摘要：自行带式混凝土布料机（俗称胎带机）是一种新型的混凝土浇筑及物料输送施工设备，在国外已得到广泛应用。本文作者从1997年开始带式布料机的设计研发工作，2001年取得了国家专利。以带式布料机专利为基础设计制造的BLJ-600-40B自行带式混凝土布料机，于2005年11月26日被中国企业联合会和中国企业家协会审定为中国新记录；2007年4月通过了中国水利水电集团公司组织的专家鉴定，认为该设备是混凝土浇筑及物料输送设备的创新，技术上达到了国际先进水平，为国内首创。本文介绍了自行带式混凝土布料机的专利保护要点及BLJ600-40 布料机的设计。
关键词：布料机 专利 设计
1 布料机研制的背景
带式布料机作为一种新的混凝土施工设备，它是用各种起重机逐罐吊运混凝土的断续输浇筑式向连续施工的一场革命。因过去对带式输送机的特点认识不足，缺乏专用设备，在骨料分离、灰浆损失、设备的机动性和可靠性等问题上未能妥善解决。半个世纪来，混凝土施工仍然采用传统的缆索起重机和门机、塔机等起重设备吊运入仓，或采用混凝土泵浇筑。因此，我国在该领域的施工技术长期以来没有取得大的突破。在国外，早在上世纪20 年代，带式输送机就曾用于混凝土运输。到了40 年代，美国安大略水电局的7 个工程，均采用带式输送机施工。我国早期的新安江、刘家峡等工程曾有用带式输送机进行混凝土浇筑的实践。
由于带式输送机具有连续作业、浇筑能力大、设备轻等优良的技术性能，而得到越来越广泛地应用，国外一些厂商也因此开发了多种专用的带式输送机。6 0年代以后的2 0 多年间，仅美国ROTEC 公司的设备就在世界各地修建了近50 个大型工程。在日本，带式输送机绕筑混凝土的方法已被列为80年代大坝快速施工的新工艺和新方法，向传统的起重机法提出了挑战。
自行带式混凝土布料机（又称胎带机），是将带式输送机与大型机动自行底盘结合的一种新型的混凝土浇筑和物料输送新设备。该设备可360°回转，在一定范围内伸缩自如，机动、灵活，生产效率高。它与市政建设常用的混凝土泵杆布料机（混凝土泵+ 布料杆）不同，带式布料机不受混凝土级配限制，可输送常态混凝土，也可输送干硬性混凝土如RCC 和颗粒性物料，是混凝土浇筑和物料输送的革命性施工设备。我国在1997 年引进美国ROTEC 公司的胎带机（轮胎式吊车底盘与布料胶带机组合）、塔带机（塔机与布料胶带机组合）应用于三峡工程，实践证明是一种生产效率高、经济实用的混凝土施工设备。
BLJ-600-40 自行带式混凝土布料机的研制工作始于1998年大朝山水电站大坝工程。引进和自行研制的轻型高速胶带机浇筑常态和碾压混凝土获得成功，这是国内使用胶带机浇筑大体积混凝土的成功案例之一。轻型高速胶带机采用全浮动“U”型轻型托辊、驱动装置为电机加开式链传动、高带速设计（带速高达3～4.5m/s）。胶带机带速高、运行平稳，“U”型托辊对混凝土拌和物具有良好的包容性，特殊设计的金属刮板，可有效地防止砂浆损失，机头挡料板的二次混合作用，使得输送混凝土时骨料不分离。胶带机安装方便、组装灵活，非常适合混凝土浇筑。轻型高速胶带机在大朝山工程共浇筑混凝土20 多万m3（图2 为布料机结构图）。
为满足巴基斯坦巴罗塔水电站工程浇筑混凝土的需要，笔者于1999 年在巴罗塔水电站工地改制了一台布料半径为15～32m，带宽450mm（18″）的布料机（见图1 施工现场）。该机以工地现有的QUY50t 履带吊车作为底盘，钢丝绳变幅，双电动机驱动、开式链传动；布料臂为两节叠套结构，基础节为钢格构结构，第二节为轻型铝合金结构。经测试，骨料分离和砂浆损失等技术指标均达到国外同类产品水平，连续最大浇筑强度80～120 m3/h，在巴罗塔工地浇筑混凝土近20万m3，取得较好的经济效益。该机仅作了少量改装，工程竣工后将布料胶带机拆去，安装上起重臂后已恢复为吊车使用。
2 布料机的专利保护
在总结大朝山和巴罗塔工程高速胶带机和布料机改制经验的基础上，结合我国施工设备的发展水平，对布料机进行了进一步的研究和设计，于2001年用自行式混凝土带式布料机名称（以区别于管式布料机）向国家知识产权局提出专利申请。经专利检索，自行式混凝土带式布料机为国内首创，2001 年11 月被授予中华人民共和国实用新型专利，专利号：ZL 00 2 52263.2。专利的创新点如下：
