地下厂房桥式布料机系统设计与研究

陈学永

（中国葛洲坝集团建设工程有限公司，昆明 650217）

1 工程概况

乌弄龙水电站位于云南省迪庆州维西县巴迪乡境内的澜沧江上游河段上，是澜沧江干流水电基地上游河段规划“一库七级”梯级电站中的第2级电站，上邻古水水电站，下接里底水电站。电站枢纽为Ⅱ等大（2）型工程，电站以发电为主，水库正常蓄水位1 906.0 m，电站装机容量990 MW，年发电量44.60 亿kW·h。枢纽建筑物主要由碾压混凝土重力坝、电站进水口、地下厂房系统、泄洪表孔以及冲沙泄洪底孔等组成。拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程1 909.5 m，最大坝高137.5 m，坝顶轴线长度247.10 m。地下厂房布置在右岸，装机4台，单机容量247.5 MW。

地下厂房桥式布料机系统由上料胶带输送系统、供料胶带输送系统、布料胶带输送系统、电气控制系统及作业人员操作行走通道等辅助设施组成（见图1）。桥式布料机布置在地下厂房内桥机以下，通过布料胶带输送系统在上下游的纵横移动，实现全面覆盖地下厂房混凝土输送及布料的机械。皮带机主要技术参数：混凝土额定传送能力为100 m3/h；皮带运输速度为2.5 m/s；皮带宽度为650 mm；皮带机桁架最大允许挠度为59.5 mm。皮带每米载重量为2450 kg/m3×0.058 m2=142.1 kg/m。

图1 地下厂房桥式布料机系统横断面布置图

2 上料胶带输送系统

上料胶带输送系统是布置在地下厂房母线洞底板上，将混凝土从受料斗以连续方式输送到供料胶带输送系统进料缓冲料斗的胶带输送设备。混凝土采用搅拌车直接运输至受料斗卸料，受料斗尺寸3.5 m×2.5 m×3.0 m，受料斗出口设置液压双开弧形门控制料流，弧形门的开启由液压站控制[1]。料斗出口带有导料槽，将混凝土料从料斗内导至输送胶带机上。

3 供料胶带输送系统

供料胶带输送系统是水平布置在地下厂房下游边墙支撑结构上，将混凝土从进料缓冲料斗以连续方式移动出料，输送到布料胶带输送系统的梭式可逆输送设备。

供料胶带输送系统分为供料胶带机桁架及梭式胶带机，其中供料胶带机桁架采用悬挑梁结构，顶部利用Φ30圆钢反吊悬挂，底部采用三角支撑架固定。梭式胶带机电机设置为可逆电机，通过胶带的正反方向转动，实现双向供料。结合乌弄龙水电站现场母线洞布置位置，在2#及3#母线洞内分别布置有一条上料胶带输送系统向供料胶带机送料。通过梭式胶带机的移动，实现1#～4#机组混凝土的全覆盖浇筑施工。

供料胶带机桁架由9个标准节和1个凑合节组成，标准节长12 m，凑合节长8.1 m。供料胶带机桁架长116.1 m，纵向浇筑范围114 m，两端各有约1.5 m的浇筑盲区；梭式胶带机长46.5 m，通过供料胶带机桁架上的轨道垂直水流向移动。在供料胶带机桁架间隔7.5 m 设置一组反吊悬挂及支撑架，共布置16组支撑体系，反吊悬挂及支撑架均采用长为3 m的Φ32锚杆锚入墙体上。

4 布料胶带输送系统

布料胶带输送系统是横跨布置在地下厂房上下游边墙轨道上，将混凝土从供料胶带输送系统的出料口，经上层固定胶带机以连续方式输送到下层梭式可逆胶带机，经梭式可逆胶带机出料筒移动布料的设备。布料胶带机结构图见图2。

