jī)的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：布料機(jī) 專利 設(shè)計(jì)
1 布料機(jī)研制的背景
帶式布料機(jī)作為一種新的混凝土施工設(shè)備，它是用各種起重機(jī)逐罐吊運(yùn)混凝土的斷續(xù)輸澆筑式向連續(xù)施工的一場(chǎng)革命。因過(guò)去對(duì)帶式輸送機(jī)的特點(diǎn)認(rèn)識(shí)不足，缺乏專用設(shè)備，在骨料分離、灰漿損失、設(shè)備的機(jī)動(dòng)性和可靠性等問(wèn)題上未能妥善解決。半個(gè)世紀(jì)來(lái)，混凝土施工仍然采用傳統(tǒng)的纜索起重機(jī)和門機(jī)、塔機(jī)等起重設(shè)備吊運(yùn)入倉(cāng)，或采用混凝土泵澆筑。因此，我國(guó)在該領(lǐng)域的施工技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有取得大的突破。在國(guó)外，早在上世紀(jì)20 年代，帶式輸送機(jī)就曾用于混凝土運(yùn)輸。到了40 年代，美國(guó)安大略水電局的7 個(gè)工程，均采用帶式輸送機(jī)施工。我國(guó)早期的新安江、劉家峽等工程曾有用帶式輸送機(jī)進(jìn)行混凝土澆筑的實(shí)踐。
由于帶式輸送機(jī)具有連續(xù)作業(yè)、澆筑能力大、設(shè)備輕等優(yōu)良的技術(shù)性能，而得到越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，國(guó)外一些廠商也因此開發(fā)了多種專用的帶式輸送機(jī)。6 0年代以后的2 0 多年間，僅美國(guó)ROTEC 公司的設(shè)備就在世界各地修建了近50 個(gè)大型工程。在日本，帶式輸送機(jī)繞筑混凝土的方法已被列為80年代大壩快速施工的新工藝和新方法，向傳統(tǒng)的起重機(jī)法提出了挑戰(zhàn)。
自行帶式混凝土布料機(jī)（又稱胎帶機(jī)），是將帶式輸送機(jī)與大型機(jī)動(dòng)自行底盤結(jié)合的一種新型的混凝土澆筑和物料輸送新設(shè)備。該設(shè)備可360°回轉(zhuǎn)，在一定范圍內(nèi)伸縮自如，機(jī)動(dòng)、靈活，生產(chǎn)效率高。它與市政建設(shè)常用的混凝土泵桿布料機(jī)（混凝土泵+ 布料桿）不同，帶式布料機(jī)不受混凝土級(jí)配限制，可輸送常態(tài)混凝土，也可輸送干硬性混凝土如RCC 和顆粒性物料，是混凝土澆筑和物料輸送的革命性施工設(shè)備。我國(guó)在1997 年引進(jìn)美國(guó)ROTEC 公司的胎帶機(jī)（輪胎式吊車底盤與布料膠帶機(jī)組合）、塔帶機(jī)（塔機(jī)與布料膠帶機(jī)組合）應(yīng)用于三峽工程，實(shí)踐證明是一種生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的混凝土施工設(shè)備。
BLJ-600-40 自行帶式混凝土布料機(jī)的研制工作始于1998年大朝山水電站大壩工程。引進(jìn)和自行研制的輕型高速膠帶機(jī)澆筑常態(tài)和碾壓混凝土獲得成功，這是國(guó)內(nèi)使用膠帶機(jī)澆筑大體積混凝土的成功案例之一。輕型高速膠帶機(jī)采用全浮動(dòng)“U”型輕型托輥、驅(qū)動(dòng)裝置為電機(jī)加開式鏈傳動(dòng)、高帶速設(shè)計(jì)（帶速高達(dá)3～4.5m/s）。膠帶機(jī)帶速高、運(yùn)行平穩(wěn)，“U”型托輥對(duì)混凝土拌和物具有良好的包容性，特殊設(shè)計(jì)的金屬刮板，可有效地防止砂漿損失，機(jī)頭擋料板的二次混合作用，使得輸送混凝土?xí)r骨料不分離。膠帶機(jī)安裝方便、組裝靈活，非常適合混凝土澆筑。輕型高速膠帶機(jī)在大朝山工程共澆筑混凝土20 多萬(wàn)m3（圖2 為布料機(jī)結(jié)構(gòu)圖）。
