狭窄空间大型电机设备吊装工艺

冯刚　刘向东

【摘 要】某工程压气机试验台大型电机安装位于厂房试验间内，安装时厂房已经建成，在受到厂房结构（狭窄）、电机几何尺寸（大）以及电机重量（重）等因素的影响下，通过选择可行、经济、安全的吊装方法和技术措施，顺利地完成了吊装。文章对该大型电机设备在狭窄空间内的吊装工艺进行叙述，供同行借鉴和参考。

【关键词】狭窄空间; 大型电机设备; 吊装

【中图分类号】TU758.15【文献标示码】B

1 工程概况

压气机试验台电机由德国西门子公司设计制造，额定功率为47.5 MW，额定转速为3 244 r/min，是目前为国内最大的47.5 MW变频调速同步电动机。该电机主要由电机本体、电机冷却罩、电机冷却风机、电机润滑油供回油管以及电机电源接线盒五大部分组成，各部分单独包装到货，现场进行组装成型。其中电机本体设备参数为：7.272 m×4.020 m×3.270 m（长×宽×高），重约110 t，为电机最重部分;電机冷却器罩参数为：5.767 m×4.265 m×1.970 m（长×宽×高），重约9.5 t。电机前后端底板两侧各设置一273 mm轴式吊耳，共4个，其结构示意图如图1所示。

该电机安装于压气机试验间厂房内设备基础上，电机基础标高为+0.8 m，基础上预留12个地脚螺栓孔，电机左右两侧8根T型地脚螺栓长为1.38 m，前后4根T型地脚螺栓长为1.96 m。该厂房为单层单跨钢筋混凝土结构建筑，跨度14 m，净空高度14 m，长度40 m，东侧墙体预留门洞口尺寸7.6 m×9.6 m，厂房内设Q=32/5 t行车吊1台。电机本体原到货卸车放置于厂房预留门洞口正东方约12 m处。其平面示意如图2所示。

2 吊装方法的选择

针对厂房内大型设备的安装，通常的程序和方法是土建先将设备基础和厂房基础施工完毕后，再将大型设备吊装到基础上，最后进行厂房主体结构的施工。但由于本工程的特殊情况，需先将厂房主体结构施工完毕后，再进行大型电机设备的安装，故针对本工程实际情况，可选择的吊装方法有：钢排轨道运输与井字门式架提升法和三机抬吊与水平牵引法。

钢排轨道运输与井字门式架提升法即安装前采用钢桁架搭设一钢平台，两侧各设置一重型钢轨，采用重型滚轮将电机运输到基础上，并采用井字门式架提升安装地脚螺栓的方法。三机抬吊与水平牵引法即根据电机重量及外形尺寸、厂房内的具体吊装条件及吊车的性能参数表，进行吊装平面布置、吊车负荷分配情况，选择一台QAY180型吊车吨和两台QY50K型吊车三机抬吊和水平牵引运输的吊装就位的方法。

以上两种方法中，钢排轨道运输与井字门式架提升法主要特点是搭设钢平台轨道制作安装工程量大，吊装就位周期较长，材料耗量较大，不经济，而且在高处运输过程中有许多不安全的因素存在。三机抬吊与水平牵引法吊装就位周期短，前期工装准备量不大，安全可靠。通过对比分析，本工程电机吊装就位选择技术可行性、安全可靠、经济适用及施工进度较快的三机抬吊与水平牵引法。

3 吊装施工工艺

3.1 场地准备

（1）电机临时放置点至试验间内设备基础前的水平牵引线路整平，并采用打夯机和装载机来回碾压夯实;电机水平牵引线路地面向电机侧要保留5 ‰的斜度，上铺垫δ30 mm厚钢板，作为电机水平搬运时坦克车的运输道路，以减小电机搬运时的摩擦力。

（2）电机基础两侧长度范围内采用素土进行回填，回填高度为试验间±0.0 m标高600 mm以上，两端填成斜缓坡，并采用装载机来回碾压夯实，以方便吊装作业。

（3）电机基础纵向两侧台板上各敷设一厚度δ30 mm，宽度为600 mm的钢板，以方便电机在基础上的牵引。

（4）现场场地准备情况如下图3所示。

3.2 电机吊装就位主要步骤

电机基础及地面上钢板安装到位—电机临时放置处三机第一次抬吊到坦克运输小车上—人工水平牵引电机到基础前—三机重新站位，第二次抬吊电机前端到基础上—电机后端吊车不松钩，前端采用人工水平牵引搬运—电机水平牵引到电机基础正上方—三机重新站位，第三次抬吊电机离基础约2 m高—电机地脚螺栓安装—电机就位安装完毕。

