黃 文 峰， 吳 思 夠

(中國水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川 夾江 614100)

1 工程概述

大渡河安谷水電站位于四川省樂山市境內(nèi)，是大渡河下游最后一個(gè)梯級電站，為以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運(yùn)、灌溉、供水等綜合利用的大(2)型水電工程。安谷水電站主廠房內(nèi)設(shè)置的1臺(tái)400 t+400 t/16 t雙小車橋式起重機(jī)擔(dān)負(fù)著電站4臺(tái)、單機(jī)額定功率為190 MW的水輪發(fā)電機(jī)組及其輔助系統(tǒng)設(shè)備的安裝、運(yùn)行維護(hù)和檢修的吊裝任務(wù)。

2 設(shè)備構(gòu)成及工作原理

主廠房400 t+400 t/16 t橋式起重機(jī)1臺(tái)，其總布置圖見圖1。

1. 小車 2.平衡梁 3.橋架 4.16 t電動(dòng)葫蘆 5.大車行走機(jī)構(gòu) 6.大車軌道裝置 7. 司機(jī)室圖1 主廠房400 t+400 t/16 t橋式起重機(jī)總布置圖

橋機(jī)主要由兩臺(tái)小車、大車行走機(jī)構(gòu)、橋架、16 t電動(dòng)葫蘆、梯子平臺(tái)欄桿、司機(jī)室、電氣設(shè)備、大車軌道裝置等組成。整機(jī)配有400 t吊鉤1套、100 t吊鉤1套，可方便地實(shí)現(xiàn)小車吊具側(cè)板與主副鉤、平衡梁的裝卸，以達(dá)到不同的使用要求。

橋機(jī)安裝于主廠房392.836 m高程的軌道上，司機(jī)室布置在橋機(jī)上游側(cè)的主梁下，16 t電動(dòng)葫蘆布置在橋機(jī)外側(cè)主梁的副腹板下方，在16 t電動(dòng)葫蘆旁設(shè)有檢修吊籃以方便對16 t電動(dòng)葫蘆進(jìn)行維護(hù)和檢修。

平時(shí)，可根據(jù)重物所處的位置使用橋機(jī)的1臺(tái)小車吊運(yùn)起重量為400 t以下的重物。當(dāng)?shù)踹\(yùn)起重量大于400 t而又小于800 t時(shí)，則需要橋機(jī)的2臺(tái)小車并車共同吊運(yùn)，此時(shí)，應(yīng)先將2臺(tái)小車開到一起，通過設(shè)在小車兩頭上的并車用機(jī)械連桿將兩小車連鎖在一起，再在兩小車的主鉤側(cè)板上掛專用平衡梁，通過電氣同步即可實(shí)現(xiàn)二小車共同抬吊的操作。

3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 小 車

對于這種起重量達(dá)到800 t的大型橋機(jī)來說，如果采用單小車結(jié)構(gòu)，小車的結(jié)構(gòu)相當(dāng)龐大，小車和橋架的主梁承受的力也相對較大，不僅加重了橋機(jī)的自重，而且增加了整個(gè)橋機(jī)的寬度和高度。而采用雙小車加平衡梁的結(jié)構(gòu)形式，小車在單主梁上的輪壓由兩個(gè)點(diǎn)分散到四個(gè)點(diǎn)上，從而大大降低了起吊重物時(shí)對主梁產(chǎn)生的集中負(fù)載，有效減小了主梁的外形尺寸。

3.1.1 起升機(jī)構(gòu)

起升機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、帶制動(dòng)盤聯(lián)軸器、制動(dòng)器、定滑輪裝置、動(dòng)滑輪組、平衡杠桿裝置、換擋減速器、軸承座和卷筒組成。起升機(jī)構(gòu)采用全封閉傳動(dòng)，主要由一臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)通過帶制動(dòng)盤聯(lián)軸器與減速器高速軸連接，減速器低速端通過軸承座上的軸帶動(dòng)雙聯(lián)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，卷筒上的鋼絲繩又通過動(dòng)滑輪組和定滑輪裝置帶動(dòng)吊具的升降，實(shí)現(xiàn)物品的吊運(yùn)。

主要技術(shù)措施：

(1)換擋減速器采用懸浮支撐，增加了電動(dòng)機(jī)側(cè)的空間，使定滑輪能夠布置在電動(dòng)機(jī)的同一側(cè)，起升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，定滑輪裝置放在小車架的定滑輪梁上，以方便對定滑輪的安裝和維護(hù)。

(2)卷筒兩端的支撐軸承座固定在行走梁上，使卷筒體下沉到兩行走梁之間，從而使卷筒的最高點(diǎn)與定滑輪最高處的高度基本一致，有效降低了小車的高度。

(3)卷筒輸入端軸承座采用雙軸承形式，雙軸承兩端分別與卷筒和減速器采用花鍵形式連接。由于軸承座采用雙軸承，避免了單軸承時(shí)卷筒和減速器兩端受力不平衡而使卷筒產(chǎn)生傾斜。

