KLDJ600型液壓提升式跨纜吊機(jī)的研制及應(yīng)用

劉 勛，劉民勝，金 倉，劉新華，舒宏生

(中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

懸索橋橋型由于自身結(jié)構(gòu)特點，具有強(qiáng)大的跨越能力，在基礎(chǔ)交通建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)外已經(jīng)開展主跨2 700～3 300 m懸索橋的技術(shù)研究與探索應(yīng)用[1]。跨纜吊機(jī)(又名纜載吊機(jī))是一種吊裝懸索橋加勁梁的大型專用設(shè)備，具有主纜承重強(qiáng)、起吊噸位大、機(jī)動靈活、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢。當(dāng)今主流的跨江、跨海懸索橋加勁梁架設(shè)多采用跨纜吊機(jī)進(jìn)行精確定位及安裝[2-5]。

本文以虎門二橋大沙水道橋為依托工程，其主跨為1 200 m，主纜直徑為852 mm；纜距為42.1 m，鋼箱梁寬度為49.7 m，最重吊裝梁段約350 t。經(jīng)分析，現(xiàn)有的跨纜吊機(jī)存在以下問題：由于跨度、構(gòu)造等限制，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已逐漸無法滿足寬幅、大噸位加勁梁的吊裝需求；吊機(jī)采用步履式行走機(jī)構(gòu)，平均行走速度為8 m·h-1，速度較慢；使用被動式儲索裝置，平均放索速度為28 m·h-1[6]，作業(yè)時間較長，施工效率較低。LZDJ5000纜載吊機(jī)采用的滾輪式行走機(jī)構(gòu)及液壓動力鋼絞線收放裝置具有一定的借鑒意義，但參數(shù)選擇不同會造成在實際應(yīng)用中效果有較大差異。因此，為滿足虎門二橋施工需求，并適應(yīng)寬幅、大跨度懸索橋建設(shè)的發(fā)展趨勢，本文從提高起吊能力、優(yōu)化結(jié)構(gòu)功能和提升施工效率等方面來重點考慮，研制新型的600 t級跨纜吊機(jī)。

1 跨纜吊機(jī)設(shè)計

KLDJ600型跨纜吊機(jī)主要由模塊化主桁架、2套纜上支撐及行走機(jī)構(gòu)、2套主提升千斤頂系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、2套吊機(jī)牽引千斤頂系統(tǒng)以及加勁梁吊具等組成?？缋|吊機(jī)總體結(jié)構(gòu)見圖1，主要性能參數(shù)見表1。

圖1 跨纜吊機(jī)總體結(jié)構(gòu)

表1 跨纜吊機(jī)主要性能參數(shù)

1.1 主桁架設(shè)計

主桁架是提梁作業(yè)時吊機(jī)承受彎矩的主要結(jié)構(gòu)，也是安裝起吊系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)以及人員作業(yè)的工作平臺。主桁架采用模塊化設(shè)計，分為7個節(jié)段，每個節(jié)段之間通過銷軸連接，可快速裝配形成整體；后期通過改制中間節(jié)段長度可滿足不同纜距懸索橋加勁梁的吊裝要求。節(jié)段間各桿件均采用螺栓連接，拆解后方便運輸。與KLD3700跨纜吊機(jī)主桁架節(jié)段之間采用高強(qiáng)螺栓組連接的方式相比，銷軸連接裝拆更方便且節(jié)段更容易改制。

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》(GB/T 3811—2008)的規(guī)定，在無風(fēng)工作、有風(fēng)工作及非工作狀態(tài)下，針對跨纜吊機(jī)垂直提升、偏載施工(偏載系數(shù)取1.05)和蕩移施工等多種工況，采用許用應(yīng)力設(shè)計法，通過有限元分析軟件，分別對主桁架、行走機(jī)構(gòu)、起吊系統(tǒng)等進(jìn)行了理論計算[7-9]。主桁架在額定吊重工況下的有限元計算結(jié)果見圖2，組合應(yīng)力最大為192 MPa，小于Q345鋼材的許用應(yīng)力；跨中變形為80.5 mm，小于允許變形量84.2 mm(其中跨距為42.1 m)。