3.3 电机吊装就位工艺

（1）电机吊点选择。电机底座两侧设计有四个273 mm轴式吊耳，电机的吊装只能通过该四个吊耳进行，180 t吊车起吊后面两个吊点，两台50 t的吊车分别起吊前面两个吊点。为避免180 t吊车吊装时钢丝绳水平分力对电机壳体造成挤压和损伤，通过在电机上方两侧吊装钢丝绳之间设置一273 mm×6 mm×4.2 m钢支撑横梁，并将横梁通过钢丝绳悬挂在吊车吊钩上。其结构形式如图4所示。

（2）电机临时放置处电机第一次抬吊吊车站位：由于电机临时存放位置处正后方场地因受到其它厂房基础施工限制，故三机抬吊电机吊车站位如图5所示位置进行站位，其中电机前端为两台50 t汽车吊分居电机南北两侧，后端为一台180 t汽车吊位于电机南侧，与其中一台50 t汽车吊位于同侧。

（3）三机第一次抬吊电机。在指挥人员的统一指挥下三机抬吊电机离地面100 mm，确保安全后，三机同时摆臂将电机前端放置到提前准备好的2台32 t坦克运输小车上后，50 t吊车松钩收车，180 t吊车暂不松钩，三机第一次抬吊结束。电机前端坦克运输小车放置时不要太靠近试验间厂房，要确保50 t吊车能够进入厂房。图6为三机抬吊电机工程照，图7为三机抬吊电机放置在钢板上的坦克运输小车上工程照。

（4）电机第一次水平牵引。在电机开始水平牵引前，两台50 t吊车先进入试验间厂房内电机基础两侧的指定位置站位，防止电机水平牵引到基础前后两台50 t吊车无法进入车间。牵引采用两个5 t手拉葫芦进行，锚点采用试验间厂房内块体式混凝土基础。电机水平牵引示意如图8所示。在刚开始牵引的过程中，电机后端180t吊车缓慢地随着牵引的速度进行摆臂和趴杆，当达到吊车的最大起重量时，将电机后端2个32 t坦克运输小车放置在电机底板下方，然后180 t吊车松钩。牵引过程中，两侧的牵引速度要保持一致，且牵引速度不宜过快，以防止电机跑偏和与基础发生碰撞;若发现跑偏时，可采用千斤顶进行调整。电机水平牵引现场工程照见图9。

（5）三机第二次抬吊电机。当电机水平牵引到设备基础前时，三机重新站位将电机前端抬吊到设备基础上。其中两台50 t吊车于电机在刚开始牵引之前已分别退到电机基础两侧（两台50 t的吊车的车头朝向厂房大门），180 t吊车于电机牵引到设备基础时再退进厂房。由于受到厂房空间的限制，为便于50 t吊车打退，吊车站位时应尽量靠近电机基础，靠近电机基础侧后腿支撑在电机基础与齿轮箱基础之间混凝土承台上回填夯实土壤上，前腿支撑在电机基础上。三机第二次抬吊电机支腿及站位情况如图10所示。180 t吊车由于退至厂房后吊车臂无法进行旋转吊车后方，故应先将吊车臂旋转到正后方再退进厂房，如图11所示。

电机在三台吊车垂直起吊高度比电机基础高120 mm时停止起吊，此时施工人员在电机底座下安放道木垛或钢架，其上表面离电机底座下表面约100 mm，目的在于下一步180 t吊车悬臂下降时时由于吊车回转半径的增大导致吊车负荷率增大而采取的相应保护措施。保护措施做好后，同时使180 t吊车趴臂，两台50 t吊车水平转臂，使电机整体向前水平移动，直到将电机前端抬吊到事先放置到电机基础上的两个32 t坦克运输小车上为止。图12为三机第二次抬吊电机立面示意图，图13为三机第二次抬吊电机工程照。

