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圖①：首架之前，“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;設(shè)備安裝調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)。
圖②：“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;即將穿過框架門式墩。
圖③：中鐵科工機(jī)械院技術(shù)人員在首架現(xiàn)場(chǎng)對(duì)“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;進(jìn)行調(diào)試。
圖④：11月28日，全球首臺(tái)千噸級(jí)多模式新能源架橋機(jī)“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;完成首架。圖為俯瞰首架現(xiàn)場(chǎng)。 中鐵科工集團(tuán)有限公司供圖
廣東省肇慶市，珠肇高鐵江門至珠三角樞紐機(jī)場(chǎng)段（簡(jiǎn)稱“江機(jī)段”），隨著支腿伸縮，一臺(tái)紅色的架橋機(jī)在一座座狀如拱門卻高矮不一的橋墩下騰挪轉(zhuǎn)換，頂部緊貼“門框”，自如地下穿而過，巨大的箱梁被精準(zhǔn)、平穩(wěn)地安放在支座上。
這是全球首臺(tái)千噸級(jí)多模式新能源架橋機(jī)“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;。自11月28日在珠肇高鐵江機(jī)段JJZQ-8標(biāo)完成首架作業(yè)以來，“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;便一直緊鑼密鼓地施工，截至12月19日，已完成架橋機(jī)的4次馱運(yùn)、1次原地掉頭，架設(shè)箱梁28片，長(zhǎng)達(dá)900米。
“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;不僅擁有“大力神通”，與常規(guī)架橋機(jī)相比還具有三大獨(dú)家法寶——“變形神技”、“綠色心臟”和“智慧大腦”。憑借多模式“變形神技”，“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;能適應(yīng)限高、限寬等復(fù)雜極限工況；動(dòng)力系統(tǒng)引入新能源，它擁有了一顆“綠色心臟”，更加節(jié)能環(huán)保；智能安全管理系統(tǒng)讓它更加聰明，能自動(dòng)判斷、自動(dòng)控制、自動(dòng)執(zhí)行、自動(dòng)啟停。中國(guó)中鐵工業(yè)旗下中鐵科工黨委副書記、總經(jīng)理李方敏說，“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;的研制，是我國(guó)推進(jìn)高鐵建設(shè)大型裝備設(shè)備更新、綠色低碳轉(zhuǎn)型和數(shù)智化轉(zhuǎn)型的生動(dòng)實(shí)踐。
“橋下建橋”，極限工況下多模式施展“變形神技”
“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;的頂部是一根長(zhǎng)長(zhǎng)的機(jī)臂，也就是主梁，這是其主要承重構(gòu)件，與各支腿、起重小車連接；起支撐作用的是4個(gè)支腿——前輔助支腿、前支腿、單線中支腿和后支腿，其中前支腿、單線中支腿在過孔作業(yè)時(shí)起驅(qū)動(dòng)支撐作用；機(jī)臂的耳梁上懸掛著前、后2個(gè)起重小車，負(fù)責(zé)起吊并運(yùn)送箱梁到落梁位置。此外，“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;的主要部件還有動(dòng)力系統(tǒng)、電氣液壓系統(tǒng)等。
“‘應(yīng)龍?zhí)?rsquo;是專為珠肇高鐵建設(shè)而研制的。”中鐵科工機(jī)械院副總工程師李珍西介紹，在“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;誕生之前，雖然國(guó)內(nèi)已有很多類型的架橋機(jī)，但是都無法滿足珠肇高鐵特殊、復(fù)雜的極限工況需求。
珠肇高鐵有哪些極限工況？據(jù)了解，珠肇高鐵與國(guó)家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)的重要組成部分——廣湛高鐵相鄰，而且部分線路與廣湛高鐵重合，橋墩線間距很小，還存在不同線路高低差。
