楊泗港長(zhǎng)江大橋主纜索股被動(dòng)式水平放索裝置研制

謝 錦，沈揚(yáng)波，馮高郵，李灃漢，肖偉成

(柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司 柳州市 545005)

楊泗港長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)榭缍?700m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(qiáng)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(qiáng)鋼絲組成，每根主纜由271束無應(yīng)力長(zhǎng)約2836m索股制作。

1 放索裝置放索方式的選擇

1.1 放索機(jī)按動(dòng)力可分為主動(dòng)和被動(dòng)放索

主動(dòng)放索在施工過程中，主要由卷?yè)P(yáng)機(jī)引導(dǎo)索股，由放索機(jī)提供動(dòng)力克服整個(gè)索盤旋轉(zhuǎn)慣性實(shí)現(xiàn)放索，整體的放索過程中由于存在牽引及放索機(jī)兩個(gè)動(dòng)力，會(huì)存在牽引與放索速度不統(tǒng)一，導(dǎo)致索股過放或過拉，導(dǎo)致索股松弛、斷帶、散絲等影響放索質(zhì)量，處理這些問題會(huì)拖延施工進(jìn)度，處理不好的話甚至?xí)绊懙绞┕べ|(zhì)量。再者，對(duì)于70t的索股，需要較大的扭矩電機(jī)和減速器方能實(shí)現(xiàn)索盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，如果制動(dòng)時(shí)，通過扭矩電機(jī)停止或者反轉(zhuǎn)的方式單一地實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，將會(huì)對(duì)電機(jī)、減速器及相關(guān)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)造成一定的沖擊性破壞。由此可見，主動(dòng)放索的方式不僅造價(jià)較高，設(shè)計(jì)復(fù)雜，而且放索的可靠性均不足。

被動(dòng)放索在施工過程中放索的動(dòng)力全部由牽引機(jī)提供，單一的動(dòng)力牽引保證了牽引與放索的同步性。通過牽引慢慢施加動(dòng)力，克服整個(gè)索盤的旋轉(zhuǎn)慣性，實(shí)現(xiàn)放索。但被動(dòng)放索也存在以下一些主要技術(shù)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(gè)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(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)起來也很復(fù)雜。施工過程中都是以控制卷?yè)P(yáng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制索股放索的線速度，從而實(shí)現(xiàn)勻速放索。

(2)放索過程中，如出現(xiàn)緊急情況需要在最短的時(shí)間內(nèi)停止放索。需要緊急停止放索時(shí)，牽引力消失，制動(dòng)裝置需要能抵消掉緊急停機(jī)時(shí)索盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，為防止索股過放出現(xiàn)的質(zhì)量問題，一般要求放索過程中緊急停止索盤轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)在半圈內(nèi)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)椴还苁撬椒潘鬟€是縱向放索，超過半圈，索股就會(huì)開始出現(xiàn)過放、塌落或松弛現(xiàn)象。

1.2 放索機(jī)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(duì)穩(wěn)定，不需要專門處理，較容易實(shí)現(xiàn)?？v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(duì)后錨頭拉緊固定，防止后錨頭跟著索盤的轉(zhuǎn)動(dòng)出現(xiàn)甩動(dòng)現(xiàn)象。

綜上所述，本項(xiàng)目擬采用被動(dòng)式水平放索的方式，但須主要解決以上提到的兩個(gè)被動(dòng)放索存在的技術(shù)問題。

2 被動(dòng)式水平放索機(jī)制動(dòng)原理

針對(duì)以上問題，經(jīng)過綜合研究，該放索機(jī)擬采用雙制動(dòng)結(jié)構(gòu)。第一制動(dòng)為阻尼制動(dòng)，該部分主要是在索盤轉(zhuǎn)動(dòng)前，已經(jīng)預(yù)先在制動(dòng)盤上施加了一個(gè)牽引力反向作用力，以防止?fàn)恳υ斐傻乃鞴杀贿^拉，防止索盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的慣性加速度造成的過放。當(dāng)索盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)這個(gè)反向力就會(huì)起作用，達(dá)到一定速度后，與牽引力達(dá)到平衡，從而實(shí)現(xiàn)索股的勻速放索。第二制動(dòng)為緊急制動(dòng)：該部分主要是在緊急情況下額外提供足夠的制動(dòng)力與阻尼制動(dòng)共同克服索盤的慣性力矩，使索盤快速停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

