2.4 重型钢丝绳抓斗及配套机具
2.4.1 概述
随着我国西南地区水利水电工程的开发，防渗墙的施工深度越来越深，钢丝绳抓斗作为防渗墙施工的主力设备，20世纪末，经过研发与改进，我国使用的钢丝绳抓斗施工最大深度达到了80m，但远远满足不了100m以上超深与复杂地质条件防渗墙的施工要求。国内重型钢丝绳抓斗专业制造厂家极少，品种规格可选择性较低，技术质量都满足不了主机大型化后对所附工作装置的性能要求。所以，开发研制适合我国水利水电行业特点并与主机匹配的重型钢丝绳抓斗成为当务之急。
为了提升钢丝绳抓斗在孤、漂（块）石地层的挖槽能力，提高其在复杂地层中的造孔工效，与之配套的重凿等机具也需要配套研究。为此，以提升钢丝绳抓斗施工深度与能力为目的，进行了重型钢丝绳抓斗和配套机具的研发工作。通过研究，全面提升了设备能力和性能，在旁多水电站防渗墙工程中，最大成墙挖槽深度近158m，试验段槽孔最大挖槽深度为201m；目前正在施工的大河沿水库防渗墙工程，已完成4个160m以上深度槽孔造孔与浇筑，最大深度为186.15m，应用效果显著，具备了200m深度防渗墙槽孔施工的能力，重型钢丝绳抓斗性能主要参数见表2.3。
表2.3 重型钢丝绳抓斗性能主要参数
2.4.2 重型钢丝绳抓斗[15]
2.4.2.1 现有钢丝绳抓斗存在的问题
大型绳索抓斗主机（HS875HD型）已在大深度防渗墙工程中应用，它的性能好坏直接影响到深厚覆盖层地基中防渗墙造孔施工的效率。从所配斗体的使用情况分析，存在的主要问题包括以下几个方面[16]：
（1）与HS875HD型大型主机配套的绳索抓斗应是20t级，但是现有斗体的质量为15t，与主机能力不相匹配；对于具有20t连续吊重能力的主机来说，意味着部分功率为空耗，每天多消耗燃油664L以上。
（2）现有斗体主体框架结构使用Q235低碳槽钢焊接而成，所用钢板厚度在20mm以下，材质强度过低，结构单薄，焊缝开裂现象经常发生。
（3）地层对斗体的冲击反力作用于斗蚌边缘的斗齿上，经蚌壳、销轴、连杆最终传递到主体框架结构上，冲击反力在传递过程中经过了许多较薄弱的环节，容易造成这部分零件损坏和失效。
（4）过于强调增大斗体容量而牺牲了一些最需要保护和加强的元素。当斗体容量做到最大时，最关键的结构尺寸就不得不缩小，因而减小了受力最大部位的断面尺寸，承受冲击时容易产生裂纹。
（5）滑轮的布置方式为斜置式，占用空间较大。同时斗体的厚度无法满足薄型防渗墙的施工要求。滑轮直径过小，轮径和绳径不匹配，安全系数过低，因而加剧了钢丝绳的弯曲疲劳破坏，更换频繁，容易发生严重的事故。
（6）滑轮的密封形式为浮动密封，该密封所用的密封环为钢制经镜面研磨而成；这种密封环不适合在含有砂粒的泥浆中使用，且承受外界泥浆压力的能力严重不足，密封性能达不到100m深度造孔施工的要求。同时，滑轮轴承的承载能力过小，额定载荷未达到绳索的最大拉力。
2.4.2.2 ZD-20型重型钢丝绳抓斗斗体的设计要点
钢丝绳重型抓斗与主机的匹配程度决定了二者是否能同时发挥最大的效能，如果匹配不好就意味着二者之一肯定出现功率上或时间上的浪费。要在提高挖掘效率的同时降低不必要的能耗，就要在大型主机、重型斗体、墙体厚度之间找到一种合理的配置关系。根据主机的能力配装合适质量的斗体能起到减少功率损失、提高挖掘效率的作用。
（1）斗体质量与抓取效率成正比，在主机额定能力范围内应尽量加大斗体质量，使斗体的质量与主机的连续起吊能力相匹配。该斗体设计质量为20t。
（2）根据绳索抓斗施工环境特点，优化设计斗体的结构形状，提高主体结构钢材的强度和板材的厚度，适当减少斗体容量，增加斗体薄弱部位的尺寸，降低易损部位的应力。优化斗体冲击反力的传递途径，简化冲击力的传递环节；冲击齿的安装位置与跨度要符合孔位布置规律。
