楊泗港長江大橋主纜索股被動式水平放索裝置研制

謝 錦，沈揚波，馮高郵，李灃漢，肖偉成

(柳州歐維姆機械股份有限公司 柳州市 545005)

楊泗港長江大橋主橋為跨度1700m加勁鋼桁梁雙層懸索橋[1]，主纜采用PPWS法形成，在制索廠將鋼絲、高強纏包帶和錨頭制成索股，成盤在直徑約4.1m的索盤上，包括索盤重約為70t，每根索股由91絲Φ6.2mm的1960MPa的鍍鋅鋁合金高強鋼絲組成，每根主纜由271束無應力長約2836m索股制作。

1 放索裝置放索方式的選擇

1.1 放索機按動力可分為主動和被動放索

主動放索在施工過程中，主要由卷揚機引導索股，由放索機提供動力克服整個索盤旋轉慣性實現放索，整體的放索過程中由于存在牽引及放索機兩個動力，會存在牽引與放索速度不統一，導致索股過放或過拉，導致索股松弛、斷帶、散絲等影響放索質量，處理這些問題會拖延施工進度，處理不好的話甚至會影響到施工質量。再者，對于70t的索股，需要較大的扭矩電機和減速器方能實現索盤的轉動，如果制動時，通過扭矩電機停止或者反轉的方式單一地實現制動，將會對電機、減速器及相關的傳動機構造成一定的沖擊性破壞。由此可見，主動放索的方式不僅造價較高，設計復雜，而且放索的可靠性均不足。

被動放索在施工過程中放索的動力全部由牽引機提供，單一的動力牽引保證了牽引與放索的同步性。通過牽引慢慢施加動力，克服整個索盤的旋轉慣性，實現放索。但被動放索也存在以下一些主要技術問題需要解決：

(1)放索過程中，勻速放索為佳。但隨著索股不斷減少，慣性也跟著降低，但這個過程中不可能隨著慣性的降低而去不斷地降低牽引力，這樣的控制是很難實現的，實現起來也很復雜。施工過程中都是以控制卷揚機的轉速來控制索股放索的線速度，從而實現勻速放索。

(2)放索過程中，如出現緊急情況需要在最短的時間內停止放索。需要緊急停止放索時，牽引力消失，制動裝置需要能抵消掉緊急停機時索盤的轉動慣性，為防止索股過放出現的質量問題，一般要求放索過程中緊急停止索盤轉動應在半圈內實現。因為不管是水平放索還是縱向放索，超過半圈，索股就會開始出現過放、塌落或松弛現象。

1.2 放索機按索盤放置方式可分為水平放索和縱向放索

水平放索具有用鋼量少，后錨頭只需直接固定承放在成索盤上，位置相對穩定，不需要專門處理，較容易實現。縱向放索，為防止后錨頭下垂，因此后錨頭需要專門的裝置固定，放索過程中要對后錨頭拉緊固定，防止后錨頭跟著索盤的轉動出現甩動現象。

綜上所述，本項目擬采用被動式水平放索的方式，但須主要解決以上提到的兩個被動放索存在的技術問題。

2 被動式水平放索機制動原理

針對以上問題，經過綜合研究，該放索機擬采用雙制動結構。第一制動為阻尼制動，該部分主要是在索盤轉動前，已經預先在制動盤上施加了一個牽引力反向作用力，以防止牽引力造成的索股被過拉，防止索盤轉動過程中的慣性加速度造成的過放。當索盤轉動時這個反向力就會起作用，達到一定速度后，與牽引力達到平衡，從而實現索股的勻速放索。第二制動為緊急制動：該部分主要是在緊急情況下額外提供足夠的制動力與阻尼制動共同克服索盤的慣性力矩，使索盤快速停止轉動。

通常，圓式機構的制動一般采用剎車帶包裹外圓的方式，但此方式的制動力不好控制，不能很好地確保制動的時間。所以選用市場上現成的能確定額定轉矩的制動器與外齒式的回轉支承相配合來傳遞緊急制動力。該放索機擬采用的回轉支承作為回轉機構替代傳統的軸承結構，不僅穩定性得到了提高，而且免去了軸承座的設計，降低了設計成本。制動原理示意圖如圖1所示。

圖1 制動原理示意圖

3 整體結構方案

該結構，主要優勢在于采用回轉支承作為承載主件，同時可承受軸向和徑向載荷，固定底座和旋轉體能直接安裝在回轉支承進行固定，使安裝和結構設計相對使用普通軸承承載的方式簡單。旋轉體上設計有剎車盤，連接座通過連接桿與成索盤連接固定。制動力由阻尼制動器和緊急制動剎車器提供，阻尼制動器作用于剎車盤上，緊急制動剎車器上裝有齒輪與回轉支承的外齒相作用，以實現索盤的制動功能。結構示意如圖2所示。

圖2 整體結構示意圖

4 放索機設計參數

成索盤直徑4.1m，索盤加索股總重量70t，放索速度10～60m/min，施工方牽引裝置參考牽引力25t。

5 關鍵受力設計

5.1 回轉支承選型

根據放索機的結構布置，本項目選用的回轉支承為外齒單排四點接觸球式，并按JB/T 2300-2011進行選型計算。當承載角為45°時，接觸應力最小。總軸向力Fa=700kN(總重力)，總徑向力Fr=250kN(牽引力)，按α=45°計算：

