地下廠房橋式布料機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

陳學(xué)永

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)建設(shè)工程有限公司，昆明 650217）

1 工程概況

烏弄龍水電站位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉(xiāng)境內(nèi)的瀾滄江上游河段上，是瀾滄江干流水電基地上游河段規(guī)劃“一庫(kù)七級(jí)”梯級(jí)電站中的第2級(jí)電站，上鄰古水水電站，下接里底水電站。電站樞紐為Ⅱ等大（2）型工程，電站以發(fā)電為主，水庫(kù)正常蓄水位1 906.0 m，電站裝機(jī)容量990 MW，年發(fā)電量44.60 億kW·h。樞紐建筑物主要由碾壓混凝土重力壩、電站進(jìn)水口、地下廠房系統(tǒng)、泄洪表孔以及沖沙泄洪底孔等組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程1 909.5 m，最大壩高137.5 m，壩頂軸線長(zhǎng)度247.10 m。地下廠房布置在右岸，裝機(jī)4臺(tái)，單機(jī)容量247.5 MW。

地下廠房橋式布料機(jī)系統(tǒng)由上料膠帶輸送系統(tǒng)、供料膠帶輸送系統(tǒng)、布料膠帶輸送系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及作業(yè)人員操作行走通道等輔助設(shè)施組成（見圖1）。橋式布料機(jī)布置在地下廠房?jī)?nèi)橋機(jī)以下，通過(guò)布料膠帶輸送系統(tǒng)在上下游的縱橫移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全面覆蓋地下廠房混凝土輸送及布料的機(jī)械。皮帶機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：混凝土額定傳送能力為100 m3/h；皮帶運(yùn)輸速度為2.5 m/s；皮帶寬度為650 mm；皮帶機(jī)桁架最大允許撓度為59.5 mm。皮帶每米載重量為2450 kg/m3×0.058 m2=142.1 kg/m。

圖1 地下廠房橋式布料機(jī)系統(tǒng)橫斷面布置圖

2 上料膠帶輸送系統(tǒng)

上料膠帶輸送系統(tǒng)是布置在地下廠房母線洞底板上，將混凝土從受料斗以連續(xù)方式輸送到供料膠帶輸送系統(tǒng)進(jìn)料緩沖料斗的膠帶輸送設(shè)備。混凝土采用攪拌車直接運(yùn)輸至受料斗卸料，受料斗尺寸3.5 m×2.5 m×3.0 m，受料斗出口設(shè)置液壓雙開弧形門控制料流，弧形門的開啟由液壓站控制[1]。料斗出口帶有導(dǎo)料槽，將混凝土料從料斗內(nèi)導(dǎo)至輸送膠帶機(jī)上。

3 供料膠帶輸送系統(tǒng)

供料膠帶輸送系統(tǒng)是水平布置在地下廠房下游邊墻支撐結(jié)構(gòu)上，將混凝土從進(jìn)料緩沖料斗以連續(xù)方式移動(dòng)出料，輸送到布料膠帶輸送系統(tǒng)的梭式可逆輸送設(shè)備。

供料膠帶輸送系統(tǒng)分為供料膠帶機(jī)桁架及梭式膠帶機(jī)，其中供料膠帶機(jī)桁架采用懸挑梁結(jié)構(gòu)，頂部利用Φ30圓鋼反吊懸掛，底部采用三角支撐架固定。梭式膠帶機(jī)電機(jī)設(shè)置為可逆電機(jī)，通過(guò)膠帶的正反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙向供料。結(jié)合烏弄龍水電站現(xiàn)場(chǎng)母線洞布置位置，在2#及3#母線洞內(nèi)分別布置有一條上料膠帶輸送系統(tǒng)向供料膠帶機(jī)送料。通過(guò)梭式膠帶機(jī)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)1#～4#機(jī)組混凝土的全覆蓋澆筑施工。

