8750-65型吊斗鏟大臂主繃?yán)K更換工藝

胡 鍇

（神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

黑岱溝露天煤礦在用的8750－65型邁步式吊斗鏟（下稱吊斗鏟），從美國比塞洛斯公司（現(xiàn)歸屬于美國卡特彼勒公司）引進(jìn)，2005年1月份開始組裝，2007年11月份下坑作業(yè)[1]。此設(shè)備是目前國內(nèi)唯一的吊斗鏟，也是世界首臺(tái)提升、回拉系統(tǒng)無齒輪傳動(dòng)的吊斗鏟，截止2018年底，總產(chǎn)量已經(jīng)接近2億m3。

吊斗鏟主要由底盤、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、外部結(jié)構(gòu)、大臂及鏟斗等4大部分組成。其中大臂為桁架結(jié)構(gòu)，總重約為330 t，長度約為110 m，頂端距地面高度約為70 m，與水平面夾角為34°，大臂頂端通過4根直徑3.75英寸的主繃?yán)K固定在三角架頂端，根部通過橫穿銷子固定在回轉(zhuǎn)平臺(tái)前端上。

自吊斗鏟投入使用至今，共更換過2次大臂主繃?yán)K，時(shí)間分別為2014年4月和2018年3月。第1次更換主繃?yán)K是在主繃?yán)K正常斷絲情況下實(shí)施的，按照設(shè)備制造廠家原設(shè)計(jì)更換工藝即可操作；第2次更換主繃?yán)K是在主繃?yán)K嚴(yán)重?cái)嘟z情況下實(shí)施的，無法按照原設(shè)計(jì)更換工藝操作，因此進(jìn)行了新工藝研究與實(shí)施。

1 吊斗鏟大臂主繃?yán)K原設(shè)計(jì)更換工藝

按照設(shè)備制造廠家要求，吊斗鏟大臂主繃?yán)K更換標(biāo)準(zhǔn)為斷絲數(shù)量不超過表層鋼絲數(shù)的30%或總絲數(shù)的10%。2014年3月，吊斗鏟右上主繃?yán)K表層斷16絲、第2層斷9絲，已經(jīng)達(dá)到更換標(biāo)準(zhǔn)[2]。在此情況下，按照設(shè)備制造廠家原設(shè)計(jì)的吊斗鏟主繃?yán)K更換工藝，使用2根起落大臂專用鋼絲繩將吊斗鏟提升滾筒與大臂主繃?yán)K相連接，通過吊斗鏟自帶的Boom Raise／Lower模式，順利地完成了吊斗鏟大臂下放、主繃?yán)K更換及大臂起升等檢修工作。

2 吊斗鏟大臂主繃?yán)K新更換工藝

2018年2月，吊斗鏟在作業(yè)過程中突然出現(xiàn)右上主繃?yán)K嚴(yán)重?cái)嘟z故障，斷絲數(shù)量約達(dá)到主繃?yán)K總絲數(shù)的70 %，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了主繃?yán)K更換標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備立即停止作業(yè)。若按設(shè)備制造廠家原設(shè)計(jì)工藝?yán)迷O(shè)備提升滾筒自主進(jìn)行起、放大臂，吊斗鏟右上主繃?yán)K極有可能在大臂下放過程中突然斷裂，一旦1根主繃?yán)K斷裂，巨大的沖擊可能導(dǎo)致其他主繃?yán)K同時(shí)斷裂，進(jìn)而造成大臂直接摔落到地面的后果，屆時(shí)吊斗鏟將面臨毀滅性的災(zāi)難。

面對(duì)這一困境，設(shè)備制造廠家也無相關(guān)檢修經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)務(wù)之急是設(shè)計(jì)一套全新的、可安全地更換吊斗鏟大臂主繃?yán)K的工藝，設(shè)計(jì)過程分為以下3個(gè)部分。

