豎井門式起重機(jī)制造關(guān)鍵技術(shù)分析

李 翔，趙敬云，劉傳賀

（1. 新鄉(xiāng)市起重設(shè)備廠有限責(zé)任公司，河南 新鄉(xiāng) 453000；2. 河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

豎井門式起重機(jī)制造關(guān)鍵技術(shù)分析

李 翔1，趙敬云2，劉傳賀1

（1. 新鄉(xiāng)市起重設(shè)備廠有限責(zé)任公司，河南 新鄉(xiāng) 453000；2. 河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

針對(duì)水電站深大豎井建設(shè)中所使用的傳統(tǒng)提升設(shè)備進(jìn)行了分析，指出傳統(tǒng)設(shè)備使用和功能上的諸多缺點(diǎn)。詳細(xì)論述了豎井門式起重機(jī)制造過(guò)程中所采用的多種關(guān)鍵技術(shù)，試用表明豎井門式起重機(jī)樣機(jī)能夠滿足深大豎井建設(shè)工況要求，在安全和提升工作效率方面有著突出優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景。

豎井門式起重機(jī)；冗余繩系；抗旋轉(zhuǎn)；載人吊籠

1 概述

許多水電站“地下廠房”，包括發(fā)電和引水系統(tǒng)，都建設(shè)在左右兩岸的山體內(nèi)。根據(jù)設(shè)計(jì)需要以及各區(qū)域所開(kāi)挖空間功能性的要求，需要建設(shè)一些豎直方向的井洞連通各空間或通向地面。井洞具有豎直、深度深、大直徑的特點(diǎn)，一般稱之為深大豎井，直徑由幾米到幾十米不等，深度由幾十米到幾百米不等，從功能上大致分為引水壓力豎井、出線豎井、通風(fēng)豎井和調(diào)壓豎井等。

在豎井建設(shè)過(guò)程中，從開(kāi)挖到支護(hù)，以及井內(nèi)設(shè)備、材料、工器具的吊運(yùn)都需要提升設(shè)備來(lái)完成。在傳統(tǒng)的豎井建設(shè)過(guò)程中，大多采用多臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)配合完成提升動(dòng)作，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)豎井提升設(shè)備工作原理示意圖

在豎井旁，分別布置三臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)，卷?yè)P(yáng)機(jī)均固定在地面，鋼絲繩通過(guò)固定在井架上方的天輪向下進(jìn)入井內(nèi)，其中同一個(gè)軸線上布置的兩臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)同步工作完成物品的吊運(yùn)，另一臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)獨(dú)立完成載人工作。此種方式在使用過(guò)程中有以下缺點(diǎn)：（1）設(shè)備整體不具備移動(dòng)功能，不能對(duì)地面物件進(jìn)行搬運(yùn)或完成對(duì)汽運(yùn)物資的裝卸。（2）用于載物的兩個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)同步難度大，吊具容易發(fā)生傾斜，存在安全隱患。（3）載人機(jī)構(gòu)采用單繩提升載人吊籠方式，安全性差。（4）井口架設(shè)井架及安裝固定井架用的斜拉鋼絲繩阻礙地面交通并降低了場(chǎng)地利用率。（5）載人吊籠和載物吊具在進(jìn)口直徑范圍內(nèi)位置固定，對(duì)其他需要作業(yè)的區(qū)域兼顧不到，增加了施工難度。

基于以上原因，需要在深大豎井建設(shè)過(guò)程中設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種安全高效的提升設(shè)備，來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)卷?yè)P(yáng)設(shè)備的諸多缺點(diǎn)。

2 豎井門式起重機(jī)

豎井門式起重機(jī)整體采用門式結(jié)構(gòu)，提升系統(tǒng)包括載人和載物兩個(gè)獨(dú)立小車，載人吊籠和載物吊具可通過(guò)小車及起重機(jī)運(yùn)行完成X、Y、Z三個(gè)方向的位置移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)豎井內(nèi)任意空間位置的吊裝作業(yè)。起重機(jī)軌道與地面平齊不阻礙地面車輛通行，方便地面物件搬運(yùn)或汽運(yùn)物資的裝卸，同時(shí)不需架設(shè)井架，提高了場(chǎng)地利用率。如圖2所示。

圖2 豎井門式起重機(jī)整體布置圖

3 豎井門式起重機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)分析

豎井門式起重機(jī)適用于各類豎井建設(shè)過(guò)程中的實(shí)際工況，諸多關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)了安全高效，如下所述。

