4000 t環(huán)軌臂架起重機(jī)

郝建光

(太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西030024)

減少自然因素影響、降低制造運(yùn)輸成本是企業(yè)的追求。模塊化設(shè)計(jì)、制造技術(shù)使他成為現(xiàn)實(shí)。以模塊方式在工廠組裝、以成品形式運(yùn)到工地，在保證產(chǎn)品質(zhì)量前提下，達(dá)到節(jié)約時(shí)間、資金的目的，也避免了因大風(fēng)、天氣等不利因素延誤設(shè)備制造及室外安裝任務(wù)的情況。石油、化工、核電設(shè)備模塊化、大型化使單個(gè)吊裝件的重量和高度越來越大，石化反應(yīng)器分餾塔如惠州煉化二期的丙烯精餾塔直徑為8.8 m，高120.35 m，吊裝重量為2550.6 t，采用3600 t液壓頂升裝置主吊，750 t履帶吊溜尾遞送完成安裝。在第三代核電AP1000工程中，三門核電使用美國(guó)Lampson公司的TRANSI-LIFT LTL-2600B型2600 t大型履帶起重機(jī)做主吊，極限起重力矩為804.5 MN·m；海陽(yáng)核電使用德國(guó)特雷克斯德馬格的CC8800-1 TWIN型3200 t雙臂履帶起重機(jī)做主吊，極限起重力矩為439 MN·m。這兩部大型履帶起重機(jī)均能夠完成AP1000核電所有大件的吊裝工作，是目前國(guó)內(nèi)所用的最大規(guī)格的吊裝設(shè)備。前后履帶車結(jié)構(gòu)是大型履帶起重機(jī)常用的結(jié)構(gòu)；前車采用箱型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)，將主起升、主變幅卷?yè)P(yáng)置于轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)，采用回轉(zhuǎn)支承加環(huán)軌的回轉(zhuǎn)方式，后車為超起配重履帶車，中間用連桿相連，通過后車行走、前車協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)同步回轉(zhuǎn)。前車轉(zhuǎn)臺(tái)受主變幅力和起升繩力，轉(zhuǎn)臺(tái)尾部與超起配重履帶車之間用連接梁連接，連接剛度小，轉(zhuǎn)臺(tái)尾部受彎矩大，受轉(zhuǎn)臺(tái)寬度尺寸限制，各機(jī)構(gòu)布置緊湊、維修保養(yǎng)空間小。前后車配合操作，回轉(zhuǎn)同步性差、平穩(wěn)性、側(cè)向抗傾覆穩(wěn)定性差、操作難度大、接地比壓大等，這些都是履帶起重機(jī)的不足，履帶起重機(jī)越大型化，這種缺點(diǎn)越明顯，以致到目前為止，更大型的履帶起重機(jī)再未出現(xiàn)，目前，最大起重力矩為804.5 MN·m。

環(huán)軌臂架起重機(jī)是一種新型起重機(jī)，它吸取了桅桿式起重機(jī)和有軌輪式起重機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有實(shí)用性好、拆裝方便、安全可靠、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在核電模塊、石油化工靜置塔類設(shè)備及在超長(zhǎng)、超重、吊裝半徑大的工況，有不可替代的作用。它由雙臂架、起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、超起機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)組成，主要特征是臂架、機(jī)構(gòu)和超起配重在同一轉(zhuǎn)臺(tái)上，整機(jī)位于環(huán)軌上，采用車輪回轉(zhuǎn)方式，360°回轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)半徑大、整機(jī)穩(wěn)定性好、抗側(cè)傾能力強(qiáng)、接地比壓小、不高于30 t/m2，與同等級(jí)履帶起重機(jī)的100 t/m2的最大接地比壓相比，對(duì)地基要求低，具有良好的抗風(fēng)能力，集裝箱裝砂做配重利于就地取材，降低成本。典型的產(chǎn)品有比利時(shí)Sarens公司的SGC-120，擁有1200 MN·m 的起重力矩；荷蘭Mammoet公司的MSG80、PTC140-DS、PTC140-DS，對(duì)應(yīng)最大起重力矩為752 MN·m、1358 MN·m、1856 MN·m；此外英國(guó)ALE公司，美國(guó)Bigge公司也有類似產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)尚無同類產(chǎn)品。

軌道變換技術(shù)、多卷?yè)P(yáng)同步控制技術(shù)、卷筒多層纏繞技術(shù)、平臺(tái)模塊化拆裝技術(shù)、路基箱模塊化設(shè)計(jì)與步進(jìn)式鋪設(shè)技術(shù)是環(huán)軌臂架起重機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。履帶起重機(jī)、冶金起重機(jī)、水電站橋式、門式起重機(jī)、核電站環(huán)軌式起重機(jī)、高鐵動(dòng)車輪都是太原重工的傳統(tǒng)產(chǎn)品，在核電站環(huán)形軌道，水電站門機(jī)的弧形和直線軌道上都有太重起重機(jī)在運(yùn)行，如龍羊峽水電站的門機(jī)、田灣核電環(huán)形起重機(jī)等。為滿足市場(chǎng)需求，公司開發(fā)了4000 t環(huán)軌臂架起重機(jī)，在結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、液壓、電控設(shè)計(jì)中采用公司成熟技術(shù)，保證產(chǎn)品使用性能。