（6）电机第二次水平牵引。电机基础表面两侧地脚螺栓台板上方在电机起吊前铺设δ=30 mm厚钢板，并采用膨胀螺栓和钢板将其固定。当电机前端吊装放置到基础上预先安放的坦克运输小车上后，采用两个5 t手拉葫芦水平牵引电机向齿轮箱方向移动，此时180 t吊车不得松钩，吊钩仍然吊住电机后端的两个吊点上，电机前部份由坦克运输小车受力，180 t吊车配合牵引电机水平移动，水平向前运输一定距离后安放后面两个32 t坦克运输小车，缓慢向前牵引至最终安装位置，如图14所示。

（7）三机第三次抬吊电机。在180 t吊车和坦克车配合下将电机运至安装位置后，三台吊车重新站位将电机垂直起吊约2 m高度进行地脚螺栓安装。先将180 t吊车开出试验间厂房外一侧，待两台50 t吊车开出厂房外另一侧调头重新开进厂房站位后（两台50 t吊车的车头背向厂房大门），再将180 t吊车倒进厂房，180 t吊车重新站位行走过程中吊车臂均位于吊车正后方。三台吊车重新站位的平面布置如图15所示。由于受廠房宽度限制，两台50 t吊车前腿不能全伸，只能半支腿。根据此种特殊情况，需将两台50 t吊车第五个支腿进行支撑，同时采用枕木在50 t吊车前后支腿臂下方进行支垫，使支腿多点受力;同时对电机需采取如下保护措施，电机每升高200 mm（枕木高度）立即采用枕木对电机前端进行支垫，严禁在没有保护措施的情况下将电机直接起吊2 m，防止两台50 t吊车前退在未全伸腿条件下进行起吊作业产生不可预见因素失稳。三台吊车打腿好后同时进行垂直起吊电机，当电机底座离电机基础台板高度达到2 m，三台吊车停止起吊，采用厂房内32 t行车将基础上运输电机用的30 mm厚钢板拖出，然后进行电机T型地脚螺栓安装，安装完毕后缓慢将电机下降到基础上，电机吊装就位完毕。图16为三机第三次抬吊电机立面示意图，图17为三机第三次抬吊电机工程照。

4 吊装核算

4.1 负荷分配计算

根据电机技术资料提供的电机的重心位置以及重心距吊耳的尺寸，电机吊装负荷分配计算简图如下图18所示，电机本体净重量约Q=110 t，图中Q1为180 t汽车吊侧，Q2为两台50 t汽车吊侧。根据力矩平衡公式∑MO1=0以及合力公式Q=Q1+Q2，可计算出Q1=58.55 t，Q2=51.45 t，其计算载荷分别为Q′1=1.1×58.55t=64.41 t，Q′2=1.1×51.45 t=56.6 t，式中1.1为动载系数。Q′2为两台50 t汽车吊车分担，单台吊车受力F=Q′2/2=28.3 t。

4.2 吊车选择与验算

整个抬吊过程中180 t吊车的最大回转为7.5 m，吊车全配重55 t，臂长13.8 m，该工况下吊车的起吊能力为84.5 t。吊装过程中180 t吊车的起吊载荷为64.41+1.68（吊钩和索具重量）=66.09 t，180 t吊车的负荷率η=66.09/84.5×100 %=78.21 %<80 %，因此，所选QAY180型吊车吊装满足本次吊装要求。

两台50 t吊车在本次吊装中最大回转为5.0 m，臂长11.1 m，该工况下吊车的起吊能力为36 t。吊装过程中50 t吊车的起吊载荷为28.3+0.45（吊钩和索具重量）=28.75 t，QY50吊车的负荷率η=28.75/36×100 %=79.86 %<80 %。因此，所选两台QY50K型吊车满足本次吊装要求。

4.3 钢丝绳选择计算

180 t吊车两侧吊点选择两根4股43（6×37+1-1 700 MPa）的钢丝绳，单根钢丝绳长度L=12 m，对折使用。并在两侧钢丝绳之间设置一273 mm×6 mm×4.2 m钢支撑横梁，如图19所示。

因180 t吊车侧为两个受力分支，每个分支2根4股钢丝绳受力，所选钢丝绳的破断拉力118.5 t，取钢丝绳折减系数为0.9，则钢丝绳的安全系数k=118.5×0.9/（64.41/2/cos45°/4）=9.37>6。因此，所选吊装钢丝绳满足本次吊装需要。

每台50 t吊车吊装选用一根43（6×37+1-1700 MPa）的钢丝绳对折使用，每个吊点为两股钢丝绳受力，所选钢丝绳的破断拉力为118.5 t，取钢丝绳折减系数为0.9，则钢丝绳的安全系数k=118.5×0.9/（28.3/2）=7.54>6。因此，所选吊装钢丝绳满足本次吊装需要。