在珠肇高鐵與廣湛高鐵重合部分的線路，橋梁墩柱采用框架門式墩，“門”上為廣湛高鐵，“門”下則為珠肇高鐵，可謂“橋下建橋”。
珠肇高鐵大部分線路上都是連續(xù)超低門式墩，其凈高和凈寬將作業(yè)范圍“框”在限高最小8.4米、限寬8米的空間內(nèi)。由于自身尺寸限制，常規(guī)架橋機(jī)無法從“門”下鉆過，更別提“門”下吊梁作業(yè)。
如何讓架橋機(jī)不間斷穿過高矮不一的超低門式墩，并在限高限寬的施建條件下，一氣呵成完成箱梁架設(shè)？
“結(jié)合以往非標(biāo)定制即針對(duì)特殊需求定制特種工程裝備的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，我們中鐵科工技術(shù)團(tuán)隊(duì)決定設(shè)計(jì)一種全新的工法模式。”中鐵科工機(jī)械院總工程師胡旭東說。
常規(guī)架橋機(jī)的中支腿尺寸很大，結(jié)構(gòu)就像“O”形，在傳統(tǒng)架設(shè)方式下，前、后起重小車在吊梁時(shí)要從中支腿的“O”形中穿過。一片箱梁架設(shè)完成后，架橋機(jī)的后支腿先“邁步”，接著是前支腿，然后是中支腿，通過支腿的輪換行進(jìn)實(shí)現(xiàn)整臺(tái)架橋機(jī)往前“行走”。但珠肇高鐵的限界要求決定了“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;的中支腿寬度不能超過箱梁的寬度，高度也要縮短。
突破從讓中支腿“活”起來開始。技術(shù)團(tuán)隊(duì)把中支腿收上去貼近主梁，壓扁“O”形，讓箱梁從“O”形之下穿過。在設(shè)計(jì)推演中，圖紙上不斷增減的支腿和模塊部件的拼裝、拆解，讓技術(shù)團(tuán)隊(duì)聯(lián)想到能自由拼組、靈活變化的“變形金剛”。
常規(guī)架橋機(jī)設(shè)備功能基本是一體化的，不能拆卸和衍生使用。技術(shù)團(tuán)隊(duì)打破常規(guī)，在設(shè)計(jì)“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;時(shí)將架橋機(jī)各部件拆解為“模塊組”，在傳統(tǒng)單主梁架橋機(jī)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模塊化衍生設(shè)計(jì)，針對(duì)特殊工況設(shè)置了專用單線中支腿，配合超低位轉(zhuǎn)換支撐，同時(shí)采用雙跨架設(shè)的全新架設(shè)方案。其中，專用單線中支腿的設(shè)計(jì)整體寬度小于箱梁寬度，最寬不超過6米；通過上下兩級(jí)伸縮、轉(zhuǎn)換等，其高度、姿態(tài)可靈活調(diào)整。
這種工法模式，使“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;擁有了“變形神技”，可以自由伸縮支腿、增減主梁節(jié)段，自如變換身姿。根據(jù)不同工況，它能靈活切換施工模式，在限寬限高的苛刻施工條件下高效架設(shè)箱梁。它既能在極限條件下架設(shè)460多噸重的單線箱梁，也能快速轉(zhuǎn)換為常規(guī)條件下架設(shè)千噸級(jí)的雙線箱梁。
節(jié)能環(huán)保，“綠色心臟”提供澎湃能量和強(qiáng)大動(dòng)力
“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;并非世界首臺(tái)千噸級(jí)架橋機(jī)，卻是世界首臺(tái)應(yīng)用新能源技術(shù)的千噸級(jí)架橋機(jī)。
“以前架橋機(jī)用的發(fā)電機(jī)組比較多。架橋機(jī)并非一直持續(xù)作業(yè)，在斷續(xù)作業(yè)情況下又不能把發(fā)電機(jī)組反復(fù)關(guān)機(jī)重啟，這導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常怠速運(yùn)行，造成能量大量浪費(fèi)。”李珍西介紹，中鐵科工技術(shù)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了“增程器+動(dòng)力電池”動(dòng)力源系統(tǒng)。
這是根據(jù)珠肇高鐵的特殊工況以及設(shè)備特性，為“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;專門配備的一套由大容量動(dòng)力電池、65千瓦增程器以及輔助交流逆變器構(gòu)成的雙動(dòng)力系統(tǒng)，能提供持續(xù)而強(qiáng)大的電能動(dòng)力。