為滿足巴基斯坦巴羅塔水電站工程澆筑混凝土的需要，筆者于1999 年在巴羅塔水電站工地改制了一臺(tái)布料半徑為15～32m，帶寬450mm（18″）的布料機(jī)（見圖1 施工現(xiàn)場(chǎng)）。該機(jī)以工地現(xiàn)有的QUY50t 履帶吊車作為底盤，鋼絲繩變幅，雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、開式鏈傳動(dòng)；布料臂為兩節(jié)疊套結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)節(jié)為鋼格構(gòu)結(jié)構(gòu)，第二節(jié)為輕型鋁合金結(jié)構(gòu)。經(jīng)測(cè)試，骨料分離和砂漿損失等技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平，連續(xù)最大澆筑強(qiáng)度80～120 m3/h，在巴羅塔工地澆筑混凝土近20萬(wàn)m3，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。該機(jī)僅作了少量改裝，工程竣工后將布料膠帶機(jī)拆去，安裝上起重臂后已恢復(fù)為吊車使用。
2 布料機(jī)的專利保護(hù)
在總結(jié)大朝山和巴羅塔工程高速膠帶機(jī)和布料機(jī)改制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)施工設(shè)備的發(fā)展水平，對(duì)布料機(jī)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究和設(shè)計(jì)，于2001年用自行式混凝土帶式布料機(jī)名稱（以區(qū)別于管式布料機(jī)）向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提出專利申請(qǐng)。經(jīng)專利檢索，自行式混凝土帶式布料機(jī)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，2001 年11 月被授予中華人民共和國(guó)實(shí)用新型專利，專利號(hào)：ZL 00 2 52263.2。專利的創(chuàng)新點(diǎn)如下：
2.1 履帶式底盤的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)
國(guó)外引進(jìn)的布料機(jī)（胎帶機(jī)）是以重型卡車為底盤（如大象公司），或以越野型輪胎吊車作底盤（如羅泰克公司）。而布料機(jī)專利采用自行式履帶吊車作底盤，形成鉸接型上料膠帶機(jī)+ 履帶式底盤+ 伸縮式布料膠帶機(jī)的結(jié)構(gòu)（見圖2 ），為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)為帶式布料機(jī)的國(guó)產(chǎn)化開創(chuàng)了途徑，是布料機(jī)專利的主要保護(hù)內(nèi)容。這樣的設(shè)計(jì)主要基于兩點(diǎn)考慮：一是目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有大型越野輪胎吊車產(chǎn)品，生產(chǎn)輪胎底盤布料機(jī)（胎帶機(jī)）沒(méi)有可能，而國(guó)內(nèi)有成熟的50～80t 履帶吊車底盤；二是履帶吊車底盤工作穩(wěn)定性好，布料機(jī)在坡度小于4°的地面上，不需要附加支腿可立即投入工作，機(jī)動(dòng)性好。
2.2 布料機(jī)的馱行設(shè)計(jì)
上料膠帶機(jī)設(shè)計(jì)為由兩節(jié)輕型桁架的鉸接結(jié)構(gòu)，上端鉸接在車架上的轉(zhuǎn)料斗上，通過(guò)鉸接油缸根據(jù)需要調(diào)整兩節(jié)桁架之間的角度；在膠帶機(jī)的下部，設(shè)計(jì)有萬(wàn)向輪，在油缸的驅(qū)動(dòng)下可沿桁架軸向移動(dòng)，可調(diào)整膠帶尾部的高度。這樣的設(shè)計(jì)使布料機(jī)行走時(shí)可根這樣的設(shè)計(jì)使布料機(jī)行走時(shí)可根據(jù)需要將上料膠帶機(jī)拖在尾部行走而無(wú)須拆卸要將上料膠帶機(jī)拖在尾部行走而無(wú)須拆卸，或?qū)⑸狭夏z帶機(jī)馱在布料膠帶機(jī)上行走（見圖3 ）。上料膠帶機(jī)的上馱或卸下由布料機(jī)自行完成，無(wú)須使用吊車等輔助設(shè)備。
