几种应用于电力铁塔施工作业的起重机产品的液压顶升套架系统结构形式的研究

周立宏 姚成凯 盛权文 王 宁 陈泽奇

浙江省建设工程机械集团有限公司 浙江 杭州 310014

1 前言

一种可应用于特高压输电铁塔施工的快速顶升加节加高的专用起重组塔专用设备,一种适用于快速顶升加节作业的电力抱杆型专用起重机。在目前的施工作业中,落地抱杆普遍使用成熟的液压油缸组加液压泵站的液压成套系统组合进行顶升,顶升过程平稳可靠,且因为采用下顶升形式,整个顶升过程无需人员高空作业,大大减少了安全隐患。但存在以下瓶颈:目前的大跨越输电高塔所采用的落地抱杆所组成的各部件自重和结构体积都比较庞大,在平原地区以及运输条件发达的情况下,该类抱杆可以迅速搬运到施工现场并进行组装,尽快进入施工流程。但在地形条件复杂的山区以及公路未能达到的地区,该类抱杆的运输及安装就相当复杂且繁琐了。需要通过人力或牲畜或索道将需要安装的结构件从车辆能够转运到的区域一件件逐步运输到塔材安装现场,费时费力不说且在搬运过程中容易对结构件造成损坏,影响后续使用,并埋下安全隐患。虽然目前已根据用户的需要以及所选用的工器具,将结构件的单件重量控制在一个用户能够接受的水平。但在安装时,仍然需要根据当前高度逐节加高进行顶升,在标准节重量不超过300kg的情况下,按照目前的液压泵站及套架结构以及操作工艺及操作人员熟练程度,我们大体可以将顶升加节的时间控制在30min一节左右。在整机铁塔的高度达到120m以上时,组塔过程基本上能控制在一周左右,在整个过程中,大约需要顶升加节共计3天。基本上占据了整个施工周期的一半时间,虽然双平臂落地抱杆大大缩减了铁塔吊装的时间,提高了施工安全性,但安装与顶升所消耗的时间在整个铁塔安装过程中占有不低的比例。若能够在抱杆的组装及自加节顶升上有所突破创新,则可在提高整机工作效率上大有裨益。目前,我们考虑从以下几个方面入手提高整机顶升加节作业效率:1.提高整体顶升加节作业的机械化程度,加强机械换人,提高机械化施工的程度。在整个顶升施工作业中减少人的劳动量,尽量让人进行监控,观察的工作;2.采用别的提升方式,改变顶升套架这一结构,从作业方式上进行根本的转变。

图1 T2 T800螺山长江大跨越施工现场

2 抱杆产品的液压系统使用原理分析及其与塔机产品的套架的不同

目前的产品基本上都采用类似塔式起重机的塔身桁架结构,通过与塔式起重机类似的顶升套架进行加节顶升。与塔式起重机不同的是,塔式起重机目前基本上都采用装在塔身上部的顶升套架进行顶升,而抱杆目前基本都采用装在塔身底部的套架进行顶升。塔式起重机采用一根油缸与飞机板通过套架对塔身上部的回转,吊臂及平衡臂部分进行顶升,需要操作人员站在塔身上部的套架位置,高空进行顶升作业,将套架与最上部的塔身分离后,用油缸将飞机板挂入塔身标准的踏步中,通过伸出油缸将套架与塔身上部与塔身分离,直至套架内出现一个足够容纳一节新的标准节的空间后通过塔机吊起一节新的标准节,安装到这个套架的空间内,以完成一节新的顶升。按照目前的结构形式,一般有4位操作人员就位于四根主弦杆位置,每人负责一根主弦杆的连接,需要在被引入标准节与原有塔身的连接件对准后进行连接。此时,塔身上部与下部几乎处于凌空阶段,很多塔机顶升事故都是在此时发生,虽然大部分原因是人员操作失误,但也与操作人员的经验以及操作水平息息相关。如操作人员水平及经验都比较好,则可大大降低此类安全事故的发生,如能将此操作过程全自动化或全机械化,也可降低此类风险。

