“中国好设计”金奖——大跨径柔性吊装技术

文/本刊记者 李雪敏

图1 FAST反射面单元吊装半跨径方案图

坐落于贵州省平塘县的500米口径球面射电望远镜（简称“FAST”）别誉为“中国天眼”，由我国天文学家南仁东于1994年提出构想，历时22年建成，于2016年9月25日落成启用。截止2018年9月12日，500米口径球面射电望远镜已发现59颗优质的脉冲星候选体，其中有44颗已被确认为新发现的脉冲星。

“天眼”工程为国家重大科技基础设施，由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端及观测基地等几大部分构成。其中，“天眼”工程所涉及的“大跨径柔性吊装技术”获得2018年度“中国好设计”金奖。

FAST建成后是世界最大的单口径射电望远镜。其球冠状主动反射面由4450块反射面单元组成，此种反射面的吊装在世界上尚属首次。它质量轻、面积大且边长不等，共有186种规格，吊装时跨度大、高悬空、工艺复杂、干涉多、工期短，需要考虑后期维护，且施工的结果直接关系到整个望远镜的精度，而传统方式无法实现。为了保证反射面单元的位形精度，在索网变位工作过程中，需要保证反射面单元不承受过大的载荷。针对上述问题，安装项目团队结合工程及台址地形，突破了传统施工工艺，攻克了一系列吊装关键技术，成功地研制了大跨径柔性吊装技术，填补了国内在精准精细吊装关键设备的多项空白。

设计创新点

1.FAST望远镜反射面吊装工程创新点

创新点1：首创了二次空中转接反射面单元的辐射式缆索吊吊装系统，成功解决了FAST反射面单元吊装施工跨度大、高悬空、工艺杂、多干涉、工期短的难题，实现了反射面单元的精准、高效吊装，保证了FAST工程主动反射面系统的安装精度和安装进度。

吊装方案的设计需兼顾考虑如下问题：FAST望远镜以贵州省平塘县克度镇金科村大窝凼天然的喀斯特洼坑作为台址，开挖后最终形状为半径304米，张角为120度的反球冠，反射面口径为500米；反射面单元安装于索网节点盘上，所有节点位置悬空，离地高度4～50m不等；反射面单元为边长为10.4～12.4m的三角形，高度约1.3m，背架为空间网架结构，共计4450块，安装面积达25万平方米，要求一年内完成吊装；FAST反射面为反球冠状，根据索网对反射面单元网格的划分，每个反射面单元有不同的空间安装角度，且每种反射面单元的三个安装定点在安装时的相对角度亦有所不同，因此需要在安装时调整反射面单元到任意角度姿态；FAST望远镜反射面单元安装完成后，吊装设备需留用做望远镜后续的维护设备，因此吊装方案需兼顾考虑望远镜后续的维护。

（1）创新设计了首例二次空中转接反射面单元的辐射式缆索吊吊装系统整体方案。

结合FAST工程特点、台址现状、索网结构，针对常规吊装设备无法使用、与馈源舱驱动索干涉、施工效率低及后续维护复杂等因素，反射面单元吊装采用缆索吊车、转运机车、缆索运输小车以及中心环梁等设备组成辐射式缆索吊车联合吊装的方案，图2所示辐射式缆索吊车吊装系统布置，即在圈梁上铺设运行轨道，并设置2台转运机车和2台缆索吊车，在反射面中心设置一套中心环梁，圈梁上的2台缆索吊车与中心环梁通过悬索和随动小车连接形成2套半跨径辐射式缆索吊车系统。

图2 辐射式缆索吊车吊装系统布置

由塔式起重机起吊拼接检测合格后的反射面单元，通过转接吊钩将反射面单元第一次空中转接转吊至转运机车，如图3所示，完成第一次转接后，转运机车载上反射面单元沿圈梁轨道运送至已调整好安装位置的缆索吊车，通过转接吊钩进行第二次空中转接，如图4所示，最后由缆索吊车将反射面单元通过辐射式索道径向运至指定位置进行安装。为了保证吊装效率及中心环梁的均衡受力，半跨径辐射式缆索吊车系统设置2台且对称布置。

该方案有效解决了FAST反射面单元吊装跨度大、位置高、工艺杂、干涉多的难题，并且保证了安装精度和效率。

图3 反射面单元第一次空中转接（转吊到转运机车）

图4 反射面单元第二次空中转接（转吊到缆索吊车）

（2）自主研制的专用的转运机车，解决了反射面单元在圈梁轨道上的平稳运输和与缆索吊车的空中转接的难题。

转运机车由伸缩臂、吊臂、斜支撑、司机室、回转支撑、立柱、主梁、辅梁、内侧梁、外侧梁、行走轮组、导向轮组、制动装置、发电机组和电气控制系统等部分组成，如图5所示。转运机车可实现反射面单元在空中的转接、转运、旋转等功能。

图5 转运机车在运行

（3）自主研制的专用的缆索吊车，解决了反射面单元与转运机车空中转接和柔性吊装中“移动支撑点”的难题。

缆索吊车由张紧绞车、牵引绞车、电缆卷筒、滑轮组、绞车支架、斜支撑、司机室、回转支撑、立柱、主梁、辅梁、内侧梁、外侧梁、行走轮组、导向轮组、制动装置、发电机组和电气控制系统等部分组成，如图6所示。