圖2 主桁架有限元分析結(jié)果

1.2 纜上支撐及行走機(jī)構(gòu)設(shè)計

支撐及行走機(jī)構(gòu)用于實現(xiàn)跨纜吊機(jī)在主纜上移動、定位和支撐固定，主要由行走機(jī)構(gòu)箱體、牽引千斤頂及支架、4組荷載轉(zhuǎn)移油缸及滾輪、3組固定抱箍等組成。吊梁時固定抱箍鎖定在主纜上，端面與永久索夾頂緊，如圖3(a)所示。行走時吊機(jī)空載，解除固定抱箍的螺栓連接，采用牽引千斤頂進(jìn)行牽引；行走方式為滾輪式[10-11]，通過荷載轉(zhuǎn)移油缸驅(qū)動滾輪交替起落實現(xiàn)跨越索夾的功能，如圖3(b)所示。滾輪相互間距設(shè)置為3.4 m，保證跨越最大索夾尺寸為3 m×0.3 m。

與KLD3700型跨纜吊機(jī)采用步履式行走機(jī)構(gòu)(圖4)相比，滾輪式行走機(jī)構(gòu)降低了吊機(jī)的結(jié)構(gòu)重心，更加安全穩(wěn)定；纜上平均行走速度也有所增加，提高了施工效率。

圖4 步履式行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)箱體在額定吊重工況下的有限元計算結(jié)果見圖5，組合應(yīng)力最大為213 MPa，小于Q345鋼材的許用應(yīng)力，變形量很小，最大變形量為3 mm[12]。

圖5 行走機(jī)構(gòu)箱體有限元分析結(jié)果

1.3 液壓起吊提升系統(tǒng)設(shè)計

液壓起吊提升系統(tǒng)用以實現(xiàn)加勁梁的吊裝功能，由294 t連續(xù)提升千斤頂、19×Φ18 mm鋼絞線、鋼絞線導(dǎo)向架和主動卷線盤等組成，是跨纜吊機(jī)的核心工作部分[13]，如圖6所示。采用抗拉強(qiáng)度1 700 MPa的模拔鋼絞線，相比于其他鋼絞線，其結(jié)構(gòu)更加密實，表層更加適合錨具抓握。鋼絞線安全系數(shù)不小于2.5。

圖6 液壓起吊提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

連續(xù)提升千斤頂由一個雙作用中空主油缸和2套錨組件構(gòu)成，錨組件一套安裝于主油缸底部，一套安裝于活塞桿頂部。當(dāng)活塞伸出，頂部錨組件自動地鎖緊鋼絞線，并且拉住鋼絞線穿過主油缸及底部的夾持組件。當(dāng)活塞在行程終點開始回縮時，底部錨組件鎖住鋼絞線，活塞完全回縮復(fù)位并開始下一個行程。重物下放操作時，載荷作用于上錨，活塞在完全伸出的位置，下錨保持打開。此時，鋼絞線可隨著活塞的回縮穿過下錨。在行程結(jié)束時，載荷轉(zhuǎn)移到下錨上，上錨保持打開，活塞再次伸出后進(jìn)行下一個下降行程。

主動卷線盤有2個功能：一是收納和儲存鋼絞線，提供恒定張力；二是作為鋼絞線卷揚機(jī)提升和下放扁擔(dān)梁吊具。其額定扭矩為231.8 kN·m，可容納鋼絞線5～19根，最大容繩量為275 m，平均提升速度為36 m·h-1，放線速度不小于80 m·h-1；與傳統(tǒng)的被動式儲索器相比，鋼絞線下放等輔助作業(yè)時間大大降低，占用航道時間減少，從而提高了綜合施工效率[14-15]。

1.4 動力系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)設(shè)計

跨纜吊機(jī)動力系統(tǒng)采用柴油發(fā)動機(jī)驅(qū)動液壓泵站設(shè)計，主要提供1個主加載液壓鋼絞線千斤頂、1個輔助行走液壓鋼絞線千斤頂、4個載荷轉(zhuǎn)移油缸、1個液壓卷揚機(jī)和1個主動卷線盤的液壓回路以及千斤頂雙作用缸的錨具液壓回路，實現(xiàn)加勁梁的提升及吊機(jī)在主纜上的行走；各液壓回路由獨立的閥組及相關(guān)元件完成對液壓油壓力的控制，互不干擾。泵站配備風(fēng)冷機(jī)、油箱電加熱器、蓄電池、電氣控制柜以及面板控制系統(tǒng)等。

輔助系統(tǒng)包括液壓卷揚機(jī)、照明和報警裝置以及安全裝置等，液壓卷揚機(jī)用于吊機(jī)維修保養(yǎng)時的輔助作業(yè)，如提吊柴油桶、小型工具等。

