KLDJ600型液压提升式跨缆吊机的研制及应用

刘 勋，刘民胜，金 仓，刘新华，舒宏生

(中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065)

0 引 言

悬索桥桥型由于自身结构特点，具有强大的跨越能力，在基础交通建设中得到广泛应用。目前国内外已经开展主跨2 700～3 300 m悬索桥的技术研究与探索应用[1]。跨缆吊机(又名缆载吊机)是一种吊装悬索桥加劲梁的大型专用设备，具有主缆承重强、起吊吨位大、机动灵活、经济性好等优势。当今主流的跨江、跨海悬索桥加劲梁架设多采用跨缆吊机进行精确定位及安装[2-5]。

本文以虎门二桥大沙水道桥为依托工程，其主跨为1 200 m，主缆直径为852 mm；缆距为42.1 m，钢箱梁宽度为49.7 m，最重吊装梁段约350 t。经分析，现有的跨缆吊机存在以下问题：由于跨度、构造等限制，其结构强度已逐渐无法满足宽幅、大吨位加劲梁的吊装需求；吊机采用步履式行走机构，平均行走速度为8 m·h-1，速度较慢；使用被动式储索装置，平均放索速度为28 m·h-1[6]，作业时间较长，施工效率较低。LZDJ5000缆载吊机采用的滚轮式行走机构及液压动力钢绞线收放装置具有一定的借鉴意义，但参数选择不同会造成在实际应用中效果有较大差异。因此，为满足虎门二桥施工需求，并适应宽幅、大跨度悬索桥建设的发展趋势，本文从提高起吊能力、优化结构功能和提升施工效率等方面来重点考虑，研制新型的600 t级跨缆吊机。

1 跨缆吊机设计

KLDJ600型跨缆吊机主要由模块化主桁架、2套缆上支撑及行走机构、2套主提升千斤顶系统、中央控制系统、动力系统、2套吊机牵引千斤顶系统以及加劲梁吊具等组成。跨缆吊机总体结构见图1，主要性能参数见表1。

图1 跨缆吊机总体结构

表1 跨缆吊机主要性能参数

1.1 主桁架设计

主桁架是提梁作业时吊机承受弯矩的主要结构，也是安装起吊系统、动力系统、控制系统、辅助系统以及人员作业的工作平台。主桁架采用模块化设计，分为7个节段，每个节段之间通过销轴连接，可快速装配形成整体；后期通过改制中间节段长度可满足不同缆距悬索桥加劲梁的吊装要求。节段间各杆件均采用螺栓连接，拆解后方便运输。与KLD3700跨缆吊机主桁架节段之间采用高强螺栓组连接的方式相比，销轴连接装拆更方便且节段更容易改制。

根据《起重机设计规范》(GB/T 3811—2008)的规定，在无风工作、有风工作及非工作状态下，针对跨缆吊机垂直提升、偏载施工(偏载系数取1.05)和荡移施工等多种工况，采用许用应力设计法，通过有限元分析软件，分别对主桁架、行走机构、起吊系统等进行了理论计算[7-9]。主桁架在额定吊重工况下的有限元计算结果见图2，组合应力最大为192 MPa，小于Q345钢材的许用应力；跨中变形为80.5 mm，小于允许变形量84.2 mm(其中跨距为42.1 m)。

图2 主桁架有限元分析结果

1.2 缆上支撑及行走机构设计

支撑及行走机构用于实现跨缆吊机在主缆上移动、定位和支撑固定，主要由行走机构箱体、牵引千斤顶及支架、4组荷载转移油缸及滚轮、3组固定抱箍等组成。吊梁时固定抱箍锁定在主缆上，端面与永久索夹顶紧，如图3(a)所示。行走时吊机空载，解除固定抱箍的螺栓连接，采用牵引千斤顶进行牵引；行走方式为滚轮式[10-11]，通过荷载转移油缸驱动滚轮交替起落实现跨越索夹的功能，如图3(b)所示。滚轮相互间距设置为3.4 m，保证跨越最大索夹尺寸为3 m×0.3 m。

与KLD3700型跨缆吊机采用步履式行走机构(图4)相比，滚轮式行走机构降低了吊机的结构重心，更加安全稳定；缆上平均行走速度也有所增加，提高了施工效率。

图4 步履式行走机构结构

行走机构箱体在额定吊重工况下的有限元计算结果见图5，组合应力最大为213 MPa，小于Q345钢材的许用应力，变形量很小，最大变形量为3 mm[12]。

图5 行走机构箱体有限元分析结果

1.3 液压起吊提升系统设计

液压起吊提升系统用以实现加劲梁的吊装功能，由294 t连续提升千斤顶、19×Φ18 mm钢绞线、钢绞线导向架和主动卷线盘等组成，是跨缆吊机的核心工作部分[13]，如图6所示。采用抗拉强度1 700 MPa的模拔钢绞线，相比于其他钢绞线，其结构更加密实，表层更加适合锚具抓握。钢绞线安全系数不小于2.5。