4.4 钢支撑横梁强度校核

273 mm×6 mm×4.2 m钢支撑横梁钢管主要受力为轴心受压，其受力计算为：长细比λ=μl/i，其中μ=1（两端活动），惯性半径i=75.34 mm，L=4.2 m，故λ=μl/i=1×4.2/0.075=56<λs=61.6，故该压杆为粗短杆，因不发生屈曲，而只发生屈服，故其临界应力即为材料的屈服应力。由于20#钢材料的许用应力为[σ]=1 550 kg/cm2，D219×6 mm钢管截面积为A=40.13 cm2，则单根钢管临界压力为：F=[σ]×A=1 550×40.13=62.2 t>32.205 t，故Φ273 mm×6 mm×4.2 m钢支撑横梁强度满足要求。

4.5 地基耐压力验算

电机水平牵引线路地平面和吊车支腿位置均采用黏土进行回填夯实，查相关资料黏土的许用耐压力为250 kPa。当电机在地面水平方向牵引时，由4个坦克车部位受力，每个点受力约为27.5 t;坦克车（坦克尺寸：320 mm×450 mm）在30 mm厚碳钢板上行走时，将每个塔克车下钢板按单块尺寸为1.5 m×1.5 m的四边简支板进行强度计算。根据作用力与反作用力的原理，简支钢板所受均布载荷为q=27.5 t/2.25 m2=275 kN/2.25 m2=122.2 kN/m2，则最大弯矩Mmax=αqa2=0.065×122.2 kN/m2×1.52=17.87 kN，强度σ=Mmax/γW=6Mmax/γt2=（6×17.87×1000）/（1.2×302）=99.28 N/mm2=99.28 MPa<[σ]=155 MPa，故钢板强度满足要求。式中α系数根据a/b值查相关资料得α=0.065;a、b分别为板短边和长边的边长;t为钢板的厚度;γ为钢板截面塑性发展系数，此处取γ=1.2。

故当电机通过坦克车在钢板上水平牵引时对地压力σ=27.5 t/2.25 m2=12.22 t/m2=122.2 kPa<250 kPa，所以通过对地面土壤夯实后耐压力满足电机水平牵引运输要求。

吊车抬吊时180 t吊车负荷最大，以该吊车的支腿来进行受力分析，受力分析简图如图20所示：

180 t吊车自重（含配重55 t）G=55 t+71 t=126 t，根据力矩平衡公式∑MA=0有：F2×9.625 m=126 t×5.85 m+66.09 t×13.35 m，计算得F2=168.25 t，则吊车单根支腿受

力为F2/2=84.125 t。由于吊车吊装作业时，每个支腿下方均设置一2 m×2 m×100 mm厚钢制垫板（该钢制垫板为吊车自身配带），故单腿下方地基的承载力为84.125 t/4 m2=21.03 t/m2=210.3 kPa<250 kPa，所以通过对地面土壤夯实后地基的承载力满足吊装作业要求。

4.6 电机水平牵引力计算

电机的水平牵引采用钢制滚轮（D=72 mm）坦克运输小车在钢板上进行，故坦克运输小车钢制滚轮与钢板之间滚动摩擦系数f1取0.05，坦克运输小车与电机底板之间的滑动摩擦系数f2取0.1，起动附加系数K取1.5，牵引下坡坡度为5 ‰（1/200），电机重量为110 t，则电机起动时的牵引拉力为S=K×Q×（f1+f2）/D=1.5×110×1.1×（0.1+0.05）/7.2=3.78 t。結合现场实际情况，考虑其它一些不利因素，故采用两个5 t手拉葫芦进行牵引满足要求。

5 结束语

在狭窄空间内进行大型设备的吊装需要充分掌握现场实际情况，认真分析核算和画图模拟，通过对比选择出最优的实施方案。在实施过程中要细致准备，精细操作，安全措施到位，以确保设备吊装任务圆满完成。

参考文献

[1]沈从周， 等.机械设备安装手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1983：322-362.

[2]范钦珊.工程力学[M].北京：机械工业出版社，2007：235-242.

[定稿日期]2021-05-27

[作者简介]冯刚（1970～），男，硕士，高级工程师，从事安装工程技术、质量安全管理工作;刘向东（1968～），男，硕士，高级工程师，从事安装工程技术、质量安全管理工作。