滾軸式復合索鞍制造關鍵技術

蘇蘭 石紅昌 楊曉波 黃安明

(德陽天元重工股份有限公司，四川 德陽 618000)

1 項目背景

虎跳峽金沙江大橋[1]位于香麗高速公路，虎跳峽上游跨越金沙江，是香麗高速公路的控制性工程。大橋全長1017 m，主橋為橋跨766 m懸索橋[2]，橋面為雙向四車道。設計時速80 km/h。主橋為雙塔單跨鋼桁梁懸索橋，香麗高速虎跳峽項目是國內(nèi)大跨度懸索橋中首次采用滾軸式復合索鞍[3]，它是一種新型的索鞍結構形式，將常規(guī)懸索橋的主索鞍[4]和散索鞍兩種結構部件的功能合二為一，實現(xiàn)了主索鞍對主纜的支撐轉向作用和散索鞍對主纜的活動及對索股的發(fā)散功能。在懸索橋的建設中如果使用滾軸式復合索鞍，可以不設置懸索橋的邊跨段結構，不需要修建常規(guī)的主塔，可大幅度降低主塔建造的高度，對于在險峻山區(qū)峽谷修建的懸索橋，可以大大減小對錨碇位置山體的工程開挖量，大幅度降低建造成本，節(jié)能減排，縮短工期，同時減小對環(huán)境的破壞，實現(xiàn)綠色環(huán)保施工，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟和社會效益。與傳統(tǒng)主索鞍相比，滾軸式復合索鞍具有散索功能，而與傳統(tǒng)散索鞍相比，復合索鞍兩側主纜轉角大，需要承受更大的徑向力。同時由于復合索鞍在使用過程中需要活動才能將荷載等引起的主纜內(nèi)力傳遞給錨跨索股，因此需要在鞍座底部設置滾軸，以滿足其活動要求。

本文以香麗高速虎跳峽金沙江大橋滾軸式復合索鞍作為對象，通過對其關鍵制造技術進行分析和研究，總結形成完善的產(chǎn)品制造技術，為山區(qū)類似項目提供參考依據(jù)。該滾軸式復合索鞍(結構組成見圖1)鞍體下設不銹鋼板-輥子-不銹鋼板滾動副，以適應施工及運營過程中的相對移動。

(a)復合索鞍整體

2 滾軸式復合索鞍制造施工難點

該復合索鞍的制造施工主要包括錨跨側鞍體、中跨側鞍體、上(下)承板、擋板、滾動系統(tǒng)的制造、運輸與安裝，主要施工難點如下：

(1)該復合索鞍固定主纜的鞍槽部分形狀復雜，采用ZG270-480H鑄造而成，鑄鋼鞍頭重量大(錨跨側鞍頭重26.6 t，中跨側重23.6 t)，體積大，鞍頭的鞍槽、主筋板、側筋板的壁厚變化大，主筋板和鞍槽、鞍槽和側筋板的交接部位易形成帶狀熱節(jié)，其補縮難以兼顧，順序凝固控制困難，易出現(xiàn)疏松、縮孔、氣孔、夾渣等質量缺陷。

(2)該復合索鞍鞍體采用鑄焊結合的混合結構，鞍槽用鑄鋼鑄造，底座由鋼板焊成，鞍頭和底座材料為異質材料，對接接頭處板厚一般80 mm以上，屬于特厚板的異質材料焊接，焊接要求高，中間控制過程要求嚴格，鞍體屬于受力部件，焊接變形大[5]。同時鞍體結構不規(guī)則，焊縫分布度高，空間相對狹小，坡口形式不一致，焊接的工作量大，單件鞍體焊接需用焊絲4 t?？v向收縮和橫向收縮較大，焊接應力和變形大。

(3)復合索鞍鞍體為兩半分體組合結構，最終產(chǎn)品在塔頂組合后使用，為了保證安裝位置和入纜的準確性，索鞍鞍體組合后的大底平面和組合后鞍槽的一致性是個重點，另外索鞍鞍槽為三維空間曲面，鞍槽線型空間的精度保證是個難點，同時由于鞍槽深度較深，加工時機床主軸方向行程大，導致機床主軸剛性差，對加工設備的加工能力也是一個考驗。

(4)滾動系統(tǒng)的滾軸(見圖2)單件重量達1796 kg，材質為30CrNi3，調質硬度為325～350HBW，工件外形?400 mm×170 mm×3500 mm，工件的尺寸精度和位置精度要求高，滾軸兩端孔對外圓同心度要求高，滾軸上與上承板的導向平鍵配合的鍵槽加工精度要求高。如果每一根槽距達不到要求的精度，則會導致上承板的導向平鍵無法落入每一根滾軸的鍵槽中。