2.3 四節(jié)可疊套伸縮的格構(gòu)桁架支撐布料膠帶機(jī)布料膠帶機(jī)設(shè)計(jì)為單條可伸縮的（多節(jié)）四節(jié)疊套式桁架支撐的膠帶機(jī)，由鋼絲繩聯(lián)動(dòng)伸縮、摩擦輪驅(qū)動(dòng)、偏心導(dǎo)向滑道。膠帶通過(guò)改向滾筒多層疊繞，伸縮時(shí)可隨桁架的疊套長(zhǎng)度自動(dòng)改變疊繞長(zhǎng)度，使膠帶總長(zhǎng)度保持不變；偏心滑道可保證桁架伸縮時(shí)的準(zhǔn)確對(duì)位。
2.4 懸掛式柔性“U”型托輥和“V”自定心托輥為避免骨料分離，減少膠帶振動(dòng)，保證膠帶穩(wěn)定運(yùn)行，布料機(jī)專利采用獨(dú)特的懸掛式柔性“U”型托輥（圖4），膠帶運(yùn)行平順、抗震性好、拆裝方便?！癠”型托輥的側(cè)輥與中間輥之間呈60°夾角，形成深槽，可很好的包容混凝土拌和物。在上料膠帶機(jī)鉸接處設(shè)計(jì)有三重“U” 型托輥，使膠帶能在桁架鉸接處平滑過(guò)渡；
為防止膠帶跑偏，減輕重量，布料機(jī)專利將布料膠帶機(jī)最前一節(jié)桁架托輥設(shè)計(jì)為“V ”自定心托輥（圖5 ），對(duì)膠帶起自動(dòng)調(diào)心作用。
2.5 膠帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
膠帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)由懸掛在頭架上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)單級(jí)開式鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠。電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要外接電源，通過(guò)更換不同齒數(shù)的主動(dòng)鏈輪使帶速在2.5～4.2m/s 之間有級(jí)變化。直接用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)滾筒可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，不需要外接電源，提高了布料機(jī)的機(jī)動(dòng)性。布料機(jī)專利設(shè)計(jì)有超載報(bào)警和停機(jī)保護(hù)裝置。
2.6 清掃器
布料機(jī)專利設(shè)計(jì)的膠帶機(jī)頭部清掃器是為輸送混凝土清掃砂漿的特殊要求設(shè)計(jì)的。刮刀采用硬質(zhì)合金材料，矩型段面，耐磨且不傷膠帶，砂漿損失小。
3 BLJ-600-40B履帶式混凝土帶式布料機(jī)設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)
以布料機(jī)專利為基礎(chǔ)，以在巴基斯坦巴羅塔水電站改制的布料機(jī)為樣本，汲取國(guó)外同類設(shè)備先進(jìn)技術(shù)，選用國(guó)內(nèi)成熟設(shè)備和零部件，以QUY50Y 履帶吊車底盤為平臺(tái)，設(shè)計(jì)面向水利水電工程大體積混凝土澆筑，同時(shí)適用于其它建筑領(lǐng)域的機(jī)動(dòng)靈活、安拆方便、使用經(jīng)濟(jì)的混凝土澆筑和物料輸送設(shè)備。
主要設(shè)計(jì)參數(shù)：
布料半徑：4 0 m
生產(chǎn)率：80～150m3/h
帶寬：600 mm
帶速：0～4m/s
布料臂變幅范圍：-10°～+25°
輸送介質(zhì)：四級(jí)配混凝土和≤ 1 5 0 m m 的顆粒性物料
3.2 布料機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性設(shè)計(jì)