1 主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)備主要性能參數(shù)見表1。

表1 4000 t環(huán)軌臂架起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of 4000 t cantilever crane with circular track

2 主要功能及組成

4000 t環(huán)軌臂架起重機(jī)是一種超大型臂架類起重機(jī)，由主臂和固臂構(gòu)成。圖1是固定副臂示意圖，由臂架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、配重系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)六大部分組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力合理，具有起重力矩大，接地比壓小，對(duì)地面要求低的特點(diǎn)；行走系統(tǒng)包括行走機(jī)構(gòu)、變軌裝置、路基箱軌道裝置；通過變軌裝置對(duì)車輪進(jìn)行調(diào)整，保證起重機(jī)在環(huán)形軌道工作和直行軌道轉(zhuǎn)場(chǎng)的要求；路基箱軌道裝置和轉(zhuǎn)臺(tái)上的路基箱提升裝置為可選項(xiàng)，配套使用。4000 t環(huán)軌臂架起重機(jī)的臂架、轉(zhuǎn)臺(tái)、行走系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上與履帶起重機(jī)完全不同，結(jié)構(gòu)特殊。

圖1 固定副臂示意圖Figure 1 Sketch of fixed secondary arm

2.1 臂架系統(tǒng)

主臂為A型主臂，在84 m主臂時(shí)配雙臂頭，92 m主臂配單臂頭。主臂頂節(jié)與副臂架為等截面，臂頭可通用。臂架采用桁架結(jié)構(gòu)。臂架端部和根部用鋼板加強(qiáng)，保證載荷傳遞。臂節(jié)間通過銷軸連接，保證臂節(jié)的互換性。臂架變幅拉板用高強(qiáng)鋼板制造，其長(zhǎng)度組合與臂架組合匹配，不同臂長(zhǎng)配相應(yīng)長(zhǎng)度的拉板。A型架由前撐桿、后拉桿、變幅滑輪組等組成，后拉板采用拉桿結(jié)構(gòu)，輔以橫梁、定滑輪組構(gòu)成整體，底部通過銷軸與車架結(jié)構(gòu)連為一體，前部撐桿的下部鉸接點(diǎn)在前部車輪支承鉸軸附近，后拉桿的下部鉸接點(diǎn)在后部車輪支承鉸軸附近，通過轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成三角形，整個(gè)結(jié)構(gòu)受力合理。

2.2 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)、起升和變幅卷?yè)P(yáng)、司機(jī)室、動(dòng)力單元、電控裝置等。轉(zhuǎn)臺(tái)主要由前后左右4根箱型主梁構(gòu)成，通過連接輔梁、配重承載輔梁組成整體。前后主梁下部為行走機(jī)構(gòu)，四角是行走機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的連接孔。配重承載梁、機(jī)構(gòu)承載梁、動(dòng)力單元承載梁與主梁之間通過彈性圓柱銷定位，兩端大墊圈中間配螺栓連接。梁間設(shè)斜拉桿減小結(jié)構(gòu)，受側(cè)載及變軌過程中的變形，轉(zhuǎn)臺(tái)上部除主臂、A型架前部撐桿和尾部拉桿連接孔外，起升、變幅機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)臺(tái)均采用銷軸連接，轉(zhuǎn)臺(tái)上部和側(cè)部設(shè)走臺(tái)，方便動(dòng)力單元、電控設(shè)備和司機(jī)室裝置的擺放和機(jī)構(gòu)的保養(yǎng)和檢修。前后主梁下方有行走機(jī)構(gòu)變軌裝置的油缸連接孔，安裝車輪變軌裝置。平臺(tái)內(nèi)部有路基箱提升裝置，在進(jìn)行直線行走時(shí)，先將位于轉(zhuǎn)臺(tái)下方的環(huán)狀路基箱軌道模塊直接提起，隨轉(zhuǎn)臺(tái)同步行走，待步進(jìn)到下一個(gè)工作位置時(shí)落地，重新構(gòu)成環(huán)形軌道。

2.3 行走系統(tǒng)