圖2 滾軸工程圖

(5)復合索鞍滾動系統(tǒng)框架為柔性結構，與滾軸的裝配精度要求高，安裝后滾軸需要沿著框架上預定的滾動位移方向滾動，這就要求在起吊、運輸和安裝過程中必須要保證滾動系統(tǒng)裝配體自身的結構，又能夠對滾動系統(tǒng)的框架結構實現(xiàn)定形和加固。

3 復合索鞍制造過程中的主要施工技術

復合索鞍的制造包括鞍體的制造和滾動系統(tǒng)制造，鞍體制造的主要流程為：分體鑄造→鋼板采購檢測→異質材料裝配焊接→產(chǎn)品的機械加工→產(chǎn)品部件的試裝→產(chǎn)品試驗→成品的防腐保護。

滾動系統(tǒng)制造的主要流程為：框架的制造→滾輪的制造→滾動系統(tǒng)試裝→試驗調試→產(chǎn)品防腐保護。

3.1 鞍頭鑄造

鞍頭鑄造要符合行業(yè)標準JT/T 903—2014《懸索橋索鞍索夾》的要求[6]，由于U字型鞍槽結構的特殊性，鞍頭鑄件易在薄弱的交接部位形成帶狀熱節(jié)，同時由于鑄件尺寸形狀的原因，鑄造易在薄壁處或者狹窄位置處出現(xiàn)常規(guī)的疏松、氣孔、夾渣等缺陷。

針對鞍頭鑄造易出現(xiàn)的上述質量問題，采用專業(yè)鑄造工藝軟件進行模型模擬優(yōu)化分析，確定合理澆鑄方案，通過優(yōu)選大冒口、厚板補縮加強、鞍槽口朝向(向上)、布置相關防變形拉筋、留足足夠的工藝余量、考慮冷鐵的適宜位置、保證鋼水按照預定的順序凝固、過程中做好鑄件的熱處理控制[7]。

3.2 鞍體焊接

索鞍鞍體為鑄焊結構，鞍頭和鞍座為異種鋼(鑄鋼件和碳鋼件)的焊接，而鑄鋼件與碳鋼件的焊接性主要取決于淬硬性、母材的組織狀態(tài)、冷裂紋敏感性和冷卻速度[8]。根據(jù)索鞍鞍體焊接技術要求，焊縫須進行超聲波和表面探傷。焊縫探傷質量保證是關鍵，在正式產(chǎn)品焊接前進行焊接工藝評定，確定合理的焊接工藝參數(shù)。

索鞍的鋼板厚度尺寸最大達100 mm，屬于特厚板焊接。由于焊縫分布不規(guī)律，焊縫相對密集，坡口形式不一致，焊接的工作量大，焊接殘余應力和空間變形大。在鞍體焊接中通過以下措施控制：(1)設定合理的裝焊順序、深淺坡口的焊接控制，采取錘擊消應。(2)采用分層多道小線能量焊接，嚴格按照評定合格的焊接評定參數(shù)進行焊接，焊接過程中做好變形控制。(3)做好勤翻身、多人對稱焊接。(4)按照工藝技術要求做好裝焊過程中的熱處理消應處理，減少焊接殘余應力。

3.3 鞍體加工

復合索鞍鞍槽為既有豎彎又有平彎的三維空間曲面，為保證加工精度，提高加工效率，適宜采用回轉法[9]進行加工，本項目鞍體加工采用回轉法、組合整體加工方式，采用四軸聯(lián)動大型數(shù)控鏜銑床進行加工(見圖3)。機床主軸?260 mm，X軸行程18 m，Y軸行程9 m，Z+W軸行程3.3 m。X、Y、Z、W軸定位精度0.02 mm/1000 mm。機床配備450 t數(shù)控聯(lián)動回轉工作臺，工作臺面5500 mm×8000 mm，承重450 t，行程5 m，B軸旋轉定位精度12″。機床數(shù)控系統(tǒng)擁有優(yōu)秀的人機交互性和系統(tǒng)穩(wěn)定性，其優(yōu)越的伺服系統(tǒng)、位置測量系統(tǒng)和補償系統(tǒng)，更好地保證多軸聯(lián)動加工精度。適合索鞍三軸及四軸聯(lián)動加工，同時加工車間配置有起吊能力400 t+150 t的行車，可以滿足復合索鞍整體組合加工的需要[10]。

圖3 主索鞍體組合整體精加工

加工時利用調平組對工裝，將兩件滾軸式復合索鞍鞍體成對組合，找正對齊后，打入定位鋼銷，用連接螺栓把緊，側面連接的中分面筋板位置進行壓塊的焊接固定，按已精加工的中分面的工藝基準面和半精加工的大底平面基準找正，精銑組合索鞍大底平面到位，保證索鞍兩半組合后索鞍鞍體的整個底平面的平面度符合技術規(guī)范。

