劉亞軍，昌國鍇，趙玉超

(中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

0 引 言

絞車廣泛應(yīng)用于水電站斜豎井施工提升系統(tǒng)中。由于普通絞車電動(dòng)機(jī)、減速器、卷筒在同一條直線上布置，占據(jù)空間大，很難在水電站隧洞中布置。根據(jù)規(guī)范要求，水電站斜豎井施工需安裝2臺(tái)單筒絞車，要求安裝單臺(tái)絞車具備單機(jī)同步雙牽引、遠(yuǎn)程遙控等工作模式。受地下洞室空間限制，安裝2臺(tái)單筒絞車布置困難，加之2臺(tái)單機(jī)連動(dòng)同時(shí)牽引同步精度較差，普通絞車操作系統(tǒng)不適應(yīng)復(fù)雜且高危的斜豎井施工環(huán)境，在復(fù)雜的斜井提升系統(tǒng)中安全難以保障。為解決上述問題，滿足水電站斜豎井施工中對(duì)絞車的安全性、可靠性以及工作時(shí)的穩(wěn)定性要求，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，在深圳抽水蓄能電站(以下簡(jiǎn)稱“深蓄電站”)斜井施工中，對(duì)絞車進(jìn)行了一系列的改進(jìn)與優(yōu)化。

1 絞車優(yōu)化與改進(jìn)

1.1 絞車安裝及工作原理

水電站施工用絞車主要由主機(jī)系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)組成。主機(jī)系統(tǒng)包含主電機(jī)、減速箱、雙卷筒等；輔助系統(tǒng)包含液壓站、潤滑站等；電控系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、操作監(jiān)控系統(tǒng)。施工期間，先進(jìn)行絞車基礎(chǔ)施工，安裝絞車系統(tǒng)；然后進(jìn)行電控系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、配電系統(tǒng)及操作監(jiān)控系統(tǒng)的安裝；待所有系統(tǒng)安裝完成后，進(jìn)行調(diào)試試運(yùn)行，驗(yàn)收合格后投入施工使用。使用過程中，按照使用規(guī)程定時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查、保養(yǎng)、維修。

(1)絞車系統(tǒng)。絞車采用無級(jí)變速絞車，以重級(jí)為12.5T JTP型雙筒絞車為例，絞車最大牽引力為150 kN，最大行駛速度為0.75 m/s，鋼絲繩直徑為φ32 mm，滾筒最大容繩量3層，可達(dá)500 m。絞車要求配有電機(jī)制動(dòng)器及圈筒盤式制動(dòng)器；絞車要求配有限位器、超速器、限載裝置、排繩器；電氣控制要求配有過載保護(hù)、過速保護(hù)、過流保護(hù)、通訊信號(hào)、緊急安全開關(guān)，電器均為防水型產(chǎn)品；操作柜與絞車安裝位置之間要求符合相關(guān)規(guī)范要求。

(2)主機(jī)系統(tǒng)。絞車主機(jī)系統(tǒng)主要是指完成提升機(jī)從啟動(dòng)、加速、等速、減速、爬行到停車整個(gè)運(yùn)行過程的邏輯控制及其必要的保護(hù)，并與其他子系統(tǒng)交換信號(hào)共同完成對(duì)提升機(jī)整機(jī)的有效控制。其中，主機(jī)動(dòng)力通過電動(dòng)機(jī)、彈性柱銷齒式聯(lián)軸器傳遞到直交平行齒輪減速器。減速完成后，經(jīng)由齒輪聯(lián)軸器傳送至主軸裝置。主軸裝置的正、反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)貨物(人員)的提升和下降。盤式制動(dòng)器在提升絞車啟動(dòng)、加速、減速、停車階段參與調(diào)速，并在緊急情況下可靠制動(dòng)閘盤，實(shí)現(xiàn)提升絞車的平穩(wěn)停車，確保施工人員的人身安全[1]。

(3)電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)為全數(shù)字交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用矢量變頻器作為提升機(jī)驅(qū)動(dòng)、調(diào)速的主元件，網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化控制，具備提升工藝要求的過載能力，安全系數(shù)高，滿足各種工況下受力的要求。采用PLC實(shí)現(xiàn)控制、監(jiān)視及人機(jī)通訊，確保提升電控系統(tǒng)具備先進(jìn)性、可靠性、穩(wěn)定性、精確性、兼容性、高效性等功能特點(diǎn)。系統(tǒng)按“安全回路雙線制，主要保護(hù)多線制”的設(shè)計(jì)原則，控制部分采用三菱FX3U型可編程控制，運(yùn)行、減速、停車進(jìn)行全程控制，安全可靠。系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如行程、速度、電流等具備雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，定位精準(zhǔn)。其控操作臺(tái)采用人性化設(shè)計(jì)，配備以可調(diào)閘模塊、電源模塊、觸摸屏等，以及模擬量輸入、輸出模塊，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的工藝過程控制和各種邏輯保護(hù)。對(duì)提升機(jī)的預(yù)備提升、啟動(dòng)、加速、全速操作簡(jiǎn)單，配備上位監(jiān)控，通過監(jiān)控界面對(duì)系統(tǒng)重要參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與記錄，具備故障記憶功能，方便查閱?？夭僮髋_(tái)是電控系統(tǒng)的人機(jī)信息交換設(shè)備，擔(dān)負(fù)著提升機(jī)進(jìn)行集中控制、監(jiān)視、參量信號(hào)設(shè)定和顯示以及故障診斷和顯示等重任。

