摘要：自行帶式混凝土布料機（俗稱胎帶機）是一種新型的混凝土澆筑及物料輸送施工設備，在國外已得到廣泛應用。本文作者從1997年開始帶式布料機的設計研發(fā)工作，2001年取得了國家專利。以帶式布料機專利為基礎設計制造的BLJ-600-40B自行帶式混凝土布料機，于2005年11月26日被中國企業(yè)聯(lián)合會和中國企業(yè)家協(xié)會審定為中國新記錄；2007年4月通過了中國水利水電集團公司組織的專家鑒定，認為該設備是混凝土澆筑及物料輸送設備的創(chuàng)新，技術上達到了國際先進水平，為國內(nèi)首創(chuàng)。本文介紹了自行帶式混凝土布料機的專利保護要點及BLJ600-40 布料機的設計。
關鍵詞：布料機 專利 設計
1 布料機研制的背景
帶式布料機作為一種新的混凝土施工設備，它是用各種起重機逐罐吊運混凝土的斷續(xù)輸澆筑式向連續(xù)施工的一場革命。因過去對帶式輸送機的特點認識不足，缺乏專用設備，在骨料分離、灰漿損失、設備的機動性和可靠性等問題上未能妥善解決。半個世紀來，混凝土施工仍然采用傳統(tǒng)的纜索起重機和門機、塔機等起重設備吊運入倉，或采用混凝土泵澆筑。因此，我國在該領域的施工技術長期以來沒有取得大的突破。在國外，早在上世紀20 年代，帶式輸送機就曾用于混凝土運輸。到了40 年代，美國安大略水電局的7 個工程，均采用帶式輸送機施工。我國早期的新安江、劉家峽等工程曾有用帶式輸送機進行混凝土澆筑的實踐。
由于帶式輸送機具有連續(xù)作業(yè)、澆筑能力大、設備輕等優(yōu)良的技術性能，而得到越來越廣泛地應用，國外一些廠商也因此開發(fā)了多種專用的帶式輸送機。6 0年代以后的2 0 多年間，僅美國ROTEC 公司的設備就在世界各地修建了近50 個大型工程。在日本，帶式輸送機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)的起重機法提出了挑戰(zhàn)。
自行帶式混凝土布料機（又稱胎帶機），是將帶式輸送機與大型機動自行底盤結(jié)合的一種新型的混凝土澆筑和物料輸送新設備。該設備可360°回轉(zhuǎn)，在一定范圍內(nèi)伸縮自如，機動、靈活，生產(chǎn)效率高。它與市政建設常用的混凝土泵桿布料機（混凝土泵+ 布料桿）不同，帶式布料機不受混凝土級配限制，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備。我國在1997 年引進美國ROTEC 公司的胎帶機（輪胎式吊車底盤與布料膠帶機組合）、塔帶機（塔機與布料膠帶機組合）應用于三峽工程，實踐證明是一種生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟實用的混凝土施工設備。
BLJ-600-40 自行帶式混凝土布料機的研制工作始于1998年大朝山水電站大壩工程。引進和自行研制的輕型高速膠帶機澆筑常態(tài)和碾壓混凝土獲得成功，這是國內(nèi)使用膠帶機澆筑大體積混凝土的成功案例之一。輕型高速膠帶機采用全浮動“U”型輕型托輥、驅(qū)動裝置為電機加開式鏈傳動、高帶速設計（帶速高達3～4.5m/s）。膠帶機帶速高、運行平穩(wěn)，“U”型托輥對混凝土拌和物具有良好的包容性，特殊設計的金屬刮板，可有效地防止砂漿損失，機頭擋料板的二次混合作用，使得輸送混凝土時骨料不分離。膠帶機安裝方便、組裝靈活，非常適合混凝土澆筑。輕型高速膠帶機在大朝山工程共澆筑混凝土20 多萬m3（圖2 為布料機結(jié)構圖）。
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布料半徑為15～32m，帶寬450mm（18″）的布料機（見圖1 施工現(xiàn)場）。該機以工地現(xiàn)有的QUY50t 履帶吊車作為底盤，鋼絲繩變幅，雙電動機驅(qū)動、開式鏈傳動；布料臂為兩節(jié)疊套結(jié)構，基礎節(jié)為鋼格構結(jié)構，第二節(jié)為輕型鋁合金結(jié)構。經(jīng)測試，骨料分離和砂漿損失等技術指標均達到國外同類產(chǎn)品水平，連續(xù)最大澆筑強度80～120 m3/h，在巴羅塔工地澆筑混凝土近20萬m3，取得較好的經(jīng)濟效益。該機僅作了少量改裝，工程竣工后將布料膠帶機拆去，安裝上起重臂后已恢復為吊車使用。
2 布料機的專利保護
在總結(jié)大朝山和巴羅塔工程高速膠帶機和布料機改制經(jīng)驗的基礎上，結(jié)合我國施工設備的發(fā)展水平，對布料機進行了進一步的研究和設計，于2001年用自行式混凝土帶式布料機名稱（以區(qū)別于管式布料機）向國家知識產(chǎn)權局提出專利申請。經(jīng)專利檢索，自行式混凝土帶式布料機為國內(nèi)首創(chuàng)，2001 年11 月被授予中華人民共和國實用新型專利，專利號：ZL 00 2 52263.2。專利的創(chuàng)新點如下：
