幾種應用于電力鐵塔施工作業的起重機產品的液壓頂升套架系統結構形式的研究

周立宏 姚成凱 盛權文 王 寧 陳澤奇

浙江省建設工程機械集團有限公司 浙江 杭州 310014

1 前言

一種可應用于特高壓輸電鐵塔施工的快速頂升加節加高的專用起重組塔專用設備,一種適用于快速頂升加節作業的電力抱桿型專用起重機。在目前的施工作業中,落地抱桿普遍使用成熟的液壓油缸組加液壓泵站的液壓成套系統組合進行頂升,頂升過程平穩可靠,且因為采用下頂升形式,整個頂升過程無需人員高空作業,大大減少了安全隱患。但存在以下瓶頸:目前的大跨越輸電高塔所采用的落地抱桿所組成的各部件自重和結構體積都比較龐大,在平原地區以及運輸條件發達的情況下,該類抱桿可以迅速搬運到施工現場并進行組裝,盡快進入施工流程。但在地形條件復雜的山區以及公路未能達到的地區,該類抱桿的運輸及安裝就相當復雜且繁瑣了。需要通過人力或牲畜或索道將需要安裝的結構件從車輛能夠轉運到的區域一件件逐步運輸到塔材安裝現場,費時費力不說且在搬運過程中容易對結構件造成損壞,影響后續使用,并埋下安全隱患。雖然目前已根據用戶的需要以及所選用的工器具,將結構件的單件重量控制在一個用戶能夠接受的水平。但在安裝時,仍然需要根據當前高度逐節加高進行頂升,在標準節重量不超過300kg的情況下,按照目前的液壓泵站及套架結構以及操作工藝及操作人員熟練程度,我們大體可以將頂升加節的時間控制在30min一節左右。在整機鐵塔的高度達到120m以上時,組塔過程基本上能控制在一周左右,在整個過程中,大約需要頂升加節共計3天?；旧险紦苏麄€施工周期的一半時間,雖然雙平臂落地抱桿大大縮減了鐵塔吊裝的時間,提高了施工安全性,但安裝與頂升所消耗的時間在整個鐵塔安裝過程中占有不低的比例。若能夠在抱桿的組裝及自加節頂升上有所突破創新,則可在提高整機工作效率上大有裨益。目前,我們考慮從以下幾個方面入手提高整機頂升加節作業效率:1.提高整體頂升加節作業的機械化程度,加強機械換人,提高機械化施工的程度。在整個頂升施工作業中減少人的勞動量,盡量讓人進行監控,觀察的工作;2.采用別的提升方式,改變頂升套架這一結構,從作業方式上進行根本的轉變。

圖1 T2 T800螺山長江大跨越施工現場

2 抱桿產品的液壓系統使用原理分析及其與塔機產品的套架的不同

目前的產品基本上都采用類似塔式起重機的塔身桁架結構,通過與塔式起重機類似的頂升套架進行加節頂升。與塔式起重機不同的是,塔式起重機目前基本上都采用裝在塔身上部的頂升套架進行頂升,而抱桿目前基本都采用裝在塔身底部的套架進行頂升。塔式起重機采用一根油缸與飛機板通過套架對塔身上部的回轉,吊臂及平衡臂部分進行頂升,需要操作人員站在塔身上部的套架位置,高空進行頂升作業,將套架與最上部的塔身分離后,用油缸將飛機板掛入塔身標準的踏步中,通過伸出油缸將套架與塔身上部與塔身分離,直至套架內出現一個足夠容納一節新的標準節的空間后通過塔機吊起一節新的標準節,安裝到這個套架的空間內,以完成一節新的頂升。按照目前的結構形式,一般有4位操作人員就位于四根主弦桿位置,每人負責一根主弦桿的連接,需要在被引入標準節與原有塔身的連接件對準后進行連接。此時,塔身上部與下部幾乎處于凌空階段,很多塔機頂升事故都是在此時發生,雖然大部分原因是人員操作失誤,但也與操作人員的經驗以及操作水平息息相關。如操作人員水平及經驗都比較好,則可大大降低此類安全事故的發生,如能將此操作過程全自動化或全機械化,也可降低此類風險。