布料機(jī)是一種新型的施工設(shè)備，其穩(wěn)定設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)沒(méi)有相關(guān)規(guī)程規(guī)范。為保證設(shè)備安全運(yùn)行，布料機(jī)設(shè)計(jì)按照《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》來(lái)進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。對(duì)布料機(jī)在無(wú)風(fēng)靜載和有風(fēng)動(dòng)載兩種工況情況下，作用于布料機(jī)上包括自重在內(nèi)的各項(xiàng)載荷對(duì)危險(xiǎn)傾覆邊的力矩代數(shù)和必須大于等于零。即：ΣM≥0為擴(kuò)展QUY50 底盤能力，設(shè)計(jì)可伸縮配重，根據(jù)布料臂伸出長(zhǎng)度調(diào)整配重半徑，滿足布料機(jī)抗傾覆要求。
3.3 回轉(zhuǎn)軸承承載能力分析校核
QUY50 改裝為布料機(jī)后，其回轉(zhuǎn)軸承載荷發(fā)生發(fā)變化，回轉(zhuǎn)軸承軸向載荷、力矩載荷均＜QUY50 起重機(jī)的轉(zhuǎn)盤軸承載荷，回轉(zhuǎn)軸承載荷安全。
3.4 布料臂架設(shè)計(jì)
40 m布料臂架由設(shè)計(jì)為矩形斷面的三節(jié)可伸縮格構(gòu)鋼桁架。其間安裝滾筒、托輥、張緊裝置、清掃器、膠帶、驅(qū)動(dòng)裝置、受料斗等部件。伸縮由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，平均伸縮速度6m/m。其整體結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下的基本要求：1）有足夠的抗傾覆性能和工作穩(wěn)定性；2）布料臂結(jié)構(gòu)和零部件具有足夠的強(qiáng)度、剛度和抗屈服能力；3）空載與滿載時(shí)，最前端的撓度變化量不能危及臂架安全；4）布料臂架結(jié)構(gòu)具有良好的抗沖擊性和動(dòng)態(tài)特性；5 ）維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)最輕量化和造型美觀。
為滿足上述要求，保證布料臂架的安全性和經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)力學(xué)建模，工況分析，建立布料臂架有限元模型，進(jìn)行有限元求解與分析。通過(guò)找出各載荷對(duì)布料臂架最前端撓度的作用效果、各臂節(jié)變形量的分布規(guī)律、截面高度對(duì)布料臂架剛性的影響、輸送物料與臂架最大撓度的關(guān)系和溜管與料斗堆積與臂架最大撓度的關(guān)系等規(guī)律，對(duì)布料臂架結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析和優(yōu)化。
3.5 布料（上料）膠帶機(jī)設(shè)計(jì)
膠帶機(jī)不同于普通的膠帶機(jī)，主要輸送的介質(zhì)為混凝土，所以布料機(jī)膠帶機(jī)的設(shè)計(jì)必須滿足以下要求：1）防止和減少砂漿損失；2）防止和減少骨料分離；3）重量輕、生產(chǎn)率高；4）適應(yīng)伸縮要求，保持膠帶長(zhǎng)度不變；5）帶速0～4m/s 可調(diào)，適應(yīng)不同變幅角度或不同級(jí)配混凝土的輸送；6）布料臂在-10°～ +25°范圍變幅時(shí)，確?；炷另槙齿斔?。
3.6 電控和監(jiān)控系統(tǒng)
布料機(jī)的電控系統(tǒng)采用PLC 進(jìn)行邏輯控制、人機(jī)界面設(shè)定運(yùn)行參數(shù)、手動(dòng)控制相結(jié)合。行走、變幅、回轉(zhuǎn)、布料臂架的伸縮可用操作桿控制液壓先導(dǎo)閥進(jìn)行操作，也可以在監(jiān)控觸摸屏上觸摸操作和備用電控開關(guān)按扭操作布料臂架的伸縮、膠帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)。監(jiān)控系統(tǒng)由可編程序控制器（PLC）、人機(jī)界面（HMI）、精密傳感器等部分組成，以友好的文字、指示燈或圖形等形式監(jiān)視、修改PLC 內(nèi)部寄存器或繼電器的數(shù)值及狀態(tài)，從而使操作人員能夠自如地控制機(jī)器設(shè)備、了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
3.7 安全保護(hù)系統(tǒng)