供料膠帶機(jī)桁架由9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和1個(gè)湊合節(jié)組成，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)12 m，湊合節(jié)長(zhǎng)8.1 m。供料膠帶機(jī)桁架長(zhǎng)116.1 m，縱向澆筑范圍114 m，兩端各有約1.5 m的澆筑盲區(qū)；梭式膠帶機(jī)長(zhǎng)46.5 m，通過(guò)供料膠帶機(jī)桁架上的軌道垂直水流向移動(dòng)。在供料膠帶機(jī)桁架間隔7.5 m 設(shè)置一組反吊懸掛及支撐架，共布置16組支撐體系，反吊懸掛及支撐架均采用長(zhǎng)為3 m的Φ32錨桿錨入墻體上。

4 布料膠帶輸送系統(tǒng)

布料膠帶輸送系統(tǒng)是橫跨布置在地下廠房上下游邊墻軌道上，將混凝土從供料膠帶輸送系統(tǒng)的出料口，經(jīng)上層固定膠帶機(jī)以連續(xù)方式輸送到下層梭式可逆膠帶機(jī)，經(jīng)梭式可逆膠帶機(jī)出料筒移動(dòng)布料的設(shè)備。布料膠帶機(jī)結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 布料膠帶機(jī)結(jié)構(gòu)圖

布料膠帶輸送系統(tǒng)由固定膠帶機(jī)、梭式膠帶機(jī)及支撐桁架等組成，桁架長(zhǎng)23.8 m，通過(guò)布置在上下游墻上的軌道垂直水流向移動(dòng)，主要作用是將混凝土料輸送到機(jī)組所要澆筑的部位。橋式布料機(jī)桁架頂部高程為1 816.2 m，澆筑最大高程為1 812.5 m，上、下游墻部位澆筑盲區(qū)約為2.0 m。布料機(jī)桁架大車行走機(jī)構(gòu)與供料膠帶機(jī)的行走機(jī)構(gòu)實(shí)行聯(lián)動(dòng)，其行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)采用同步控制系統(tǒng)，保證布料機(jī)大車行走與供料膠帶機(jī)的行走能完全同步，并且各自能單獨(dú)操作，以及時(shí)消除累計(jì)誤差。主廠房橋式布料機(jī)支撐體系布置于主廠房上、下游邊墻，采用錨桿、鐵板凳和三角支架組成，上、下游邊墻共計(jì)布置80組支撐體系，支撐體系間隔3 m布置，每組8根長(zhǎng)為3 m 的Φ32 錨桿。在鐵板凳上布置一根250 mm×255 mm×14 mm×14 mm 的H 型鋼作為軌道梁，軌道梁上布置一根P38 kg重軌，作為橋式布料機(jī)桁架行走軌道。軌道設(shè)置防軌道跑偏的鎖軌裝置，兩端設(shè)置擋軌器。

布料機(jī)上設(shè)置緩沖料斗，皮筒與緩沖料斗柔性連接。梭式膠帶機(jī)兩端均掛設(shè)下料皮筒，并自由地懸掛在空中，不得與倉(cāng)面接觸，與倉(cāng)面保持1.5 m的距離，是為了保證混凝土能夠自由出料，防止砼分離或皮筒堵塞。皮筒下方和周圍不得有人或設(shè)備，主要是為了避免骨料飛濺、皮筒脫落或斷裂時(shí)受到傷害或損壞[2]。梭式膠帶機(jī)電機(jī)設(shè)置為可逆電機(jī)，通過(guò)膠帶的正反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙向下料的目的。

