盾构管片钢筋笼加工设备物流系统设计

李 荆/LI Jing

（中铁隧道局集团有限公司 勘察设计研究院，广东 广州 511455）

近年来，随着盾构和TBM广泛应用于城市地下工程隧道建设，钢筋混凝土管片数量需求也随之快速增长，国内现有钢筋加工设备可以完成如钢筋折弯、剪切、简单的钢筋笼、平面网焊接功能[1]，但对于结构复杂的管片钢筋笼，其整体加工设备及加工工艺在国内外均为空白。

管片钢筋笼的加工流程主要为钢筋下料、钢筋弯曲、钢筋笼焊接等[2、3]，目前这3个工序流程是在不同的工作装置上分开进行的。其中，钢筋的调直、下料、弯弧、弯曲均采用人工配合钢筋加工设备完成。钢筋的焊接工艺则是先在小模型架上将钢筋焊接成片，然后将成片的部件放在钢筋笼胎模上用CO2保护焊机焊接成型[3、4]。由于工序作业分散不集中，且人工参与过程较多，无法连续不断的作业，使得钢筋笼的生产率无法满足工程项目的需求，并且存在一定的安全隐患。

鉴于此，为了能更好地适应快速发展的隧道盾构掘进施工，提高生产和施工效率，中铁隧道局的科技工作者根据多年的设计经验同时结合现场施工的条件和要求，设计了这套钢筋笼一体化加工设备。该盾构管片钢筋笼加工设备物流系统是实现自动化加工的一个重要辅助系统，旨在解决当前国内现有钢筋笼加工设备物流系统功能单一，自动化程度低等问题。

1 物流系统

1.1 物流系统概述

本套设备物流系统分为物流吊运机构、单根输送轨道和平面网输送轨道3部分。

1.1.1 物流吊运系统

如图1所示，物流吊运系统采用的是龙门式吊装设备。该设备结构简单、维修方便、工作平稳、节省能耗。其主要结构包括立柱、连接横梁、轨道和主机等。

图1 物流吊运机构

设备采用机械、气动和电磁控制，单根钢筋的吊装采用电磁铁，网片的吊装采用气动机械手，电磁铁或机械手吊起物料后，经气缸带动完成起升动作，再由伺服电机带动同步带完成横向移动，放入需要的位置。

1.1.2 单根输送轨道

单根输送轨道用于单根收料仓与单片网成型机之间，起到连接运输作用，本物流系统共设置有4套单根输送轨道，每2套为一组，分别输送网片内弧筋与外弧筋[5]，具体结构详见图2所示。

图2 单根钢筋输送轨道

单根输送轨道由机架、输送辊、输送电机以及防护罩等构成，机架由型材焊接而成，机架上安装有输送辊装置及输送电机。单根输送轨道的传动方式为链条传动，可以实现单根钢筋的自动化运输，该轨道特点在于输送平稳，输送能力强，且可输送大直径单根钢筋。

1.1.3 平面网输送轨道

平面网输送轨道主要作用在于将单片网成型机焊接成型的弧形网片输送到指定位置，通过辊道将单片网成型机与出料小车进行衔接，本处辊道主要起调度、转运作用[5]。

该输送轨道为自动输送轨道，采用链条传动。由输送辊轮、输送架、防护罩、电机等组成。该轨道特点为输送平稳，适应多种规格网片的运送，具体结构见图3所示。

图3 平面网输送轨道

物流系统主要技术参数如表1所示。

1.2 物流系统工作流程

该物流系统工作流程如图4所示，先用吊运机构将单根钢筋棒料放在输送辊道上，运输到指定位置，随后线状棒料剪切机将棒材切割为预定的长度。在单根输送轨道的作用下继续前进，并依次经过弯弧机、横筋焊机与单片弧形网成型机，经过这些工序的加工，即可将钢筋棒料制成一块块钢筋单片网。接下来，通过单片网吊运机构的作用，将已经制成的单片网放入单片网输送轨道，传送至指定位置后，再由吊运机构将单片网安放在码放机上，当码放机上的单片网达到既定数量时，及进行钢筋绑扎，最后码放机构运载着绑扎好的钢筋网沿着弧形轨道进入立体钢筋笼成型机内部焊接工位，进行焊接工作，将钢筋箍与单片网焊接为一体，至此，整个管片钢筋笼制作完成。

表1 钢筋笼加工物流系统主要技术参数表

图4 物流系统工作流程示意简图

2 存在的问题与解决措施

2.1 存在的问题

由于该自动加工设备是原创性开发设计，因此不可避免地存在一些小缺陷，其中有关物流系统的问题主要集中于以下3个方面。

1）实际工作过程中，物流系统传送原料的效率并不高。其主要原因可能在于，还没有完全弄清楚传送速率与其它加工工序的配合关系，没有找到最适合的传送速率。

2）吊运机构抓手定位不够精准，致使有时候不能恰到好处的夹紧平面网钢筋。

3）未完全实现自动化。平面网钢筋通过吊运机构码放在码垛机后，还需要人工进行钢筋绑扎工作，然后才能进行立体焊接，造成物流系统的临时中断。

2.2 解决方法

上文中所提到的问题为后续的改进设计指明了方向，课题组未来的工作主要集中在如下3个方面。

1）深入研究物流系统传送速率与其它加工工序的匹配关系，找到最适合的工件传送速率。

2）引入激光位移传感器，将其布置在合适的位置，通过提高信息反馈的精度来间接提升吊运机构抓手的定位精度。

3）开发设计一种钢筋自动绑扎机械手，实现该钢筋笼加工设备的全自动化与物流系统的连续性。

3 结论与建议

目前，含有该物流系统的盾构管片钢筋笼加工设备正在长株潭城际铁路CZTHZ-1标盾构管片厂进行应用，盾构管片钢筋笼整体式加工设备物流系统的成功开发产生了以下功效：①成功解决了当前钢筋笼加工过程中所面临的工序繁多、工序之间衔接不连贯等难题；②减轻了工人的劳动强度，间接提升了钢筋笼加工效率；③改变了工作人员对钢筋笼加工方法的认知，有效地促进了钢筋笼加工设备的技术革新。

虽然该物流系统是集许多优势技术于一体研制而成的，但由于制造技术的限制，在实际工作中不可避免的会存在一些问题，后续会根据实际工作中出现的问题进行相应的改进设计，以期更好地服务于盾构管片钢筋笼加工。