缆索起重机在复杂运行环境中的设计制造经验
胡 卫 岳伟强 姚颖健
（浙江华东机电工程有限公司 浙江杭州 310014）
摘 要：本文主要介绍在高温、干燥、供电条件差等复杂运行环境下某型缆索起重机在设计方面的经验，和因设计之初对环境条件考虑不周而在运行中暴露出问题，以及解决这些问题所做的分析和采用的优化改进设计方案。通过对该设备设计和后续优化改进的总结，笔者认为这些经验对日后在特殊环境下的缆机的设计有一定的借鉴意义。
关键词：缆索起重机 复杂运行环境 设计制造经验
浙江华东机电有限公司为埃塞俄比亚TEKEZE水电站工程制造的3台20t缆索起重机（简称缆机），主要承担工程大坝混凝土浇筑及设备吊运工作。缆机2005年2月正式交付使用，经过4年正常运行，至2008年年底圆满完成了大坝主体混凝土施工任务。
埃塞俄比亚TEKEZE水电站工程（图1）位于非洲埃塞俄比亚北部提格雷省，尼罗河上游支流泰可泽河中游，距首都亚的斯亚贝巴950km。电站建成后总库容达94亿m3，工程兼有供水、灌溉、发电等功能，是非洲较大的水电工程。TEKEZE水电站所在地区海拔1400m；全年气候分雨季和旱季两季，雨季为每年6—9月，每天有暴雨伴有雷电大风，10月至次年5月为旱季，基本无雨。全年最热时段为4—6月，即雨季来临前，日温度变化范围20～40℃，气候为热带大陆气候，炎热少雨，昼夜温差大，环境温度0～50℃，相对湿度小于80%。
图1 TEKEZE工程
该工程地处东非高原地区，气候炎热、干燥、沙尘大、雷电频繁，同时由于施工初期靠自备电厂发电，供电电源稳定性差，经常发生突然断电，总体而言缆机的工作环境比较恶劣。由于对埃塞缆机现场的使用环境条件准备不充分，因而在设备使用初期遇到一些问题，诸如减速器异响、滑轮轴承润滑失效、排绳机构磨损严重等。针对现场的实际状况经广泛的分析论证，一一进行了优化改进，解决了问题。确保了缆机的安全可靠运行。电气控制系统设计时对环境条件进行了针对性地考虑，并对主要电气元器件进行筛选对比，实际使用过程中缆机设备较好地适应了当地的工作环境，圆满地完成了整个工程大坝的混凝土浇筑。
1 机构传动减速器选用
埃塞TEKEZE工程第一台缆机起升机构选用的是国产ZLY560型硬齿面减速器，设计时按常温条件进行其许用功率及径向载荷的计算，设备投入使用后不久出现减速器发热、震动和噪声增大的现象。通过现场实地分析发现其原因在于TEKEZE工程缆机的使用现场温度较高，白天平均气温在30℃以上，减速器工作时内部润滑油变稀，润滑性能下降，经初步核查，该减速器在此环境条件下的环境温度修正系数为1.3，即减速器的允许输入功率值只有常温环境下的78%，许用功率降低幅度非常明显，同时进行相应热功率校核计算，也验证了原减速器功率不够的结果。为此根据该设备实际运行环境的温度条件，有针对性地对减速器进行了重新选型计算，根据新的计算成果和设备特性，设备减速器进行了重新选型，新选择的减速器在热效率系数、许用功率、许用扭矩、轴端径向力等指标均有了较大的提升，并将减速器的型式改为起重机专用减速器，重新选用的减速器型号为QY3D-630硬齿面减速器，同时润滑油选用满足使用地区气候条件的牌号，改善润滑条件。通过这些措施3台缆机的起升减速器在后续整个施工过程再未出现问题。
2 导向滑轮轴承
