特大型水電站施工用纜索起重機關鍵技術應用

李 楊，王 勵，周成成

（1.中國三峽建設管理有限公司，四川成都 610000；2.杭州國電大力機電工程有限公司，浙江杭州 310000）

1 研究背景及思路

隨著我國水電工程開發(fā)逐漸向西部高山峽谷地區(qū)轉移，水電站壩址多在狹窄河谷地帶。傳統(tǒng)的采用門塔機進行大壩施工受到地理條件等諸多限制，使用纜索式起重機（簡稱纜機）澆筑混凝土和設備吊裝成為大壩施工的主要手段。纜機是一種特殊的起重機械，它以柔性鋼索作為大跨距架空支承構件，兼有大揚程垂直和遠距離水平運輸功能，可用于較大空間范圍內進行起重和裝卸作業(yè)。使用纜機澆筑混凝土有諸多優(yōu)點：纜機供料線路集中，運輸強度高，不占用大壩施工場地，無需多次拆裝轉換，并能兼顧施工材料、設備及金屬結構的轉運、吊裝（表1）。

表1 纜機發(fā)展歷史

本研究項目依托溪洛渡纜機工程，溪洛渡水電站位于金沙江下游，總裝機容量13 860 MW。其中，大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高285.5 m，混凝土636 萬m3，金屬結構安裝9490 t，全部采用纜機施工。溪洛渡大壩施工共采用5 臺平移式無塔架纜機（表2），單平臺共軌布置。纜機揚程大（330 m）、主索鉸點高差大（20 m）、施工強度高（月強度超過20 萬m3）。

2 關鍵技術及主要創(chuàng)新點

2.1 概況

本項目所依托的工程是金沙江溪洛渡水電站，項目組針對國內外各個水電工程國產和進口纜索起重機（簡稱纜機）在設計、制造、運行等環(huán)節(jié)的重點和難點問題，圍繞裝備國產化和技術創(chuàng)新等開展了持續(xù)12 年的系統(tǒng)研究，取得了多項創(chuàng)新成果和技術突破，形成了特大型水電站施工用纜索起重機成套關鍵技術。

表2 溪洛渡纜機工程

2.2 研發(fā)雙行走輪形式承馬，將單個輪上的驅動力減少一半

較其他工程比，溪洛渡纜機主索鉸點高差大，纜機承馬爬坡角大，同等情況下必須要增大驅動力和摩擦力才能滿足纜機運行需要，造成承馬與主索接觸應力增大，對主索壽命造成不利影響。采用雙行走輪形式，有效改善了主索受力條件，提高了主索壽命。

700 m 級的跨度高差達20 m，主索鉸點高差與跨度之比為國內之最。此工況導致纜機自行式承馬行走時易打滑，承馬與主索間接觸應力較大，特別是小車在靠近右岸運行時，承馬爬坡角大。

常規(guī)自行式承馬，采用單行走輪形式，爬坡時容易出現(xiàn)打滑，適用最大爬坡角12°；大坡角承馬采用雙行走輪形式，每個輪的驅動力減少50%，不容易出現(xiàn)打滑，適用最大爬坡角20°。

2.3 研發(fā)“雙圓弧輪槽”行走輪

常規(guī)自行式承馬，采用單圓弧輪槽形式，輪弧與主索的接觸部位在正上方與小車輪接觸重合；大爬坡角承馬采用雙圓弧輪槽，將行走輪與承載索的接觸部位由“一點“接觸改為了“兩點”接觸，接觸部位在正上方左右30°位置，在總壓力不變情況下，接觸部位正壓力減小了42%。

20°爬坡角相比12°爬坡角，總驅動力增加了1.6 倍，但研發(fā)了“雙行走輪”和“雙圓弧輪槽”技術后，相比常規(guī)自行式承馬12°爬坡角時的計算載荷還要小，下降了53.6%，改善了主索受力條件，提高了主索的壽命。

2.4 運用新的計算方法對材料和構造進行分析

首次運用接觸理論及非線性有限元的計算方法對材料和構造進行分析，使材料選用和構造設計更加科學合理，首次選用高強度航空鋁合金行走輪，在條件相同情況下，相比鋼制材料接觸應力減小約30%。

有限元計算結果表明（表3），行走輪采用雙圓弧輪槽后，接觸應力明顯減小。選用高強度航空鋁合金和優(yōu)化結構后，相比鋼制材料和原結構，接觸應力減小約30%。

表3 有限元計算結果

2.5 摩擦傳動輪采用特殊配方和特殊熱處理工藝的鋁材

首次在摩擦傳動輪采用特殊配方和特殊熱處理工藝的鋁材，將摩擦系數(shù)增大到0.4，且材料更耐磨，使用壽命明顯提高。大坡角自行式承馬對摩擦材料進行了改良，改變了原鋁材的化學成份配比，新材料對鋼絲繩的摩擦系數(shù)高且更耐磨，摩擦系數(shù)達到0.4。

采取特殊的熱處理工藝方法，使得摩擦輪達到表面稍軟、以形成與索道很好的貼合，芯部較硬的特質。實際使用時，由于摩擦輪表面會“滾花”形成與鋼絲繩繩股很好貼合的凹凸形狀，實際可傳遞的扭矩比按照摩擦系數(shù)計算的扭矩值更大。

實際使用表明，新承馬不需要加大鋼絲繩包角情況下，就可以傳遞200 坡角所需要的扭矩。

2.6 減輕承馬自重，便于拆裝維護

首次將離合器從行走輪中分離出來，減輕了承馬的自身重量，并通過鋁合金材料選用，使承馬行走輪重量從250 kg 降低至22 kg，極大方便了拆裝維護，減少了運行安全風險。

3 結語

新研制的大坡角自行式承馬在溪洛渡工程應用中，運行穩(wěn)定，維護方便，很好的完成溪洛渡工程建設。單臺纜機澆筑總方量超過150 萬m3，工作循環(huán)次數(shù)接近25 萬次，滿足設計要求和工程建設需要。