2.1 高空作業(yè)直接更換吊斗鏟大臂主繃?yán)K

吊斗鏟更換大臂主繃?yán)K最理想的檢修工況是將大臂下放至地面后進(jìn)行更換，但實(shí)際情況無法滿足這一條件，因此將大臂倚靠在高臺(tái)階上高空作業(yè)直接進(jìn)行更換主繃?yán)K成為較便捷的更換工藝之一。吊斗鏟回轉(zhuǎn)中心距回轉(zhuǎn)平臺(tái)前部10.65 m、距回轉(zhuǎn)平臺(tái)后部29.5 m，回轉(zhuǎn)平臺(tái)離地高度為2.8 m，三角架頂端離地高度為57.47 m[3]，結(jié)合設(shè)備其他尺寸參數(shù)后理想的更換吊斗鏟主繃?yán)K位置模擬圖如圖1。

圖1 理想的更換吊斗鏟主繃?yán)K位置模擬圖

吊斗鏟行走方式為邁步式，且無法直接向前移動(dòng)，而是向后移動(dòng)[4]。整套行走機(jī)構(gòu)包括4個(gè)電機(jī)、4個(gè)減速箱、2套動(dòng)力轉(zhuǎn)換總成和行走偏心輪、行走臂及行走靴等部件。吊斗鏟行走時(shí)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)尾部掛鉤將底盤的后端升離地面，通過行走靴的循環(huán)運(yùn)動(dòng)向后回拉底盤[5]。受吊斗鏟制造廠家設(shè)計(jì)的行走方式限制，圖1中理想位置無法直接行走到位，只能“倒走”接近高臺(tái)階后回轉(zhuǎn)至所需位置。吊斗鏟回轉(zhuǎn)中心距回轉(zhuǎn)平臺(tái)后部29.5 m，遠(yuǎn)大于距回轉(zhuǎn)平臺(tái)前部的10.65 m，這就意味著回轉(zhuǎn)至所需位置后大臂無法直接倚靠在高臺(tái)階上，還需進(jìn)行二次填方。此外，更換吊斗鏟大臂主繃?yán)K至少需要3臺(tái)吊車配合作業(yè)，故將二次填方工程設(shè)計(jì)為2節(jié)臺(tái)階式，二次填方工程模擬圖如圖2。

圖2 二次填方工程模擬圖

吊斗鏟大臂根部寬度約為12 m，假設(shè)二次填方工程量寬度為30 m、長度為15 m，每個(gè)臺(tái)階高度為20 m，則二次填方工程量約為27 000 m3。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查、分析論證等一系列工作后，發(fā)現(xiàn)此工藝存在3個(gè)較明顯的弊端：第1是最高處的吊車距大臂頂端水平距離22.14 m，對(duì)吊車的起重性能提出了極其嚴(yán)峻的考驗(yàn)；第2是大臂支撐點(diǎn)位置較低且接觸面積較小，在拆除舊的主繃?yán)K后可能導(dǎo)致支撐點(diǎn)塌方；第3是二次填方工程量巨大，且回填后的作業(yè)平臺(tái)密實(shí)度可能無法滿足吊車作業(yè)要求。

2.2 放吊斗鏟大臂更換主繃?yán)K

通過上述理論分析、模擬計(jì)算等研究后，高空作業(yè)直接更換吊斗鏟大臂主繃?yán)K的設(shè)想無法實(shí)現(xiàn)，那么更換吊斗鏟大臂主繃?yán)K的工藝只能回歸到下放大臂的思路上，如何將大臂安全下放首先成為一道難題。經(jīng)初步研究、選型，確定利用大噸位履帶吊起、放大臂，履帶吊選取QUY 650型履帶吊（配超起工況及重型主臂）。

2.2.1 吊起重能力數(shù)據(jù)及匹配性

根據(jù)QUY 650履帶吊SHB超起工況重型主臂起重性能表，選用90 m重型主臂、回轉(zhuǎn)半徑定為24 m時(shí)，額定起重能力為280 t，遠(yuǎn)大于實(shí)際的吊裝質(zhì)量186.427 t（此數(shù)據(jù)為卡特彼勒公司提供），完全滿足施工的要求；根據(jù)徐工QUY 650履帶吊作業(yè)范圍圖，選用90 m重型主臂、工作半徑定為24 m時(shí)，最大提升高度約90 m，遠(yuǎn)超過吊斗鏟大臂頂端距地面高度、所用鋼絲繩與試吊高度之和，完全可以滿足施工要求。