埃塞缆机首台制造时起升、牵引机构的导向滑轮采用滚子球轴承（型号6232基本额定载荷 Cr：215 kN），设计使用寿命约在2000h，属设计允许正常范围，国内缆机也均使用该型轴承。设备投运不到5个月滑轮轴承陆续发出异常声音，拆开检查发现轴承内部润滑脂已基本流失，轴承滚珠普遍磨损较严重，无法继续使用需更换。现场更换轴承条件较差，施工量很大，每次更换要停机两三天，严重影响工程的施工进度。经分析认为，TEKEZE缆机使用现场温度较高、干燥且沙尘严重，造成缆机起升、牵引机构导向滑轮轴承中润滑脂变稀黏度不足，加之原结构轴承的密封条件较差，使得变稀后的润滑脂极易流失，且环境中的沙尘非常容易进入轴承腔内部与润滑脂结合造成与轴承滚珠的珩磨，导致轴承的加速磨损并损坏。对此对滑轮的结构进行优化设计，首先改善滑轮端盖密封性能，最大限度避免沙尘的进入；其次选用承载能力强、带密封圈的滚柱轴承（型号NF232基本额定载荷Cr：405kN），设计使用寿命提高到5535h；同时选用满足使用地区气候条件的润滑脂。以上措施较好的解决这一问题，使导向滑轮轴承使用寿命大大延长，至浇筑结束再未发生普遍更换轴承的现象。
3 排绳机构
常规缆机起升机构的排绳机构多采用滚珠丝杆式排绳机构，滚珠丝杠副具有传动效率高，运行平稳冲击小、维护工作量少的特点，目前在国内外缆机设计中采用较多，但其滚珠丝杆螺母的磨损一直是普遍存在的问题。TEKEZE缆机早期也选用滚珠丝杆式排绳机构。由于滚珠丝杠副结构型式所限无法实现完全封闭，丝杆润滑条件较差，因而环境中的沙尘极易进入滚珠丝杠副，造成滚珠丝杆及螺母的损坏（图2），且滚珠丝杆造价高（单套采购价需10万元，进口丝杆价格更高）配件加工采购工期长，现场更换施工难度很大。
图2 滚珠丝杆副磨损
为彻底改变这种情况，经论证并结合国内外缆机的先进设计经验，我们改用链条式排绳机构（图3）。该排绳机构排绳滑轮沿卷筒轴线的前后移动是依靠多排滚子链的直接拉动，移动速度依靠专用减速箱和传动链轮的速比调节。整个系统结构简单，链条等主要传动构件采购、加工制造方便，生产成本较低，对安装精度要求较低，运行安全可靠，对使用环境的要求也较低，有效减少沙尘对排绳机构的影响。更换后链条式排绳机构运行平稳可靠，使用检修维护更加方便，配件采购便捷，润滑油选用满足使用地区气候条件的牌号。排绳机构改造后缆机的故障率明显降低，使用功效大幅度提高。
图3 链条式排绳机构
4 电气系统
TEKEZE缆机为辐射式缆索起重机，主要包含起升、牵引、大车行走机构，其中起升、牵引机构电气系统采用ABB公司DCS500系列直流调速装置，大车行走采用ABB ACS800系列交流变频装置，整机采用国际先进的“触摸屏+PLC（可编程序控制器）+交/直流传动”的三级联控结构，本系统硬件选型均为国际知名品牌，性能优越，具有先进完善的自诊断功能，为设备的安全稳定运行带来了可靠保障。针对埃塞TEKEZE 3台20t辐射式缆机，环境温度高、供电电源质量差、电压波动大、经常发生停电等特点，在电气设计时逐一采取相应措施，自投入运行直至工程完工，从未发生过安全事故和影响生产的事件，具体措施如下。
（1）由于当地环境温度较高、昼夜温差较大等特点，采取三种方式：①选用宽温型电气元件；②电气房配备空气调节器，保证电器元器件的工作温度；③电缆选用专业定制的YCW重型橡胶电缆，不易老化。
（2）为了应对现场的用电质量，采取以下方法：
1）6kV变压器采用△／Y接法，电源中的三次及三次倍数次的高次谐波，会在三角形绕组中形成环流，从而消耗在绕组中，从而使得变压器输出的供电质量更好。
2）每台晶闸管变流装置主回路设有ABB原装进口的进线电抗器，用以抑制晶闸管换相期间，进线电压被瞬时短路，造成的电源电压缺口，和对电网电压波动的影响。
3）调速装置装有高次谐波过滤器。经过滤器后残余高次谐波分量值满足IEC和VDE有关规定，对电网不会产生不良影响。