（3）在保持滑轮组6倍率的同时保证斗蚌有足够的闭斗力，闭斗绳牵出长度能适合主机的桅杆高度。滑轮是重型抓斗的关键部件，故障率和维修成本较高，是影响施工效率的重要因素。设计新的密封形式，要满足深孔造孔时的密封要求，轴向尺寸要小，要满足承载力要求，提高可靠性。
（4）兼顾通用性需求。水利水电工程防渗墙厚度多在0.4～1.5m，采用创新的滑轮布置方式，使重型斗体在该范围内通用。斗体重型化后墙体依然可以做得很薄（到30cm），使重型钢丝绳抓斗能覆盖全系列厚墙尺寸，便于施工。
2.4.2.3 ZD-20型重型钢丝绳抓斗斗体设计[15]
（1）为提高挖掘效率，斗体质量按照主机连续运行时的最大允许重力200kN设计，斗体质量增加25％，与主机设计最大工作质量接近。ZD-20型重型斗体设计如图2.15所示。
图2.15 ZD-20型重型斗体设计
（2）斗体的主体框架结构采用40mm厚钢板整体切割成型，弯角处用大半径圆角过渡，减少焊接缝数量，增加焊接缝高度。主结构横断面呈工字形，以增加斗体抗折抗弯性能，最大限度地减少冲击应力产生的裂纹。钢板材质为Q345B，可满足在恶劣工况下对斗体的强度要求。
（3）为减少滑轮占用的空间，滑轮布置方式改传统的斜置式布置方式为平面布置方式，这种布置形式可减少斗体厚度50％以上。在保证滑轮倍率不变的前提下对绳索的走向及滑轮的位置进行了精确设计，为后续设计薄型绳索抓斗提供了可行的方案。斗体滑轮布置如图2.16所示。
（4）对滑轮进行了专门设计（图2.17），采用钢板压制组合型滑轮结构，轮绳直径比由原来的13调整为18，安全系数由原来的3倍提高到4.5倍。在空间允许的情况下将直径由480mm增加到650mm，承载力按照主机卷扬的最大连续输出能力300kN设计，单件滑轮额定承载力达到590kN。轴承类型为双列满装圆柱滚子重载轴承，承载力加强后与主机卷扬的输出能力相匹配。
图2.16 斗体滑轮布置图
（5）针对超深防渗墙施工特点和滑轮工况，对滑轮的密封结构进行了特殊设计。集机械密封和浮动密封二者的优点，采用了机械密封的硬质合金密封环与浮动密封的橡胶圈相结合的形式。密封面材料由钢制圈改为碳化钨硬质合金，如图2.18所示，结合面经高精度研磨而成，平整度、光洁度、硬度和耐磨性能都优于原来的密封。由于材质和加工精度的提高，该密封组合更符合于在泥浆压力变化环境下造孔的要求，使用寿命大大提高。
（6）为提高斗体抗冲击能力，改斗蚌壳承受冲击力为主体框架结构直接承受冲击力，避免附属结构承受冲击力。在主体框架结构承受冲击的部位镶有冲击齿，用来破碎地层和承受冲击力，如图2.19所示。由于绳索斗体的主要质量集中在主体框架上，完善的斗体设计减少了冲击力的传递环节，也就减少了传递链上各零部件损坏的可能性。
图2.17 抓斗滑轮
图2.18 机械密封
图2.19 斗体主机架镶有冲击齿
（7）兼顾斗体容量与最大应力断面尺寸二者的合理需求，将斗体容量从原来的1.1m3调整为0.54m3（约减少50％），适当增加了最关键部位的结构尺寸。由于绳索斗体多用于复杂地层的施工，相比斗体容量而言增强关键部位的结构尺寸更为重要。
提高绳索抓斗造孔工效的关键在于增加斗体的质量和减少斗体的故障，20t级ZD-20重型钢丝绳抓斗的研制有效解决了斗体结构强度、滑轮直径与布置、轴承承载力、轴承密封等方面均不能满足复杂地层下防渗墙施工要求的主要问题，保证了斗体在各种条件下的工作可靠性，充分发挥了大型主机的作用以提高工效。
2.4.3 重型抓斗配套机具
2.4.3.1 破力器的设计与应用[17]
（1）常规破力器的功用及存在的问题。钢丝绳抓斗是防渗墙施工的常用造孔设备，抓斗主机与斗体钢丝绳的自然扭力会带动斗体旋转，影响成槽质量，因此需在二者之间加装破力器，既能传递钢丝绳的拉力，又能破除钢丝绳的扭力，从而避免对造孔质量的不利影响。