2.2.2 吊點(diǎn)選擇

卡特彼勒公司建議選取吊斗鏟大臂頂部兩側(cè)的第2對(duì)工藝孔作為吊點(diǎn)，但為保險(xiǎn)起見并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)后，決定同時(shí)選取大臂頂部兩側(cè)的第2對(duì)工藝孔和第3對(duì)工藝孔做為吊點(diǎn)。吊點(diǎn)隨大臂下降到水平時(shí)的質(zhì)量為186.427 t，經(jīng)計(jì)算大臂下降到水平時(shí)吊點(diǎn)在水平方向上向前移動(dòng)距離L約為：L=110（1-cos34°）=18.8 m。吊斗鏟大臂總高度約70 m，鋼絲繩約6 m，試吊起升高度5 m，總計(jì)81 m，履帶吊起升高度約90 m，所選取的吊點(diǎn)可滿足起、放吊斗鏟大臂工作要求。

2.2.3 專用工裝

吊斗鏟大臂頂部的工藝孔均有直角棱邊，且大臂在下放過程中角度會(huì)發(fā)生較大變化，直接使用鋼絲繩起吊的話易造成損壞大臂工藝孔或割傷鋼絲繩的問題，這就要求使用專用工裝來連接大臂與鋼絲繩。經(jīng)過設(shè)計(jì)、論證及相關(guān)力學(xué)性能計(jì)算后，決定加工制作4套專用工裝。每套專用工裝由2塊側(cè)板、2根軸頭帶螺紋的銷軸及配套的螺母、墊片組成。受大臂結(jié)構(gòu)限制，第3對(duì)工藝孔所使用的專用工裝長度要大于第2對(duì)工藝孔所使用的專用工裝長度：側(cè)板采用厚度為60 mm的Q345低合金鋼材，長度為1 270 mm和1 370 mm，寬度均為450 mm；銷軸采用直徑為150 mm的Q460高強(qiáng)度鋼材，總長度為700毫米，兩端各帶100 mm的螺紋。專用工裝的使用，可大大減少大臂工藝孔或鋼絲繩損壞的可能性。

2.2.4 大臂下放過程中停頓時(shí)沖擊力

QUY 650履帶吊單繩下降最大速度為130 m/min，按16倍率計(jì)算，鉤頭最快每分鐘可下降8.125 m，即0.135 m/s。而在負(fù)載的情況下，實(shí)際單繩下降速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這一數(shù)據(jù)。假設(shè)鉤頭從最大速度0.135 m/s減速到靜止所需時(shí)間為1 s（實(shí)際用時(shí)不止1 s），根據(jù)動(dòng)量平衡公式可得出沖擊力F=25 168 N，即2.568 t，再加上吊斗鏟大臂頂部的自身質(zhì)量186.427 t等于188.995 t，仍遠(yuǎn)小于額定起重能力280 t，所以沖擊力在履帶吊的可承受范圍內(nèi)且基本可忽略不計(jì)。

2.2.5 履帶吊傾覆力矩

為確保履帶吊在作業(yè)過程中的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，避免出現(xiàn)履帶吊傾翻的事故，需要預(yù)先計(jì)算出履帶吊車的穩(wěn)定力矩與傾復(fù)力矩。建立一個(gè)簡(jiǎn)單的履帶吊力學(xué)分析模型，吊臂（主臂和副臂）、提升荷重和滑輪組等重力之和為傾覆力W1；除傾覆力之外的重力，包括附加的配重，都屬于穩(wěn)定力W2；以吊車的支承點(diǎn)，即最外側(cè)接地點(diǎn)作為力矩中心，求出傾復(fù)力和穩(wěn)定力分別形成傾覆力矩M1=W1·R1和穩(wěn)定力矩M2=W2·R2。履帶吊力學(xué)分析模型如圖3。

圖3 履帶吊力學(xué)分析模型圖

履帶吊自質(zhì)量600 t（其中吊臂按100 t計(jì)算），配重300 t，起重量按最大起重量186.427 t計(jì)算，履帶板長度12 m，工作半徑24 m，則有：M1=W1×R1=（186＋100）×12=3 432（t·m），M2=W2×R2=（600＋300-100）×6=4 800（t·m），穩(wěn)定力矩遠(yuǎn)大于傾覆力矩。穩(wěn)定力矩與傾復(fù)力矩之比就是吊車的整體穩(wěn)定安全度[6]，即1.399。以上計(jì)算未考慮刮風(fēng)、雨雪、地震等特殊情況，在實(shí)際作業(yè)中要求風(fēng)力達(dá)到4級(jí)時(shí)不得進(jìn)行吊裝作業(yè)。