3 液壓下頂升套架系統結構形式

大部分雙平臂落地抱桿,采用兩根通過工控程序控制的高同步液壓油缸進行頂升。因其是在地面上通過套架對整機進行頂升,故需要能夠承載抱桿產品整機全高的重量,當整機達到最高時,有可能頂升重量會達到千余噸,對油缸的承載能力及同步精度以及液壓套架的強度有較高的要求。但因為整個抱桿的頂升作業全程都在地面進行,整個過程不涉及高空作業,雖然用于頂升的套架以及液壓頂升油缸、泵站系統的整體成本相較于只需要頂升上部塔身的液壓泵站系統成本要高很多,但就此避免了人員的高空作業,在一定程度上消除了安全隱患。

目前,抱桿相關標準已經明確了抱桿必須使用下頂升式的液壓頂升套架。故此,大部分時候技術人員都將注意力集中在確保套架強度以及確保液壓系統雙缸同步精度上。常用的多缸同步液壓頂升系統為:在塔身下部的液壓頂升套架兩側安裝偶數根的液壓油缸(兩側數量一致),然后通過這幾組液壓油缸將整個塔身緩慢頂起,通過踏步與桁架橫梁交替的方式將塔身與基礎之間頂出一個足夠容納一節標準的空間,在此空間塞入被頂升的標準節,以此來完成一節的頂升作業,原理與塔機的液壓頂升系統幾乎完全一致,但是兩側的油缸同步協調頂升就意味著對油缸的同步伸縮性有較高的要求,如果兩側的液壓頂升油缸無法同步會導致單側套架及踏步等相關結構件單側承受整機重量,在強度不夠或其他極端條件下,容易造成套架結構件損壞等事故。此套液壓頂升系統的方案使用次數較多,經驗較豐富,相對其余方案來說比較成熟,為目前的首選。從2017年到2022年的幾次大跨越鐵塔的組塔過程都使用這套液壓頂升系統及方案來進行操作,整個過程安全可控,收到大眾的信賴。且但在某些特殊情況下,因為施工條件或某些客觀原因,有些用戶堅持不使用多缸同步的液壓頂升系統,要求必須使用單液壓頂升油缸來完成頂升作業 。則可使用如下方式來進行頂升作業:1)在塔身中心布置單油缸,外置套架作為導向行程的結構形式。此形式僅通過單油缸承受所需的整機重量,且套架結構件并不直接受力,僅起到導向作用。在此方式下,即不再需要多油缸同步頂升這一要求,僅需液壓頂升系統能滿足頂升重量即可。此方案需要塔身中部有足夠空間安裝頂升標準節,或通過拆片式標準節的型式,將油缸安裝到標準節的中心位置。該結構形式簡化了液壓系統,不再對多缸的同步伸縮提出精度要求,僅對液壓油缸的載荷有要求,大大降低了液壓油缸與配套液壓泵站的成本。2)通過將單油缸置于套架側面邊上,通過在套架的外側設置一套可以通過油缸的伸縮沿著套架上下移動的承臺將整機進行頂升,此方案無需將標準節拆片或預先在結構件或鐵塔中心預留安裝空間,也無需將油缸置于塔身中心,但需要對頂升套架進行計算校核,需確保套架及承臺能夠承受塔身重量所造成的支反力,此方案對套架強度有較高要求。3)伸縮臂式塔身:通過互相嵌套的塔身標準節作為塔身,利用油缸與滑輪組將伸縮臂塔身一節節頂升到外側以滿足使用需要,該方案原理類似汽吊中的伸縮臂,同樣不需要多缸同步技術,甚至不需要頂升套架結構,且頂升效率大大高于普通的加節頂升的形式,但這種塔身對結構件的整體穩定性有著較高要求,且主要受力構件是與液壓油缸同步使用的鋼絲繩滑輪組件。

4 痛點分析

綜上所述,這就是目前雙平臂落地抱桿現有幾種比較普遍的套架及液壓頂升系統的可操作型式,這些結構形式各有優劣。可供用戶根據自己的需要以及實際情況進行選擇。但目前的這些結構形式,雖然基本可以滿足各施工環境下的需要,但仍然存在一些痛點:1)抱桿頂升作業時間占整個施工作業時間的占比過大,這造成了使用該機械化設備,雖然減少了施工作業時間,但增加了施工機具的準備時間,該時間包括從汽車運送到的地點與最后阻力安裝的地點所消耗的時間與最后將該設備阻力安裝起來所消耗的時間,因為運輸條件匱乏,即說明道路水平非常差,運輸車輛不能進入則起吊等輔助組塔設備都不能進入,在無服裝吊裝設備的情況下,安裝抱桿及其套架本身就是一件非常耗費人力物力的工作,需要大量時間;2)頂升系統的自動化程度還不夠高,目前有基本能自動完成頂升作業的,但仍需要數位勞動者進行頂升標準節(塔身)與節之間的連接件的安裝。