3.1 PLC冗余控制

PLC冗余控制采用了兩套PLC系統(tǒng)，一套作為主控系統(tǒng)，另一套作為監(jiān)控系統(tǒng)。每套PLC系統(tǒng)都帶有獨(dú)立的位置檢測(cè)元件。正常工作時(shí)，兩套PLC系統(tǒng)同時(shí)投入運(yùn)行，相互冗余，當(dāng)任意一套PLC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，另一套PLC系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)“無(wú)縫對(duì)接”，無(wú)時(shí)間間隔立即投入使用，不會(huì)對(duì)電控系統(tǒng)帶來(lái)任何影響。這種“安全回路雙線制”控制與保護(hù)技術(shù)，提高了豎井門式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的可靠性及安全性。

為了確保兩套PLC系統(tǒng)能同步工作，在主控系統(tǒng)的PLC內(nèi)對(duì)兩套PLC系統(tǒng)所采集的位置信號(hào)和速度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，如偏差超出設(shè)定范圍值就立即報(bào)警停車，工作人員可及時(shí)通過(guò)HMI界面提示信息內(nèi)容進(jìn)行糾偏或問(wèn)題處理。

3.2 冗余繩系

載人起升機(jī)構(gòu)采用雙卷筒同步卷?yè)P(yáng)設(shè)計(jì)，每個(gè)卷筒及在其上纏繞的兩根鋼絲繩與載人吊籠的四個(gè)滑輪分別形成一個(gè)繩系，共形成兩個(gè)繩系。即主繩系和副繩系。主繩系為工作繩系，始終保持受力拉緊狀態(tài)；副繩系為跟隨繩系，一般情況下始終保持不受力的跟隨狀態(tài)，在主繩系出現(xiàn)故障時(shí)副繩系能立即投入使用，且能獨(dú)立運(yùn)行，確保吊籠升降安全。

圖3 主、副繩系及鋼絲繩纏繞示意圖

3.3 吊具防旋轉(zhuǎn)控制

對(duì)于普通吊鉤組，在下降深度或起升高度超過(guò)40多米時(shí)，極容易出現(xiàn)吊具的整體旋轉(zhuǎn)和鋼絲繩打絞問(wèn)題，一旦出現(xiàn)此問(wèn)題起升機(jī)構(gòu)就無(wú)法完成升降動(dòng)作，只能截?cái)噤摻z繩。如處理不適當(dāng)極易危及人身和財(cái)產(chǎn)安全。

豎井門式起重機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了這一使用工況，并采用了創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念：（1）采用抗旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)鋼絲繩，減少鋼絲繩在升降過(guò)程中內(nèi)部旋轉(zhuǎn)應(yīng)力的產(chǎn)生，避免因鋼絲繩旋轉(zhuǎn)應(yīng)力對(duì)吊具的整體水平旋轉(zhuǎn)力產(chǎn)生影響。（2）采用左右旋向的雙聯(lián)卷筒，每聯(lián)卷筒上纏繞的鋼絲繩旋向與另一聯(lián)旋向相反，減少了鋼絲繩內(nèi)部旋轉(zhuǎn)應(yīng)力的產(chǎn)生，確保了吊具整體水平方向旋轉(zhuǎn)力平衡、不打轉(zhuǎn)。（3）在起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩的平衡裝置上設(shè)置有鋼絲繩內(nèi)部旋轉(zhuǎn)應(yīng)力釋放裝置，能有效釋放鋼絲繩升降過(guò)程中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力，消除了引起吊具整體旋轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定因素。（4）吊具和載人吊籠整體采用多滑輪、多根鋼絲繩、大布置尺寸的防旋轉(zhuǎn)特殊設(shè)計(jì)，增大了防止吊鉤組整體旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑和驅(qū)使吊鉤整體旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，減小了因外力或鋼絲繩內(nèi)部旋轉(zhuǎn)應(yīng)力對(duì)整個(gè)吊具的旋轉(zhuǎn)影響。