4.1 皮帶機(jī)線密度計(jì)算

（1）橋式布料機(jī)桁架線密度：q1=10 218/23.8=429.33kg/m。

（2）膠帶及配件線密度：q2=29.5 kg/m。

（3）固定膠帶機(jī)鋼架線密度：q3=3 182.7/12.25=259.81 kg/m。

（4）梭式膠帶機(jī)鋼架線密度：q4=6 938.34/14.15=490.34 kg/m。

（5）行人線密度：q5=50.00 kg/m。

（6）混凝土線密度：q6=25.00 kg/m。

4.2 橋式布料機(jī)桁架力學(xué)計(jì)算

選取固定膠帶機(jī)和梭式膠帶機(jī)在同一側(cè)布料膠帶機(jī)系統(tǒng)最不利條件進(jìn)行承載力計(jì)算。橋式布料機(jī)桁架結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖見圖3，桁架剪力受力分析見圖4，桁架彎矩受力分析見圖5。

圖3 橋式布料機(jī)桁架結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖

圖4 橋式布料機(jī)桁架剪力受力分析圖

圖5 橋式布料機(jī)桁架彎矩受力分析圖

固定膠帶機(jī)鋼架的線性荷載Q1=（q2+q3+q5+q6）×9.8 N/kg÷1000=3.57 kN/m；

梭式膠帶機(jī)鋼架的線性荷載Q2=（q2+q4+q5+q6）×9.8 N/kg÷1000=5.83 kN/m；

最大彎矩Mmax=13.458×106N·mm；

最大剪力Vmax=22.155×103N。

（1）抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算。σ==13.458×106N·mm（/1.05×106.17×103mm3）=120.72N/mm2＜215 N/mm2，因此，橋式布料機(jī)桁架抗彎強(qiáng)度滿足要求。

（2）抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。方鋼120 mm×120 mm×6 mm 的慣性矩與半截面積的靜力矩之比IZ/S=52.95 mm，腹板厚度d=6mm，最大剪應(yīng)力τmax==22.155×103N（/52.95mm×6mm）=69.74N/mm2＜120 N/mm2。因此，橋式布料機(jī)桁架抗剪強(qiáng)度滿足要求。

（3）撓度驗(yàn)算。最大撓度ωmax=Fa（3L2-4a2）/（24EI）=4.7×103×11 900×（3×238 002-4×119 002）/（24×2.1×106×562.16×104×4）=55.91 mm，允許撓度[ω]=L/400=59.5 mm＞55.91 mm。因此，橋式布料機(jī)桁架撓度滿足要求。

4.3 橋式布料機(jī)桁架三角支架力學(xué)計(jì)算

所有荷載均布作用在橋式布料機(jī)桁架上，通過(guò)布料機(jī)桁架兩端支座作用于三角支架上。橋式布料機(jī)桁架支座受力簡(jiǎn)圖見圖6，桁架支座軸力受力分析見圖7。

圖6 橋式布料機(jī)桁架支座受力簡(jiǎn)圖

圖7 橋式布料機(jī)桁架支座軸力受力分析圖

橋式布料機(jī)桁架的線性荷載Q1=（q1+q2+q3+q4+q5+q6）×9.8 N/kg÷1000=12.58 kN/m。

支座反力的豎直力為48.08 kN，該力為加載在H型鋼軌道梁上的集中力，因此，橋式布料機(jī)桁架三角支架同樣受到集中力。

橋式布料機(jī)桁架三角支架結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖見圖8，剪力受力分析見圖9，彎矩受力分析見圖10。

圖8 三角支架結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖

圖9 三角支架剪力受力分析圖

圖10 三角支架彎矩受力分析圖

最大彎矩Mmax=16.885×106N·mm；最大剪力Vmax=48.144×103N。

（1）抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算。σ==16.885×106N·mm（/161.06×103mm3）=104.84N/mm2＜375 N/mm2，因此，橋式布料機(jī)桁架三角支架抗彎強(qiáng)度滿足要求。

（2）抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。方鋼120 mm×120 mm×6 mm的慣性矩與半截面積的靜力矩之比IZ/S=70 mm，腹板厚度d=9.8 mm，最大剪應(yīng)力τmax==48.144×103N（/70 mm×9.8 mm）≈70.18 N/mm2＜120 N/mm2。因此，橋式布料機(jī)桁架三角支架抗剪強(qiáng)度滿足要求。