行走機(jī)構(gòu)由96個(gè)車輪組成，通過24套三合一減速機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行走。由于在雙環(huán)軌狀態(tài)和直軌狀態(tài)內(nèi)圈車輪轉(zhuǎn)速不同，在從動(dòng)車輪上設(shè)編碼器，采用變頻控制，實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。起重機(jī)軌道工作時(shí)為雙環(huán)軌，轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)為四直軌形式。為滿足在兩種不同形狀軌道上行走，需要對(duì)車輪平衡臂架逐級(jí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整，使車輪滿足在直線軌道或環(huán)形軌道行走的要求，即實(shí)現(xiàn)變軌。變軌時(shí)，先采用裝置中的頂升油缸，將平臺(tái)由支承的四點(diǎn)同步頂升，同步精度可達(dá)毫米級(jí)，在輪緣高出軌面達(dá)到要求距離后，再通過變軌裝置中的水平調(diào)節(jié)油缸將車輪平衡臂逐級(jí)調(diào)整到位。行走機(jī)構(gòu)可滿足鋪軌式或承軌式兩種不同軌道形式。鋪軌式是指軌道直接鋪設(shè)在地面，可選軌面與地面平齊的鋪軌形式，不影響其他車輛通行；承軌式是指采用路基箱承軌梁軌道模塊，由模塊組合構(gòu)成軌道，通過平臺(tái)內(nèi)部的路基箱提升裝置，利用汽車吊、轉(zhuǎn)運(yùn)車實(shí)現(xiàn)路基箱步進(jìn)式鋪設(shè)，在不同工位間轉(zhuǎn)場(chǎng)和工作的形式。前者設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要地面鋪設(shè)軌道；后者相對(duì)復(fù)雜、重量大，但地面處理成本低。

3 動(dòng)力液壓系統(tǒng)

設(shè)備采用兩套完全相同的動(dòng)力單元為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，通過合流，在一套動(dòng)力單元故障時(shí)，另一套可為系統(tǒng)提供動(dòng)力，保證機(jī)構(gòu)半速運(yùn)行。液壓控制采用開式系統(tǒng)，由多路比例換向閥實(shí)現(xiàn)對(duì)馬達(dá)的控制。主泵采用力士樂開式軸向柱塞泵，帶壓力切斷功能，電比例控制實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，具有良好的微動(dòng)性；機(jī)構(gòu)采用液壓變量馬達(dá)，輕載時(shí)可自動(dòng)調(diào)節(jié)馬達(dá)排量，提高運(yùn)行速度。

變軌裝置有獨(dú)立的泵站，工作壓力為70 MPa，向頂升油缸和車輪平衡臂轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)油缸提供動(dòng)力，泵站采用行走機(jī)構(gòu)發(fā)電機(jī)+發(fā)電機(jī)提供的電源。系統(tǒng)運(yùn)行及精度控制由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)PLC來實(shí)現(xiàn)。

4 電控系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)包括電液比例控制系統(tǒng)、變頻行走控制系統(tǒng)、力矩限制器系統(tǒng)及無線遙控、視頻監(jiān)視等輔助系統(tǒng)。電液比例控制系統(tǒng)采用PLC控制，用于行走機(jī)構(gòu)之外各機(jī)構(gòu)的操作。它包含了壓力傳感器、液位傳感器、角度傳感器、編碼器、接近開關(guān)、卷?yè)P(yáng)防過放保護(hù)、高度限位等高精度檢測(cè)元件及比例閥、開關(guān)閥、繼電器等執(zhí)行元件?？刂剖直惺鼓馨粹o，操作時(shí)先按下使能按鈕，再推動(dòng)手柄操作才有效。手柄上設(shè)有最高速度調(diào)節(jié)開關(guān)，可將最高速度設(shè)置為額定速度的20%、40%、60%、80%和100%，便于機(jī)構(gòu)的微動(dòng)操作。行走機(jī)構(gòu)采用變頻控制實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，可長(zhǎng)時(shí)間低速穩(wěn)定運(yùn)行，每臺(tái)電機(jī)都帶有熱過載保護(hù)，通過從動(dòng)車輪上的絕對(duì)值編碼器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，對(duì)環(huán)軌狀態(tài)回轉(zhuǎn)角度、直行狀態(tài)行走距離進(jìn)行精確控制。力矩限制系統(tǒng)可保證作業(yè)安全、避免超載，是起重機(jī)最主要的安全保護(hù)裝置。通過各種傳感器，可實(shí)時(shí)提供吊臂長(zhǎng)度、吊臂角度、工作高度、工作幅度、額定起重量和實(shí)際起重量等方面的信息，在超出允許的安全范圍時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，控制系統(tǒng)即切除相關(guān)機(jī)構(gòu)危險(xiǎn)方向的動(dòng)作。設(shè)備配置遙控器可實(shí)現(xiàn)無線遙控，方便拆裝和整機(jī)操作。視頻監(jiān)視系統(tǒng)可在司機(jī)室對(duì)吊點(diǎn)、卷?yè)P(yáng)、行走等關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，為設(shè)備可靠運(yùn)行提供保證。

5 結(jié)論

在4000 t環(huán)軌臂架起重機(jī)開發(fā)過程中與中廣核專家進(jìn)行了對(duì)接，滿足目前AP1000所有模塊的吊裝及站位要求，設(shè)備采用雙環(huán)軌工作、四直軌轉(zhuǎn)場(chǎng)模式，滿足現(xiàn)有廠房道路設(shè)計(jì)不變的前提。4000 t環(huán)軌臂架起重機(jī)與同級(jí)別履帶起重機(jī)相比，具有穩(wěn)定性好，抗風(fēng)能力強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，有“一種環(huán)軌直軌兩用起重機(jī)”發(fā)明專利，他的開發(fā)為核電、化工、鉆井平臺(tái)等大型設(shè)備吊裝提供了新的選擇。