(1)按靜態工況選型[2]

當量傾翻力矩M′=1.225Mfs=1.225FrRfs(取R=1.75，索體成盤后直徑)

(2)按動態工況選型[2]

當量傾翻力矩M′=1.225Mfd=1.225FrRfd(取R=1.75，索體成盤后直徑)

根據回轉支承承載能力曲線圖，選型011.45.1250，按靜態工況和動態工況計算出來的軸向力和傾翻力矩的交點，均落在所選的螺栓承載曲線的下方。如圖3所示，A點為靜態工況，B點為動態工況。

圖3 011.45.1250回轉支承承載能力曲線圖[2]

5.2 制動力計算

5.2.1受力狀態分析

(1)勻速放索時，緊急制動剎車器不工作，理論上，各種阻力產生的阻力矩M總與牽引力產生的牽引力矩M牽相等(M總=M牽)。

(2)牽引力不是恒定的，會隨各種阻力變化而變化，阻尼剎車器的作用為使絲股保持一定的張力，阻尼剎車阻力隨牽引力變化而調節。

(3)啟動時的牽引力矩必須大于靜止時的慣性矩，所以M牽≥T慣。

(4)假設牽引機啟動時，M阻=0，啟動時間為4s，則此時M牽≥T慣4；啟動完成后，慣性矩已不再是阻礙運動的因素，為保持平衡，此時應有M總=M摩+M阻尼=M牽=T慣4；停止時，牽引力消失，需緊急制動，制動時間3s，此時：M牽=0

M制+M摩+M阻尼=T慣3→T慣3=M制+T慣4

(1)

5.2.2總轉動慣量

按總質量70t，內徑2500mm，外徑3500mm，高2200mm的圓筒計算：

I=m(R2+r2)/2=70000×(1.72+1.252)÷2=1.56×105kg·m2

5.2.3慣性力矩

該項目的回轉體主要由索體和索盤組成，因此該放索機的慣性阻力矩Tg由放索機回轉中心線回轉的索體慣性阻力矩和放索機的回轉部分的慣性力矩TgQ+TgG組成，即Tg+TgQ+TgG，根據《起重機設計手冊》[3]得：

式中：JQ—物品對放索機回轉中心線的轉動慣性量(kg·m2)；

n—放索機的回轉速度(r/min)；

t—放索機啟動或制動時間(s)。

設當成盤索徑為3400mm時，則轉速為5.6172r/min(制動時間為3s時，索松約1.5m；制動時間為4s時，索松約2m)，則：

5.2.4制動力矩

總的制動力矩M總≥T慣3才能使轉動體停止，即：

M總=M制+M摩+M阻尼≥T慣3

(2)

式中：M制—緊急制動剎車器提供的力矩；

M摩—除制動器以外的其余摩擦力產生的力矩，此項目中取M摩=0；

M阻尼—阻尼制動器提供的力矩。

如圖2所示，旋轉體設計有剎車盤，阻尼制動器作用于旋轉體的剎車盤上。通常人工能徒手使用15kg的力擰緊剎車，設計結構通過加力桿和剎車力臂放大60倍，摩擦系數取0.3，作用于剎車盤的阻尼半徑約為1.5m，設有4組阻尼制動器，該阻尼制動器設計為剪式力臂，每組阻尼制動器有兩個作用力臂，則阻尼的制動力矩為：

M阻尼=2×4×60μmgr=3.175×104N·m

經驗證M阻尼>T慣4，阻尼制動器提供的制動力矩克服慣性加速度的安全系數達到了約1.38，符合工況要求。根據該項目承載的索股，工況中M阻尼=T慣4。

綜合式(1)、式(2)可得：

M制=T慣3-T慣4=0.81×104N·m

根據JB/T 2300-2011得知：回轉支承的外齒模數m=12，齒數Z1=118,經校核設計緊急制動器上的小齒輪的齒數Z2=15，則傳動比i=7.867，加裝了4個緊急制動器，則折算到單個齒輪的轉矩為：

取安全系數1.25，則T制≥319，應選用制動器的額定轉矩為400N·m即可。

6 工程應用

通過在楊泗港長江大橋的實際使用，采用該被動式水平放索裝置，放索后成型質量良好，放索速度能用牽引速度匹配，纏包帶極少斷裂。現場施工檢驗，每根索股約2h放索架設完成，裝置在楊泗港長江大橋上的應用如圖4所示。

圖4 放索機在楊泗港長江大橋使用

7 結語

(1)放索裝置在放索過程中，只需提前調好阻尼制動器，在需緊急制動時，啟動緊急制動剎車器即可完成放索制動，操作簡單。

(2)采用回轉支承設計的水平放索裝置，同時承受軸向和徑向載荷，使受力簡單、結構簡單、易制做和安裝、制造成本低、占地面積小。通過L形連接桿和吊裝耳的連接，能實現索盤的快速更換，提高施工效率。