竖井门式起重机制造关键技术分析

李 翔，赵敬云，刘传贺

（1. 新乡市起重设备厂有限责任公司，河南 新乡 453000；2. 河南工学院，河南 新乡 453003）

竖井门式起重机制造关键技术分析

李 翔1，赵敬云2，刘传贺1

（1. 新乡市起重设备厂有限责任公司，河南 新乡 453000；2. 河南工学院，河南 新乡 453003）

针对水电站深大竖井建设中所使用的传统提升设备进行了分析，指出传统设备使用和功能上的诸多缺点。详细论述了竖井门式起重机制造过程中所采用的多种关键技术，试用表明竖井门式起重机样机能够满足深大竖井建设工况要求，在安全和提升工作效率方面有着突出优势和良好的应用前景。

竖井门式起重机；冗余绳系；抗旋转；载人吊笼

1 概述

许多水电站“地下厂房”，包括发电和引水系统，都建设在左右两岸的山体内。根据设计需要以及各区域所开挖空间功能性的要求，需要建设一些竖直方向的井洞连通各空间或通向地面。井洞具有竖直、深度深、大直径的特点，一般称之为深大竖井，直径由几米到几十米不等，深度由几十米到几百米不等，从功能上大致分为引水压力竖井、出线竖井、通风竖井和调压竖井等。

在竖井建设过程中，从开挖到支护，以及井内设备、材料、工器具的吊运都需要提升设备来完成。在传统的竖井建设过程中，大多采用多台卷扬机配合完成提升动作，如图1所示。

图1 传统竖井提升设备工作原理示意图

在竖井旁，分别布置三台卷扬机，卷扬机均固定在地面，钢丝绳通过固定在井架上方的天轮向下进入井内，其中同一个轴线上布置的两台卷扬机同步工作完成物品的吊运，另一台卷扬机独立完成载人工作。此种方式在使用过程中有以下缺点：（1）设备整体不具备移动功能，不能对地面物件进行搬运或完成对汽运物资的装卸。（2）用于载物的两个卷扬机同步难度大，吊具容易发生倾斜，存在安全隐患。（3）载人机构采用单绳提升载人吊笼方式，安全性差。（4）井口架设井架及安装固定井架用的斜拉钢丝绳阻碍地面交通并降低了场地利用率。（5）载人吊笼和载物吊具在进口直径范围内位置固定，对其他需要作业的区域兼顾不到，增加了施工难度。

基于以上原因，需要在深大竖井建设过程中设计开发一种安全高效的提升设备，来弥补传统卷扬设备的诸多缺点。

2 竖井门式起重机

竖井门式起重机整体采用门式结构，提升系统包括载人和载物两个独立小车，载人吊笼和载物吊具可通过小车及起重机运行完成X、Y、Z三个方向的位置移动，实现竖井内任意空间位置的吊装作业。起重机轨道与地面平齐不阻碍地面车辆通行，方便地面物件搬运或汽运物资的装卸，同时不需架设井架，提高了场地利用率。如图2所示。

图2 竖井门式起重机整体布置图

3 竖井门式起重机制造的关键技术分析

竖井门式起重机适用于各类竖井建设过程中的实际工况，诸多关键技术体现了安全高效，如下所述。

3.1 PLC冗余控制

PLC冗余控制采用了两套PLC系统，一套作为主控系统，另一套作为监控系统。每套PLC系统都带有独立的位置检测元件。正常工作时，两套PLC系统同时投入运行，相互冗余，当任意一套PLC系统出现故障时，另一套PLC系统能实现“无缝对接”，无时间间隔立即投入使用，不会对电控系统带来任何影响。这种“安全回路双线制”控制与保护技术，提高了竖井门式起重机电气控制系统的可靠性及安全性。

为了确保两套PLC系统能同步工作，在主控系统的PLC内对两套PLC系统所采集的位置信号和速度信号进行实时对比，如偏差超出设定范围值就立即报警停车，工作人员可及时通过HMI界面提示信息内容进行纠偏或问题处理。

