“中國(guó)好設(shè)計(jì)”金獎(jiǎng)
——大跨徑柔性吊裝技術(shù)

文/本刊記者 李雪敏

圖1 FAST反射面單元吊裝半跨徑方案圖

坐落于貴州省平塘縣的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱(chēng)“FAST”）別譽(yù)為“中國(guó)天眼”，由我國(guó)天文學(xué)家南仁東于1994年提出構(gòu)想，歷時(shí)22年建成，于2016年9月25日落成啟用。截止2018年9月12日，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡已發(fā)現(xiàn)59顆優(yōu)質(zhì)的脈沖星候選體，其中有44顆已被確認(rèn)為新發(fā)現(xiàn)的脈沖星。

“天眼”工程為國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，由主動(dòng)反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、測(cè)量與控制系統(tǒng)、接收機(jī)與終端及觀(guān)測(cè)基地等幾大部分構(gòu)成。其中，“天眼”工程所涉及的“大跨徑柔性吊裝技術(shù)”獲得2018年度“中國(guó)好設(shè)計(jì)”金獎(jiǎng)。

FAST建成后是世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。其球冠狀主動(dòng)反射面由4450塊反射面單元組成，此種反射面的吊裝在世界上尚屬首次。它質(zhì)量輕、面積大且邊長(zhǎng)不等，共有186種規(guī)格，吊裝時(shí)跨度大、高懸空、工藝復(fù)雜、干涉多、工期短，需要考慮后期維護(hù)，且施工的結(jié)果直接關(guān)系到整個(gè)望遠(yuǎn)鏡的精度，而傳統(tǒng)方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為了保證反射面單元的位形精度，在索網(wǎng)變位工作過(guò)程中，需要保證反射面單元不承受過(guò)大的載荷。針對(duì)上述問(wèn)題，安裝項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)結(jié)合工程及臺(tái)址地形，突破了傳統(tǒng)施工工藝，攻克了一系列吊裝關(guān)鍵技術(shù)，成功地研制了大跨徑柔性吊裝技術(shù)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在精準(zhǔn)精細(xì)吊裝關(guān)鍵設(shè)備的多項(xiàng)空白。

設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

1.FAST望遠(yuǎn)鏡反射面吊裝工程創(chuàng)新點(diǎn)

創(chuàng)新點(diǎn)1：首創(chuàng)了二次空中轉(zhuǎn)接反射面單元的輻射式纜索吊吊裝系統(tǒng)，成功解決了FAST反射面單元吊裝施工跨度大、高懸空、工藝雜、多干涉、工期短的難題，實(shí)現(xiàn)了反射面單元的精準(zhǔn)、高效吊裝，保證了FAST工程主動(dòng)反射面系統(tǒng)的安裝精度和安裝進(jìn)度。

吊裝方案的設(shè)計(jì)需兼顧考慮如下問(wèn)題：FAST望遠(yuǎn)鏡以貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)金科村大窩凼天然的喀斯特洼坑作為臺(tái)址，開(kāi)挖后最終形狀為半徑304米，張角為120度的反球冠，反射面口徑為500米；反射面單元安裝于索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)盤(pán)上，所有節(jié)點(diǎn)位置懸空，離地高度4～50m不等；反射面單元為邊長(zhǎng)為10.4～12.4m的三角形，高度約1.3m，背架為空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，共計(jì)4450塊，安裝面積達(dá)25萬(wàn)平方米，要求一年內(nèi)完成吊裝；FAST反射面為反球冠狀，根據(jù)索網(wǎng)對(duì)反射面單元網(wǎng)格的劃分，每個(gè)反射面單元有不同的空間安裝角度，且每種反射面單元的三個(gè)安裝定點(diǎn)在安裝時(shí)的相對(duì)角度亦有所不同，因此需要在安裝時(shí)調(diào)整反射面單元到任意角度姿態(tài)；FAST望遠(yuǎn)鏡反射面單元安裝完成后，吊裝設(shè)備需留用做望遠(yuǎn)鏡后續(xù)的維護(hù)設(shè)備，因此吊裝方案需兼顧考慮望遠(yuǎn)鏡后續(xù)的維護(hù)。