(4)減速器抗扭支撐點(diǎn)設(shè)在減速器高速端箱體的下面，從而實(shí)現(xiàn)了減速器的固定與力矩的平衡。

(5)減速器采用機(jī)械換擋變速結(jié)構(gòu)，換擋的速比范圍為1∶4，重載時(shí)起升速度為0.15～1.5 m/min，輕載時(shí)起升速度為0.6～6 m/min，實(shí)現(xiàn)了橋機(jī)重載低速、輕載高速的使用工況，從而大大提高了橋機(jī)在輕載時(shí)的工作效率。

(6)卷筒為雙聯(lián)卷筒，單層纏繞的鋼絲繩壓在卷筒兩端的制動(dòng)盤和連接輪轂上，縮短了卷筒的6個(gè)鋼絲繩節(jié)距約258 mm，有效減小了卷筒的長度，壓縮了整個(gè)橋機(jī)的寬度，擴(kuò)大了橋機(jī)的有效工作范圍。

3.1.2 小車行走機(jī)構(gòu)

每臺(tái)小車的行走機(jī)構(gòu)均采用分別驅(qū)動(dòng)，共設(shè)有8個(gè)車輪，每側(cè)各1個(gè)主動(dòng)車輪和3個(gè)從動(dòng)車輪，呈對稱布置。驅(qū)動(dòng)裝置采用“三合一”結(jié)構(gòu)型式，由帶制動(dòng)器的變頻電動(dòng)機(jī)與減速器高速軸連接，減速器低速端直接帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車的行走。

小車行走采用分別驅(qū)動(dòng)方式，各驅(qū)動(dòng)裝置采用電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速器“三合一”套裝結(jié)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)與車輪組之間實(shí)現(xiàn)全封閉傳動(dòng)，減速器輸出端與主動(dòng)車輪軸采用花鍵方式連接以便于安裝，小車運(yùn)行平穩(wěn)，其效率大大提高；車輪組采用新型45°剖分式車輪組，具有方便現(xiàn)場小范圍調(diào)整車輪偏斜的功能，使車輪處于最佳接觸狀態(tài)；臺(tái)車與機(jī)架之間采用剖分鉸連接以方便現(xiàn)場安裝。小車行走機(jī)構(gòu)大大簡化了減速器布置在小車中間位置集中驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給起升機(jī)構(gòu)在小車架上的布置讓出了全部空間，方便了小車的整體布局，使小車整體更簡單化。小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)各組成部件與小車之間的連接簡單明了，方便拆裝和維護(hù)。

3.2 大車行走機(jī)構(gòu)

大車行走機(jī)構(gòu)共設(shè)有24組車輪，每組各1個(gè)主動(dòng)車輪和5個(gè)從動(dòng)車輪，呈對稱布置。大車行走機(jī)構(gòu)采用分別驅(qū)動(dòng)，4個(gè)主動(dòng)車輪每套驅(qū)動(dòng)裝置采用“三合一”的結(jié)構(gòu)型式。

大車行走機(jī)構(gòu)采用分別驅(qū)動(dòng)方式，各驅(qū)動(dòng)裝置采用電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速器“三合一”的套裝結(jié)構(gòu)。大車行走簡化了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)裝置集成于一體，直接掛在行走臺(tái)車架上，不再布置在橋機(jī)梁內(nèi)腔端部，從而給驅(qū)動(dòng)裝置的安裝和維護(hù)帶來了極大的方便。車輪組采用新型45°剖分式車輪組，具有方便現(xiàn)場小范圍調(diào)整車輪偏斜的功能，使車輪處于最佳接觸狀態(tài)。由于大車行走機(jī)構(gòu)的主動(dòng)車輪組與減速器采用花鍵連接，容易造成大車行走機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)減速器向外串，為防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，我們在減速器上的扭力盤固定座設(shè)置了可調(diào)節(jié)的螺栓結(jié)構(gòu)，從而使大車行走機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)更加平穩(wěn)。

由于橋機(jī)跨度較大，為防止大車偏斜運(yùn)行，產(chǎn)生啃軌現(xiàn)象，在橋機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的上下游各設(shè)置了一套行走測速反饋編碼器，采用兩套變頻器通過矢量控制，實(shí)現(xiàn)電氣同步，設(shè)置了偏斜信號(hào)發(fā)生器并自動(dòng)糾偏。

3.3 橋 架

橋架主要由主梁和聯(lián)接梁構(gòu)成，主梁與聯(lián)接梁采用銷軸柔性連接。

主梁的小車軌道下采用“T”型鋼。由于小車的輪壓很大，導(dǎo)致軌道下翼板和腹板的局部區(qū)域擠壓應(yīng)力較大，為避免焊縫處于高應(yīng)力區(qū)域，在該處采用軋制的“T”型鋼。由于“T”型鋼處于高應(yīng)力區(qū)域，其翼板及腹板厚度可根據(jù)計(jì)算選取，而梁體的翼板和腹板遠(yuǎn)離了因輪壓造成的高應(yīng)力區(qū)域，其板厚不再受小車輪壓的影響而加大，從而有效降低了梁體的外形截面尺寸。