破力器所承受的最大拉力取决于主机卷扬的最大单绳拉力，由于它的工作环境是处在不同深度的泥浆中，泥浆的浆柱压力对破力器的密封性能提出了很高的要求。以前的同类产品由于密封过于简单，在100余米的浆柱压力下容易损坏，很快失效；内部轴承的承载力不够也是影响破力器使用寿命的因素之一。施工中常用的破力器额定载荷一般都在10tf以内，发生早期损坏的主要原因有以下几个方面：
1）轴承的承载力过小。
2）密封形式过于简单，耐压能力不足。
3）整体结构设计不尽合理。
针对100m以上超深防渗墙造孔的要求，造孔施工使用重型钢丝绳抓斗由100t级履带吊车配以质量20t的斗体，最大挖掘深度为100～200m，破力器潜入孔内的深度在200m处，此处的浆柱压力可达到2.0MPa。在这种压力下，一般的密封形式是达不到阻止泥浆进入的要求，施工荷载和潜入泥浆的深度均超越已有破力器的使用范围。为了保证破力器可靠工作，需要对其整体结构重新设计，研制新型大吨位破力器，使重型抓斗各部件之间的匹配达到最佳状态。
（2）35t重载破力器设计构思。破力器的受力状态比较简单，主要为来自设备卷扬的钢丝绳变载荷轴向拉力，还有来自钢丝绳受拉后产生的扭转力，另有少量的径向力产生。极限拉力即为主机卷扬的最大单绳拉力。造孔设备的实际最大输出拉力为300kN，在选择破力器中的主要承载元件轴承的时候，额定动载荷不能小于此数值；同时破力器的外形尺寸须限制在一定范围内，其结构要简单，受力要合理。
（3）研制成果。研制完成的重型破力器，外壳选用中碳合金钢40Cr制造，外部壳体的最小强度满足最大拉力300kN的要求，具有5倍的安全系数。配套钢丝绳直径为36mm。外观设计上破力器两端设计成半球形，有利于减少破力器高速旋转时与周围物体的碰撞。新型35t重载破力器如图2.20所示。
图2.20 新型35t重载破力器
主承载轴承：破力器内部共设有2套轴承，上部轴承采用了6310E型深沟球轴承用于心轴的径向支撑，只承受径向力；29414E型调心滚子轴承作为破力器承载外部载荷的主要元件，能承受300kN以上的额定动载荷，技术参数见表2.4。设计采用调心轴承和定心轴承相结合的方式，使两套不同形式的轴承在性能上互补。上部的球轴承在上下部件做相对旋转时起径向定位作用。调心滚子轴承的作用是承载轴向拉力，并且自身可承载少许径向力，与上部的球轴承组成两点支撑，以保证破力器在高速旋转过程中的定心效果，使机械密封件有一个良好的运行条件，减少了轴向和径向的窜动量，从而保证了密封效果。将原来的球轴承改为滚子轴承，额定承载力由原来的100kN提高到了350kN。
表2.4 29414E型轴承参数表
中心轴：具有足够的直径尺寸和强度，变截面处均采用了大圆角过渡，可减少因应力集中造成突然断裂的可能性。弹性圆柱销孔的位置靠上，避开了受力最大的心轴截面位置，避免了产生应力集中和因销孔而削弱截面的现象。
密封结构及特点：破力器工作于含有大量泥砂的槽孔泥浆中，入孔越深承压越大。综合考虑破力器结构特点和尺寸限制，设计采用天津联强L2100型机械密封替代了双唇钢圈橡胶骨架密封，由于密封环使用了超硬度合金材料和精加工工艺，使密封性能得到大幅提高，耐压能力达到了2MPa，能够在200m深度泥浆中正常工作。
摩擦副材料：选用极高硬度碳化钨材料制作的动、静环，辅以超高的加工精度，使其具备极高的水密性和耐久性。该密封件结合面的预压力是由一根直径6mm的弹簧产生的，可实现动、静环在相对旋转过程中有足够而持续的结合力和磨损补偿。
安装方式：破力器安装于主机两个卷扬的钢丝绳输出端，再通过钢丝绳连接斗体。为确保密封性能，安装时要注意破力器上下端方向，不可颠倒。
