“中國好設計”金獎
——大跨徑柔性吊裝技術

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鏡（簡稱“FAST”）別譽為“中國天眼”，由我國天文學家南仁東于1994年提出構想，歷時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鏡已發現59顆優質的脈沖星候選體，其中有44顆已被確認為新發現的脈沖星。

“天眼”工程為國家重大科技基礎設施，由主動反射面系統、饋源支撐系統、測量與控制系統、接收機與終端及觀測基地等幾大部分構成。其中，“天眼”工程所涉及的“大跨徑柔性吊裝技術”獲得2018年度“中國好設計”金獎。

FAST建成后是世界最大的單口徑射電望遠鏡。其球冠狀主動反射面由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。它質量輕、面積大且邊長不等，共有186種規格，吊裝時跨度大、高懸空、工藝復雜、干涉多、工期短，需要考慮后期維護，且施工的結果直接關系到整個望遠鏡的精度，而傳統方式無法實現。為了保證反射面單元的位形精度，在索網變位工作過程中，需要保證反射面單元不承受過大的載荷。針對上述問題，安裝項目團隊結合工程及臺址地形，突破了傳統施工工藝，攻克了一系列吊裝關鍵技術，成功地研制了大跨徑柔性吊裝技術，填補了國內在精準精細吊裝關鍵設備的多項空白。

設計創新點

1.FAST望遠鏡反射面吊裝工程創新點

創新點1：首創了二次空中轉接反射面單元的輻射式纜索吊吊裝系統，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，實現了反射面單元的精準、高效吊裝，保證了FAST工程主動反射面系統的安裝精度和安裝進度。

吊裝方案的設計需兼顧考慮如下問題：FAST望遠鏡以貴州省平塘縣克度鎮金科村大窩凼天然的喀斯特洼坑作為臺址，開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節點盤上，所有節點位置懸空，離地高度4～50m不等；反射面單元為邊長為10.4～12.4m的三角形，高度約1.3m，背架為空間網架結構，共計4450塊，安裝面積達25萬平方米，要求一年內完成吊裝；FAST反射面為反球冠狀，根據索網對反射面單元網格的劃分，每個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安裝定點在安裝時的相對角度亦有所不同，因此需要在安裝時調整反射面單元到任意角度姿態；FAST望遠鏡反射面單元安裝完成后，吊裝設備需留用做望遠鏡后續的維護設備，因此吊裝方案需兼顧考慮望遠鏡后續的維護。

（1）創新設計了首例二次空中轉接反射面單元的輻射式纜索吊吊裝系統整體方案。

結合FAST工程特點、臺址現狀、索網結構，針對常規吊裝設備無法使用、與饋源艙驅動索干涉、施工效率低及后續維護復雜等因素，反射面單元吊裝采用纜索吊車、轉運機車、纜索運輸小車以及中心環梁等設備組成輻射式纜索吊車聯合吊裝的方案，圖2所示輻射式纜索吊車吊裝系統布置，即在圈梁上鋪設運行軌道，并設置2臺轉運機車和2臺纜索吊車，在反射面中心設置一套中心環梁，圈梁上的2臺纜索吊車與中心環梁通過懸索和隨動小車連接形成2套半跨徑輻射式纜索吊車系統。

圖2 輻射式纜索吊車吊裝系統布置

由塔式起重機起吊拼接檢測合格后的反射面單元，通過轉接吊鉤將反射面單元第一次空中轉接轉吊至轉運機車，如圖3所示，完成第一次轉接后，轉運機車載上反射面單元沿圈梁軌道運送至已調整好安裝位置的纜索吊車，通過轉接吊鉤進行第二次空中轉接，如圖4所示，最后由纜索吊車將反射面單元通過輻射式索道徑向運至指定位置進行安裝。為了保證吊裝效率及中心環梁的均衡受力，半跨徑輻射式纜索吊車系統設置2臺且對稱布置。

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接（轉吊到轉運機車）

圖4 反射面單元第二次空中轉接（轉吊到纜索吊車）

（2）自主研制的專用的轉運機車，解決了反射面單元在圈梁軌道上的平穩運輸和與纜索吊車的空中轉接的難題。

轉運機車由伸縮臂、吊臂、斜支撐、司機室、回轉支撐、立柱、主梁、輔梁、內側梁、外側梁、行走輪組、導向輪組、制動裝置、發電機組和電氣控制系統等部分組成，如圖5所示。轉運機車可實現反射面單元在空中的轉接、轉運、旋轉等功能。

圖5 轉運機車在運行

（3）自主研制的專用的纜索吊車，解決了反射面單元與轉運機車空中轉接和柔性吊裝中“移動支撐點”的難題。

纜索吊車由張緊絞車、牽引絞車、電纜卷筒、滑輪組、絞車支架、斜支撐、司機室、回轉支撐、立柱、主梁、輔梁、內側梁、外側梁、行走輪組、導向輪組、制動裝置、發電機組和電氣控制系統等部分組成，如圖6所示。