（1）創(chuàng)新設(shè)計(jì)了首例二次空中轉(zhuǎn)接反射面單元的輻射式纜索吊吊裝系統(tǒng)整體方案。

結(jié)合FAST工程特點(diǎn)、臺(tái)址現(xiàn)狀、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，針對(duì)常規(guī)吊裝設(shè)備無(wú)法使用、與饋源艙驅(qū)動(dòng)索干涉、施工效率低及后續(xù)維護(hù)復(fù)雜等因素，反射面單元吊裝采用纜索吊車(chē)、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)車(chē)、纜索運(yùn)輸小車(chē)以及中心環(huán)梁等設(shè)備組成輻射式纜索吊車(chē)聯(lián)合吊裝的方案，圖2所示輻射式纜索吊車(chē)吊裝系統(tǒng)布置，即在圈梁上鋪設(shè)運(yùn)行軌道，并設(shè)置2臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)車(chē)和2臺(tái)纜索吊車(chē)，在反射面中心設(shè)置一套中心環(huán)梁，圈梁上的2臺(tái)纜索吊車(chē)與中心環(huán)梁通過(guò)懸索和隨動(dòng)小車(chē)連接形成2套半跨徑輻射式纜索吊車(chē)系統(tǒng)。

圖2 輻射式纜索吊車(chē)吊裝系統(tǒng)布置

由塔式起重機(jī)起吊拼接檢測(cè)合格后的反射面單元，通過(guò)轉(zhuǎn)接吊鉤將反射面單元第一次空中轉(zhuǎn)接轉(zhuǎn)吊至轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)車(chē)，如圖3所示，完成第一次轉(zhuǎn)接后，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)車(chē)載上反射面單元沿圈梁軌道運(yùn)送至已調(diào)整好安裝位置的纜索吊車(chē)，通過(guò)轉(zhuǎn)接吊鉤進(jìn)行第二次空中轉(zhuǎn)接，如圖4所示，最后由纜索吊車(chē)將反射面單元通過(guò)輻射式索道徑向運(yùn)至指定位置進(jìn)行安裝。為了保證吊裝效率及中心環(huán)梁的均衡受力，半跨徑輻射式纜索吊車(chē)系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)且對(duì)稱(chēng)布置。

該方案有效解決了FAST反射面單元吊裝跨度大、位置高、工藝雜、干涉多的難題，并且保證了安裝精度和效率。

圖3 反射面單元第一次空中轉(zhuǎn)接（轉(zhuǎn)吊到轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)車(chē)）

圖4 反射面單元第二次空中轉(zhuǎn)接（轉(zhuǎn)吊到纜索吊車(chē)）

（2）自主研制的專(zhuān)用的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)車(chē)，解決了反射面單元在圈梁軌道上的平穩(wěn)運(yùn)輸和與纜索吊車(chē)的空中轉(zhuǎn)接的難題。

轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)車(chē)由伸縮臂、吊臂、斜支撐、司機(jī)室、回轉(zhuǎn)支撐、立柱、主梁、輔梁、內(nèi)側(cè)梁、外側(cè)梁、行走輪組、導(dǎo)向輪組、制動(dòng)裝置、發(fā)電機(jī)組和電氣控制系統(tǒng)等部分組成，如圖5所示。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)車(chē)可實(shí)現(xiàn)反射面單元在空中的轉(zhuǎn)接、轉(zhuǎn)運(yùn)、旋轉(zhuǎn)等功能。

圖5 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)車(chē)在運(yùn)行

（3）自主研制的專(zhuān)用的纜索吊車(chē)，解決了反射面單元與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)車(chē)空中轉(zhuǎn)接和柔性吊裝中“移動(dòng)支撐點(diǎn)”的難題。

纜索吊車(chē)由張緊絞車(chē)、牽引絞車(chē)、電纜卷筒、滑輪組、絞車(chē)支架、斜支撐、司機(jī)室、回轉(zhuǎn)支撐、立柱、主梁、輔梁、內(nèi)側(cè)梁、外側(cè)梁、行走輪組、導(dǎo)向輪組、制動(dòng)裝置、發(fā)電機(jī)組和電氣控制系統(tǒng)等部分組成，如圖6所示。

圖6 纜索吊車(chē)在運(yùn)行

纜索吊車(chē)可實(shí)現(xiàn)反射面單元的空中轉(zhuǎn)接、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、定位等功能。

