楊泗港長江大橋主纜索股被動式水平放索裝置研制

謝 錦，沈揚波，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)

楊泗港長江大橋主橋為跨度1700m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)按動力可分為主動和被動放索

主動放索在施工過程中，主要由卷揚機(jī)引導(dǎo)索股，由放索機(jī)提供動力克服整個索盤旋轉(zhuǎn)慣性實現(xiàn)放索，整體的放索過程中由于存在牽引及放索機(jī)兩個動力，會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，對于70t的索股，需要較大的扭矩電機(jī)和減速器方能實現(xiàn)索盤的轉(zhuǎn)動，如果制動時，通過扭矩電機(jī)停止或者反轉(zhuǎn)的方式單一地實現(xiàn)制動，將會對電機(jī)、減速器及相關(guān)的傳動機(jī)構(gòu)造成一定的沖擊性破壞。由此可見，主動放索的方式不僅造價較高，設(shè)計復(fù)雜，而且放索的可靠性均不足。

被動放索在施工過程中放索的動力全部由牽引機(jī)提供，單一的動力牽引保證了牽引與放索的同步性。通過牽引慢慢施加動力，克服整個索盤的旋轉(zhuǎn)慣性，實現(xiàn)放索。但被動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現(xiàn)的，實現(xiàn)起來也很復(fù)雜。施工過程中都是以控制卷揚機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制索股放索的線速度，從而實現(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間內(nèi)停止放索。需要緊急停止放索時，牽引力消失，制動裝置需要能抵消掉緊急停機(jī)時索盤的轉(zhuǎn)動慣性，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)動應(yīng)在半圈內(nèi)實現(xiàn)。因為不管是水平放索還是縱向放索，超過半圈，索股就會開始出現(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，位置相對穩(wěn)定，不需要專門處理，較容易實現(xiàn)。縱向放索，為防止后錨頭下垂，因此后錨頭需要專門的裝置固定，放索過程中要對后錨頭拉緊固定，防止后錨頭跟著索盤的轉(zhuǎn)動出現(xiàn)甩動現(xiàn)象。

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

2 被動式水平放索機(jī)制動原理

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

通常，圓式機(jī)構(gòu)的制動一般采用剎車帶包裹外圓的方式，但此方式的制動力不好控制，不能很好地確保制動的時間。所以選用市場上現(xiàn)成的能確定額定轉(zhuǎn)矩的制動器與外齒式的回轉(zhuǎn)支承相配合來傳遞緊急制動力。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，降低了設(shè)計成本。制動原理示意圖如圖1所示。

圖1 制動原理示意圖

3 整體結(jié)構(gòu)方案

該結(jié)構(gòu)，主要優(yōu)勢在于采用回轉(zhuǎn)支承作為承載主件，同時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)計相對使用普通軸承承載的方式簡單。旋轉(zhuǎn)體上設(shè)計有剎車盤，連接座通過連接桿與成索盤連接固定。制動力由阻尼制動器和緊急制動剎車器提供，阻尼制動器作用于剎車盤上，緊急制動剎車器上裝有齒輪與回轉(zhuǎn)支承的外齒相作用，以實現(xiàn)索盤的制動功能。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

5.1 回轉(zhuǎn)支承選型

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

(1)按靜態(tài)工況選型[2]

當(dāng)量傾翻力矩M′=1.225Mfs=1.225FrRfs(取R=1.75，索體成盤后直徑)

(2)按動態(tài)工況選型[2]

當(dāng)量傾翻力矩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)工況和動態(tài)工況計算出來的軸向力和傾翻力矩的交點，均落在所選的螺栓承載曲線的下方。如圖3所示，A點為靜態(tài)工況，B點為動態(tài)工況。

圖3 011.45.1250回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線圖[2]

5.2 制動力計算

5.2.1受力狀態(tài)分析

(1)勻速放索時，緊急制動剎車器不工作，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)啟動時的牽引力矩必須大于靜止時的慣性矩，所以M牽≥T慣。

(4)假設(shè)牽引機(jī)啟動時，M阻=0，啟動時間為4s，則此時M牽≥T慣4；啟動完成后，慣性矩已不再是阻礙運動的因素，為保持平衡，此時應(yīng)有M總=M摩+M阻尼=M牽=T慣4；停止時，牽引力消失，需緊急制動，制動時間3s，此時：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)動慣量

按總質(zhì)量70t，內(nèi)徑2500mm，外徑3500mm，高2200mm的圓筒計算：

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)計手冊》[3]得：

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

n—放索機(jī)的回轉(zhuǎn)速度(r/min)；

t—放索機(jī)啟動或制動時間(s)。

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

5.2.4制動力矩

總的制動力矩M總≥T慣3才能使轉(zhuǎn)動體停止，即：

M總=M制+M摩+M阻尼≥T慣3

(2)

式中：M制—緊急制動剎車器提供的力矩；

M摩—除制動器以外的其余摩擦力產(chǎn)生的力矩，此項目中取M摩=0；

M阻尼—阻尼制動器提供的力矩。

如圖2所示，旋轉(zhuǎn)體設(shè)計有剎車盤，阻尼制動器作用于旋轉(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組阻尼制動器，該阻尼制動器設(shè)計為剪式力臂，每組阻尼制動器有兩個作用力臂，則阻尼的制動力矩為：

M阻尼=2×4×60μmgr=3.175×104N·m

經(jīng)驗證M阻尼>T慣4，阻尼制動器提供的制動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)計緊急制動器上的小齒輪的齒數(shù)Z2=15，則傳動比i=7.867，加裝了4個緊急制動器，則折算到單個齒輪的轉(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

通過在楊泗港長江大橋的實際使用，采用該被動式水平放索裝置，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。現(xiàn)場施工檢驗，每根索股約2h放索架設(shè)完成，裝置在楊泗港長江大橋上的應(yīng)用如圖4所示。

圖4 放索機(jī)在楊泗港長江大橋使用

7 結(jié)語

(1)放索裝置在放索過程中，只需提前調(diào)好阻尼制動器，在需緊急制動時，啟動緊急制動剎車器即可完成放索制動，操作簡單。

(2)采用回轉(zhuǎn)支承設(shè)計的水平放索裝置，同時承受軸向和徑向載荷，使受力簡單、結(jié)構(gòu)簡單、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，能實現(xiàn)索盤的快速更換，提高施工效率。