万吨级双层环形梁超大旋臂式预应力线材缠绕装置及方法

本发明属于预应力线材缠绕，特别是涉及一种万吨级双层环形梁超大旋臂式预应力线材缠绕装置及方法。

背景技术：

1、为实现地下10000m深部岩石复杂应力环境模拟，申请号为202310058018.6的中国专利申请公开了一种超大型深部工程灾害物理模拟设施，该设施中应用了一种超大尺寸、高刚度的三维加载反力框架结构，其水平向超大型反力框架采用了外圆内方的环形结构，外圆直径为20m，内方边长为10m，竖直高度为5.5m，重量超过万吨，水平框架整体属于双层环形梁，每一层环形梁均由四段拱形梁拼合而成，为了保证水平框架具有高安全稳定性与长使用寿命，需要在其外圆周表面缠绕预应力线材，以增强其刚度与极限抗拉能力。

2、目前，现有的预应力线材缠绕装置根据线材缠绕方式的不同，分为转盘式线材缠绕装置和卫星式线材缠绕装置。

3、针对转盘式线材缠绕装置来说，首先将需要缠绕线材的构件安放于回转工作台上，再由设置于地面的线材输出设备进行放线，随着回转工作台的转动，线材实现在构件上的缠绕。但是，对于万吨级的双层环形梁来说，其不仅需要承受万吨级的重压，还要承受转动过程中的巨大离心力，因此配套合适的回转工作台十分困难且不易实现。

4、针对卫星式线材缠绕装置来说，首先将需要缠绕线材的构件安放于地面上，再由移动式线材输出设备绕着构件做圆周运动并放线，线材实现在构件上的缠绕。但是，对于万吨级的双层环形梁来说，移动式线材输出设备的线材缠绕稳定性较低，容易造成线材缠绕出现错线、间隙等问题，因此线材缠绕质量难以满足要求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种万吨级双层环形梁超大旋臂式预应力线材缠绕装置及方法，双层环形梁可直接在设施基坑内先行安装，旋臂式线材缠绕装置再与设施基坑内的双层环形梁配套安装，可实现上层环形梁和下层环形梁的同步线材缠绕，避免双层环形梁结构内的非协调变形，具有线材缠绕稳定性高、线材缠绕效率高的特点。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明提供一种万吨级双层环形梁超大旋臂式预应力线材缠绕装置，包括回转驱动机构、悬臂梁、第一垂臂、第二垂臂、第一放线执行机构及第二放线执行机构；所述回转驱动机构固定设置在双层环形梁的中心处；所述悬臂梁水平固装在回转驱动机构顶部；所述第一垂臂竖直吊装在悬臂梁一端，所述第二垂臂竖直吊装悬臂梁另一端；所述第一放线执行机构设置在第一垂臂上；所述第二放线执行机构设置在第二垂臂上。

3、所述回转驱动机构包括支撑立柱、支撑顶板、回转驱动电机、减速器、plc控制器、回转驱动轴及回转支撑盘；所述支撑立柱采用中空筒型结构，所述支撑顶板水平固装在支撑立柱顶端；所述回转驱动轴通过轴承竖直连接在支撑顶板中心处，回转驱动轴相对于支撑顶板仅具有回转自由度，回转驱动轴的下端位于支撑立柱内侧，回转驱动轴的上端位于支撑立柱外侧；所述回转驱动电机、减速器及plc控制器均设置在支撑立柱内部，回转驱动电机的电机轴与减速器的动力输入轴相连接，减速器的动力输出轴与回转驱动轴的下端相连接；所述回转驱动电机的信号控制端与plc控制器电连接；所述回转支撑盘水平固装在回转驱动轴上端。

4、在所述回转支撑盘中心上方设置有转接支座；所述悬臂梁中心处通过转接支座与回转支撑盘相连接；在所述悬臂梁上方设置有斜拉钢索加强结构件和平衡配重结构件。

5、在所述第一垂臂顶端与悬臂梁之间设置有第一水平滑台机构，第一水平滑台机构内的滑轨水平设置在悬臂梁下方，第一水平滑台机构的滑车设置在第一垂臂顶端，第一水平滑台机构的滑车可沿滑轨受控水平移动，第一水平滑台机构的滑车信号控制端与plc控制器电连接。