通常，圓式機(jī)構(gòu)的制動(dòng)一般采用剎車帶包裹外圓的方式，但此方式的制動(dòng)力不好控制，不能很好地確保制動(dòng)的時(shí)間。所以選用市場(chǎng)上現(xiàn)成的能確定額定轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)器與外齒式的回轉(zhuǎn)支承相配合來傳遞緊急制動(dòng)力。該放索機(jī)擬采用的回轉(zhuǎn)支承作為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)替代傳統(tǒng)的軸承結(jié)構(gòu)，不僅穩(wěn)定性得到了提高，而且免去了軸承座的設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)成本。制動(dòng)原理示意圖如圖1所示。

圖1 制動(dòng)原理示意圖

3 整體結(jié)構(gòu)方案

該結(jié)構(gòu)，主要優(yōu)勢(shì)在于采用回轉(zhuǎn)支承作為承載主件，同時(shí)可承受軸向和徑向載荷，固定底座和旋轉(zhuǎn)體能直接安裝在回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行固定，使安裝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)使用普通軸承承載的方式簡(jiǎn)單。旋轉(zhuǎn)體上設(shè)計(jì)有剎車盤，連接座通過連接桿與成索盤連接固定。制動(dòng)力由阻尼制動(dòng)器和緊急制動(dòng)剎車器提供，阻尼制動(dòng)器作用于剎車盤上，緊急制動(dòng)剎車器上裝有齒輪與回轉(zhuǎn)支承的外齒相作用，以實(shí)現(xiàn)索盤的制動(dòng)功能。結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 整體結(jié)構(gòu)示意圖

4 放索機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

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(guān)鍵受力設(shè)計(jì)

5.1 回轉(zhuǎn)支承選型

根據(jù)放索機(jī)的結(jié)構(gòu)布置，本項(xiàng)目選用的回轉(zhuǎn)支承為外齒單排四點(diǎn)接觸球式，并按JB/T 2300-2011進(jìn)行選型計(jì)算。當(dāng)承載角為45°時(shí)，接觸應(yīng)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(jì)算：

(1)按靜態(tài)工況選型[2]

當(dāng)量?jī)A翻力矩M′=1.225Mfs=1.225FrRfs(取R=1.75，索體成盤后直徑)

(2)按動(dòng)態(tài)工況選型[2]

當(dāng)量?jī)A翻力矩M′=1.225Mfd=1.225FrRfd(取R=1.75，索體成盤后直徑)

根據(jù)回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線圖，選型011.45.1250，按靜態(tài)工況和動(dòng)態(tài)工況計(jì)算出來的軸向力和傾翻力矩的交點(diǎn)，均落在所選的螺栓承載曲線的下方。如圖3所示，A點(diǎn)為靜態(tài)工況，B點(diǎn)為動(dòng)態(tài)工況。

圖3 011.45.1250回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線圖[2]

5.2 制動(dòng)力計(jì)算

5.2.1受力狀態(tài)分析

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

(2)牽引力不是恒定的，會(huì)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(diào)節(jié)。

(3)啟動(dòng)時(shí)的牽引力矩必須大于靜止時(shí)的慣性矩，所以M牽≥T慣。

(4)假設(shè)牽引機(jī)啟動(dòng)時(shí)，M阻=0，啟動(dòng)時(shí)間為4s，則此時(shí)M牽≥T慣4；啟動(dòng)完成后，慣性矩已不再是阻礙運(yùn)動(dòng)的因素，為保持平衡，此時(shí)應(yīng)有M總=M摩+M阻尼=M牽=T慣4；停止時(shí)，牽引力消失，需緊急制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)間3s，此時(shí)：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(zhuǎn)動(dòng)慣量

