滑輪變比法在水電站橋式起重機載荷試驗中的應用

郭東楷，史恩澤

(1.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118000；2.國網東北分部綠源水力發電公司太平灣發電廠，遼寧 丹東 118000)

0 引言

根據GB 5905—86《起重設備試驗規范和程序》的規定，橋式起重機在新安裝、改造或大修后應進行載荷試驗，目的是檢驗設備的性能是否符合技術規范的要求，檢查橋架等金屬結構部件是否滿足吊裝時承擔載荷的需求，檢查起升機構和行走機構的傳動裝置運行是否平穩可靠，檢查過載保護裝置、限位裝置和制動裝置的動作是否可靠，檢查控制系統和電氣元件的工作性能是否可靠及正常。

標準的載荷試驗包括靜載荷試驗和動載荷試驗，需要分別吊起1.25倍和1.1倍額定負荷的載荷。然而絕大多數水電站的地理位置位于地勢偏遠、交通不便的山區，而大型起重設備載荷大，需要的試重塊較多，一般離租用試重塊的地點較遠，不僅成本高，還存在相當大的運輸安全風險。因此，針對偏遠山區大型橋式起重機制訂一套適合的載荷試驗方案意義重大，方案應考慮不需要吊裝大量的配重載荷，又能達到等同于標準載荷試驗的試驗效果。

1 水電站橋式起重機改造任務

1.1 水電站概況

某水電廠位于遼寧省丹東地區，運行管理著鴨綠江下游2座梯級水電站。電站A于1985年投產發電，廠房內裝有2臺單小車橋式起重機，1號橋式起重機額定起重質量為250 t/50 t/5 t，2號橋式起重機額定起重質量為250 t/30 t/5 t，吊裝最大部件發電機轉子時，需要2臺橋機通過平衡梁并聯，同步抬吊轉子。電站B于1989年投產發電，廠房裝有1臺雙小車橋式起重機，額定起重質量為2×200 t/30 t/5 t，吊裝最大部件發電機轉子時，需要雙小車通過平衡梁并聯，同步抬吊轉子。

2017年，該水電廠對電站A，B的3臺橋式起重機進行了改造和大修。

1.2 改造和檢修內容

(1) 更換主、副起升機構的電動機和制動器，以及大、小車行走機構的電動機和制動器。

(2) 更換整車動力系統、控制系統和保護裝置。

(3) 主、副起升機構的減速器分解檢修；卷筒、滑輪組、吊鉤檢修；更換鋼絲繩。

(4) 大、小車行走機構減速器分解檢修；車輪檢修及軸承更換；大、小車金屬橋架和軌道檢查。

2 試驗方案

2.1 改造后需要試驗和檢測的通用項目

按照GB/T 14405—2011《通用橋式起重機》的規定，橋式起重機在改造和檢修后需要進行載荷特性、相關設備技術、功能等方面的檢驗，合格后方可交付使用，主要包括以下內容。

(1) 載荷起升高度驗證。

(2) 吊鉤極限位置驗證。

(3) 載荷升降速度檢驗。

(4) 大、小車運行速度檢驗。

(5) 大、小車行走限位裝置可靠性檢驗。

(6) 驅動裝置(電動機、減速器等)性能驗證。

(7) 起重機金屬橋架的結構檢驗。

(8) 起重機各機構制動裝置的功能驗證。

(9) 雙車并聯同步試驗。

2.2 橋式起重機載荷試驗面臨的困難

如果按照起重設備行業標準的載荷試驗要求進行1.25倍額定起重質量的靜載荷試驗，電站A橋式起重機需要的試驗載荷為：

250×1.25=312.5 t。

B電站橋式起重機需要試驗載荷為：

200×1.25=250 t。

對于試重件的選取，目前的獲取渠道主要包括：租用生鐵砝碼或鋼筋、工地現場預制混凝土試塊和租用專業試重水袋。

(1) 租用生鐵砝碼或鋼筋。由于2座電站所處地理位置附近地區無鋼廠等大型企業，或者雖有較大型企業但無法提供如此多的重物作為試驗載荷，獲取試驗載荷十分困難；其他鄰近地區雖有本鋼、鞍鋼等大型鋼廠，但距離較遠，租金昂貴，加之運輸條件差，尤其是電站B，地處偏僻，公路狹窄，路橋荷載低，彎路和山路多，運輸大量的試驗載荷危險性較大。