3.4 高安全性載人吊籠

載人機(jī)構(gòu)采用新型雙繩系吊籠，吊籠內(nèi)部空間大，正常工作時(shí)可以坐乘10人同時(shí)升降作業(yè)。如圖4所示。

吊籠上方設(shè)置八個(gè)滑輪，周邊四個(gè)滑輪為主繩系使用，且為固定式；內(nèi)部四個(gè)滑輪為副繩系使用，滑輪為游動(dòng)式，可在垂直方向有一定移動(dòng)量。每個(gè)繩系的4個(gè)滑輪均呈“口”字形布置，且分布在吊籠的四角，確保了在載物或載人時(shí)吊籠的重心不在吊籠的中心情況下，吊籠整體不會(huì)發(fā)生傾斜。副繩系的四個(gè)滑輪均可上下移動(dòng)，移動(dòng)距離大于因兩繩系不同步帶來(lái)的高度差尺寸數(shù)值。在主繩系鋼絲繩斷裂時(shí)副繩系滑輪能支持整個(gè)吊籠，副繩系4個(gè)游動(dòng)滑輪的下方裝有緩沖彈簧，可以減輕主繩系鋼絲繩斷裂時(shí)帶來(lái)的沖擊。穩(wěn)繩固定裝置布置在吊籠兩側(cè)上下位置，使吊籠上下運(yùn)行過(guò)程更加平穩(wěn)。

圖4 雙繩系載人吊籠

3.5 四吊點(diǎn)防旋轉(zhuǎn)平衡吊具

載物小車較為重要的作用之一就是挖機(jī)的吊運(yùn)，在吊運(yùn)挖機(jī)時(shí)需保證挖機(jī)吊運(yùn)和起吊下井過(guò)程中挖機(jī)整體不打轉(zhuǎn)，重心不偏斜，起吊和落地沖擊小。這就要求在設(shè)計(jì)吊具時(shí)必須解決超高卷?yè)P(yáng)時(shí)吊具整體旋轉(zhuǎn)和鋼絲繩打絞問(wèn)題，吊運(yùn)過(guò)程吊具需具有自動(dòng)調(diào)平功能和在電氣控制上采用變頻控制技術(shù)。

在吊具結(jié)構(gòu)上采用四繩四吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式，每個(gè)吊點(diǎn)均配有鋼絲繩應(yīng)力釋放器，四根鋼絲繩兩兩采用一個(gè)平衡臂連接，兩個(gè)平衡臂與梁體鉸接，可通過(guò)梁體進(jìn)行平衡。四個(gè)吊點(diǎn)布置結(jié)構(gòu)采用大布置尺寸，拉開(kāi)吊點(diǎn)之間的距離，增大了吊具抗旋轉(zhuǎn)半徑，減少了外力和鋼絲繩內(nèi)部旋轉(zhuǎn)應(yīng)力對(duì)吊具整體旋轉(zhuǎn)的影響，吊具各部件之間采用鉸接方式連接，具備空間三個(gè)方向的平衡調(diào)節(jié)能力，同時(shí)也具備四根鋼絲繩不同步時(shí)的調(diào)平功能。

圖5 四吊點(diǎn)防旋轉(zhuǎn)平衡吊具

3.6 傳動(dòng)鏈安全監(jiān)控

在兩起升機(jī)構(gòu)高速軸的電機(jī)尾部軸端和卷筒尾部軸端均安裝有絕對(duì)值型編碼器，兩個(gè)編碼器將采集的信號(hào)傳遞給PLC程序，PLC按照設(shè)定的程序?qū)蓚€(gè)編碼器反饋的脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算并對(duì)比，當(dāng)計(jì)算結(jié)果不在設(shè)定的范圍之內(nèi)時(shí)，PLC會(huì)輸出信號(hào)給安裝在起升機(jī)構(gòu)低速軸卷筒尾部的安全制動(dòng)器控制元件，使之執(zhí)行抱閘動(dòng)作。此功能可以保證在起升機(jī)構(gòu)從高速級(jí)的電機(jī)軸起始，經(jīng)電機(jī)軸聯(lián)軸器、浮動(dòng)軸、減速機(jī)聯(lián)軸器、減速機(jī)高速軸、減速機(jī)中間傳動(dòng)軸、減速機(jī)低速軸、卷筒與減速機(jī)連接部件之間任意部件失效時(shí)，卷筒尾部的安全制動(dòng)器執(zhí)行抱閘動(dòng)作，確保起升機(jī)構(gòu)吊鉤或吊具不墜落，此功能是起升機(jī)構(gòu)失效時(shí)的一項(xiàng)重要的安全保護(hù)措施。