6、在所述第一放线执行机构与第一垂臂之间设置有第一升降滑台机构，第一升降滑台机构的滑轨竖直设置在第一垂臂上，第一升降滑台机构的滑车设置在第一放线执行机构上，第一升降滑台机构的滑车可沿滑轨受控竖直移动，第一升降滑台机构的滑车信号控制端与plc控制器电连接。

7、所述第一放线执行机构与双层环形梁的上层环形梁正对，第一放线执行机构包括第一机械手、第二机械手、第一线轮、第一张力调节器及第一排线器；所述第一机械手的尾端与第一升降滑台机构的滑车相连接，所述第一线轮设置在第一机械手的执行端；所述第二机械手位于第一机械手上方，第二机械手的尾端与第一升降滑台机构的滑车相连接，所述第一张力调节器及第一排线器设置在第二机械手的执行端；所述第一机械手、第二机械手、第一张力调节器及第一排线器的信号控制端与plc控制器电连接。

8、在所述第二垂臂顶端与悬臂梁之间设置有第二水平滑台机构，第二水平滑台机构内的滑轨水平设置在悬臂梁下方，第二水平滑台机构的滑车设置在第二垂臂顶端，第二水平滑台机构的滑车可沿滑轨受控水平移动，第二水平滑台机构的滑车信号控制端与plc控制器电连接。

9、在所述第二放线执行机构与第二垂臂之间设置有第二升降滑台机构，第二升降滑台机构的滑轨竖直设置在第二垂臂上，第二升降滑台机构的滑车设置在第二放线执行机构上，第二升降滑台机构的滑车可沿滑轨受控竖直移动，第二升降滑台机构的滑车信号控制端与plc控制器电连接。

10、所述第二放线执行机构与双层环形梁的下层环形梁正对，第二放线执行机构包括第三机械手、第四机械手、第二线轮、第二张力调节器及第二排线器；所述第三机械手的尾端与第二升降滑台机构的滑车相连接，所述第二线轮设置在第三机械手的执行端；所述第四机械手位于第三机械手下方，第四机械手的尾端与第二升降滑台机构的滑车相连接，所述第二张力调节器及第二排线器设置在第四机械手的执行端；所述第三机械手、第四机械手、第二张力调节器及第二排线器的信号控制端与plc控制器电连接。

11、一种万吨级双层环形梁超大旋臂式预应力线材缠绕方法，采用了所述的万吨级双层环形梁超大旋臂式预应力线材缠绕装置，包括如下步骤：

12、步骤一：将回转驱动机构安装到基坑中心处；在回转驱动机构四周完成双层环形梁主体结构的拼装；将悬臂梁安装到回转驱动机构上；在悬臂梁上完成斜拉钢索加强结构件和平衡配重结构件的安装；将第一垂臂通过第一水平滑台机构安装到悬臂梁一端，将第二悬臂通过第二水平滑台机构安装到悬臂梁另一端；将第一机械手和第二机械手通过第一升降滑台机构安装到第一垂臂上，将第三机械手和第四机械手通过第二升降滑台机构安装到第二悬臂上；将第一线轮安装到第一机械手上，将第一张力调节器及第一排线器安装到第二机械手上；将第二线轮安装到第三机械手上，将第二张力调节器和第二排线器安装到第四机械手上；

13、步骤二：对安装好的万吨级双层环形梁超大旋臂式预应力线材缠绕装置进行整体调试，确保回转驱动机构、第一水平滑台机构、第二水平滑台机构、第一升降滑台机构、第二升降滑台机构、第一机械手、第二机械手、第三机械手、第四机械手、第一张力调节器、第一排线器、第二张力调节器和第二排线器处于正常工作状态；

14、步骤三：从第一线轮上引出线材，将引出的线材依次接入第一张力调节器和第一排线器，然后从第一排线器引出并接入上层环形梁进行固定，从第二线轮上引出线材，将引出的线材依次接入第二张力调节器和第二排线器，然后从第二排线器引出并接入下层环形梁进行固定；