（4）自主研制了一種液壓盤(pán)式制動(dòng)器，解決了承載索張緊過(guò)程中纜索吊車(chē)上部空間窄小不便布置制動(dòng)器的問(wèn)題。

液壓盤(pán)式制動(dòng)器由底座、弧形板、連接座、制動(dòng)臂、閘塊、制動(dòng)瓦、制動(dòng)缸等組成，滿(mǎn)足了緊湊型纜索吊車(chē)的制動(dòng)及窄小空間的安裝要求。

（5）自主研制了纜索運(yùn)輸小車(chē)，解決了反射面單元在吊裝過(guò)程中的遙控升降和定位調(diào)整問(wèn)題。纜索運(yùn)輸小車(chē)由小車(chē)支架、行走輪、反滾輪、繩索錨固機(jī)構(gòu)、遙控葫蘆和電氣控制系統(tǒng)等部分組成，可實(shí)現(xiàn)反射面單元的運(yùn)輸、遙控升降、探測(cè)定位等功能。

（6）自主研制了反射面單元專(zhuān)用吊具，解決了反射面單元在吊裝過(guò)程中的保型和姿態(tài)調(diào)整問(wèn)題，保證了反射面單元的安裝精度和效率。專(zhuān)用吊具由緊箍鎖、吊爪、拉桿、移動(dòng)滑輪、移動(dòng)吊耳、吊臂、儲(chǔ)纜盤(pán)、上下連接板、遙控小卷?yè)P(yáng)機(jī)、吊環(huán)等組成，可實(shí)現(xiàn)反射面單元的空中運(yùn)輸、保型、旋轉(zhuǎn)、姿態(tài)調(diào)整、定位等功能。

（7）創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了空中轉(zhuǎn)接吊鉤，解決了反射面單元起吊后二次空中轉(zhuǎn)接問(wèn)題。

（8）創(chuàng)新性地對(duì)中心環(huán)梁和隨動(dòng)小車(chē)進(jìn)行了布局設(shè)計(jì)，解決了吊裝設(shè)備運(yùn)行與六索牽引饋源艙入港的干涉問(wèn)題。

當(dāng)六索牽引饋源艙進(jìn)入入港平臺(tái)時(shí)，驅(qū)動(dòng)饋源艙的六索距地面高度降低，吊裝設(shè)備在吊裝中心區(qū)域的反射面單元時(shí)有可能會(huì)與六索牽引饋源艙入港的纜索產(chǎn)生干涉，如圖7所示。為此，將中心環(huán)梁設(shè)計(jì)成上、下兩層，上層環(huán)梁在饋源艙入港時(shí)沿每根纜索的投影位置開(kāi)1.2m的開(kāi)口槽，如圖8所示，在饋源艙入港時(shí)開(kāi)口槽打開(kāi)，待饋源艙落入平臺(tái)后，人工封閉開(kāi)口槽可繼續(xù)進(jìn)行反射面單元吊裝，從而最大程度減少吊裝設(shè)備運(yùn)行與六索牽引饋源艙入港的干涉。

創(chuàng)新點(diǎn)2：創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種可由半跨徑纜索吊車(chē)變化成全跨徑纜索吊車(chē)的系統(tǒng)，方法設(shè)計(jì)合理、簡(jiǎn)單、可靠，實(shí)現(xiàn)了反射面單元后續(xù)的安全、便捷的維護(hù)保養(yǎng)工作。

望遠(yuǎn)鏡建成后，反射面需要后續(xù)維護(hù)保養(yǎng)，包括索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)盤(pán)、靶標(biāo)、面板單元等的維護(hù)及表面雜物的清理等，需要采用全跨徑纜索吊車(chē)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反射面無(wú)盲區(qū)的維護(hù)保養(yǎng)。

根據(jù)這一要求，在反射面單元吊裝完成后，采用一組對(duì)接滑輪連接原輻射式纜索吊車(chē)系統(tǒng)中在中心環(huán)梁上的兩組隨動(dòng)小車(chē)，連接隨動(dòng)小車(chē)的對(duì)接滑輪組隨承載索運(yùn)動(dòng)并可隨時(shí)保持四索受力均衡。拆除中心環(huán)梁和一套輻射式纜索吊車(chē)系統(tǒng)中的運(yùn)輸小車(chē)裝置，這樣就改造成為一套500米的全跨徑纜索吊車(chē)系統(tǒng)，如圖9所示，用于反射面的后續(xù)維護(hù)保養(yǎng)。