在純動(dòng)力電池模式下，“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;配備的大容量動(dòng)力電池可以滿足架設(shè)兩片箱梁的作業(yè)能量需求。在不具備充電條件或者設(shè)備需連續(xù)作業(yè)時(shí)，增程器便上場(chǎng)了。它身兼發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)兩職，既能給設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，又能給動(dòng)力電池充電。
“增程器一體化集成了發(fā)動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電整流裝置。它用柴油發(fā)電，就像一個(gè)小型發(fā)電機(jī)組，以持續(xù)而穩(wěn)定的電流電壓滿負(fù)荷、高效率地給動(dòng)力電池充電，使動(dòng)力電池持續(xù)輸出電力負(fù)荷，將電能調(diào)節(jié)給用電設(shè)備。”李珍西說，當(dāng)動(dòng)力電池的電量充到95%左右時(shí)，增程器就可以停下來，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為純動(dòng)力電池模式。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)不存在怠速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了能量的充分利用。
用動(dòng)力電池還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是可以實(shí)現(xiàn)能量回收。當(dāng)架橋機(jī)重載落梁時(shí)，通過起升電機(jī)反向發(fā)電，回收了梁片下降的重力勢(shì)能，進(jìn)一步提升了設(shè)備對(duì)能源的利用率。
李珍西說，這顆“綠色心臟”不僅具有持續(xù)穩(wěn)定的強(qiáng)勁動(dòng)力，節(jié)能效果也十分明顯，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備節(jié)省燃油40%以上。
珠肇高鐵的施工現(xiàn)場(chǎng)緊張有序。與人們印象中很多大型機(jī)械設(shè)備的轟鳴聲震耳欲聾不同，“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;的行進(jìn)、騰挪較為安靜。這是因?yàn)橄鄬?duì)于發(fā)電機(jī)組，“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;應(yīng)用的動(dòng)力電池和靜音型增程器大大降低了噪聲。
“將新能源技術(shù)引入千噸級(jí)架橋機(jī)，有很多關(guān)口需要突破，首先要解決的是直流和交流的轉(zhuǎn)換問題。”李珍西進(jìn)一步解釋，“架橋機(jī)上的設(shè)備適用交流電，而動(dòng)力電池直接輸出的電是直流電。對(duì)此，我們使用了變頻器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，然后再供給用電設(shè)備。”
在政策扶持下，我國(guó)裝備制造業(yè)近些年不斷探索高端化、綠色化、智能化發(fā)展。從國(guó)內(nèi)首臺(tái)電驅(qū)千噸級(jí)箱梁輪胎式搬運(yùn)機(jī)在雄商高鐵成功吊裝，到千噸級(jí)電驅(qū)動(dòng)運(yùn)梁車高效應(yīng)用于全國(guó)多家高鐵制梁廠，到“鵬來號(hào)”智能鋪軌機(jī)組揚(yáng)名海外，再到“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;裝上“綠色心臟”，中鐵科工持續(xù)攻關(guān)，有力推進(jìn)了設(shè)備更新、綠色低碳轉(zhuǎn)型、數(shù)智化轉(zhuǎn)型。
“智慧大腦”，實(shí)現(xiàn)“一鍵過孔”“一鍵架梁”
作為架設(shè)高鐵箱梁的利器，架橋機(jī)能將一個(gè)重達(dá)數(shù)百噸甚至千噸的箱梁平穩(wěn)地架設(shè)到橋墩之上。但箱梁的架設(shè)并非只靠力氣，還需要精確的計(jì)算、精密的協(xié)調(diào)，每一個(gè)動(dòng)作都必須精準(zhǔn)到位，毫厘之間便是安全大事。