當(dāng)軌道的軌頂面不在同一平面上時(shí)，如果主梁和聯(lián)接梁采用剛性連接，就會(huì)造成各個(gè)車輪的受力不均；而采用主梁與聯(lián)接梁銷軸柔性連接可以使大車行走的各個(gè)車輪的輪壓基本一致。整個(gè)橋機(jī)采用汽車運(yùn)輸方式，為控制運(yùn)輸尺寸，在主梁與聯(lián)接梁之間增加了一個(gè)支座，支座與主梁采用螺栓連接，然后再由支座與聯(lián)接梁銷軸連接(圖2)，從而使主梁的運(yùn)輸單元寬度減少了520 mm，這種結(jié)構(gòu)避免了主梁兩端的兩行走臺(tái)車間分段及聯(lián)接板和高強(qiáng)螺栓連接，且安裝更容易，減少了工地安裝的工作量，避免了工地安裝誤差。橋架主梁端部與大車行走機(jī)構(gòu)的連接部位采用了如圖3所示的新型結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅能保證梁體具有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)能有效降低大車軌面至小車軌面的高度差約500 mm，從而大大降低了橋機(jī)的整機(jī)高度。

1.大車行走機(jī)構(gòu) 2.主梁 3.聯(lián)接梁圖2 主梁與大車行走機(jī)構(gòu)聯(lián)接結(jié)構(gòu)圖

圖3 主梁端部與大車行走機(jī)構(gòu)聯(lián)接處結(jié)構(gòu)圖

由于起升載荷大，導(dǎo)致小車的輪壓過大，一般不采用正軌梁結(jié)構(gòu)，而采用寬偏軌箱型梁結(jié)構(gòu)，主梁采用偏軌箱型梁結(jié)構(gòu)。梁內(nèi)布置橋機(jī)電氣控制系統(tǒng)，梁兩端設(shè)隔離門，內(nèi)設(shè)空調(diào)等降溫防潮除濕設(shè)備，可有效防止廠房的潮濕環(huán)境對電氣設(shè)備的不利影響，從而提高橋機(jī)的使用可靠性。

對于這種跨度大、載重量大的橋機(jī)，我們采用有限元方法對橋機(jī)的橋架多工況進(jìn)行了計(jì)算分析，對該橋機(jī)的整體力學(xué)結(jié)構(gòu)的掌握、結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。根據(jù)橋架的受力情況，將其簡化為對單根主梁進(jìn)行有限元分析。采用了兩種最不利的工況進(jìn)行有限元分析：小車位于跨中位置，起吊滿載載荷400 t+400 t時(shí)(圖4、5)，主梁的最大應(yīng)力為165.6 MPa，最大撓度為30.56 mm；小車位于跨端位置，起吊滿載載荷400 t+400 t時(shí)(圖6)主梁的最大應(yīng)力為175.7 MPa。主梁主材均采用Q345B，其應(yīng)力和撓度均符合合同及規(guī)范要求。

圖4 滿載時(shí)小車于橋機(jī)跨中主梁應(yīng)力分布圖

圖5 滿載時(shí)小車于橋機(jī)跨中主梁撓度變化圖

圖6 滿載時(shí)小車于橋機(jī)跨端主梁應(yīng)力分布圖

安谷水電站主廠房橋機(jī)大車吊運(yùn)的載荷及線路比較固定，由預(yù)拼裝工位或檢修區(qū)至發(fā)電機(jī)安裝區(qū)位來回吊運(yùn)，不同于通用橋式起重機(jī)，其載荷和路線是隨機(jī)的。因此，主廠房橋機(jī)大車輪壓也是按載重小車的實(shí)際位置計(jì)算提供。對于電站投資方來說，降低橋機(jī)的大車輪壓，就減小了橋機(jī)軌道承重梁的負(fù)載。對于長度達(dá)上百米的廠房，意味著節(jié)約了巨大的投資成本。

橋機(jī)的起升及行走均采用交流變頻，其減小了對整個(gè)機(jī)構(gòu)的沖擊，提高了機(jī)構(gòu)的壽命。我們依托現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)，充分利用CAD軟件技術(shù)、鋼結(jié)構(gòu)有限元智能分析虛擬現(xiàn)實(shí)和動(dòng)態(tài)仿真等現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)方法，避免了大量的手工計(jì)算，使計(jì)算更準(zhǔn)確，從而采用了更合理、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。將車輪組、滑輪組等部件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)人員從大量的重復(fù)勞動(dòng)中解放出來，節(jié)約了大量的設(shè)計(jì)周期。

4 結(jié) 語

安谷水電站主廠房400 t+400 t/16 t橋式起重機(jī)于2013年9月30日通過了特種設(shè)備型式試驗(yàn)，正式投入使用，現(xiàn)已順利完成電站所有發(fā)電機(jī)組及其輔助系統(tǒng)設(shè)備的安裝吊裝任務(wù)。該橋機(jī)的成功研發(fā)，對類似大噸位、超低凈空、結(jié)構(gòu)簡單、集成化、工作范圍廣、可調(diào)速度范圍大的橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

[1] 通用橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，GB/T14405[S].