（3）錨桿抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。每組錨桿共8 根Φ32螺紋鋼，Φ32螺紋鋼抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為170 N/mm2，截面面積為804.2 mm2。經(jīng)計(jì)算，錨桿處的剪力為48.144 kN，單根錨桿抗剪強(qiáng)度為：48.14×103N/804.2 mm2/8 根=7.48 N/mm2＜170 N/mm2。因此，錨桿滿足抗剪強(qiáng)度要求。

5 電氣控制系統(tǒng)

通過(guò)電氣控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上料膠帶輸送系統(tǒng)、供料膠帶輸送系統(tǒng)、布料膠帶輸送系統(tǒng)的同步聯(lián)動(dòng)控制、智能同步對(duì)位控制、各系統(tǒng)行走調(diào)差糾偏控制、緊急停機(jī)等的控制[3]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求，膠帶機(jī)電氣控制柜安裝在料斗附近，周圍和上方應(yīng)設(shè)防護(hù)措施，保證操作人員的安全，并應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)姆浪胧?。為方便操作人員操作，在料頭處設(shè)立一個(gè)操作平臺(tái)，控制柜則焊接在操作平臺(tái)上。布料機(jī)電氣控制柜安裝在入料布料機(jī)頭部，通過(guò)控制電纜連接。由于上料膠帶和供料膠帶較長(zhǎng)，在上料膠帶和供料膠帶的機(jī)頭、機(jī)中和機(jī)尾及布料膠帶上安裝緊急停機(jī)開關(guān)，故障發(fā)生時(shí)，可實(shí)現(xiàn)全線停機(jī)，以免造成事故。

橋式布料機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)順序：先啟動(dòng)布料膠帶輸送機(jī)，待布料膠帶機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，再啟動(dòng)供料膠帶輸送機(jī)，待供料膠帶輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，最后啟動(dòng)上料膠帶輸送機(jī)。

橋式布料機(jī)必須空載啟動(dòng)，試車后，從卸料一端開始順序啟動(dòng)，如情況良好，即可按規(guī)定加料進(jìn)行滿載運(yùn)行，注意觀察滿載運(yùn)行情況是否正常，軸承溫度是否溫升過(guò)高，運(yùn)轉(zhuǎn)是否平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)不良情況方可正式使用。

電氣設(shè)備安裝注意事項(xiàng)：電源線與電控線應(yīng)從回轉(zhuǎn)支撐中間穿出，同時(shí)在下部將其固定，固定時(shí)電線應(yīng)預(yù)留設(shè)備動(dòng)作引起長(zhǎng)度變化的余量。接電源時(shí)需試轉(zhuǎn)電機(jī)以保證旋轉(zhuǎn)方向正確。選用4芯動(dòng)力電纜應(yīng)滿足60 A電流長(zhǎng)期工作要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)施工技術(shù)已在云南省烏弄龍水電站地下廠房混凝土工程中成功應(yīng)用，完全滿足地下廠房大倉(cāng)位、大體積混凝土澆筑強(qiáng)度要求，同時(shí)減少了與機(jī)電安裝的干擾。其先進(jìn)性及創(chuàng)新性體現(xiàn)為：

（1）創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)梭式可逆供料膠帶機(jī)系統(tǒng)、橋式布料機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)廠房范圍內(nèi)混凝土全覆蓋、小盲區(qū)的澆筑。

（2）采用全自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了橋式布料系統(tǒng)、供料系統(tǒng)、上料系統(tǒng)同步聯(lián)動(dòng)。

（3）橋式布料系統(tǒng)、供料系統(tǒng)均采用模塊化設(shè)計(jì)，降低了加工、安拆難度。

（4）實(shí)現(xiàn)了地下廠房混凝土快速優(yōu)質(zhì)澆筑。