图2 布料胶带机结构图

布料胶带输送系统由固定胶带机、梭式胶带机及支撑桁架等组成，桁架长23.8 m，通过布置在上下游墙上的轨道垂直水流向移动，主要作用是将混凝土料输送到机组所要浇筑的部位。桥式布料机桁架顶部高程为1 816.2 m，浇筑最大高程为1 812.5 m，上、下游墙部位浇筑盲区约为2.0 m。布料机桁架大车行走机构与供料胶带机的行走机构实行联动，其行走机构控制系统采用同步控制系统，保证布料机大车行走与供料胶带机的行走能完全同步，并且各自能单独操作，以及时消除累计误差。主厂房桥式布料机支撑体系布置于主厂房上、下游边墙，采用锚杆、铁板凳和三角支架组成，上、下游边墙共计布置80组支撑体系，支撑体系间隔3 m布置，每组8根长为3 m 的Φ32 锚杆。在铁板凳上布置一根250 mm×255 mm×14 mm×14 mm 的H 型钢作为轨道梁，轨道梁上布置一根P38 kg重轨，作为桥式布料机桁架行走轨道。轨道设置防轨道跑偏的锁轨装置，两端设置挡轨器。

布料机上设置缓冲料斗，皮筒与缓冲料斗柔性连接。梭式胶带机两端均挂设下料皮筒，并自由地悬挂在空中，不得与仓面接触，与仓面保持1.5 m的距离，是为了保证混凝土能够自由出料，防止砼分离或皮筒堵塞。皮筒下方和周围不得有人或设备，主要是为了避免骨料飞溅、皮筒脱落或断裂时受到伤害或损坏[2]。梭式胶带机电机设置为可逆电机，通过胶带的正反方向转动，实现双向下料的目的。

4.1 皮带机线密度计算

（1）桥式布料机桁架线密度：q1=10 218/23.8=429.33kg/m。

（2）胶带及配件线密度：q2=29.5 kg/m。

（3）固定胶带机钢架线密度：q3=3 182.7/12.25=259.81 kg/m。

（4）梭式胶带机钢架线密度：q4=6 938.34/14.15=490.34 kg/m。

（5）行人线密度：q5=50.00 kg/m。

（6）混凝土线密度：q6=25.00 kg/m。

4.2 桥式布料机桁架力学计算

选取固定胶带机和梭式胶带机在同一侧布料胶带机系统最不利条件进行承载力计算。桥式布料机桁架结构受力简图见图3，桁架剪力受力分析见图4，桁架弯矩受力分析见图5。

图3 桥式布料机桁架结构受力简图

图4 桥式布料机桁架剪力受力分析图

图5 桥式布料机桁架弯矩受力分析图

固定胶带机钢架的线性荷载Q1=（q2+q3+q5+q6）×9.8 N/kg÷1000=3.57 kN/m；

梭式胶带机钢架的线性荷载Q2=（q2+q4+q5+q6）×9.8 N/kg÷1000=5.83 kN/m；

最大弯矩Mmax=13.458×106N·mm；

最大剪力Vmax=22.155×103N。

（1）抗弯强度验算。σ==13.458×106N·mm（/1.05×106.17×103mm3）=120.72N/mm2＜215 N/mm2，因此，桥式布料机桁架抗弯强度满足要求。

（2）抗剪强度验算。方钢120 mm×120 mm×6 mm 的惯性矩与半截面积的静力矩之比IZ/S=52.95 mm，腹板厚度d=6mm，最大剪应力τmax==22.155×103N（/52.95mm×6mm）=69.74N/mm2＜120 N/mm2。因此，桥式布料机桁架抗剪强度满足要求。

（3）挠度验算。最大挠度ωmax=Fa（3L2-4a2）/（24EI）=4.7×103×11 900×（3×238 002-4×119 002）/（24×2.1×106×562.16×104×4）=55.91 mm，允许挠度[ω]=L/400=59.5 mm＞55.91 mm。因此，桥式布料机桁架挠度满足要求。