應用數(shù)控程序半精加工、精加工鞍槽兩側壁平面和各圓弧繩槽臺階面，保證各臺階面圓弧輪廓度滿足圖紙技術要求。

在機床上臨時配裝已經(jīng)加工好的上承板到組合鞍體底部，通過專用工裝夾緊，配鉆、鉸鞍體底平面與上承板連接的鋼銷孔。最后將鞍體翻身正放，精加工寬度側面，鉆拉桿孔。

3.4 滾軸加工

滾軸毛坯采用合金鋼鍛件制作，毛坯采購回廠后進行材料復驗和毛坯尺寸檢查，合格后進入機械加工(見圖4)。根據(jù)滾軸結構分析，加工滾軸首先需進行粗加工，使各面滿足探傷條件；粗加工后對滾軸進行超聲檢測和磁粉檢測，檢測合格后再對滾軸進行調質(淬火+回火)熱處理，調質熱處理后半精加工滾軸，半精加工并檢測合格后，最后對滾軸進行精加工并檢測。為保證滾軸的加工精度及質量要求，需采取以下措施：

(a)精車外圓 (b)四軸聯(lián)動龍門銑銑鍵槽 (c)鏜床鏜銷孔 (d)涂防銹油后的滾輪成品

(1)鍛造時在滾軸毛坯兩端長度方向預留工藝凸臺余量，粗加工時加工成型；

(2)在半精車和精銑170 mm扁兩面時均按兩工藝臺階為基準進行精加工；

(3)加工中以標記一端作為工藝基準，并在數(shù)控龍門銑上采用定制的可聯(lián)動的數(shù)控旋轉輔助裝備進行鍵槽的加工，確保每一根滾輪的兩鍵槽中心距誤差控制在0.05 mm以內(nèi)；

(4)采用磨床進行精加工，在外表面全部精加工完后進行外圓及兩工藝臺階外圓的精磨加工(確保各外圓同心)；

(5)以兩端工藝凸臺為基準加工兩端孔，確保兩端孔與外圓同心。

3.5 滾輪起吊工裝的設計和制作

復合索鞍滾動系統(tǒng)框架為柔性結構，與滾軸的裝配精度要求高，根據(jù)滾動系統(tǒng)的結構特點，我們設計了專用的滾動系統(tǒng)起吊運輸工裝(圖5)，該工裝既能保證滾動系統(tǒng)裝配體自身的結構，又能夠對滾動系統(tǒng)的框架結構實現(xiàn)定型和加固[11]。

(a)滾輪結構與起吊工裝組合 (b)起吊示意圖

3.6 復合索鞍拼裝及擺動試驗

滾軸式組合索鞍各零部件制作完成并檢驗合格后，進行廠內(nèi)試裝配(見圖6)，裝配前所有零部件清理干凈。

圖6 滾軸式組合索鞍試裝配

(1)首先在裝配工作平臺上組裝滾輪、框架及滾輪軸為一個整體單元，將滾軸式組合索鞍底板吊放在裝配平臺上并調水平，將下承板吊放安裝在底板上，將組裝好的滾輪框架整體吊放在下承板上。

(2)將上承板放在工作平臺上，將兩件滾軸式組合索鞍鞍體分別吊放在上承板上，鞍體底部鋼銷孔與上承板的定位鋼銷對正，與上承板組裝就位，兩件鞍體對合平面貼緊，裝定位鋼銷并用連接螺栓把合擰緊，采用專用固定工裝將上承板與鞍體聯(lián)結固定。

(3)將主索鞍及上承板整體起吊放置在滾輪副上，調整滾軸式組合索鞍相關裝配件位置，檢查各裝配尺寸和形狀是否符合圖紙要求，各零部件的相對位置及鞍體的中線、TP點、IP點位置須做出永久性定位標記，裝配后檢查滾輪是否滾動靈活，有無卡阻現(xiàn)象。

(4)滾軸式組合索鞍試裝配合格后進行索鞍預偏試驗，檢驗鞍體相對于下承板之間的相對滑移能否達到設計規(guī)定的滑移值。

4 結束語

香麗高速虎跳峽項目是國內(nèi)大跨度懸索橋中首次采用滾軸式復合索鞍，大大減小對錨碇位置山體的工程開挖量，大幅度降低建造成本，節(jié)能減排，縮短工期，同時減小對環(huán)境的破壞，實現(xiàn)了綠色環(huán)保施工，產(chǎn)品制造涉及多工序銜接專業(yè)的制造，通過對產(chǎn)品關鍵技術的研究和分析，總結歸納了先進的產(chǎn)品制造工藝，解決了鑄造、焊接、機加工中的難點問題，設計了專用的工裝吊具，解決了滾輪系統(tǒng)的起吊和運輸問題，復合索鞍制造完成后，質量檢測完全符合設計規(guī)范及產(chǎn)品技術要求，目前該橋已建設完畢并全線通車。該橋的順利建設為以后類似地質環(huán)境下的橋梁建設提供了參考和依據(jù)。