2.2.6 地基要求

QUY650履帶吊自質(zhì)量600 t，配重300 t，吊斗鏟大臂的起吊重量按200 t計(jì)算，則履帶吊對(duì)地總壓力約為1 100 t。履帶吊每條履帶長12 m、寬1 m，作業(yè)過程中使用專用路基板鋪設(shè)在兩側(cè)履帶下方及前進(jìn)路線上，專用路基板規(guī)格為長6 m、寬2.5 m，計(jì)算可得吊裝作業(yè)區(qū)域地基承載力P最低要求為：P=1100/（6×2.5×4）=18.33 t/m2。為確保履帶吊順利行走及作業(yè)，安排壓路機(jī)等工程設(shè)備對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行夯實(shí)并多次灑水，最后進(jìn)行地基承載力專業(yè)檢測(cè)，確保作業(yè)區(qū)域地基承載力能夠滿足要求。

2.3 起放大臂更換主繃?yán)K工藝

經(jīng)過上述一系列的計(jì)算、論證，QUY 650履帶吊完全可以滿足吊裝吊斗鏟大臂的要求，但為保證吊斗鏟大臂起放過程的萬無一失，對(duì)上述工藝進(jìn)行了再次優(yōu)化，最終形成了履帶吊結(jié)合吊斗鏟自身能力起放大臂更換主繃?yán)K的工藝。按照設(shè)備制造廠家原設(shè)計(jì)的更換工藝進(jìn)行大臂下放，同時(shí)利用QUY 650履帶吊吊住吊斗鏟大臂頂端，在大臂下放的過程中，履帶吊同時(shí)走車。這一工藝既可避免主繃?yán)K突然斷裂造成大臂摔落，又可避免由于履帶吊可能發(fā)生的突發(fā)故障造成其他不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)。正是利用這一工藝，2018年3月，黑岱溝露天煤礦在用的吊斗鏟得以成功更換大臂主繃?yán)K，具體施工工藝如下。

2.3.1 設(shè)置專人指揮

指定現(xiàn)場(chǎng)總指揮1名，全權(quán)負(fù)責(zé)整個(gè)檢修過程的指揮協(xié)調(diào)，可指揮現(xiàn)場(chǎng)所有參與檢修的人員?？傊笓]同時(shí)配備2臺(tái)對(duì)講機(jī)，分別與吊斗鏟司機(jī)和履帶吊司機(jī)聯(lián)系，確保吊斗鏟大臂下放過程通訊順暢。

2.3.2 檢修人員配備及分組情況

4人負(fù)責(zé)安裝吊斗鏟大臂頂端的專用工裝及鋼絲繩；2人負(fù)責(zé)監(jiān)護(hù)檢查尾部支護(hù)是否正常以及支護(hù)使用的千斤頂是否有卸壓跡象；2人負(fù)責(zé)監(jiān)護(hù)液壓泵站與提升滾筒[7]，并在固定繩卡子處做2處標(biāo)記，隨時(shí)觀察提升鋼絲繩有無滑動(dòng)；4人負(fù)責(zé)拆除三角架銷子；12人負(fù)責(zé)大臂下放后擺放枕木。

2.3.3 準(zhǔn)備工作及安全注意事項(xiàng)

檢查三角架、提升滾筒鋼絲繩處攝像頭是否清晰；檢查提升制動(dòng)器[8]，在提升滾筒上每90°取1個(gè)點(diǎn)測(cè)試，確保在提升電機(jī)輸出力矩達(dá)到95%以上時(shí)滾筒不動(dòng)作；行走靴放下，與地面接觸但基本不受力；無關(guān)人員離開司機(jī)室和機(jī)械室；保持每個(gè)檢修人員的對(duì)講機(jī)通話暢通、清晰；提前做好大臂下部支護(hù)平臺(tái)及施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地平整等工作；保障吊斗鏟供電穩(wěn)定；確保吊斗鏟大臂下放過程中附近不得進(jìn)行爆破作業(yè)；司機(jī)做好吊斗鏟相關(guān)檢查。