3 液压下顶升套架系统结构形式

大部分双平臂落地抱杆,采用两根通过工控程序控制的高同步液压油缸进行顶升。因其是在地面上通过套架对整机进行顶升,故需要能够承载抱杆产品整机全高的重量,当整机达到最高时,有可能顶升重量会达到千余吨,对油缸的承载能力及同步精度以及液压套架的强度有较高的要求。但因为整个抱杆的顶升作业全程都在地面进行,整个过程不涉及高空作业,虽然用于顶升的套架以及液压顶升油缸、泵站系统的整体成本相较于只需要顶升上部塔身的液压泵站系统成本要高很多,但就此避免了人员的高空作业,在一定程度上消除了安全隐患。

目前,抱杆相关标准已经明确了抱杆必须使用下顶升式的液压顶升套架。故此,大部分时候技术人员都将注意力集中在确保套架强度以及确保液压系统双缸同步精度上。常用的多缸同步液压顶升系统为:在塔身下部的液压顶升套架两侧安装偶数根的液压油缸(两侧数量一致),然后通过这几组液压油缸将整个塔身缓慢顶起,通过踏步与桁架横梁交替的方式将塔身与基础之间顶出一个足够容纳一节标准的空间,在此空间塞入被顶升的标准节,以此来完成一节的顶升作业,原理与塔机的液压顶升系统几乎完全一致,但是两侧的油缸同步协调顶升就意味着对油缸的同步伸缩性有较高的要求,如果两侧的液压顶升油缸无法同步会导致单侧套架及踏步等相关结构件单侧承受整机重量,在强度不够或其他极端条件下,容易造成套架结构件损坏等事故。此套液压顶升系统的方案使用次数较多,经验较丰富,相对其余方案来说比较成熟,为目前的首选。从2017年到2022年的几次大跨越铁塔的组塔过程都使用这套液压顶升系统及方案来进行操作,整个过程安全可控,收到大众的信赖。且但在某些特殊情况下,因为施工条件或某些客观原因,有些用户坚持不使用多缸同步的液压顶升系统,要求必须使用单液压顶升油缸来完成顶升作业 。则可使用如下方式来进行顶升作业:1)在塔身中心布置单油缸,外置套架作为导向行程的结构形式。此形式仅通过单油缸承受所需的整机重量,且套架结构件并不直接受力,仅起到导向作用。在此方式下,即不再需要多油缸同步顶升这一要求,仅需液压顶升系统能满足顶升重量即可。此方案需要塔身中部有足够空间安装顶升标准节,或通过拆片式标准节的型式,将油缸安装到标准节的中心位置。该结构形式简化了液压系统,不再对多缸的同步伸缩提出精度要求,仅对液压油缸的载荷有要求,大大降低了液压油缸与配套液压泵站的成本。2)通过将单油缸置于套架侧面边上,通过在套架的外侧设置一套可以通过油缸的伸缩沿着套架上下移动的承台将整机进行顶升,此方案无需将标准节拆片或预先在结构件或铁塔中心预留安装空间,也无需将油缸置于塔身中心,但需要对顶升套架进行计算校核,需确保套架及承台能够承受塔身重量所造成的支反力,此方案对套架强度有较高要求。3)伸缩臂式塔身:通过互相嵌套的塔身标准节作为塔身,利用油缸与滑轮组将伸缩臂塔身一节节顶升到外侧以满足使用需要,该方案原理类似汽吊中的伸缩臂,同样不需要多缸同步技术,甚至不需要顶升套架结构,且顶升效率大大高于普通的加节顶升的形式,但这种塔身对结构件的整体稳定性有着较高要求,且主要受力构件是与液压油缸同步使用的钢丝绳滑轮组件。

4 痛点分析

综上所述,这就是目前双平臂落地抱杆现有几种比较普遍的套架及液压顶升系统的可操作型式,这些结构形式各有优劣。可供用户根据自己的需要以及实际情况进行选择。但目前的这些结构形式,虽然基本可以满足各施工环境下的需要,但仍然存在一些痛点:1)抱杆顶升作业时间占整个施工作业时间的占比过大,这造成了使用该机械化设备,虽然减少了施工作业时间,但增加了施工机具的准备时间,该时间包括从汽车运送到的地点与最后阻力安装的地点所消耗的时间与最后将该设备阻力安装起来所消耗的时间,因为运输条件匮乏,即说明道路水平非常差,运输车辆不能进入则起吊等辅助组塔设备都不能进入,在无服装吊装设备的情况下,安装抱杆及其套架本身就是一件非常耗费人力物力的工作,需要大量时间;2)顶升系统的自动化程度还不够高,目前有基本能自动完成顶升作业的,但仍需要数位劳动者进行顶升标准节(塔身)与节之间的连接件的安装。