1.5 中央控制系統(tǒng)設(shè)計

中央控制系統(tǒng)主要用于控制吊機(jī)纜上行走及就位、加勁梁吊裝等全過程，監(jiān)測跨纜吊機(jī)上所有千斤頂系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、鋼絞線主動卷線盤、輔助液壓卷揚機(jī)等的工作狀態(tài)和操作過程，同時具有超載報警、超載自動停機(jī)、自動防誤操作等功能，是跨纜吊機(jī)的“指揮”機(jī)構(gòu)。通過設(shè)定提升高度，可以實現(xiàn)主提升千斤頂智能吊梁作業(yè)。

中央控制系統(tǒng)是基于工業(yè)自動化控制技術(shù)，集人機(jī)界面、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)于一體的多功能控制系統(tǒng)。其以泵站為單元，通過CAN 總線連接，對系統(tǒng)中的所有液壓執(zhí)行元件進(jìn)行實時集中控制[16]；采用激光精密測距和載荷偏差結(jié)合的同步控制技術(shù)，對千斤頂進(jìn)行預(yù)緊力和相對行程同步組合控制；設(shè)計了信號互鎖功能，確保安全；具有可靠性好、實時性高、在線監(jiān)測信息全面、控制系統(tǒng)維護(hù)方便、功能可擴(kuò)展性好等特點。

1.6 控制系統(tǒng)信息化設(shè)計

在跨纜吊機(jī)控制室內(nèi)配置一套操作運行狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，由1臺網(wǎng)絡(luò)型12路視頻服務(wù)器、12臺高清IP 網(wǎng)絡(luò)攝像頭、1臺高清顯示器組成，分別用于監(jiān)視上下夾片液壓缸、主提升液壓缸、加勁梁及吊具、主動卷線盤、動力模塊等，使操作人員對跨纜吊機(jī)運行工況一目了然，既可提高工作效率，又可保證設(shè)備安全運行。

根據(jù)需要，可在項目部和跨纜吊機(jī)控制系統(tǒng)之間建立無線通訊網(wǎng)絡(luò)，通過遠(yuǎn)程桌面監(jiān)控系統(tǒng)或者手機(jī)終端APP，實現(xiàn)跨纜吊機(jī)控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控(圖7)；通過建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實時采集跨纜吊機(jī)控制系統(tǒng)運行狀態(tài)，并記錄數(shù)據(jù)，經(jīng)過預(yù)定的數(shù)據(jù)處理，生成 “系統(tǒng)運行狀態(tài)報告”；甚至可在中心服務(wù)器建立跨纜吊機(jī)運行狀態(tài)仿真系統(tǒng)，通過調(diào)用實時數(shù)據(jù)記錄，在服務(wù)器上仿真追朔跨纜吊機(jī)吊裝運行過程。

圖7 手機(jī)APP實時視頻監(jiān)控

2 試驗系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)在地面上模擬跨纜吊機(jī)的吊裝、行走工況，對試驗系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。跨纜吊機(jī)試驗系統(tǒng)主要包括試驗架及試驗吊具兩部分，如圖8所示。

試驗架與跨纜吊機(jī)連接部分設(shè)計為半圓弧支撐結(jié)構(gòu)，同時半圓弧支撐與豎向支撐通過銷軸連接，模擬實際吊裝時主纜因受力發(fā)生扭轉(zhuǎn)的情形。試驗架一側(cè)設(shè)計為固定式，采用螺栓連接結(jié)構(gòu)，另一側(cè)設(shè)計為移動式，采用不銹鋼-聚四氟乙烯板滑動副結(jié)構(gòu)，最大限度模擬主纜橫橋向移位的情況；試驗架底部通過地腳螺栓與混凝土基礎(chǔ)錨固。

試驗吊具兩側(cè)采用鋼箱結(jié)構(gòu)形式，中間由200型加強(qiáng)弦桿貝雷桁架組合梁連接，節(jié)省材料，通用性強(qiáng)。靜載試驗時，纜載吊機(jī)下錨頭與試驗吊具上吊耳銷接，試驗架反力梁吊耳與試驗吊具下吊耳銷接，實現(xiàn)力的可靠傳遞。

圖8 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

跨纜吊機(jī)設(shè)計完成后，委托國內(nèi)專業(yè)起重機(jī)制造廠進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的加工。根據(jù)起重機(jī)制造相關(guān)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，參考鋼結(jié)構(gòu)制造驗收規(guī)范等，從原材料、機(jī)加、焊接、涂裝、試拼裝等方面作了技術(shù)要求，并對質(zhì)量檢驗、驗收、發(fā)貨等提出具體要求。制造過程中由專人駐場監(jiān)造，對質(zhì)量、進(jìn)度等進(jìn)行全程跟蹤，并在重要的節(jié)點組織相關(guān)人員進(jìn)行驗收，確保鋼結(jié)構(gòu)滿足國家規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計要求。