(4)變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由矢量變頻器、能耗制動(dòng)裝置(制動(dòng)單元+制動(dòng)電阻)組成。變頻調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，對(duì)提升機(jī)的主電機(jī)完成啟動(dòng)、加速、等速、爬行到停車等功能。調(diào)速性能平穩(wěn)，啟動(dòng)、制動(dòng)、停車無沖擊，節(jié)能降耗，保護(hù)功能齊全。變頻調(diào)速原理見圖1。

圖1 變頻調(diào)速原理示意

(5)配電系統(tǒng)。電源柜(以低壓為例)作為380 V電源進(jìn)線柜，內(nèi)置斷路器、電流互感器、隔離變壓器、電流表、電壓表等，具備過壓、過流、失壓脫扣保護(hù)功能；帶有防雷裝置，具有必要的機(jī)械及電氣閉鎖，安全可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，用于給變頻器及其他設(shè)備提供電源。

(6)輔控系統(tǒng)。指各路控制電源、控制回路的接口以及輔機(jī)系統(tǒng)的控制等部分。

(7)監(jiān)控系統(tǒng)。指對(duì)電控系統(tǒng)關(guān)鍵部件，包括提升信號(hào)系統(tǒng)工作情況、提升機(jī)運(yùn)行過程中關(guān)鍵參數(shù)、參量的曲線、以及司機(jī)操作的正確性進(jìn)行監(jiān)控和顯示，并進(jìn)行必要的記錄，以備需要查閱之需的系統(tǒng)。

1.2 絞車創(chuàng)新與改進(jìn)

基于水電站斜豎井施工對(duì)絞車提升設(shè)備的要求，在原有JTP型絞車的基礎(chǔ)上進(jìn)行以下創(chuàng)新：

(1)絞車卷筒采用特制高強(qiáng)(16Mn)板材卷制焊接而成，強(qiáng)度高，變位質(zhì)量小，啟動(dòng)和制動(dòng)性能得到顯著的提高。

(2)制動(dòng)盤和卷筒采用高強(qiáng)度螺栓連接，通過大平面摩擦幅傳遞制動(dòng)力矩，制動(dòng)盤與卷筒有配套止口作徑向定位。

(3)高速軸采用彈性柱銷齒式聯(lián)軸器，同時(shí)在電機(jī)和減速器之間設(shè)置了電機(jī)制動(dòng)器，有效地改變了提升絞車啟動(dòng)和制動(dòng)瞬間因電機(jī)慣性而形成的對(duì)減速器的沖擊。

(4)提升絞車采用雙盤制動(dòng)和后置式盤式制動(dòng)器，制動(dòng)力矩大，制動(dòng)動(dòng)作速度快，制動(dòng)時(shí)間不大于0.3 s；設(shè)有閘間隙保護(hù)，當(dāng)閘間隙超過規(guī)定值時(shí)能報(bào)警并完成本次提升后不能開機(jī)；后置式結(jié)構(gòu)有效地改變了盤式制動(dòng)器滲漏油時(shí)對(duì)制動(dòng)盤的污染，從而保證了提升絞車制動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性和安全可靠性。

(5)采用獲國家專利的恒力矩電氣二級(jí)制動(dòng)液壓站，安全制動(dòng)時(shí)能有效減小沖擊，保護(hù)主機(jī)和鋼絲繩；同時(shí)采用2條獨(dú)立的液壓回路，液壓系統(tǒng)維修、工作兩不誤(可以做到1套工作、1套修理)。

(6)卷筒與絞車電機(jī)采用90°布置，減少了整機(jī)的寬度，節(jié)省空間，適用水電行業(yè)斜豎井施工的特點(diǎn)。普通絞車與新型絞車布置見圖2[2]。