3.7 深井無(wú)線通訊和信號(hào)傳輸，位置自動(dòng)跟蹤

水電站豎井深度數(shù)值大多在100米以上，井壁凹凸不平，且周邊布置有密集的鋼錨，這樣一個(gè)細(xì)深豎直的狹長(zhǎng)通道會(huì)影響無(wú)線信號(hào)的傳輸質(zhì)量，無(wú)線信號(hào)一般傳輸不超過(guò)100米就會(huì)出現(xiàn)大幅衰減，甚至通訊功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

為實(shí)現(xiàn)深井無(wú)線信號(hào)的傳輸功能，在豎井井壁上增加一個(gè)或多個(gè)基站，加強(qiáng)放大傳輸信號(hào)，通過(guò)接力式的信號(hào)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳輸?shù)倪B續(xù)性并保證了信號(hào)的傳輸質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了在載人吊籠內(nèi)的無(wú)線通訊和無(wú)線信號(hào)傳輸功能。人員在吊籠內(nèi)可實(shí)現(xiàn)在豎井全深度行程內(nèi)對(duì)起升機(jī)構(gòu)的控制，并保持與操作人員之間的通訊。在載人吊籠不同方位安裝有攝像頭，操作人員在司機(jī)室里通過(guò)顯示屏可以直接觀測(cè)到載人吊籠全方位多畫(huà)面的實(shí)時(shí)視頻，實(shí)現(xiàn)了視頻畫(huà)面對(duì)載人吊籠的實(shí)時(shí)全面跟蹤。通過(guò)HMI界面輸入所要到達(dá)的位置數(shù)值，在吊具和載人吊籠達(dá)到預(yù)定位置之前，機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)設(shè)定程序提前自動(dòng)減速，并在達(dá)到設(shè)定位置時(shí)精確定點(diǎn)停車，實(shí)現(xiàn)對(duì)吊鉤或載人吊籠的自動(dòng)定位功能。吊籠內(nèi)還設(shè)置有急停按鈕，在出現(xiàn)故障或險(xiǎn)情的情況下，在吊籠內(nèi)部通過(guò)急停按鈕控制起升機(jī)構(gòu)動(dòng)力電源，提高了吊籠載人的安全和可靠性。

4 結(jié)論

隨著作為綠色能源的水電資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，以及中國(guó)對(duì)外水電項(xiàng)目的逐漸增多，豎井門式起重機(jī)的市場(chǎng)將逐步擴(kuò)大，而且使用范圍已經(jīng)向水利、采礦和地鐵等不同的行業(yè)延伸。豎井門式起重機(jī)設(shè)計(jì)有相對(duì)獨(dú)立的載人設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了載人和載物的雙重功能，在性能上不僅滿足了各類深大豎井建設(shè)過(guò)程中實(shí)際工況的使用要求，而且諸多關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)了安全高效。設(shè)備為深大豎井的建設(shè)施工提供了新技術(shù)、新裝備，先后在水電八局、葛洲壩集團(tuán)公司、水電九局、水電四局等工程單位，以及重大國(guó)防建設(shè)項(xiàng)目中使用，并創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的應(yīng)用前景，為國(guó)家的水利水電及國(guó)防建設(shè)做出了一定的貢獻(xiàn)。

（責(zé)任編輯 王 磊）

[1] 張清.水利施工豎井卷?yè)P(yáng)機(jī)提升系統(tǒng)事故分析[J].安全，2013(3):12-15.

[2] 全國(guó)起重機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》釋義與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[3] 張志文,王金諾,等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵路出版社,2011.

Analysis of Key Technology in the M anufacture Gantry Shaft Crane

LI Xiang，et al
(Xinxiang Hoisting Equipment Factory Co., Ltd., Xinxiang 453000, China)

In this paper, the traditional hoisting equipment used in construction of deep and large shafts in hydropower stations was introduced and analyzed and its many shortcom ings in terms of using and functions were indicated. Multiple key techniques applied on the gantry shaft crane were introduced in detail from a professional standpoint. And, the outstanding advantages and good application prospects of gantry shaft crane in terms of safety and high hoisting operation efficiency while meeting requirements for different construction conditions of deep and large shafts were reflected.

Deep and Large Shaft; Gantry Shaft Crane; Redundant Rope System; Counter-Rotation; Manned Cage

TH 21

A

1008–2093(2017)02–0017–04

2017-01-23

新鄉(xiāng)市科技攻關(guān)項(xiàng)目“中型起重機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定技術(shù)研究”（13GY12）

李翔（1980―），男，河南商丘人，工程師，學(xué)士，主要從事起重機(jī)械設(shè)計(jì)研究。