(2) 預制混凝土試塊。由于混凝土密度相對鋼材輕，需要的預制試重量大，占用空間場地面積大，現場存放存在一定的困難；制作周期長、使用成本高；如果2座電站需要互用的情況下，存在狹窄彎路運輸的安全風險。

(3) 租用專業試重水袋。試重水袋整體材料采用高強尼龍織物雙徑、雙峰、雙面PVC復合氣密材料，使用時通過向袋內注入與試驗負荷等重的水，試驗時將水袋固定在橋式起重機的吊鉤上，試驗完畢后將袋內的水排出。該方法的優點是使用方便，但由于水的密度小，僅為1 t/m3，要滿足標準的試驗負荷，占用的空間體積相當大。根據電站廠房內的條件，電站B安裝間區域的地面距離橋機吊鉤上限位最大距離為10.25 m，如果按照標準水袋的設計尺寸計算，充水完畢后，若要滿足主鉤起升200 mm行程的要求，至少需要11.45 m的距離，故安裝間段地面位置無法滿足試驗要求；若考慮將橋機開到機組間段上方，又因該區域下方有投運多年的發電機組、控制盤柜等大量的設備，一旦出現漏水或脫落，則風險無法預計。

基于上述困難，橋機改造前，該廠技術人員通過向專業廠家咨詢和互聯網查找等有關橋式起重機載荷試驗的方法，結果沒有得到適合該廠設備的方案。而這兩座電站現場除平衡梁可以作為試驗載重的一部分外，廠內無其他適合的吊裝物，附近一些工廠可租用的試驗試重最多不到70 t。因此，需要研究制定一個新的試驗方案，要求方案既安全又節約成本，同時又能達到橋機各項性能試驗的目的。該廠將其做為一個創新課題，安排專業人員進行研究論證。

2.3 方案論證

(1) 試驗條件。載荷起升高度、吊鉤極限位置驗證，大、小車行走限位器的可靠性檢驗，大、小車運行速度檢驗，均可在空載或低負荷條件下進行。

(2) 橋式起重機金屬橋架結構承載檢測。因設備改造時未進行任何金屬橋架的結構改動和施工，橋機最大載荷試驗在1987年設備安裝完成后，已進行標準的靜載荷和動載荷試驗，且通過了地方政府安全監督部門的驗收，說明產品的設計是滿足使用要求的。

對于結構性檢測，可通過對主梁上拱度進行檢驗，看其是否滿足相關規范要求。若合格，則進一步說明橋機的設計尺寸滿足使用要求，金屬結構的質量可通過委托有資質的專業單位對橋架結構的主要承載點的焊縫進行無損探傷檢測來判定。如果無異常，則說明橋架在運行30年后，無損傷且滿足承載要求；如果有異常，則可能需要進行現場修復處理，修復完成后再進行無損檢測，直到合格為止。

(3) 起升機構的動載荷試驗。主要是檢驗起升電機、減速器、制動裝置、過載保護裝置等部件的性能，可考慮滑輪變比法。

橋式起重機起吊重物是通過卷筒和滑輪組，載荷由多股鋼絲繩承擔，工作中起升電機、減速器和制動裝置僅承受一股鋼絲繩的作用力，其大小為載荷與鋼絲繩的股數之比。采用改變起升機構滑輪組變比的方法，通過減少鋼絲繩的股數，試驗負荷也可同倍數的減少，在該條件下進行動載荷試驗，起升電機、制動裝置、過載保護裝置等部件會得到與標準負荷條件下相同的檢驗效果。

取消滑輪組用鋼絲繩直接捆綁載荷或者減少承載滑輪的數量，可以使被檢驗部件達到國家標準要求的1.1倍動載荷試驗目的。

電站A，B的3臺橋式起重機的主起升機構均為雙繩機構，吊鉤動滑輪組為6個動滑輪(每繩為3個滑輪纏繞)。電站A在275 t載荷的情況下，每根鋼絲繩的受力為：275÷(6×2)=22.917 t。