圖2 絞車布置示意

(7) 安全保護(hù)及聯(lián)鎖功能齊全。深蓄電站斜井JTP改進(jìn)型提升系統(tǒng)增加了安全保護(hù)裝置和聯(lián)鎖功能。安全保護(hù)系統(tǒng)閉鎖了提升機(jī)的運(yùn)行條件，只有當(dāng)外部設(shè)備運(yùn)行正常，具備開車條件后，才允許提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；安全回路閉鎖了提升機(jī)的全部重故障保護(hù)信號(hào)，故障一旦發(fā)生，提升機(jī)立即進(jìn)行緊急制動(dòng)；對(duì)于提升系統(tǒng)出現(xiàn)的輕故障，允許完成本次提升，待排除故障后，提升機(jī)方可繼續(xù)運(yùn)行[3]。

通過觸摸屏與PLC之間的通訊實(shí)現(xiàn)監(jiān)控目的。上位監(jiān)控具備提升信號(hào)種類顯示、參數(shù)設(shè)定、提升機(jī)運(yùn)行過程及事故過程顯示及記錄，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢等功能，為提升機(jī)故障原因及動(dòng)態(tài)過程分析提供依據(jù)，具有多種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)畫面，顯示直觀明了，無需通過電腦編程，現(xiàn)場(chǎng)工況需設(shè)置的參數(shù)在觸摸屏上直接調(diào)出，設(shè)置、操作簡(jiǎn)單，調(diào)試、檢修方便，不需改動(dòng)線路或復(fù)雜的參數(shù)修改，且閉鎖嚴(yán)謹(jǐn)。

2 動(dòng)滑輪裝置

動(dòng)滑輪裝置結(jié)構(gòu)可通過滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)鋼絲繩的長(zhǎng)度，使其鋼絲繩受力均勻。主要結(jié)構(gòu)有動(dòng)滑輪、滑輪支承系統(tǒng)?；喲b置結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 滑輪裝置結(jié)構(gòu)

使用滑輪系統(tǒng)時(shí)，絞車使用1根完整的鋼絲繩，在雙卷筒的一端固定并引出，通過小車滑輪或吊籠滑輪后返回與卷筒的另一端固定。在安裝過程中，必須注意鋼絲繩在卷筒的位置一致，才能保證卷筒在收放時(shí)繩的長(zhǎng)度一致，減少滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，減少滑輪及鋼絲繩的磨損，保證小車及吊籠的運(yùn)行平穩(wěn)，減少鋼絲繩及滑輪的磨損。在斜豎井施工中，由于采用了動(dòng)滑輪，縮短了卷筒與鋼絲繩之間的距離，吊籠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)行更加平穩(wěn)。

3 自動(dòng)平衡裝置

自動(dòng)平衡裝置有2個(gè)及以上自動(dòng)平衡懸掛裝置配合使用，起到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)鋼絲繩的長(zhǎng)度，能達(dá)到自動(dòng)平衡的作用。張力自動(dòng)平衡懸掛裝置由楔形繩環(huán)、液壓平衡系統(tǒng)、承力結(jié)構(gòu)部件3部分組成。多個(gè)平衡裝置通過連接組件軟管、閥門、通管形成了一個(gè)完整的張力自動(dòng)平衡懸掛裝置。張力自動(dòng)平衡裝置及油管連接方式布置見圖4[4]。

懸掛裝置與施工小車的布置見圖5。其工作原理為：閉環(huán)采用液壓方式連接，無論處于運(yùn)動(dòng)或靜止，只要各鋼絲繩存在張力差，張力所在鋼絲繩將通過中板、墊塊、側(cè)板及壓板壓縮連通油缸，使連通油缸活塞桿壓縮，懸掛伸長(zhǎng)，鋼絲繩的張力變小，油缸內(nèi)的油液通過連通管進(jìn)入張力小的連通油缸，使其活塞桿無法伸長(zhǎng)，通過墊塊、中板、壓板及側(cè)板使懸掛縮短，鋼絲繩張力變大，直到每根鋼絲繩的張力均相等，連通油缸運(yùn)動(dòng)才相應(yīng)停止，從而保證絞車系統(tǒng)所牽引施工小車平穩(wěn)運(yùn)行。

圖4 張力自動(dòng)平衡裝置及油管連接方式布置

圖5 小車底架與自動(dòng)平衡裝置安裝

4 結(jié) 語

通過在深蓄電站斜井施工中改進(jìn)后，礦用絞車提升系統(tǒng)可用于水電站斜豎井施工。該JTP改進(jìn)型提升系統(tǒng)提高了提升機(jī)運(yùn)行的安全可靠性和控制技術(shù)水平，降低了設(shè)備故障率，提高了生產(chǎn)效率，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)的全自動(dòng)、半自動(dòng)或手動(dòng)的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行及遠(yuǎn)程遙控等工作方式，系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能好，具有良好的閉環(huán)性能，保障了水電站斜豎井施工中人員及設(shè)備的安全，在水利水電工程斜豎井施工中可參考應(yīng)用。