2.1 履带式底盘的创新结构
国外引进的布料机（胎带机）是以重型卡车为底盘（如大象公司），或以越野型轮胎吊车作底盘（如罗泰克公司）。而布料机专利采用自行式履带吊车作底盘，形成铰接型上料胶带机+ 履带式底盘+ 伸缩式布料胶带机的结构（见图2 ），为国内首创。这种创新设计为带式布料机的国产化开创了途径，是布料机专利的主要保护内容。这样的设计主要基于两点考虑：一是目前国内没有大型越野轮胎吊车产品，生产轮胎底盘布料机（胎带机）没有可能，而国内有成熟的50～80t 履带吊车底盘；二是履带吊车底盘工作稳定性好，布料机在坡度小于4°的地面上，不需要附加支腿可立即投入工作，机动性好。
2.2 布料机的驮行设计
上料胶带机设计为由两节轻型桁架的铰接结构，上端铰接在车架上的转料斗上，通过铰接油缸根据需要调整两节桁架之间的角度；在胶带机的下部，设计有万向轮，在油缸的驱动下可沿桁架轴向移动，可调整胶带尾部的高度。这样的设计使布料机行走时可根这样的设计使布料机行走时可根据需要将上料胶带机拖在尾部行走而无须拆卸要将上料胶带机拖在尾部行走而无须拆卸，或将上料胶带机驮在布料胶带机上行走（见图3 ）。上料胶带机的上驮或卸下由布料机自行完成，无须使用吊车等辅助设备。
2.3 四节可叠套伸缩的格构桁架支撑布料胶带机布料胶带机设计为单条可伸缩的（多节）四节叠套式桁架支撑的胶带机，由钢丝绳联动伸缩、摩擦轮驱动、偏心导向滑道。胶带通过改向滚筒多层叠绕，伸缩时可随桁架的叠套长度自动改变叠绕长度，使胶带总长度保持不变；偏心滑道可保证桁架伸缩时的准确对位。
2.4 悬挂式柔性“U”型托辊和“V”自定心托辊为避免骨料分离，减少胶带振动，保证胶带稳定运行，布料机专利采用独特的悬挂式柔性“U”型托辊（图4），胶带运行平顺、抗震性好、拆装方便。“U”型托辊的侧辊与中间辊之间呈60°夹角，形成深槽，可很好的包容混凝土拌和物。在上料胶带机铰接处设计有三重“U” 型托辊，使胶带能在桁架铰接处平滑过渡；
为防止胶带跑偏，减轻重量，布料机专利将布料胶带机最前一节桁架托辊设计为“V ”自定心托辊（图5 ），对胶带起自动调心作用。
2.5 胶带机驱动系统
胶带机的驱动设计为电动机驱动或液压马达驱动。电机驱动由悬挂在头架上的驱动电机通过单级开式链传动驱动，结构简单、可靠。电机驱动需要外接电源，通过更换不同齿数的主动链轮使带速在2.5～4.2m/s 之间有级变化。直接用液压马达驱动滚筒可实现无级调速，不需要外接电源，提高了布料机的机动性。布料机专利设计有超载报警和停机保护装置。
2.6 清扫器
布料机专利设计的胶带机头部清扫器是为输送混凝土清扫砂浆的特殊要求设计的。刮刀采用硬质合金材料，矩型段面，耐磨且不伤胶带，砂浆损失小。
3 BLJ-600-40B履带式混凝土带式布料机设计
3.1 设计目标
以布料机专利为基础，以在巴基斯坦巴罗塔水电站改制的布料机为样本，汲取国外同类设备先进技术，选用国内成熟设备和零部件，以QUY50Y 履带吊车底盘为平台，设计面向水利水电工程大体积混凝土浇筑，同时适用于其它建筑领域的机动灵活、安拆方便、使用经济的混凝土浇筑和物料输送设备。
主要设计参数：
布料半径：4 0 m
生产率：80～150m3/h
带宽：600 mm
带速：0～4m/s
布料臂变幅范围：-10°～+25°
输送介质：四级配混凝土和≤ 1 5 0 m m 的颗粒性物料
3.2 布料机抗倾覆稳定性设计
布料机是一种新型的施工设备，其稳定设计和检验没有相关规程规范。为保证设备安全运行，布料机设计按照《起重机设计规范》《起重机设计手册》来进行抗倾覆稳定性设计。对布料机在无风静载和有风动载两种工况情况下，作用于布料机上包括自重在内的各项载荷对危险倾覆边的力矩代数和必须大于等于零。即：ΣM≥0为扩展QUY50 底盘能力，设计可伸缩配重，根据布料臂伸出长度调整配重半径，满足布料机抗倾覆要求。
3.3 回转轴承承载能力分析校核
QUY50 改装为布料机后，其回转轴承载荷发生发变化，回转轴承轴向载荷、力矩载荷均＜QUY50 起重机的转盘轴承载荷，回转轴承载荷安全。
3.4 布料臂架设计