图6 缆索吊车在运行

缆索吊车可实现反射面单元的空中转接、移动、旋转、定位等功能。

（4）自主研制了一种液压盘式制动器，解决了承载索张紧过程中缆索吊车上部空间窄小不便布置制动器的问题。

液压盘式制动器由底座、弧形板、连接座、制动臂、闸块、制动瓦、制动缸等组成，满足了紧凑型缆索吊车的制动及窄小空间的安装要求。

（5）自主研制了缆索运输小车，解决了反射面单元在吊装过程中的遥控升降和定位调整问题。缆索运输小车由小车支架、行走轮、反滚轮、绳索锚固机构、遥控葫芦和电气控制系统等部分组成，可实现反射面单元的运输、遥控升降、探测定位等功能。

（6）自主研制了反射面单元专用吊具，解决了反射面单元在吊装过程中的保型和姿态调整问题，保证了反射面单元的安装精度和效率。专用吊具由紧箍锁、吊爪、拉杆、移动滑轮、移动吊耳、吊臂、储缆盘、上下连接板、遥控小卷扬机、吊环等组成，可实现反射面单元的空中运输、保型、旋转、姿态调整、定位等功能。

（7）创新性的设计了空中转接吊钩，解决了反射面单元起吊后二次空中转接问题。

（8）创新性地对中心环梁和随动小车进行了布局设计，解决了吊装设备运行与六索牵引馈源舱入港的干涉问题。

当六索牵引馈源舱进入入港平台时，驱动馈源舱的六索距地面高度降低，吊装设备在吊装中心区域的反射面单元时有可能会与六索牵引馈源舱入港的缆索产生干涉，如图7所示。为此，将中心环梁设计成上、下两层，上层环梁在馈源舱入港时沿每根缆索的投影位置开1.2m的开口槽，如图8所示，在馈源舱入港时开口槽打开，待馈源舱落入平台后，人工封闭开口槽可继续进行反射面单元吊装，从而最大程度减少吊装设备运行与六索牵引馈源舱入港的干涉。

创新点2：创新设计了一种可由半跨径缆索吊车变化成全跨径缆索吊车的系统，方法设计合理、简单、可靠，实现了反射面单元后续的安全、便捷的维护保养工作。

望远镜建成后，反射面需要后续维护保养，包括索网节点盘、靶标、面板单元等的维护及表面杂物的清理等，需要采用全跨径缆索吊车系统实现反射面无盲区的维护保养。

根据这一要求，在反射面单元吊装完成后，采用一组对接滑轮连接原辐射式缆索吊车系统中在中心环梁上的两组随动小车，连接随动小车的对接滑轮组随承载索运动并可随时保持四索受力均衡。拆除中心环梁和一套辐射式缆索吊车系统中的运输小车装置，这样就改造成为一套500米的全跨径缆索吊车系统，如图9所示，用于反射面的后续维护保养。

图7 六索与环梁干涉示意图

图8 环梁上层开槽减少干涉示意图

图9 全跨径缆索吊车吊装布置示意图

当望远镜运行观测和馈源舱入港时，全跨径缆索吊车系统可以收起全部索系，两台缆索吊车并排停靠在圈梁某位置，待反射面需要维护时，全跨径缆索吊车系统展开，配用吊篮和缆索运输小车装置可实现500米全跨径操作，方案设计合理、简单、可靠，FAST望远镜采用这一方法实现了反射面单元后续的安全、便捷的维护工作。

应用效果与推广情况

FAST望远镜为国家大科学试验装置，采用全新的大跨径柔性吊装方法和工艺完成了传统方法无法完成的FAST反射面的吊装任务。由于吊装方案考虑全面、周到，吊装效率大大提高，由原计划的每天吊装20块提高到平均每天吊装30块，单天最高吊装37块。2016年7月3日，顺利完成全部4450块反射面单元的吊装，在极端天气天数累计一个多月的情况下，仍提前一个月完成吊装任务，比原计划缩短了35%(4个月)。经院士专家鉴定此项大跨径柔性吊装技术居国际领先水平〔船重科鉴字（2017）第098号〕，本项目获发明专利4项，实用新型2项。中央电视台“辉煌中国”记录片在《创新活力》这集中重点介绍了“中国天眼”反射面单元吊装的难度，称之“天眼建设，每一步都是难关……这种大跨度、高精度的吊装方案在全球也没有先例可循。”

武汉武船重型装备工程有限责任公司采用此项技术还完成了黄冈主体育场280米的大跨度、高7.5米截面的渐变、倒置三角形63度的大倾角、高达49米的大矢高、球管相贯焊和6510平米镀铝锌屋面板的精确安装工程。

除上述工程外，大跨径柔性吊装技术还应用到客运索道的安装调试、悬索桥载人检修与监测设备吊装及FAST工程的载人检修与监测设备吊装的方案设计，这种全新的大跨径柔性吊装技术具有巨大的发展前景。

社会效益

本项目的研制成功保证了“中国天眼”按质按期顺利完工，提高了“中国天眼”的国际知名度和贵州的美誉度，极大地加快了当地的脱贫致富的步伐，带动了当地旅游经济的快速发展，成为西南地区独特的科学风景，对于推动西部大开发具有重要的战略意义。此项技术应用于客运架空索道的安装与维护，拓宽了索道建设的设计思路，完善了索道的安装与维护，为类似工程的施工提供了有价值的参考与借鉴，推动了相关施工领域技术进步。