電站B在220 t載荷的情況下，每根鋼絲繩的受力為：220÷(6×2)=18.333 t。

2.4 方案確定

根據電站A， B設備的實際條件和已有負荷(平衡梁)的外形尺寸，確定如下方案。

(1) 電站A使用已有的平衡梁，平衡梁長11.2 m，寬2.22 m，重30 t，拆下主鉤和滑輪組不用，用鋼絲繩直接捆綁平衡梁，捆綁時注意吊裝夾角，防止脫出滾筒上鋼絲繩導槽，這樣僅需試驗載荷275 t的1/6 (45.83 t)，除去平衡梁重量30 t，主鉤還需試驗載荷16 t。

(2) 電站B使用已有的平衡梁，平衡梁長4.4 m，寬1.76 m，重11.2 t，為防止用鋼絲繩直接捆綁在平衡梁的兩端時外夾角偏大導致鋼絲繩在起升時互相摩擦或脫出滾筒上的鋼絲繩導槽，使滾筒兩端引下的鋼絲繩只穿過一個動滑輪，即吊鉤6個動滑輪中只用其中2個，此時最大試驗載荷為220 t的1/3 (73.34 t)，除去平衡梁自重11.2 t及主鉤自重4.66 t，主鉤還需試驗載荷57.48 t。

(3) 電站A，B的副起升機構動載荷試驗，按標準方法進行。

通過技術論證，兩座水電站的3臺橋式起重機動載荷試驗，利用現有負荷，需租用的載荷不超過60 t，在技術上完全可行。

3 橋機改造試驗應用效果

橋式起重機改造試驗方案獲得了地方安全監督部門的批準，在電站A，B的改造項目施工完成后，測量橋式起重機主梁橋架上拱度為：電站A 1號橋機上拱度19 mm、2號橋機上拱度18 mm及電站B橋機上拱度14 mm，均滿足不小于0.7S/1 000的規范要求(S為主梁跨度，SA=23 m，其標準上拱度為16.1 mm；SB=19 m，其標準上拱度為11.9 mm)。對金屬橋架的主要承載點焊縫進行100 %探傷檢查，未發現缺陷。

2017年6月和7月分別對電站A，B的橋式起重機進行了運行機構和動載荷試驗，試驗結果顯示一切正常。

(1) 大、小車運行機構，以及主、副起升機構的電機在各檔位電流正常。

(2) 傳動機構運行平穩、聲音正常。

(3) 控制系統、保護裝置和限位裝置動作可靠。

橋式起重機在改造和試驗完成后，電站A的2臺橋式起重機于2017年10～12月的機組B級檢修期間進行了全面檢測，未發生制動失靈、滑鉤、過流等異?，F象，在各種負荷條件下運行平穩，聲音正常。

電站B的橋式起重機于2017年10月至2018年6月的機組改造期間進行了全面檢測，也未發生制動失靈、滑鉤、過流等異常現象，在各種負荷條件下運行平穩，聲音正常。

這兩座電站的實踐檢驗證明，應用滑輪變比法進行橋機動載荷試驗是成功的。

4 結束語

橋式起重機試驗是在設備安裝、檢修和改造工作完成后必需進行的一項重要工作，其試驗結果的優劣將直接影響到設備能否安全使用。

該水電廠技術人員根據起重設備試驗規范和程序的要求，從電站的地理位置、運輸的難易度、試驗載荷的租用等實際情況出發，結合電站橋式起重機的具體結構，制定了橋式起重機試驗方案，創新地將滑輪變比法原理應用于橋式起重機載荷試驗，用較少的試驗載荷達到了橋式起重機性能試驗的目的，同時還節約了資金，縮短了試驗時間，為水電行業橋式起重機試驗積累了經驗。

滑輪變比法適用于橋式起重機改造(未進行橋架結構變動)或大修后的動載荷試驗，具有較大的推廣應用價值。