（3）为了防止缆机在运行过程中突然停电，引起可控硅整流装置的损坏。可控硅整流装置的控制电源220V由专用的UPS不间断电源提供，保证停电后可控硅的导通角可靠关断。
（4）电网波动过大直接影响到缆机的运行安全，超出正常工作电压范围（±10%持续电压；±15%短时），尤其电压过低就会出现“溜钩”，因此对电网电压的实时监测变得非常重要。当电压下降超出下限时，将出现电机出力不足而发生溜钩，此时PLC系统实时进行电压采样分析作出逻辑判断，强制迫使调速系统停机，起到防溜钩的作用。
（5）每一个电气元件的选型都经过认真分析和论证，确保运行的安全可靠。起升、牵引机构的直流调速系统选用ABB DCS502B 系列产品，大车机构的交流调速系统选用ABB ACS800系列产品，可编程控制器选用施耐德公司Modicon TSX Premium高端产品，断路器、接触器、中间继电器等低压电器均选用施耐德产品。
（6）设备使用地的雷暴天气直接影响到设备安全，因此如何做好防雷接地显得至关重要。据当地气象局统计，每年约有40～60次雷暴天气。雷电灾害被国际电工委员会（IEC）称为“电子化时代的一大公害”。雷电灾害主要有三种：一是直击雷，即雷电袭击防雷不好的建筑或部分雷电流进入电缆，并通过电缆直接到达电子设备形成瞬态过电压波，使电子设备损坏，这种现象在高雷害地区发生较多；二是感应雷，即雷击发生在通信线路附近的地面时，强电流产生强磁场会在通信线路中产生电荷束缚和瞬间释放，形成幅值很高的瞬间过电压，或者雷击避雷针时，附近导线也会感应出高电压；由于雷电流的反击和电磁耦合，在通信线路、信号控制线路、射频传输线路形成瞬态过电压，并以流动波的形式传播，危及各种微电子设备；三是雷电波侵入，即雷电袭击架空输电线、通信线缆、各种金属管线、天线等，在线路上产生的高电位，大电流的雷电流冲击波沿着这些导体侵入通信设施造成的破坏，对低压系统中的设备，特别是对计算机、电子系统造成危害。
针对TEKEZE水电站缆索起重机的结构特点，采取了以下措施：
1）电力电缆引入高压开关柜内，在高压开关柜内设置避雷器，低压进线柜安装浪涌保护器，各控制柜内安装接地铜排及接地网可靠连接。
2）为了避免高电压经过避雷器对地放电后的残压过大或因更大雷电流在击毁避雷器后继续毁坏后续设备，以及进一步防止电缆遭受二次感应，采取多级保护。电源避雷器由于并联安装于线路中，平时一般不影响供配电系统的正常工作。为防止电源避雷器本身老化或故障（不能正常脱扣）等因素造成系统短路，所有电源避雷器前端考虑串联安装保护熔丝或空开（图4）。
图4 避雷装置安装示意图
（7）严控电器设备制造、调试质量。高低压开关柜和控制柜出厂前均经过严格的厂内检查和调试，特别是直流调速装置和变频器在厂内进行测试。设备安装、调试时派遣经验丰富的资深工程师进行现场技术指导，保证调试一次成功率，并对缆机操作、维修保养人员进行培训，使之完全掌握设备的性能。
通过上述一系列针对性地设计和后续运行中的改进措施，公司生产的3台20t辐射式缆索起重机在TEKEZE水电站工程几年的施工中总体运行安全可靠，为整个电站工程的顺利完成发挥了重大作用。缆机作为水电站工程的主要大型施工设备其工程的气候条件、现场的工作环境等因素在设计制造过程中必须给予充分的考虑这样设备才能最大限度的发挥功效，满足工程建设的需要。
参考文献
［1］ 张质文.起重机设计手册［M］.北京：中国铁道出版社，1998.
［2］ 中华人民共和国水利部.缆索起重机技术条件：SL 375—2007［S］.北京：中国水利水电出版社,2007.
［3］ 中华人民共和国建设部.建筑物防雷设计规范：GB 50057—94［S］.北京：中国计划出版社,1994.