圖6 纜索吊車在運行

纜索吊車可實現反射面單元的空中轉接、移動、旋轉、定位等功能。

（4）自主研制了一種液壓盤式制動器，解決了承載索張緊過程中纜索吊車上部空間窄小不便布置制動器的問題。

液壓盤式制動器由底座、弧形板、連接座、制動臂、閘塊、制動瓦、制動缸等組成，滿足了緊湊型纜索吊車的制動及窄小空間的安裝要求。

（5）自主研制了纜索運輸小車，解決了反射面單元在吊裝過程中的遙控升降和定位調整問題。纜索運輸小車由小車支架、行走輪、反滾輪、繩索錨固機構、遙控葫蘆和電氣控制系統等部分組成，可實現反射面單元的運輸、遙控升降、探測定位等功能。

（6）自主研制了反射面單元專用吊具，解決了反射面單元在吊裝過程中的保型和姿態調整問題，保證了反射面單元的安裝精度和效率。專用吊具由緊箍鎖、吊爪、拉桿、移動滑輪、移動吊耳、吊臂、儲纜盤、上下連接板、遙控小卷揚機、吊環等組成，可實現反射面單元的空中運輸、保型、旋轉、姿態調整、定位等功能。

（7）創新性的設計了空中轉接吊鉤，解決了反射面單元起吊后二次空中轉接問題。

（8）創新性地對中心環梁和隨動小車進行了布局設計，解決了吊裝設備運行與六索牽引饋源艙入港的干涉問題。

當六索牽引饋源艙進入入港平臺時，驅動饋源艙的六索距地面高度降低，吊裝設備在吊裝中心區域的反射面單元時有可能會與六索牽引饋源艙入港的纜索產生干涉，如圖7所示。為此，將中心環梁設計成上、下兩層，上層環梁在饋源艙入港時沿每根纜索的投影位置開1.2m的開口槽，如圖8所示，在饋源艙入港時開口槽打開，待饋源艙落入平臺后，人工封閉開口槽可繼續進行反射面單元吊裝，從而最大程度減少吊裝設備運行與六索牽引饋源艙入港的干涉。

創新點2：創新設計了一種可由半跨徑纜索吊車變化成全跨徑纜索吊車的系統，方法設計合理、簡單、可靠，實現了反射面單元后續的安全、便捷的維護保養工作。

望遠鏡建成后，反射面需要后續維護保養，包括索網節點盤、靶標、面板單元等的維護及表面雜物的清理等，需要采用全跨徑纜索吊車系統實現反射面無盲區的維護保養。

根據這一要求，在反射面單元吊裝完成后，采用一組對接滑輪連接原輻射式纜索吊車系統中在中心環梁上的兩組隨動小車，連接隨動小車的對接滑輪組隨承載索運動并可隨時保持四索受力均衡。拆除中心環梁和一套輻射式纜索吊車系統中的運輸小車裝置，這樣就改造成為一套500米的全跨徑纜索吊車系統，如圖9所示，用于反射面的后續維護保養。

圖7 六索與環梁干涉示意圖

圖8 環梁上層開槽減少干涉示意圖

圖9 全跨徑纜索吊車吊裝布置示意圖

當望遠鏡運行觀測和饋源艙入港時，全跨徑纜索吊車系統可以收起全部索系，兩臺纜索吊車并排停靠在圈梁某位置，待反射面需要維護時，全跨徑纜索吊車系統展開，配用吊籃和纜索運輸小車裝置可實現500米全跨徑操作，方案設計合理、簡單、可靠，FAST望遠鏡采用這一方法實現了反射面單元后續的安全、便捷的維護工作。

應用效果與推廣情況

FAST望遠鏡為國家大科學試驗裝置，采用全新的大跨徑柔性吊裝方法和工藝完成了傳統方法無法完成的FAST反射面的吊裝任務。由于吊裝方案考慮全面、周到，吊裝效率大大提高，由原計劃的每天吊裝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，在極端天氣天數累計一個多月的情況下，仍提前一個月完成吊裝任務，比原計劃縮短了35%(4個月)。經院士專家鑒定此項大跨徑柔性吊裝技術居國際領先水平〔船重科鑒字（2017）第098號〕，本項目獲發明專利4項，實用新型2項。中央電視臺“輝煌中國”記錄片在《創新活力》這集中重點介紹了“中國天眼”反射面單元吊裝的難度，稱之“天眼建設，每一步都是難關……這種大跨度、高精度的吊裝方案在全球也沒有先例可循。”

武漢武船重型裝備工程有限責任公司采用此項技術還完成了黃岡主體育場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還應用到客運索道的安裝調試、懸索橋載人檢修與監測設備吊裝及FAST工程的載人檢修與監測設備吊裝的方案設計，這種全新的大跨徑柔性吊裝技術具有巨大的發展前景。

社會效益

本項目的研制成功保證了“中國天眼”按質按期順利完工，提高了“中國天眼”的國際知名度和貴州的美譽度，極大地加快了當地的脫貧致富的步伐，帶動了當地旅游經濟的快速發展，成為西南地區獨特的科學風景，對于推動西部大開發具有重要的戰略意義。此項技術應用于客運架空索道的安裝與維護，拓寬了索道建設的設計思路，完善了索道的安裝與維護，為類似工程的施工提供了有價值的參考與借鑒，推動了相關施工領域技術進步。