3 跨纜吊機(jī)荷載試驗

根據(jù)《起重機(jī)試驗規(guī)范和程序》(GB 5905—2011)制訂了《600 t級液壓提升式跨纜吊機(jī)試驗大綱》，主要分為空載行走試驗和加載試驗兩部分[17]。

空載行走試驗是在模擬主纜的自由長度上，通過行走機(jī)構(gòu)的動作實現(xiàn)吊機(jī)的整體移動，檢測整體結(jié)構(gòu)主要幾何尺寸、聯(lián)接件關(guān)聯(lián)狀況、整機(jī)頂升與行走狀況等是否滿足設(shè)計要求。

加載試驗時先對吊機(jī)進(jìn)行預(yù)加載，回復(fù)到空載狀態(tài)后，再按照額定荷載20%遞增(后兩級為115%、125%)，每增加一次荷載持續(xù)20 min，觀察構(gòu)件是否有變形、異響，穩(wěn)定后記錄各數(shù)據(jù)，直至加載至額定荷載的125%。在吊機(jī)及試驗吊具的相關(guān)位置設(shè)變形、應(yīng)變監(jiān)測點，在試驗架上設(shè)位移監(jiān)測點，得出各級加載下的變形、應(yīng)力及位移值，并與理論計算結(jié)果進(jìn)行比較驗證[18-19]。

同時，通過試驗檢驗294 t主提升千斤頂、108 t荷載移動千斤頂和70 t荷載轉(zhuǎn)移油缸的性能以及液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的功能，確保各系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)工作以及各接口之間互相兼容[20]。

圖9 荷載試驗

本吊機(jī)于2017年8月16日在虎門二橋施工現(xiàn)場進(jìn)行試驗(圖9)，靜載試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，吊機(jī)整體剛性及各構(gòu)件的強(qiáng)度均在設(shè)計容許范圍內(nèi)，空載行走試驗結(jié)果證明吊機(jī)行走系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計要求，各系統(tǒng)之間可以協(xié)調(diào)工作。

4 工程應(yīng)用

2017年11月10日～2018年1月9日，采用全新研制的KLDJ600型跨纜吊機(jī)，歷時62 d順利完成了虎門二橋大沙水道橋全部94榀鋼箱梁吊裝。經(jīng)過施工統(tǒng)計分析可知：與KLD3700跨纜吊機(jī)相比，新型吊機(jī)放索速度不小于80 m·h-1，是原放索速度(28 m·h-1)的兩倍多；新型吊機(jī)平均行走速度為13 m·h-1，是原吊機(jī)平均行走速度(8 m·h-1)的1.6倍。由吊機(jī)在虎門二橋的應(yīng)用情況來看，如果在保證梁段充足供應(yīng)的情況下，單臺KLDJ600型跨纜吊機(jī)每天可完成3～4個梁段的吊裝，其綜合工作效率比KLD3700跨纜吊機(jī)提高了將近一倍。按照這個施工效率，在加勁梁供應(yīng)得到保障的前提下，千米跨的懸索橋加勁梁吊裝施工可以在一個月內(nèi)完成，對節(jié)省工期、降低施工成本大有裨益。

圖10 鋼箱梁吊裝施工

5 結(jié) 語

針對KLD3700跨纜吊機(jī)的提升能力、結(jié)構(gòu)功能、施工效率等方面逐漸不能滿足現(xiàn)階段加勁梁吊裝要求的問題，采用有限元分析及型式試驗驗證了本文設(shè)計的大噸位吊機(jī)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性滿足相關(guān)規(guī)范要求。單機(jī)提吊能力為588 t，雙機(jī)聯(lián)動提吊能力達(dá)到1 176 t；通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計減少了吊機(jī)拼裝時間，采用滾輪式行走機(jī)構(gòu)、主動收放索裝置等大大降低了輔助作業(yè)時間，有效提高了綜合施工效率；采用智能化集成控制系統(tǒng)、信息化控制系統(tǒng)等使得吊裝過程更加安全、高效。經(jīng)過在虎門二橋大沙水道橋吊裝鋼箱梁中的應(yīng)用，跨纜吊機(jī)吊裝作業(yè)、纜上行走等各方面的功能都得到了驗證，施工效率顯著提高。其成功經(jīng)驗可為以后類似工程提供指導(dǎo)和借鑒。