與其他千噸級(jí)架橋機(jī)相比，“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;較為小巧，長(zhǎng)為82米，高度在最低架梁狀態(tài)下不超過8.4米，寬度不超過6米。即便如此，它依然是個(gè)龐然大物，重達(dá)470多噸。
“這么重的一個(gè)龐然大物，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)首先要保證安全，這是最重要的。”李珍西提到架橋機(jī)前懸風(fēng)險(xiǎn)，“架橋機(jī)前行時(shí)，如果位于整機(jī)前面的部分越來越多、越來越重，就存在往前栽倒的風(fēng)險(xiǎn)。”
用好“智慧大腦”，“三思而后行”，才能保障設(shè)備安全。
中鐵科工技術(shù)團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了集環(huán)境感知、姿態(tài)檢測(cè)、壓力傳感、智能防傾覆、圖像識(shí)別以及自動(dòng)報(bào)警等6大關(guān)鍵系統(tǒng)為一體的智能安全管理系統(tǒng)。如果說該系統(tǒng)是“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;的“智慧大腦”，那么傳感器就像神經(jīng)末梢。
“我們?cè)?lsquo;應(yīng)龍?zhí)?rsquo;上布設(shè)了很多傳感器，遍布各重要點(diǎn)位，以此來監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和姿態(tài)，針對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整指令，防止設(shè)備傾覆。”李珍西全程參加了“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;的研制設(shè)計(jì)和首架作業(yè)，首架完成后，中鐵科工技術(shù)團(tuán)隊(duì)人員根據(jù)架設(shè)情況對(duì)傳感器進(jìn)行了調(diào)試、標(biāo)定，確保點(diǎn)位精準(zhǔn)、監(jiān)控有效。
“智慧大腦”不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集架橋機(jī)各工序關(guān)鍵點(diǎn)安全數(shù)據(jù)，還能通過內(nèi)置的自動(dòng)控制邏輯程序自動(dòng)計(jì)算識(shí)別位置，自行判斷數(shù)據(jù)。在“智慧大腦”的指揮下，設(shè)備可自動(dòng)執(zhí)行指令，一氣呵成完成插拔銷、伸縮、縱移等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)“一鍵過孔”“一鍵架梁”。
李珍西說：“以往這些動(dòng)作每一個(gè)都需要多人來監(jiān)控、操作、配合才能完成?，F(xiàn)在借助智能安全管理系統(tǒng)，只要監(jiān)測(cè)反饋前置條件到位，工作人員按鍵操作便可順利實(shí)現(xiàn)。”
值得一提的是，“智慧大腦”內(nèi)置的自動(dòng)控制邏輯程序?qū)崟r(shí)感知外部環(huán)境、自動(dòng)計(jì)算識(shí)別設(shè)備位置后，可以自行判斷設(shè)備是否處于安全狀態(tài)，自動(dòng)啟停定位精度可達(dá)毫米級(jí)。
在中支腿側(cè)面，設(shè)有一間面積僅1.7平方米的司機(jī)室，工作人員面對(duì)一塊操作屏、3塊監(jiān)控屏，不時(shí)操作按鍵。在這里，工作人員能看到“應(yīng)龍?zhí)?rdquo;各關(guān)鍵點(diǎn)位的視頻監(jiān)控畫面，也能看到起升重量、起升高度、水平度、支腿垂直度、走行速度、聯(lián)鎖保護(hù)等安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，通過觸屏或鍵盤操作，發(fā)出一個(gè)個(gè)指令。“智慧大腦”還與設(shè)備管理云平臺(tái)連接，只需一部手機(jī)、一臺(tái)電腦，工作人員便可在千里之外開展運(yùn)維管理。
一系列新技術(shù)的應(yīng)用，讓架橋機(jī)自動(dòng)化、智能化、信息化水平更高，安全性能更強(qiáng)。“架橋機(jī)的智能化、綠色化等變革一直是我們的努力方向，未來的架橋機(jī)會(huì)更安全、更‘聰明’！”中鐵科工機(jī)械院黨委書記王光欣表示。