2.3.4 吊斗鏟大臂下放具體施工工藝

1）試吊。在確保吊斗鏟尾部支護(hù)和大臂頂端吊裝專用工裝安全無誤后，進(jìn)行大臂試吊作業(yè)。起吊成功后將大臂起升5 m并保持10 min，確認(rèn)履帶吊無任何異常情況且風(fēng)力小于4級(jí)后，正式開始大臂下放作業(yè)。

2）吊斗鏟進(jìn)入起、放大臂運(yùn)行模式。操作司機(jī)室顯示屏，進(jìn)入Boom Raise/Lower項(xiàng)。按下RAISE LOWER MODE按鈕后，此按鈕變黃，再按下總勵(lì)磁按鈕并打開提升抱閘就可以進(jìn)行起、放大臂操作。

3）拆解A型架銷軸。放大臂開始前，現(xiàn)場(chǎng)總指揮聯(lián)系三角架、滾筒、設(shè)備尾部、大臂指揮人員等，確認(rèn)所有人員安全后，通知履帶吊司機(jī)將大臂吊起、使四根繃?yán)K處于松弛狀態(tài)，通知吊斗鏟司機(jī)打開提升抱閘。用大臂起落鋼絲繩將固定繃?yán)K滑輪組銷子與三角架分離開，此過程由280 t履帶吊吊裝銷子、配合拆銷子。銷子拆裝完成并觀察無異常后，人員從三角架撤離至地面安全位置，同時(shí)280 t履帶吊撤離至吊斗鏟150 m安全距離外。

4）吊斗鏟與履帶吊配合下放大臂。開始下放繃?yán)K滑輪組使之完全處于松弛狀態(tài)，吊斗鏟司機(jī)操作主令控制器使?jié)L筒轉(zhuǎn)半圈（起落大臂鋼絲繩下放約5 m），吊斗鏟司機(jī)停止操作，關(guān)閉制動(dòng)器。履帶吊開始下放大臂，下放到使繃?yán)K處于繃緊狀態(tài)，下放距離約5 m，履帶吊制動(dòng)。其中需要特別注意的是大臂下放過程中，要始終保持滑輪組處于垂直狀態(tài)，若滑輪組有向兩側(cè)傾倒的跡象，應(yīng)及時(shí)停止大臂下放操作，并利用其它吊車及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。在吊點(diǎn)隨大臂下放至水平位置的過程中，履帶吊需調(diào)整吊鉤位置7～10次，每次履帶吊位移約為0.7～3 m，位移約18.8 m。

5）大臂下放收尾工作。在吊斗鏟大臂即將下降到位時(shí)，由大臂支護(hù)負(fù)責(zé)人指揮大臂擺放位置，并安排人員利用枕木進(jìn)行支護(hù)。完成支護(hù)后，用履帶吊繼續(xù)下放大臂，直至放至合適位置。

2.3.5 吊斗鏟大臂起升具體施工工藝

在吊斗鏟大臂成功下放后，即可按照正常操作流程更換吊斗鏟大臂主繃?yán)K。大臂主繃?yán)K更換完成后，按照下放具體施工工藝，逆向進(jìn)行操作，即可將吊斗鏟大臂起升至設(shè)定高度并將主繃?yán)K滑輪組與三角架連接。在三角架固定銷子安裝到位后，將吊車制動(dòng)并下放吊鉤，拆掉專用工裝及鋼絲繩，完成檢修。

3 結(jié)語

面對(duì)主采設(shè)備停機(jī)、經(jīng)濟(jì)效益受損、維修經(jīng)驗(yàn)缺乏等一系列困難，技術(shù)人員通過大膽的假設(shè)、精確的計(jì)算、充分的論證，結(jié)合豐富的日常維修經(jīng)驗(yàn)，否定了高空作業(yè)直接更換吊斗鏟大臂主繃?yán)K的設(shè)想，完善了利用大噸位履帶吊起、放吊斗鏟大臂更換主繃?yán)K的解決方案，最終確定并成功實(shí)施了“履帶吊結(jié)合吊斗鏟自身能力起放大臂更換主繃?yán)K工藝”。