李 楊，王 勵(lì)，周成成

（1.中國三峽建設(shè)管理有限公司，四川成都 610000；2.杭州國電大力機(jī)電工程有限公司，浙江杭州 310000）

1 研究背景及思路

隨著我國水電工程開發(fā)逐漸向西部高山峽谷地區(qū)轉(zhuǎn)移，水電站壩址多在狹窄河谷地帶。傳統(tǒng)的采用門塔機(jī)進(jìn)行大壩施工受到地理?xiàng)l件等諸多限制，使用纜索式起重機(jī)（簡稱纜機(jī)）澆筑混凝土和設(shè)備吊裝成為大壩施工的主要手段。纜機(jī)是一種特殊的起重機(jī)械，它以柔性鋼索作為大跨距架空支承構(gòu)件，兼有大揚(yáng)程垂直和遠(yuǎn)距離水平運(yùn)輸功能，可用于較大空間范圍內(nèi)進(jìn)行起重和裝卸作業(yè)。使用纜機(jī)澆筑混凝土有諸多優(yōu)點(diǎn)：纜機(jī)供料線路集中，運(yùn)輸強(qiáng)度高，不占用大壩施工場地，無需多次拆裝轉(zhuǎn)換，并能兼顧施工材料、設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)運(yùn)、吊裝（表1）。

表1 纜機(jī)發(fā)展歷史

本研究項(xiàng)目依托溪洛渡纜機(jī)工程，溪洛渡水電站位于金沙江下游，總裝機(jī)容量13 860 MW。其中，大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高285.5 m，混凝土636 萬m3，金屬結(jié)構(gòu)安裝9490 t，全部采用纜機(jī)施工。溪洛渡大壩施工共采用5 臺(tái)平移式無塔架纜機(jī)（表2），單平臺(tái)共軌布置。纜機(jī)揚(yáng)程大（330 m）、主索鉸點(diǎn)高差大（20 m）、施工強(qiáng)度高（月強(qiáng)度超過20 萬m3）。

2 關(guān)鍵技術(shù)及主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

2.1 概況

本項(xiàng)目所依托的工程是金沙江溪洛渡水電站，項(xiàng)目組針對(duì)國內(nèi)外各個(gè)水電工程國產(chǎn)和進(jìn)口纜索起重機(jī)（簡稱纜機(jī)）在設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等環(huán)節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，圍繞裝備國產(chǎn)化和技術(shù)創(chuàng)新等開展了持續(xù)12 年的系統(tǒng)研究，取得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果和技術(shù)突破，形成了特大型水電站施工用纜索起重機(jī)成套關(guān)鍵技術(shù)。

表2 溪洛渡纜機(jī)工程

2.2 研發(fā)雙行走輪形式承馬，將單個(gè)輪上的驅(qū)動(dòng)力減少一半

較其他工程比，溪洛渡纜機(jī)主索鉸點(diǎn)高差大，纜機(jī)承馬爬坡角大，同等情況下必須要增大驅(qū)動(dòng)力和摩擦力才能滿足纜機(jī)運(yùn)行需要，造成承馬與主索接觸應(yīng)力增大，對(duì)主索壽命造成不利影響。采用雙行走輪形式，有效改善了主索受力條件，提高了主索壽命。

700 m 級(jí)的跨度高差達(dá)20 m，主索鉸點(diǎn)高差與跨度之比為國內(nèi)之最。此工況導(dǎo)致纜機(jī)自行式承馬行走時(shí)易打滑，承馬與主索間接觸應(yīng)力較大，特別是小車在靠近右岸運(yùn)行時(shí)，承馬爬坡角大。

常規(guī)自行式承馬，采用單行走輪形式，爬坡時(shí)容易出現(xiàn)打滑，適用最大爬坡角12°；大坡角承馬采用雙行走輪形式，每個(gè)輪的驅(qū)動(dòng)力減少50%，不容易出現(xiàn)打滑，適用最大爬坡角20°。

2.3 研發(fā)“雙圓弧輪槽”行走輪

常規(guī)自行式承馬，采用單圓弧輪槽形式，輪弧與主索的接觸部位在正上方與小車輪接觸重合；大爬坡角承馬采用雙圓弧輪槽，將行走輪與承載索的接觸部位由“一點(diǎn)“接觸改為了“兩點(diǎn)”接觸，接觸部位在正上方左右30°位置，在總壓力不變情況下，接觸部位正壓力減小了42%。

20°爬坡角相比12°爬坡角，總驅(qū)動(dòng)力增加了1.6 倍，但研發(fā)了“雙行走輪”和“雙圓弧輪槽”技術(shù)后，相比常規(guī)自行式承馬12°爬坡角時(shí)的計(jì)算載荷還要小，下降了53.6%，改善了主索受力條件，提高了主索的壽命。

2.4 運(yùn)用新的計(jì)算方法對(duì)材料和構(gòu)造進(jìn)行分析

首次運(yùn)用接觸理論及非線性有限元的計(jì)算方法對(duì)材料和構(gòu)造進(jìn)行分析，使材料選用和構(gòu)造設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理，首次選用高強(qiáng)度航空鋁合金行走輪，在條件相同情況下，相比鋼制材料接觸應(yīng)力減小約30%。

有限元計(jì)算結(jié)果表明（表3），行走輪采用雙圓弧輪槽后，接觸應(yīng)力明顯減小。選用高強(qiáng)度航空鋁合金和優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，相比鋼制材料和原結(jié)構(gòu)，接觸應(yīng)力減小約30%。

表3 有限元計(jì)算結(jié)果

2.5 摩擦傳動(dòng)輪采用特殊配方和特殊熱處理工藝的鋁材

首次在摩擦傳動(dòng)輪采用特殊配方和特殊熱處理工藝的鋁材，將摩擦系數(shù)增大到0.4，且材料更耐磨，使用壽命明顯提高。大坡角自行式承馬對(duì)摩擦材料進(jìn)行了改良，改變了原鋁材的化學(xué)成份配比，新材料對(duì)鋼絲繩的摩擦系數(shù)高且更耐磨，摩擦系數(shù)達(dá)到0.4。

采取特殊的熱處理工藝方法，使得摩擦輪達(dá)到表面稍軟、以形成與索道很好的貼合，芯部較硬的特質(zhì)。實(shí)際使用時(shí)，由于摩擦輪表面會(huì)“滾花”形成與鋼絲繩繩股很好貼合的凹凸形狀，實(shí)際可傳遞的扭矩比按照摩擦系數(shù)計(jì)算的扭矩值更大。

實(shí)際使用表明，新承馬不需要加大鋼絲繩包角情況下，就可以傳遞200 坡角所需要的扭矩。

2.6 減輕承馬自重，便于拆裝維護(hù)

首次將離合器從行走輪中分離出來，減輕了承馬的自身重量，并通過鋁合金材料選用，使承馬行走輪重量從250 kg 降低至22 kg，極大方便了拆裝維護(hù)，減少了運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)語

新研制的大坡角自行式承馬在溪洛渡工程應(yīng)用中，運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)方便，很好的完成溪洛渡工程建設(shè)。單臺(tái)纜機(jī)澆筑總方量超過150 萬m3，工作循環(huán)次數(shù)接近25 萬次，滿足設(shè)計(jì)要求和工程建設(shè)需要。