2.1 履帶式底盤的創(chuàng)新結(jié)構
國外引進的布料機（胎帶機）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）。而布料機專利采用自行式履帶吊車作底盤，形成鉸接型上料膠帶機+ 履帶式底盤+ 伸縮式布料膠帶機的結(jié)構（見圖2 ），為國內(nèi)首創(chuàng)。這種創(chuàng)新設計為帶式布料機的國產(chǎn)化開創(chuàng)了途徑，是布料機專利的主要保護內(nèi)容。這樣的設計主要基于兩點考慮：一是目前國內(nèi)沒有大型越野輪胎吊車產(chǎn)品，生產(chǎn)輪胎底盤布料機（胎帶機）沒有可能，而國內(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，機動性好。
2.2 布料機的馱行設計
上料膠帶機設計為由兩節(jié)輕型桁架的鉸接結(jié)構，上端鉸接在車架上的轉(zhuǎn)料斗上，通過鉸接油缸根據(jù)需要調(diào)整兩節(jié)桁架之間的角度；在膠帶機的下部，設計有萬向輪，在油缸的驅(qū)動下可沿桁架軸向移動，可調(diào)整膠帶尾部的高度。這樣的設計使布料機行走時可根這樣的設計使布料機行走時可根據(jù)需要將上料膠帶機拖在尾部行走而無須拆卸要將上料膠帶機拖在尾部行走而無須拆卸，或?qū)⑸狭夏z帶機馱在布料膠帶機上行走（見圖3 ）。上料膠帶機的上馱或卸下由布料機自行完成，無須使用吊車等輔助設備。
2.3 四節(jié)可疊套伸縮的格構桁架支撐布料膠帶機布料膠帶機設計為單條可伸縮的（多節(jié)）四節(jié)疊套式桁架支撐的膠帶機，由鋼絲繩聯(lián)動伸縮、摩擦輪驅(qū)動、偏心導向滑道。膠帶通過改向滾筒多層疊繞，伸縮時可隨桁架的疊套長度自動改變疊繞長度，使膠帶總長度保持不變；偏心滑道可保證桁架伸縮時的準確對位。
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，保證膠帶穩(wěn)定運行，布料機專利采用獨特的懸掛式柔性“U”型托輥（圖4），膠帶運行平順、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。在上料膠帶機鉸接處設計有三重“U” 型托輥，使膠帶能在桁架鉸接處平滑過渡；
為防止膠帶跑偏，減輕重量，布料機專利將布料膠帶機最前一節(jié)桁架托輥設計為“V ”自定心托輥（圖5 ），對膠帶起自動調(diào)心作用。
2.5 膠帶機驅(qū)動系統(tǒng)
膠帶機的驅(qū)動設計為電動機驅(qū)動或液壓馬達驅(qū)動。電機驅(qū)動由懸掛在頭架上的驅(qū)動電機通過單級開式鏈傳動驅(qū)動，結(jié)構簡單、可靠。電機驅(qū)動需要外接電源，通過更換不同齒數(shù)的主動鏈輪使帶速在2.5～4.2m/s 之間有級變化。直接用液壓馬達驅(qū)動滾筒可實現(xiàn)無級調(diào)速，不需要外接電源，提高了布料機的機動性。布料機專利設計有超載報警和停機保護裝置。
2.6 清掃器
布料機專利設計的膠帶機頭部清掃器是為輸送混凝土清掃砂漿的特殊要求設計的。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設計
3.1 設計目標
以布料機專利為基礎，以在巴基斯坦巴羅塔水電站改制的布料機為樣本，汲取國外同類設備先進技術，選用國內(nèi)成熟設備和零部件，以QUY50Y 履帶吊車底盤為平臺，設計面向水利水電工程大體積混凝土澆筑，同時適用于其它建筑領域的機動靈活、安拆方便、使用經(jīng)濟的混凝土澆筑和物料輸送設備。
主要設計參數(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)：四級配混凝土和≤ 1 5 0 m m 的顆粒性物料
3.2 布料機抗傾覆穩(wěn)定性設計
布料機是一種新型的施工設備，其穩(wěn)定設計和檢驗沒有相關規(guī)程規(guī)范。為保證設備安全運行，布料機設計按照《起重機設計規(guī)范》《起重機設計手冊》來進行抗傾覆穩(wěn)定性設計。對布料機在無風靜載和有風動載兩種工況情況下，作用于布料機上包括自重在內(nèi)的各項載荷對危險傾覆邊的力矩代數(shù)和必須大于等于零。即：ΣM≥0為擴展QUY50 底盤能力，設計可伸縮配重，根據(jù)布料臂伸出長度調(diào)整配重半徑，滿足布料機抗傾覆要求。
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 起重機的轉(zhuǎn)盤軸承載荷，回轉(zhuǎn)軸承載荷安全。
3.4 布料臂架設計