3.2 冗余绳系

载人起升机构采用双卷筒同步卷扬设计，每个卷筒及在其上缠绕的两根钢丝绳与载人吊笼的四个滑轮分别形成一个绳系，共形成两个绳系。即主绳系和副绳系。主绳系为工作绳系，始终保持受力拉紧状态；副绳系为跟随绳系，一般情况下始终保持不受力的跟随状态，在主绳系出现故障时副绳系能立即投入使用，且能独立运行，确保吊笼升降安全。

图3 主、副绳系及钢丝绳缠绕示意图

3.3 吊具防旋转控制

对于普通吊钩组，在下降深度或起升高度超过40多米时，极容易出现吊具的整体旋转和钢丝绳打绞问题，一旦出现此问题起升机构就无法完成升降动作，只能截断钢丝绳。如处理不适当极易危及人身和财产安全。

竖井门式起重机在设计时充分考虑了这一使用工况，并采用了创新的设计理念：（1）采用抗旋转结构钢丝绳，减少钢丝绳在升降过程中内部旋转应力的产生，避免因钢丝绳旋转应力对吊具的整体水平旋转力产生影响。（2）采用左右旋向的双联卷筒，每联卷筒上缠绕的钢丝绳旋向与另一联旋向相反，减少了钢丝绳内部旋转应力的产生，确保了吊具整体水平方向旋转力平衡、不打转。（3）在起升机构钢丝绳的平衡装置上设置有钢丝绳内部旋转应力释放装置，能有效释放钢丝绳升降过程中产生的旋转应力，消除了引起吊具整体旋转的不稳定因素。（4）吊具和载人吊笼整体采用多滑轮、多根钢丝绳、大布置尺寸的防旋转特殊设计，增大了防止吊钩组整体旋转的旋转半径和驱使吊钩整体旋转的转矩，减小了因外力或钢丝绳内部旋转应力对整个吊具的旋转影响。

3.4 高安全性载人吊笼

载人机构采用新型双绳系吊笼，吊笼内部空间大，正常工作时可以坐乘10人同时升降作业。如图4所示。

吊笼上方设置八个滑轮，周边四个滑轮为主绳系使用，且为固定式；内部四个滑轮为副绳系使用，滑轮为游动式，可在垂直方向有一定移动量。每个绳系的4个滑轮均呈“口”字形布置，且分布在吊笼的四角，确保了在载物或载人时吊笼的重心不在吊笼的中心情况下，吊笼整体不会发生倾斜。副绳系的四个滑轮均可上下移动，移动距离大于因两绳系不同步带来的高度差尺寸数值。在主绳系钢丝绳断裂时副绳系滑轮能支持整个吊笼，副绳系4个游动滑轮的下方装有缓冲弹簧，可以减轻主绳系钢丝绳断裂时带来的冲击。稳绳固定装置布置在吊笼两侧上下位置，使吊笼上下运行过程更加平稳。

图4 双绳系载人吊笼

3.5 四吊点防旋转平衡吊具

载物小车较为重要的作用之一就是挖机的吊运，在吊运挖机时需保证挖机吊运和起吊下井过程中挖机整体不打转，重心不偏斜，起吊和落地冲击小。这就要求在设计吊具时必须解决超高卷扬时吊具整体旋转和钢丝绳打绞问题，吊运过程吊具需具有自动调平功能和在电气控制上采用变频控制技术。

在吊具结构上采用四绳四吊点结构形式，每个吊点均配有钢丝绳应力释放器，四根钢丝绳两两采用一个平衡臂连接，两个平衡臂与梁体铰接，可通过梁体进行平衡。四个吊点布置结构采用大布置尺寸，拉开吊点之间的距离，增大了吊具抗旋转半径，减少了外力和钢丝绳内部旋转应力对吊具整体旋转的影响，吊具各部件之间采用铰接方式连接，具备空间三个方向的平衡调节能力，同时也具备四根钢丝绳不同步时的调平功能。

