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渣斗門式起重機的發展及關鍵技術

2016/1/7 17:16:26      點擊:
前言
近年來隨著我國城市地上空間開發利用的程度越來越大,可利用的地上空間日益減少,而開發利用廣闊的地下隧道交通正越來越得到政府的重視,“十二五”期間城市軌道交通及過江隧道是我國的投資熱點。至2016年我國將新建軌道交通線路89條,總建設里程為2500公里,國務院又批復了22個城市的地鐵建設規劃,總投資達8820.03億元。我國的城市軌道交通行業步入一個跨越式發展的新階段,中國已經成為世界最大的城市軌道交通市場。城市快速軌道、過江隧道、南水北調、西氣東輸等重大工程的進行,使得我國地下隧道工程的建設正得到迅猛的發展,作為重點設備與之配套的渣斗門式起重機也正在成為一個擁有巨大潛力市場的產品。
起重機作業工況及典型結構特點
根據市場調研,為配合地鐵的修建,需要專用的門式起重機用來提升隧道盾構機所挖的渣土,即渣斗門式起重機。它是專為修建地鐵隧道,清除地下施工產生的渣土而設計制造的特種設備。
渣斗門式起重機主要用于完成吊運豎井(深一般在30~60m)下的渣土及斗車從豎井中吊出至地面及傾倒工作,起重機要通過特定裝置與設置在渣斗車兩端的偏心軸鉸接,利用渣斗自重來實現翻渣。目前,國內市場此類渣斗門機,傾倒渣土有兩種方式,一種是將渣斗吊運至設置在支腿下部或地面上的專用傾倒支架上方,下放龍門鉤吊具使渣斗兩端的偏心軸落在傾倒支架掛鉤上,利用渣斗自重實現翻渣,這種形式工作效率較低,翻渣位置固定,缺少靈活性,但小車自重輕,成本低;另一種是直接在起重機小車上設置翻渣掛鉤,并根據渣斗實際尺寸及結構特點設計龍門鉤專用吊具,吊具通過龍門板鉤直接掛在渣斗兩端的吊柄上,與渣斗上的吊柄進行鉸接。當龍門鉤吊具和渣斗向上提升至地面時,液壓推桿驅動翻渣掛鉤,實現翻渣掛鉤與渣斗車的避讓動作,渣斗車繼續向上提升至翻渣掛鉤以上時,翻渣掛鉤由液壓推桿驅動下放至渣斗兩端的偏心軸下,然后下放龍門鉤吊具,靠渣斗自重實現空中自動翻渣,這種形式工作效率高,靈活性好,節省人力,但成本較前一種稍高。
一般渣斗門機跨度覆蓋豎井寬度,在懸臂側翻渣,根據工況一般為單懸臂,也可雙邊懸臂。翻渣方向有兩種,較常用的一種為垂直于主梁翻渣,另一種為平行于主梁。因同一條地鐵線要在不同的地方開挖豎井施工出渣,而每個城市工地的周邊條件并不一致,但是不可能每一個工地都要購買一臺新的渣斗門機,這就要求渣斗門機應能滿足不同工地工況條件施工的需要,因此門機的跨度往往可變為多個跨度或懸臂可拆卸。根據翻渣方向的不同,小車可做成雙層,做90°旋轉,以實現兩個方向的翻渣。這樣就增強了起重機適用不同工況的靈活性,以適合不同的跨度,不同的邊界條件和翻渣工況,不會造成重新訂購新的起重機,節約了成本。
在設計過程中,依據以上實際使用工況確定主要技術參數,就使用頻繁程度確定整機工作級別為A6;根據國內幾個主要渣斗制造廠家提供的渣斗尺寸和容量,可確定吊具下起重量為45t;因起升高度高,小車自重及起重量較大,為減小沖擊載荷,降低噪音,整車采用變頻控制調速;起升速度要求較快,一般在12m/min以上,小車運行速度一般在30m/min左右,大車運行速度一般在40 m/min左右;起升高度一般為軌道面以下30~60m,主梁底至軌道面9m,渣斗距地面高度約為2.5m左右,這樣在實現空中翻身時,避免揚塵或淤泥飛濺,利于渣土的傾倒,跨度和懸臂長度根據施工現場實際情況確定。
計算實例
下面就我公司為中鐵十二局設計制造的MG45/15t-16m渣斗門式起重機方案設計過程進行詳述(見圖1)。
圖1 45t渣斗門式起重機結構示意圖
1、電氣系統 2、起重小車總成 3、門架結構 4、大車供電 5、大車運行機構
6、吊具 7、渣斗
3.1主要技術參數
起重載荷:吊具下45t,吊具重4t,副鉤15t;跨度:16m;單側有效懸臂長4.5m;起升高度:軌上9m,軌下41m;整機工作級別A6;
3.2設計方案
(1)總體技術要求
1)整個門架采用U型結構,便于寬約6.5m的渣斗通過支腿,增大過腿空間;