图6 液压起吊提升系统结构

连续提升千斤顶由一个双作用中空主油缸和2套锚组件构成，锚组件一套安装于主油缸底部，一套安装于活塞杆顶部。当活塞伸出，顶部锚组件自动地锁紧钢绞线，并且拉住钢绞线穿过主油缸及底部的夹持组件。当活塞在行程终点开始回缩时，底部锚组件锁住钢绞线，活塞完全回缩复位并开始下一个行程。重物下放操作时，载荷作用于上锚，活塞在完全伸出的位置，下锚保持打开。此时，钢绞线可随着活塞的回缩穿过下锚。在行程结束时，载荷转移到下锚上，上锚保持打开，活塞再次伸出后进行下一个下降行程。

主动卷线盘有2个功能：一是收纳和储存钢绞线，提供恒定张力；二是作为钢绞线卷扬机提升和下放扁担梁吊具。其额定扭矩为231.8 kN·m，可容纳钢绞线5～19根，最大容绳量为275 m，平均提升速度为36 m·h-1，放线速度不小于80 m·h-1；与传统的被动式储索器相比，钢绞线下放等辅助作业时间大大降低，占用航道时间减少，从而提高了综合施工效率[14-15]。

1.4 动力系统及辅助系统设计

跨缆吊机动力系统采用柴油发动机驱动液压泵站设计，主要提供1个主加载液压钢绞线千斤顶、1个辅助行走液压钢绞线千斤顶、4个载荷转移油缸、1个液压卷扬机和1个主动卷线盘的液压回路以及千斤顶双作用缸的锚具液压回路，实现加劲梁的提升及吊机在主缆上的行走；各液压回路由独立的阀组及相关元件完成对液压油压力的控制，互不干扰。泵站配备风冷机、油箱电加热器、蓄电池、电气控制柜以及面板控制系统等。

辅助系统包括液压卷扬机、照明和报警装置以及安全装置等，液压卷扬机用于吊机维修保养时的辅助作业，如提吊柴油桶、小型工具等。

1.5 中央控制系统设计

中央控制系统主要用于控制吊机缆上行走及就位、加劲梁吊装等全过程，监测跨缆吊机上所有千斤顶系统、动力系统、钢绞线主动卷线盘、辅助液压卷扬机等的工作状态和操作过程，同时具有超载报警、超载自动停机、自动防误操作等功能，是跨缆吊机的“指挥”机构。通过设定提升高度，可以实现主提升千斤顶智能吊梁作业。

中央控制系统是基于工业自动化控制技术，集人机界面、传感器技术、通讯技术于一体的多功能控制系统。其以泵站为单元，通过CAN 总线连接，对系统中的所有液压执行元件进行实时集中控制[16]；采用激光精密测距和载荷偏差结合的同步控制技术，对千斤顶进行预紧力和相对行程同步组合控制；设计了信号互锁功能，确保安全；具有可靠性好、实时性高、在线监测信息全面、控制系统维护方便、功能可扩展性好等特点。

1.6 控制系统信息化设计

在跨缆吊机控制室内配置一套操作运行状态视频监控系统，由1台网络型12路视频服务器、12台高清IP 网络摄像头、1台高清显示器组成，分别用于监视上下夹片液压缸、主提升液压缸、加劲梁及吊具、主动卷线盘、动力模块等，使操作人员对跨缆吊机运行工况一目了然，既可提高工作效率，又可保证设备安全运行。

根据需要，可在项目部和跨缆吊机控制系统之间建立无线通讯网络，通过远程桌面监控系统或者手机终端APP，实现跨缆吊机控制系统远程监控(图7)；通过建立数据采集系统，实时采集跨缆吊机控制系统运行状态，并记录数据，经过预定的数据处理，生成 “系统运行状态报告”；甚至可在中心服务器建立跨缆吊机运行状态仿真系统，通过调用实时数据记录，在服务器上仿真追朔跨缆吊机吊装运行过程。

