特大型水电站施工用缆索起重机关键技术应用

李 杨，王 励，周成成

（1.中国三峡建设管理有限公司，四川成都 610000；2.杭州国电大力机电工程有限公司，浙江杭州 310000）

1 研究背景及思路

随着我国水电工程开发逐渐向西部高山峡谷地区转移，水电站坝址多在狭窄河谷地带。传统的采用门塔机进行大坝施工受到地理条件等诸多限制，使用缆索式起重机（简称缆机）浇筑混凝土和设备吊装成为大坝施工的主要手段。缆机是一种特殊的起重机械，它以柔性钢索作为大跨距架空支承构件，兼有大扬程垂直和远距离水平运输功能，可用于较大空间范围内进行起重和装卸作业。使用缆机浇筑混凝土有诸多优点：缆机供料线路集中，运输强度高，不占用大坝施工场地，无需多次拆装转换，并能兼顾施工材料、设备及金属结构的转运、吊装（表1）。

表1 缆机发展历史

本研究项目依托溪洛渡缆机工程，溪洛渡水电站位于金沙江下游，总装机容量13 860 MW。其中，大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高285.5 m，混凝土636 万m3，金属结构安装9490 t，全部采用缆机施工。溪洛渡大坝施工共采用5 台平移式无塔架缆机（表2），单平台共轨布置。缆机扬程大（330 m）、主索铰点高差大（20 m）、施工强度高（月强度超过20 万m3）。

2 关键技术及主要创新点

2.1 概况

本项目所依托的工程是金沙江溪洛渡水电站，项目组针对国内外各个水电工程国产和进口缆索起重机（简称缆机）在设计、制造、运行等环节的重点和难点问题，围绕装备国产化和技术创新等开展了持续12 年的系统研究，取得了多项创新成果和技术突破，形成了特大型水电站施工用缆索起重机成套关键技术。

表2 溪洛渡缆机工程

2.2 研发双行走轮形式承马，将单个轮上的驱动力减少一半

较其他工程比，溪洛渡缆机主索铰点高差大，缆机承马爬坡角大，同等情况下必须要增大驱动力和摩擦力才能满足缆机运行需要，造成承马与主索接触应力增大，对主索寿命造成不利影响。采用双行走轮形式，有效改善了主索受力条件，提高了主索寿命。

700 m 级的跨度高差达20 m，主索铰点高差与跨度之比为国内之最。此工况导致缆机自行式承马行走时易打滑，承马与主索间接触应力较大，特别是小车在靠近右岸运行时，承马爬坡角大。

常规自行式承马，采用单行走轮形式，爬坡时容易出现打滑，适用最大爬坡角12°；大坡角承马采用双行走轮形式，每个轮的驱动力减少50%，不容易出现打滑，适用最大爬坡角20°。

2.3 研发“双圆弧轮槽”行走轮

常规自行式承马，采用单圆弧轮槽形式，轮弧与主索的接触部位在正上方与小车轮接触重合；大爬坡角承马采用双圆弧轮槽，将行走轮与承载索的接触部位由“一点“接触改为了“两点”接触，接触部位在正上方左右30°位置，在总压力不变情况下，接触部位正压力减小了42%。

20°爬坡角相比12°爬坡角，总驱动力增加了1.6 倍，但研发了“双行走轮”和“双圆弧轮槽”技术后，相比常规自行式承马12°爬坡角时的计算载荷还要小，下降了53.6%，改善了主索受力条件，提高了主索的寿命。

2.4 运用新的计算方法对材料和构造进行分析

首次运用接触理论及非线性有限元的计算方法对材料和构造进行分析，使材料选用和构造设计更加科学合理，首次选用高强度航空铝合金行走轮，在条件相同情况下，相比钢制材料接触应力减小约30%。

有限元计算结果表明（表3），行走轮采用双圆弧轮槽后，接触应力明显减小。选用高强度航空铝合金和优化结构后，相比钢制材料和原结构，接触应力减小约30%。

表3 有限元计算结果

2.5 摩擦传动轮采用特殊配方和特殊热处理工艺的铝材

首次在摩擦传动轮采用特殊配方和特殊热处理工艺的铝材，将摩擦系数增大到0.4，且材料更耐磨，使用寿命明显提高。大坡角自行式承马对摩擦材料进行了改良，改变了原铝材的化学成份配比，新材料对钢丝绳的摩擦系数高且更耐磨，摩擦系数达到0.4。

采取特殊的热处理工艺方法，使得摩擦轮达到表面稍软、以形成与索道很好的贴合，芯部较硬的特质。实际使用时，由于摩擦轮表面会“滚花”形成与钢丝绳绳股很好贴合的凹凸形状，实际可传递的扭矩比按照摩擦系数计算的扭矩值更大。

实际使用表明，新承马不需要加大钢丝绳包角情况下，就可以传递200 坡角所需要的扭矩。

2.6 减轻承马自重，便于拆装维护

首次将离合器从行走轮中分离出来，减轻了承马的自身重量，并通过铝合金材料选用，使承马行走轮重量从250 kg 降低至22 kg，极大方便了拆装维护，减少了运行安全风险。

3 结语

新研制的大坡角自行式承马在溪洛渡工程应用中，运行稳定，维护方便，很好的完成溪洛渡工程建设。单台缆机浇筑总方量超过150 万m3，工作循环次数接近25 万次，满足设计要求和工程建设需要。