40 m布料臂架由设计为矩形断面的三节可伸缩格构钢桁架。其间安装滚筒、托辊、张紧装置、清扫器、胶带、驱动装置、受料斗等部件。伸缩由液压马达驱动，平均伸缩速度6m/m。其整体结构应满足以下的基本要求：1）有足够的抗倾覆性能和工作稳定性；2）布料臂结构和零部件具有足够的强度、刚度和抗屈服能力；3）空载与满载时，最前端的挠度变化量不能危及臂架安全；4）布料臂架结构具有良好的抗冲击性和动态特性；5 ）维护方便、结构最轻量化和造型美观。
为满足上述要求，保证布料臂架的安全性和经济性，通过力学建模，工况分析，建立布料臂架有限元模型，进行有限元求解与分析。通过找出各载荷对布料臂架最前端挠度的作用效果、各臂节变形量的分布规律、截面高度对布料臂架刚性的影响、输送物料与臂架最大挠度的关系和溜管与料斗堆积与臂架最大挠度的关系等规律，对布料臂架结构性能进行了分析和优化。
3.5 布料（上料）胶带机设计
胶带机不同于普通的胶带机，主要输送的介质为混凝土，所以布料机胶带机的设计必须满足以下要求：1）防止和减少砂浆损失；2）防止和减少骨料分离；3）重量轻、生产率高；4）适应伸缩要求，保持胶带长度不变；5）带速0～4m/s 可调，适应不同变幅角度或不同级配混凝土的输送；6）布料臂在-10°～ +25°范围变幅时，确保混凝土顺畅输送。
3.6 电控和监控系统
布料机的电控系统采用PLC 进行逻辑控制、人机界面设定运行参数、手动控制相结合。行走、变幅、回转、布料臂架的伸缩可用操作杆控制液压先导阀进行操作，也可以在监控触摸屏上触摸操作和备用电控开关按扭操作布料臂架的伸缩、胶带机的驱动。监控系统由可编程序控制器（PLC）、人机界面（HMI）、精密传感器等部分组成，以友好的文字、指示灯或图形等形式监视、修改PLC 内部寄存器或继电器的数值及状态，从而使操作人员能够自如地控制机器设备、了解设备的运行状态。
3.7 安全保护系统
布料机上设有3 个安全传感器，分别控制着布料臂架的变幅、伸缩的位置限位和下料软管堵管时的载荷超载报警和紧急停机功能。如果发生荷载、位置、角度参数超过设定值，系统将会自动报警并紧急自动停止相应传感器控制的动作，确保布料机的安全运行。
3.8 造型及色彩设计
基于人机工程学和现代工程装备造型设计理念，考虑布料机功能、作业环境、用户要求以及色彩的功能作用等综合因素，对布料机的造型和色彩进行优选，设计出布料机整机造型的优化方案。
3.9 BLJ600-40B布料机主要参数（见表1）
4 结束语
用带式布料机浇筑混凝土，为混凝土施工提供了一种新的经济快捷的施工手段，是混凝土施工设备的重大创新。国家电力公司武汉科技查新中的科技查新报告：“⋯⋯综上所述，在检出的国内文献中，仅见有关50kg/ 台行走式混凝土布料机方面的相关文献报道，且这些均为配输送泵管用的布料机，未见与本课题所研制的采用胶带机的混凝土布料机的技术指标相同的文献报道。”
2007 年4 月，BLJ600-40 布料机通过了中国水利水电集团公司组织的专家鉴定。鉴定委员会一致认定，BLJ600-40 型自行带式混凝土布料机，填补了国内空白，技术上达到了国际先进水平。鉴定委员会一致同意通过鉴定，并建议尽快实现产品的标准化、系列化。鉴定委员会评价该产品的研制成功，经济和社会效益显著。可在水利水电、港航、市政、矿山等领域推广，
市场前景广阔。根据鉴定委员会的建议，设备名称改为“自行带式混凝土布料机”。2007 年，BLJ600-40布料机获中国水利水电集团公司科技进步一等、中国电力科学技术三等奖。
BLJ600-40 布料机已成功应用于西霞院水电站、拉西瓦水电站、马来西亚巴贡水电站等多个工程。使用实践证明，布料机浇筑混凝土均匀、连续、强度高、覆盖面积大；浇筑过程中混凝土骨料没有明显分离现象，砂浆损符合质量要求；常态混凝土的和易性、塌落度，碾压混凝土的工作度没有出现变化；浇筑的混凝土经现场取样检测，质量符合设计要求；设备机动性好，施工进度快、成本低、使用简单，生产率到80～120 m3/h。混凝土施工安全得到保证，丰富了混凝土施工手段，非常适合于坝基、水垫潭、岸坡、进水口、闸坝等建筑物和机场、港口等工程混凝土施工。
参考文献：
1. 郑益平. 水利水电工程混凝土浇筑设备研制
2. 国家电力公司武汉科技查新中心. 布料机研发科技查新报告
3. 中国水电八局. 布料机研究报告
4. 科技成果鉴定证书. 中国水利水电集团公司