按總質(zhì)量70t，內(nèi)徑2500mm，外徑3500mm，高2200mm的圓筒計(jì)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(xiàng)目的回轉(zhuǎn)體主要由索體和索盤組成，因此該放索機(jī)的慣性阻力矩Tg由放索機(jī)回轉(zhuǎn)中心線回轉(zhuǎn)的索體慣性阻力矩和放索機(jī)的回轉(zhuǎn)部分的慣性力矩TgQ+TgG組成，即Tg+TgQ+TgG，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]得：

式中：JQ—物品對(duì)放索機(jī)回轉(zhuǎn)中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性量(kg·m2)；

n—放索機(jī)的回轉(zhuǎn)速度(r/min)；

t—放索機(jī)啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間(s)。

設(shè)當(dāng)成盤索徑為3400mm時(shí)，則轉(zhuǎn)速為5.6172r/min(制動(dòng)時(shí)間為3s時(shí)，索松約1.5m；制動(dòng)時(shí)間為4s時(shí)，索松約2m)，則：

5.2.4制動(dòng)力矩

總的制動(dòng)力矩M總≥T慣3才能使轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)剎車器提供的力矩；

M摩—除制動(dòng)器以外的其余摩擦力產(chǎn)生的力矩，此項(xiàng)目中取M摩=0；

M阻尼—阻尼制動(dòng)器提供的力矩。

如圖2所示，旋轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)有剎車盤，阻尼制動(dòng)器作用于旋轉(zhuǎn)體的剎車盤上。通常人工能徒手使用15kg的力擰緊剎車，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)通過加力桿和剎車力臂放大60倍，摩擦系數(shù)取0.3，作用于剎車盤的阻尼半徑約為1.5m，設(shè)有4組阻尼制動(dòng)器，該阻尼制動(dòng)器設(shè)計(jì)為剪式力臂，每組阻尼制動(dòng)器有兩個(gè)作用力臂，則阻尼的制動(dòng)力矩為：

M阻尼=2×4×60μmgr=3.175×104N·m

經(jīng)驗(yàn)證M阻尼>T慣4，阻尼制動(dòng)器提供的制動(dòng)力矩克服慣性加速度的安全系數(shù)達(dá)到了約1.38，符合工況要求。根據(jù)該項(xiàng)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(jù)JB/T 2300-2011得知：回轉(zhuǎn)支承的外齒模數(shù)m=12，齒數(shù)Z1=118,經(jīng)校核設(shè)計(jì)緊急制動(dòng)器上的小齒輪的齒數(shù)Z2=15，則傳動(dòng)比i=7.867，加裝了4個(gè)緊急制動(dòng)器，則折算到單個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)矩為：

取安全系數(shù)1.25，則T制≥319，應(yīng)選用制動(dòng)器的額定轉(zhuǎn)矩為400N·m即可。

6 工程應(yīng)用

通過在楊泗港長(zhǎng)江大橋的實(shí)際使用，采用該被動(dòng)式水平放索裝置，放索后成型質(zhì)量良好，放索速度能用牽引速度匹配，纏包帶極少斷裂?，F(xiàn)場(chǎng)施工檢驗(yàn)，每根索股約2h放索架設(shè)完成，裝置在楊泗港長(zhǎng)江大橋上的應(yīng)用如圖4所示。

圖4 放索機(jī)在楊泗港長(zhǎng)江大橋使用

7 結(jié)語(yǔ)

(1)放索裝置在放索過程中，只需提前調(diào)好阻尼制動(dòng)器，在需緊急制動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)緊急制動(dòng)剎車器即可完成放索制動(dòng)，操作簡(jiǎn)單。

(2)采用回轉(zhuǎn)支承設(shè)計(jì)的水平放索裝置，同時(shí)承受軸向和徑向載荷，使受力簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)索盤的快速更換，提高施工效率。