40 m布料臂架由設計為矩形斷面的三節(jié)可伸縮格構鋼桁架。其間安裝滾筒、托輥、張緊裝置、清掃器、膠帶、驅(qū)動裝置、受料斗等部件。伸縮由液壓馬達驅(qū)動，平均伸縮速度6m/m。其整體結(jié)構應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)構和零部件具有足夠的強度、剛度和抗屈服能力；3）空載與滿載時，最前端的撓度變化量不能危及臂架安全；4）布料臂架結(jié)構具有良好的抗沖擊性和動態(tài)特性；5 ）維護方便、結(jié)構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)濟性，通過力學建模，工況分析，建立布料臂架有限元模型，進行有限元求解與分析。通過找出各載荷對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、截面高度對布料臂架剛性的影響、輸送物料與臂架最大撓度的關系和溜管與料斗堆積與臂架最大撓度的關系等規(guī)律，對布料臂架結(jié)構性能進行了分析和優(yōu)化。
3.5 布料（上料）膠帶機設計
膠帶機不同于普通的膠帶機，主要輸送的介質(zhì)為混凝土，所以布料機膠帶機的設計必須滿足以下要求：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）適應伸縮要求，保持膠帶長度不變；5）帶速0～4m/s 可調(diào)，適應不同變幅角度或不同級配混凝土的輸送；6）布料臂在-10°～ +25°范圍變幅時，確保混凝土順暢輸送。
3.6 電控和監(jiān)控系統(tǒng)
布料機的電控系統(tǒng)采用PLC 進行邏輯控制、人機界面設定運行參數(shù)、手動控制相結(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閥進行操作，也可以在監(jiān)控觸摸屏上觸摸操作和備用電控開關按扭操作布料臂架的伸縮、膠帶機的驅(qū)動。監(jiān)控系統(tǒng)由可編程序控制器（PLC）、人機界面（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器設備、了解設備的運行狀態(tài)。
3.7 安全保護系統(tǒng)
布料機上設有3 個安全傳感器，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的載荷超載報警和緊急停機功能。如果發(fā)生荷載、位置、角度參數(shù)超過設定值，系統(tǒng)將會自動報警并緊急自動停止相應傳感器控制的動作，確保布料機的安全運行。
3.8 造型及色彩設計
基于人機工程學和現(xiàn)代工程裝備造型設計理念，考慮布料機功能、作業(yè)環(huán)境、用戶要求以及色彩的功能作用等綜合因素，對布料機的造型和色彩進行優(yōu)選，設計出布料機整機造型的優(yōu)化方案。
3.9 BLJ600-40B布料機主要參數(shù)（見表1）
4 結(jié)束語
用帶式布料機澆筑混凝土，為混凝土施工提供了一種新的經(jīng)濟快捷的施工手段，是混凝土施工設備的重大創(chuàng)新。國家電力公司武漢科技查新中的科技查新報告：“⋯⋯綜上所述，在檢出的國內(nèi)文獻中，僅見有關50kg/ 臺行走式混凝土布料機方面的相關文獻報道，且這些均為配輸送泵管用的布料機，未見與本課題所研制的采用膠帶機的混凝土布料機的技術指標相同的文獻報道。”
2007 年4 月，BLJ600-40 布料機通過了中國水利水電集團公司組織的專家鑒定。鑒定委員會一致認定，BLJ600-40 型自行帶式混凝土布料機，填補了國內(nèi)空白，技術上達到了國際先進水平。鑒定委員會一致同意通過鑒定，并建議盡快實現(xiàn)產(chǎn)品的標準化、系列化。鑒定委員會評價該產(chǎn)品的研制成功，經(jīng)濟和社會效益顯著?？稍谒?、港航、市政、礦山等領域推廣，
市場前景廣闊。根據(jù)鑒定委員會的建議，設備名稱改為“自行帶式混凝土布料機”。2007 年，BLJ600-40布料機獲中國水利水電集團公司科技進步一等、中國電力科學技術三等獎。
BLJ600-40 布料機已成功應用于西霞院水電站、拉西瓦水電站、馬來西亞巴貢水電站等多個工程。使用實踐證明，布料機澆筑混凝土均勻、連續(xù)、強度高、覆蓋面積大；澆筑過程中混凝土骨料沒有明顯分離現(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有出現(xiàn)變化；澆筑的混凝土經(jīng)現(xiàn)場取樣檢測，質(zhì)量符合設計要求；設備機動性好，施工進度快、成本低、使用簡單，生產(chǎn)率到80～120 m3/h。混凝土施工安全得到保證，豐富了混凝土施工手段，非常適合于壩基、水墊潭、岸坡、進水口、閘壩等建筑物和機場、港口等工程混凝土施工。
參考文獻：
1. 鄭益平. 水利水電工程混凝土澆筑設備研制
2. 國家電力公司武漢科技查新中心. 布料機研發(fā)科技查新報告
3. 中國水電八局. 布料機研究報告
4. 科技成果鑒定證書. 中國水利水電集團公司