图7 手机APP实时视频监控

2 试验系统设计

为了实现在地面上模拟跨缆吊机的吊装、行走工况，对试验系统进行设计。跨缆吊机试验系统主要包括试验架及试验吊具两部分，如图8所示。

试验架与跨缆吊机连接部分设计为半圆弧支撑结构，同时半圆弧支撑与竖向支撑通过销轴连接，模拟实际吊装时主缆因受力发生扭转的情形。试验架一侧设计为固定式，采用螺栓连接结构，另一侧设计为移动式，采用不锈钢-聚四氟乙烯板滑动副结构，最大限度模拟主缆横桥向移位的情况；试验架底部通过地脚螺栓与混凝土基础锚固。

试验吊具两侧采用钢箱结构形式，中间由200型加强弦杆贝雷桁架组合梁连接，节省材料，通用性强。静载试验时，缆载吊机下锚头与试验吊具上吊耳销接，试验架反力梁吊耳与试验吊具下吊耳销接，实现力的可靠传递。

图8 试验系统结构

跨缆吊机设计完成后，委托国内专业起重机制造厂进行钢结构的加工。根据起重机制造相关执行标准，参考钢结构制造验收规范等，从原材料、机加、焊接、涂装、试拼装等方面作了技术要求，并对质量检验、验收、发货等提出具体要求。制造过程中由专人驻场监造，对质量、进度等进行全程跟踪，并在重要的节点组织相关人员进行验收，确保钢结构满足国家规范、标准及设计要求。

3 跨缆吊机荷载试验

根据《起重机试验规范和程序》(GB 5905—2011)制订了《600 t级液压提升式跨缆吊机试验大纲》，主要分为空载行走试验和加载试验两部分[17]。

空载行走试验是在模拟主缆的自由长度上，通过行走机构的动作实现吊机的整体移动，检测整体结构主要几何尺寸、联接件关联状况、整机顶升与行走状况等是否满足设计要求。

加载试验时先对吊机进行预加载，回复到空载状态后，再按照额定荷载20%递增(后两级为115%、125%)，每增加一次荷载持续20 min，观察构件是否有变形、异响，稳定后记录各数据，直至加载至额定荷载的125%。在吊机及试验吊具的相关位置设变形、应变监测点，在试验架上设位移监测点，得出各级加载下的变形、应力及位移值，并与理论计算结果进行比较验证[18-19]。

同时，通过试验检验294 t主提升千斤顶、108 t荷载移动千斤顶和70 t荷载转移油缸的性能以及液压系统、控制系统的功能，确保各系统之间协调工作以及各接口之间互相兼容[20]。

图9 荷载试验

本吊机于2017年8月16日在虎门二桥施工现场进行试验(图9)，静载试验监测数据表明，吊机整体刚性及各构件的强度均在设计容许范围内，空载行走试验结果证明吊机行走系统达到了设计要求，各系统之间可以协调工作。

4 工程应用

2017年11月10日～2018年1月9日，采用全新研制的KLDJ600型跨缆吊机，历时62 d顺利完成了虎门二桥大沙水道桥全部94榀钢箱梁吊装。经过施工统计分析可知：与KLD3700跨缆吊机相比，新型吊机放索速度不小于80 m·h-1，是原放索速度(28 m·h-1)的两倍多；新型吊机平均行走速度为13 m·h-1，是原吊机平均行走速度(8 m·h-1)的1.6倍。由吊机在虎门二桥的应用情况来看，如果在保证梁段充足供应的情况下，单台KLDJ600型跨缆吊机每天可完成3～4个梁段的吊装，其综合工作效率比KLD3700跨缆吊机提高了将近一倍。按照这个施工效率，在加劲梁供应得到保障的前提下，千米跨的悬索桥加劲梁吊装施工可以在一个月内完成，对节省工期、降低施工成本大有裨益。

图10 钢箱梁吊装施工

5 结 语

针对KLD3700跨缆吊机的提升能力、结构功能、施工效率等方面逐渐不能满足现阶段加劲梁吊装要求的问题，采用有限元分析及型式试验验证了本文设计的大吨位吊机的强度及稳定性满足相关规范要求。单机提吊能力为588 t，双机联动提吊能力达到1 176 t；通过改进结构设计减少了吊机拼装时间，采用滚轮式行走机构、主动收放索装置等大大降低了辅助作业时间，有效提高了综合施工效率；采用智能化集成控制系统、信息化控制系统等使得吊装过程更加安全、高效。经过在虎门二桥大沙水道桥吊装钢箱梁中的应用，跨缆吊机吊装作业、缆上行走等各方面的功能都得到了验证，施工效率显著提高。其成功经验可为以后类似工程提供指导和借鉴。