布料機(jī)上設(shè)有3 個(gè)安全傳感器，分別控制著布料臂架的變幅、伸縮的位置限位和下料軟管堵管時(shí)的載荷超載報(bào)警和緊急停機(jī)功能。如果發(fā)生荷載、位置、角度參數(shù)超過(guò)設(shè)定值，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)報(bào)警并緊急自動(dòng)停止相應(yīng)傳感器控制的動(dòng)作，確保布料機(jī)的安全運(yùn)行。
3.8 造型及色彩設(shè)計(jì)
基于人機(jī)工程學(xué)和現(xiàn)代工程裝備造型設(shè)計(jì)理念，考慮布料機(jī)功能、作業(yè)環(huán)境、用戶要求以及色彩的功能作用等綜合因素，對(duì)布料機(jī)的造型和色彩進(jìn)行優(yōu)選，設(shè)計(jì)出布料機(jī)整機(jī)造型的優(yōu)化方案。
3.9 BLJ600-40B布料機(jī)主要參數(shù)（見表1）
4 結(jié)束語(yǔ)
用帶式布料機(jī)澆筑混凝土，為混凝土施工提供了一種新的經(jīng)濟(jì)快捷的施工手段，是混凝土施工設(shè)備的重大創(chuàng)新。國(guó)家電力公司武漢科技查新中的科技查新報(bào)告：“⋯⋯綜上所述，在檢出的國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中，僅見有關(guān)50kg/ 臺(tái)行走式混凝土布料機(jī)方面的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，且這些均為配輸送泵管用的布料機(jī)，未見與本課題所研制的采用膠帶機(jī)的混凝土布料機(jī)的技術(shù)指標(biāo)相同的文獻(xiàn)報(bào)道?！?/P>
2007 年4 月，BLJ600-40 布料機(jī)通過(guò)了中國(guó)水利水電集團(tuán)公司組織的專家鑒定。鑒定委員會(huì)一致認(rèn)定，BLJ600-40 型自行帶式混凝土布料機(jī)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，技術(shù)上達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。鑒定委員會(huì)一致同意通過(guò)鑒定，并建議盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。鑒定委員會(huì)評(píng)價(jià)該產(chǎn)品的研制成功，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著?？稍谒?、港航、市政、礦山等領(lǐng)域推廣，
市場(chǎng)前景廣闊。根據(jù)鑒定委員會(huì)的建議，設(shè)備名稱改為“自行帶式混凝土布料機(jī)”。2007 年，BLJ600-40布料機(jī)獲中國(guó)水利水電集團(tuán)公司科技進(jìn)步一等、中國(guó)電力科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)。
BLJ600-40 布料機(jī)已成功應(yīng)用于西霞院水電站、拉西瓦水電站、馬來(lái)西亞巴貢水電站等多個(gè)工程。使用實(shí)踐證明，布料機(jī)澆筑混凝土均勻、連續(xù)、強(qiáng)度高、覆蓋面積大；澆筑過(guò)程中混凝土骨料沒(méi)有明顯分離現(xiàn)象，砂漿損符合質(zhì)量要求；常態(tài)混凝土的和易性、塌落度，碾壓混凝土的工作度沒(méi)有出現(xiàn)變化；澆筑的混凝土經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)，質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求；設(shè)備機(jī)動(dòng)性好，施工進(jìn)度快、成本低、使用簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率到80～120 m3/h?；炷潦┕ぐ踩玫奖ＷC，豐富了混凝土施工手段，非常適合于壩基、水墊潭、岸坡、進(jìn)水口、閘壩等建筑物和機(jī)場(chǎng)、港口等工程混凝土施工。
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