15、步骤四：通过plc控制器对第一张力调节器和第二张力调节器发出控制指令，通过第一张力调节器对接入上层环形梁的线材进行张紧，直到线材的张力值达到预设的预应力；通过第二张力调节器对接入下层环形梁的线材进行张紧，直到线材的张力值达到预设的预应力；

16、步骤五：通过plc控制器对回转驱动电机、第一升降滑台机构和第二升降滑台机构发出控制指令；回转驱动电机启动，依次通过减速器、回转驱动轴及回转支撑盘带动悬臂梁按照预设的转速转动；第一升降滑台机构启动，带动第一机械手和第二机械手按照预设的速度上升或下降，进而带动第一线轮、第一张力调节器及第一排线器同步上升或下降，实现上层环形梁的预应力线材螺旋缠绕；第二升降滑台机构启动，带动第三机械手和第四机械手按照预设的速度上升或下降，进而带动第二线轮、第二张力调节器和第二排线器同步上升或下降，实现下层环形梁的预应力线材螺旋缠绕；

17、步骤六：当预应力线材螺旋缠绕至最后一圈时，需要降速缠绕，直到最后一圈线材完成预应力缠绕后，还需要多缠绕出一段距离，并且在缠绕停止后继续保持线材的张紧状态，在张紧状态下由工作人员将多缠绕出的线材作为收头并固定到双层环形梁上，之后在收头处将多余的线材剪断并重新收回至第一线轮和第二线轮上；最后在缠绕好的线材表面涂刷油脂进行防腐处理；

18、步骤七：将第一线轮和第二线轮拆下，并更换为碳纤维轮盘；从位于第一机械手上的碳纤维轮盘上引出碳纤维，将引出的碳纤维接入第一排线器，然后从第一排线器引出并接入上层环形梁进行固定；从位于第三机械手上的碳纤维轮盘上引出碳纤维，将引出的碳纤维接入第二排线器，然后从第二排线器引出并接入下层环形梁进行固定；

19、步骤八：通过plc控制器对回转驱动电机、第一升降滑台机构和第二升降滑台机构发出控制指令；回转驱动电机启动，依次通过减速器、回转驱动轴7及回转支撑盘带动悬臂梁按照预设的转速转动；第一升降滑台机构启动，带动第一机械手和第二机械手按照预设的速度上升或下降，进而带动其上碳纤维轮盘和第一排线器同步上升或下降，实现上层环形梁的碳纤维螺旋缠绕；第二升降滑台机构启动，带动第三机械手和第四机械手按照预设的速度上升或下降，进而带动其上碳纤维轮盘和第二排线器同步上升或下降，实现下层环形梁的碳纤维螺旋缠绕；直到上层环形梁和下层环形梁完成最后一圈碳纤维后，将碳纤维收头并固定到双层环形梁上。

20、本发明的有益效果：

21、本发明的万吨级双层环形梁超大旋臂式预应力线材缠绕装置及方法，双层环形梁可直接在设施基坑内先行安装，旋臂式线材缠绕装置再与设施基坑内的双层环形梁配套安装，可实现上层环形梁和下层环形梁的同步线材缠绕，避免双层环形梁结构内的非协调变形，具有线材缠绕稳定性高、线材缠绕效率高的特点。

22、本发明通过在悬臂梁上方设置有斜拉钢索加强结构件和平衡配重结构件，可以保证线材缠绕时装置的稳定性和安全性；本发明通过张力调节器对线材预张紧可实现变张力缠绕，充分发挥线材的潜力，提高线材的缠绕强度；本发明的线轮与张力调节器和第一排线器采用上下两排安装结构，有效简化了线轮的更换；本发明通过在缠绕好的线材基础上，增加了涂油防腐措施，并在最外层另行缠绕了一层高强度、高耐磨性、低密度的碳纤维，通过缠绕的碳纤维不仅提高了水平框架的整体强度，而且有效延长了水平框架的使用年限。