目前整臺全高的落地抱桿的頂升加節工作時間,有大約40%～60%消耗在連接件的安裝上,這取決于連接件的型式,且受頂升形式與現場契合程度的影響,在某些組裝頂升場景下,標準件的連接非常困難(主要原因是塔身垂直度未達指定要求),需要葫蘆撬棍等工具輔助安裝塔身標準節之間的連接件,施工效率可想而知。所以,我們在設計過程中迫切需要提高設備的自動化程度,減少人為操作對產品的影響;3)結構件較大且整體重量不輕,往往會造成一些搬運上的問題,目前基本都是采取分段、分片分拆的方式來解決,但這會造成更大的搬運量以及到了施工現場后增加工器具組裝的時間,現在的思路是通過使用高強鋼來降低結構件的重量與尺寸,或通過安裝自動就位自動安裝的設備來減少人力的搬運;4)液壓泵站需要供電,若野外等施工作業不便的區域需要供電,則需要另外準備發電機或使用柴油機等,大大增加了配套工器具的運輸量,且油箱泵站等很難拆解,山區作業難度大大增加。目前希望通過與機構供應的外協廠家聯系,研發適用的相配套的柴油機或汽油機,可進行輕量化易于搬運或自帶運輸手段,將運輸手段與設備整合到一體或將其設計為可方便進行拆分與組裝,即可大大提高該類型產品在山區的適用性。

圖2 平臂抱桿頂升加節過程

5 幾種其余可行的頂升結構形式的探討

除了液壓油缸與泵站這種頂升形式外,目前還存在以下幾種頂升形式:1).齒輪齒條式:一般將齒條安裝在塔身標準節對面的兩個側面上,通過兩側的齒輪用電機進行驅動,將整個塔身通過尺寸組進行頂升。該方案原理上可以做到同步驅動,但可能需要跟雙側的頂升重量進行匹配,在某些中小型塔型的專用組塔抱桿中會比較具備使用條件,在大跨越工程中的大頂升重量塔型下該結構形式的適用性可能需要商榷;2).滑輪組提升式:一般通過將滑輪與鋼絲繩往返纏繞在組裝的鐵塔中部,將滑輪組與鋼絲繩反穿到組塔專用抱桿的底部,然后通過牽引鋼絲繩,將整個組塔抱桿用鋼絲繩與滑輪組沿著塔材中心進行提升,該類型的提升方案目前依然活躍在某些施工場景,它的頂升過程是否順利與可靠完全取決于編制的施工方案的完善程度與現場項目負責人對頂升過程的掌握,對工器具準備及調整的把控。安全性或可操作性具有極大的變化性。3)提灌法:這種方案比較少見,僅在早期安裝小型的鐵塔時出現過,一般利用液體的浮力將組塔設備浮起來,以此達到頂升的效果,適用場景比較少,且對頂升高度有較大限制。目前已經無法找到相關資料。以上為過去除液壓頂升系統外曾出現過或使用過的頂升方案,無論其效果過如何都可以作為一種思路與經驗供之后的相關技術人員借鑒參考。

6 結語

根據以上幾種液壓頂升套架系統結構形式,施工單位都可以根據自己的要求選型到適合自己施工作業條件的套架形式,以期滿足施工要求。但是現有結構形式依然存在或多或少的缺點痛點,這些形式在自動化以及便捷性方面還有較大的提升空間。加強對該結構形式的研究,以此滿足自動化施工與機械化施工的需要,對于施工安全、操作便捷有著重要意義。并且能夠大幅度提高產品的機械化施工的水平以及整體的施工安全性及整體工藝水平。能夠為將來的專用組塔設備的設計制造提供經驗與思路,為我國的特高壓輸電事業進一步提高水平做好準備。