图5 四吊点防旋转平衡吊具

3.6 传动链安全监控

在两起升机构高速轴的电机尾部轴端和卷筒尾部轴端均安装有绝对值型编码器，两个编码器将采集的信号传递给PLC程序，PLC按照设定的程序将两个编码器反馈的脉冲信号实时计算并对比，当计算结果不在设定的范围之内时，PLC会输出信号给安装在起升机构低速轴卷筒尾部的安全制动器控制元件，使之执行抱闸动作。此功能可以保证在起升机构从高速级的电机轴起始，经电机轴联轴器、浮动轴、减速机联轴器、减速机高速轴、减速机中间传动轴、减速机低速轴、卷筒与减速机连接部件之间任意部件失效时，卷筒尾部的安全制动器执行抱闸动作，确保起升机构吊钩或吊具不坠落，此功能是起升机构失效时的一项重要的安全保护措施。

3.7 深井无线通讯和信号传输，位置自动跟踪

水电站竖井深度数值大多在100米以上，井壁凹凸不平，且周边布置有密集的钢锚，这样一个细深竖直的狭长通道会影响无线信号的传输质量，无线信号一般传输不超过100米就会出现大幅衰减，甚至通讯功能无法实现。

为实现深井无线信号的传输功能，在竖井井壁上增加一个或多个基站，加强放大传输信号，通过接力式的信号传输通道，实现了信号传输的连续性并保证了信号的传输质量，实现了在载人吊笼内的无线通讯和无线信号传输功能。人员在吊笼内可实现在竖井全深度行程内对起升机构的控制，并保持与操作人员之间的通讯。在载人吊笼不同方位安装有摄像头，操作人员在司机室里通过显示屏可以直接观测到载人吊笼全方位多画面的实时视频，实现了视频画面对载人吊笼的实时全面跟踪。通过HMI界面输入所要到达的位置数值，在吊具和载人吊笼达到预定位置之前，机构会根据设定程序提前自动减速，并在达到设定位置时精确定点停车，实现对吊钩或载人吊笼的自动定位功能。吊笼内还设置有急停按钮，在出现故障或险情的情况下，在吊笼内部通过急停按钮控制起升机构动力电源，提高了吊笼载人的安全和可靠性。

4 结论

随着作为绿色能源的水电资源的进一步开发，以及中国对外水电项目的逐渐增多，竖井门式起重机的市场将逐步扩大，而且使用范围已经向水利、采矿和地铁等不同的行业延伸。竖井门式起重机设计有相对独立的载人设备，实现了载人和载物的双重功能，在性能上不仅满足了各类深大竖井建设过程中实际工况的使用要求，而且诸多关键技术体现了安全高效。设备为深大竖井的建设施工提供了新技术、新装备，先后在水电八局、葛洲坝集团公司、水电九局、水电四局等工程单位，以及重大国防建设项目中使用，并创造了较好的经济效益，具有良好的应用前景，为国家的水利水电及国防建设做出了一定的贡献。

（责任编辑 王 磊）

[1] 张清.水利施工竖井卷扬机提升系统事故分析[J].安全，2013(3):12-15.

[2] 全国起重机械标准化技术委员会.GB/T3811-2008《起重机设计规范》释义与应用[M].北京：中国标准出版社,2008.

[3] 张志文,王金诺,等.起重机设计手册[M].北京:中国铁路出版社,2011.

Analysis of Key Technology in the M anufacture Gantry Shaft Crane

LI Xiang，et al
(Xinxiang Hoisting Equipment Factory Co., Ltd., Xinxiang 453000, China)

In this paper, the traditional hoisting equipment used in construction of deep and large shafts in hydropower stations was introduced and analyzed and its many shortcom ings in terms of using and functions were indicated. Multiple key techniques applied on the gantry shaft crane were introduced in detail from a professional standpoint. And, the outstanding advantages and good application prospects of gantry shaft crane in terms of safety and high hoisting operation efficiency while meeting requirements for different construction conditions of deep and large shafts were reflected.

Deep and Large Shaft; Gantry Shaft Crane; Redundant Rope System; Counter-Rotation; Manned Cage

TH 21

A

1008–2093(2017)02–0017–04

2017-01-23

新乡市科技攻关项目“中型起重机运行稳定技术研究”（13GY12）

李翔（1980―），男，河南商丘人，工程师，学士，主要从事起重机械设计研究。