圖7 六索與環(huán)梁干涉示意圖

圖8 環(huán)梁上層開(kāi)槽減少干涉示意圖

圖9 全跨徑纜索吊車(chē)吊裝布置示意圖

當(dāng)望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行觀(guān)測(cè)和饋源艙入港時(shí)，全跨徑纜索吊車(chē)系統(tǒng)可以收起全部索系，兩臺(tái)纜索吊車(chē)并排停靠在圈梁某位置，待反射面需要維護(hù)時(shí)，全跨徑纜索吊車(chē)系統(tǒng)展開(kāi)，配用吊籃和纜索運(yùn)輸小車(chē)裝置可實(shí)現(xiàn)500米全跨徑操作，方案設(shè)計(jì)合理、簡(jiǎn)單、可靠，F(xiàn)AST望遠(yuǎn)鏡采用這一方法實(shí)現(xiàn)了反射面單元后續(xù)的安全、便捷的維護(hù)工作。

應(yīng)用效果與推廣情況

FAST望遠(yuǎn)鏡為國(guó)家大科學(xué)試驗(yàn)裝置，采用全新的大跨徑柔性吊裝方法和工藝完成了傳統(tǒng)方法無(wú)法完成的FAST反射面的吊裝任務(wù)。由于吊裝方案考慮全面、周到，吊裝效率大大提高，由原計(jì)劃的每天吊裝20塊提高到平均每天吊裝30塊，單天最高吊裝37塊。2016年7月3日，順利完成全部4450塊反射面單元的吊裝，在極端天氣天數(shù)累計(jì)一個(gè)多月的情況下，仍提前一個(gè)月完成吊裝任務(wù)，比原計(jì)劃縮短了35%(4個(gè)月)。經(jīng)院士專(zhuān)家鑒定此項(xiàng)大跨徑柔性吊裝技術(shù)居國(guó)際領(lǐng)先水平〔船重科鑒字（2017）第098號(hào)〕，本項(xiàng)目獲發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)，實(shí)用新型2項(xiàng)。中央電視臺(tái)“輝煌中國(guó)”記錄片在《創(chuàng)新活力》這集中重點(diǎn)介紹了“中國(guó)天眼”反射面單元吊裝的難度，稱(chēng)之“天眼建設(shè)，每一步都是難關(guān)……這種大跨度、高精度的吊裝方案在全球也沒(méi)有先例可循。”

武漢武船重型裝備工程有限責(zé)任公司采用此項(xiàng)技術(shù)還完成了黃岡主體育場(chǎng)280米的大跨度、高7.5米截面的漸變、倒置三角形63度的大傾角、高達(dá)49米的大矢高、球管相貫焊和6510平米鍍鋁鋅屋面板的精確安裝工程。

除上述工程外，大跨徑柔性吊裝技術(shù)還應(yīng)用到客運(yùn)索道的安裝調(diào)試、懸索橋載人檢修與監(jiān)測(cè)設(shè)備吊裝及FAST工程的載人檢修與監(jiān)測(cè)設(shè)備吊裝的方案設(shè)計(jì)，這種全新的大跨徑柔性吊裝技術(shù)具有巨大的發(fā)展前景。

社會(huì)效益

本項(xiàng)目的研制成功保證了“中國(guó)天眼”按質(zhì)按期順利完工，提高了“中國(guó)天眼”的國(guó)際知名度和貴州的美譽(yù)度，極大地加快了當(dāng)?shù)氐拿撠氈赂坏牟椒ィ瑤?dòng)了當(dāng)?shù)芈糜谓?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，成為西南地區(qū)獨(dú)特的科學(xué)風(fēng)景，對(duì)于推動(dòng)西部大開(kāi)發(fā)具有重要的戰(zhàn)略意義。此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于客運(yùn)架空索道的安裝與維護(hù)，拓寬了索道建設(shè)的設(shè)計(jì)思路，完善了索道的安裝與維護(hù)，為類(lèi)似工程的施工提供了有價(jià)值的參考與借鑒，推動(dòng)了相關(guān)施工領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步。