4.3 桥式布料机桁架三角支架力学计算

所有荷载均布作用在桥式布料机桁架上，通过布料机桁架两端支座作用于三角支架上。桥式布料机桁架支座受力简图见图6，桁架支座轴力受力分析见图7。

图6 桥式布料机桁架支座受力简图

图7 桥式布料机桁架支座轴力受力分析图

桥式布料机桁架的线性荷载Q1=（q1+q2+q3+q4+q5+q6）×9.8 N/kg÷1000=12.58 kN/m。

支座反力的竖直力为48.08 kN，该力为加载在H型钢轨道梁上的集中力，因此，桥式布料机桁架三角支架同样受到集中力。

桥式布料机桁架三角支架结构受力简图见图8，剪力受力分析见图9，弯矩受力分析见图10。

图8 三角支架结构受力简图

图9 三角支架剪力受力分析图

图10 三角支架弯矩受力分析图

最大弯矩Mmax=16.885×106N·mm；最大剪力Vmax=48.144×103N。

（1）抗弯强度验算。σ==16.885×106N·mm（/161.06×103mm3）=104.84N/mm2＜375 N/mm2，因此，桥式布料机桁架三角支架抗弯强度满足要求。

（2）抗剪强度验算。方钢120 mm×120 mm×6 mm的惯性矩与半截面积的静力矩之比IZ/S=70 mm，腹板厚度d=9.8 mm，最大剪应力τmax==48.144×103N（/70 mm×9.8 mm）≈70.18 N/mm2＜120 N/mm2。因此，桥式布料机桁架三角支架抗剪强度满足要求。

（3）锚杆抗剪强度验算。每组锚杆共8 根Φ32螺纹钢，Φ32螺纹钢抗剪强度设计值为170 N/mm2，截面面积为804.2 mm2。经计算，锚杆处的剪力为48.144 kN，单根锚杆抗剪强度为：48.14×103N/804.2 mm2/8 根=7.48 N/mm2＜170 N/mm2。因此，锚杆满足抗剪强度要求。

5 电气控制系统

通过电气控制系统可以实现对上料胶带输送系统、供料胶带输送系统、布料胶带输送系统的同步联动控制、智能同步对位控制、各系统行走调差纠偏控制、紧急停机等的控制[3]。

根据现场实际要求，胶带机电气控制柜安装在料斗附近，周围和上方应设防护措施，保证操作人员的安全，并应考虑适当的防水措施。为方便操作人员操作，在料头处设立一个操作平台，控制柜则焊接在操作平台上。布料机电气控制柜安装在入料布料机头部，通过控制电缆连接。由于上料胶带和供料胶带较长，在上料胶带和供料胶带的机头、机中和机尾及布料胶带上安装紧急停机开关，故障发生时，可实现全线停机，以免造成事故。

桥式布料机系统启动顺序：先启动布料胶带输送机，待布料胶带机运行稳定后，再启动供料胶带输送机，待供料胶带输送机运行稳定后，最后启动上料胶带输送机。

桥式布料机必须空载启动，试车后，从卸料一端开始顺序启动，如情况良好，即可按规定加料进行满载运行，注意观察满载运行情况是否正常，轴承温度是否温升过高，运转是否平稳，未发现不良情况方可正式使用。

电气设备安装注意事项：电源线与电控线应从回转支撑中间穿出，同时在下部将其固定，固定时电线应预留设备动作引起长度变化的余量。接电源时需试转电机以保证旋转方向正确。选用4芯动力电缆应满足60 A电流长期工作要求。

6 结语

本项施工技术已在云南省乌弄龙水电站地下厂房混凝土工程中成功应用，完全满足地下厂房大仓位、大体积混凝土浇筑强度要求，同时减少了与机电安装的干扰。其先进性及创新性体现为：

（1）创新性的设计梭式可逆供料胶带机系统、桥式布料机系统，实现厂房范围内混凝土全覆盖、小盲区的浇筑。

（2）采用全自动化联动控制系统实现了桥式布料系统、供料系统、上料系统同步联动。

（3）桥式布料系统、供料系统均采用模块化设计，降低了加工、安拆难度。

（4）实现了地下厂房混凝土快速优质浇筑。