2)跨度可通過去除主梁5m中間節由16m變為11m,單側懸臂可拆除,采用高強螺栓連接;
3)雙吊點,并配專用吊具,由兩組動滑輪組,一個平衡梁,兩個板鉤及一個50t吊鉤組成,用以吊運其他貨物,增加起重機使用的靈活性;
4)小車設計為雙層,上層小車與下層小車采用定位銷與抗剪塊進行定位,起升機構設置在上層小車架上,根據不同工況的需要,上層小車可90°旋轉;
5)因起升高度高,為控制鋼絲繩偏角,保證動滑輪吊點距與卷筒長度一致,鋼絲繩采用卷筒中間固定方式,在起升至上極限時,鋼絲繩排至卷筒兩端,這樣就可以控制鋼絲繩偏角在規范允許范圍內;
6)上層小車上設置液壓推桿驅動的翻渣掛鉤,通過渣斗車底部的偏心掛軸掛在掛鉤上繼續下放渣斗車,實現空中自動翻渣;
7)整車采用變頻調速,減小沖擊載荷,降低噪音,操作方式為空操;
(2)金屬結構設計
門架金屬結構主要由主梁、支腿、端梁、上橫梁、下橫梁、梯子平臺等構成,主要結構件之間采用法蘭盤高強螺栓聯接,形成完整的剛構體系。門架各部件、走行機構平衡梁、小車架等主要受力構件的材料均為Q235B。
設計中,考慮滿足各種使用和安全性能的要求,分別對起重機進行了靜力分析和動剛度分析,按小車位于跨中和有效懸臂處的兩種工況對各主要結構件進行強度及靜剛度分析,強度計算載荷包括起升載荷、自重載荷、風載荷及慣性載荷,同時考慮起升機構不穩定運動時的動載系數。
鋼結構的設計與計算通過利用Ansys軟件建立結構系統的參數化模型,進行力學分析,使鋼結構在滿足使用要求的情況下,使結構更加優化,減輕重量,降低了成本。
(3)小車結構及各機構的設計
根據工況的需要將小車設計為上下兩層,上層小車可90°旋轉,上下層小車采用定位銷與抗剪塊進行定位,起升機構設置在上層小車架上;再根據所吊渣斗尺寸,設計一個專用吊具,采用雙吊點結構;因起升高度高,為控制鋼絲繩偏角,通過增大起升卷筒直徑至¢1000mm,采用高性能直徑小的鋼絲繩,雙聯卷筒,中間固定,兩側下繩的結構,從而縮短卷筒長度,最終確定吊點距為4.2m;為實現空中自動卸渣功能,設計一套液壓式掛鉤裝置,由液壓推桿、連接鋼絲繩、掛鉤及連桿組成,液壓推桿通過連桿和鋼絲繩與掛鉤連接,實現掛鉤與渣斗的避讓和掛鉤動作(見附圖2),液壓推桿安裝在鉸座上,以鉸座中心轉動,補償其在推動連桿轉動過程中位移變化。
另起重小車增加15t副鉤,供吊裝散件用,結構布置為普通結構,不詳細介紹。因小車結構尺寸較大,為方便運輸,小車進行解體,采用高強螺栓連接。
圖2 45t渣斗門機空中卸渣結構示意圖
1、液壓推桿 2、鉸座3、連桿4、連接鋼絲繩 5、掛鉤 6、專用吊具7、渣斗
小車運行采用雙驅動,雙電機雙減速機結構,變頻調速。
(4)電控系統設計
電氣控制系統由大小車控制柜、主副起升控制柜、聯動臺、電阻器、接線箱等部分組成。供電電源為AC380V,50Hz三相四線制,經電纜卷筒裝置引至起重機,向各機構的主回路供電。發生緊急情況時可用緊急按鈕來切斷接觸器的控制回路,使整個系統停電。
起升機構設有超載保護、零位保護、過流保護等功能,同時設置有上、下極限位置的限位開關;全車采用PLC控制器參與傳動系統的調速控制,全部電動機、制動器、變頻器均有故障檢測,一旦發生異常狀況,該系統拒絕動作,并顯示故障種類和故障部位,便于及時維修。
此產品安裝調試后通過了靜載和動載試驗,符合GB/T14406-2011《通用門式起重機》中的規定,為合格產品。此設備業主已在北京地鐵項目上使用(見所附照片),在起初的使用過程中,發現還剩下1/3土傾倒不出來。經現場分析后,認定是由于渣斗上部太輕,以掛鉤處為支點,還剩1/3土時兩側已經達到了力平衡,導致無法靠渣斗自重來實現渣土的完全傾倒。經過整改渣斗后,至今在其工程項目現場使用情況良好,各項性能指標完全滿足要求。隨著中國地鐵的飛速發展,此類門式起重機有著廣泛的應用前景,我公司因具有很多此類車的設計制造經驗,陸續與中鐵十四局、中鐵十六局、中鐵十八局、中鐵隧道等簽訂了幾十臺車,創造了巨大的經濟效益,為國家軌道基礎交通建設做出了一定貢獻。
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