目前整台全高的落地抱杆的顶升加节工作时间,有大约40%～60%消耗在连接件的安装上,这取决于连接件的型式,且受顶升形式与现场契合程度的影响,在某些组装顶升场景下,标准件的连接非常困难(主要原因是塔身垂直度未达指定要求),需要葫芦撬棍等工具辅助安装塔身标准节之间的连接件,施工效率可想而知。所以,我们在设计过程中迫切需要提高设备的自动化程度,减少人为操作对产品的影响;3)结构件较大且整体重量不轻,往往会造成一些搬运上的问题,目前基本都是采取分段、分片分拆的方式来解决,但这会造成更大的搬运量以及到了施工现场后增加工器具组装的时间,现在的思路是通过使用高强钢来降低结构件的重量与尺寸,或通过安装自动就位自动安装的设备来减少人力的搬运;4)液压泵站需要供电,若野外等施工作业不便的区域需要供电,则需要另外准备发电机或使用柴油机等,大大增加了配套工器具的运输量,且油箱泵站等很难拆解,山区作业难度大大增加。目前希望通过与机构供应的外协厂家联系,研发适用的相配套的柴油机或汽油机,可进行轻量化易于搬运或自带运输手段,将运输手段与设备整合到一体或将其设计为可方便进行拆分与组装,即可大大提高该类型产品在山区的适用性。

图2 平臂抱杆顶升加节过程

5 几种其余可行的顶升结构形式的探讨

除了液压油缸与泵站这种顶升形式外,目前还存在以下几种顶升形式:1).齿轮齿条式:一般将齿条安装在塔身标准节对面的两个侧面上,通过两侧的齿轮用电机进行驱动,将整个塔身通过尺寸组进行顶升。该方案原理上可以做到同步驱动,但可能需要跟双侧的顶升重量进行匹配,在某些中小型塔型的专用组塔抱杆中会比较具备使用条件,在大跨越工程中的大顶升重量塔型下该结构形式的适用性可能需要商榷;2).滑轮组提升式:一般通过将滑轮与钢丝绳往返缠绕在组装的铁塔中部,将滑轮组与钢丝绳反穿到组塔专用抱杆的底部,然后通过牵引钢丝绳,将整个组塔抱杆用钢丝绳与滑轮组沿着塔材中心进行提升,该类型的提升方案目前依然活跃在某些施工场景,它的顶升过程是否顺利与可靠完全取决于编制的施工方案的完善程度与现场项目负责人对顶升过程的掌握,对工器具准备及调整的把控。安全性或可操作性具有极大的变化性。3)提灌法:这种方案比较少见,仅在早期安装小型的铁塔时出现过,一般利用液体的浮力将组塔设备浮起来,以此达到顶升的效果,适用场景比较少,且对顶升高度有较大限制。目前已经无法找到相关资料。以上为过去除液压顶升系统外曾出现过或使用过的顶升方案,无论其效果过如何都可以作为一种思路与经验供之后的相关技术人员借鉴参考。

6 结语

根据以上几种液压顶升套架系统结构形式,施工单位都可以根据自己的要求选型到适合自己施工作业条件的套架形式,以期满足施工要求。但是现有结构形式依然存在或多或少的缺点痛点,这些形式在自动化以及便捷性方面还有较大的提升空间。加强对该结构形式的研究,以此满足自动化施工与机械化施工的需要,对于施工安全、操作便捷有着重要意义。并且能够大幅度提高产品的机械化施工的水平以及整体的施工安全性及整体工艺水平。能够为将来的专用组塔设备的设计制造提供经验与思路,为我国的特高压输电事业进一步提高水平做好准备。