（4）应用效果。新型35t重载破力器的研制成功地解决了原有破力器承载力不足、结构不合理和密封性能不好的问题，使得重型钢丝绳抓斗的挖掘成槽施工更加可靠，其成功应用于西藏旁多158m深度防渗墙和201m深度试验槽孔的施工[18]，为这项具有世界级难度的防渗墙工程圆满完成提供了保证。
2.4.3.2 冲击重锤[19]
钢丝绳抓斗与液压抓斗的区别在于它可以拎重锤冲击地层，而且重锤质量远大于冲击钻机的钻头质量，冲程可达10～20m，对于孤、漂（块）石地层和硬岩（小墙）地层冲砸破碎具有良好的效果，是重型钢丝绳抓斗重要的配套机具。
（1）冲击重锤设计制造。重锤类似钻机钻头，钻头在泥浆液下冲击地层时，必须具有一定的质量和冲击高度，才能产生足够的冲击力有效地破碎岩石，现已为重型钢丝绳配套研制了质量达16t的重锤。冲击重锤的形状以及齿形对破岩效率影响极大，重锤的结构设计成锥台型，上部直径较小，锥状结构重心低，且具有自动纠斜导正作用，在钻凿时不易产生较大的孔斜；锤体沿冲击方向开有纵向水槽，断面孔隙比最大，以降低钻头下落时泥浆抵抗阻力，钻头刃的形状应使其压入岩石时的阻力最小，有利于传递冲击能量，提高碎岩效率。针对不同部位和地层，有米字形（图2.21）、十字形（图2.22）、一字形和方形重锤，方形重锤主要用于修整孔形。
图2.21 DZ型米字形16t冲击重锤
图2.22 DZ型十字形10t冲击重锤
（2）副孔重锤的研制。当防渗墙的深度超过100m时，用普通冲击钻头造孔工效很低，特别是在主、副孔之间形成小墙（图2.23）时，劈打副孔十分困难。由于孔深过大，尤其是深度超80m以后，副孔的实际位置发生了较大的变化，造孔施工中圆形冲击钻头很难找准副孔中心，容易滑向两边的主孔，劈打副孔难以取得有效进尺，极大地影响了施工进度。为此，专门研制了一种用于钻进副孔的重锤。
图2.23 一期槽孔中主、副孔布置图（单位：mm）
1）副孔重锤主要设计因素。
a.重锤应具有较好的导向性能，不论相邻主孔是否偏斜均能将重锤引向副孔，而不会进入主孔，也不能有过大的旋转。为此重锤下部在防渗墙轴线方向须有足够的长度，两端须有一定的宽度。
b.考虑到圆形钻头劈打副孔一般在有孤石处受阻，故重锤应有足够的质量，且底刃坚固耐磨，能击破较大的孤石。
c.重锤的外形应既能集中冲击力破岩，又能使副孔达到一定的宽度。
d.重锤的顶部应便于用抓斗主机单绳起吊，提梁结构必须牢固，且便于安装保护绳。
2）副孔重锤设计要点。
a.考虑到破碎孤石的需要和起重设备的能力，重锤的质量定为12t左右，高度为4075mm，下部沿防渗墙轴线方向的长度为2000mm。
b.为缩短制造周期，重锤采用厚钢板焊制，主板厚度为180mm，其他部件全部焊接在主板上，主板的高度和长度与重锤的高度和长度相同。
c.为保证重锤的击中率和副孔宽度，采用上下两级倒V形冲击底刃，其顶角均为53°，底刃焊接高硬度耐磨材料。
图2.24 副孔重锤设计结构（单位：mm）
1—翼板；2—二阶冲击器；
3—主板；4—导向板
d.为增加重锤的导向性能，并防止水平转动角度过大，在主板下部两端各焊接一块横向椭圆形导向板，导向板最大宽度为680mm，厚度为30mm。在主板和翼板的上部分别钻孔，用于穿挂起吊绳和保护绳。副孔重锤设计结构如图2.24所示。
3）副孔重锤的特点。当孔深较大时，由于主孔或多或少存在偏斜和钢丝绳的导向性能较差，圆钻头很难找准副孔的实际位置，难以有效地劈打副孔。在现有施工条件下，解决此问题的唯一方法是利用已有的相邻主孔对冲击钻具进行导向。要在保证安全的前提下，既能取得较高的工效，又便于操作。通过对圆形及方形底面结构钻头应用情况的分析比选，设计采用二阶倒V形底刃结构，具有如下特点：
a.两相邻主孔孔壁之间的最大距离为2.5m，重锤底部的最大宽度为2.0m，且两端加装了宽度为0.68m的导向板，基本上具备了自导向功能；重锤既能顺利下放到位，又不会打空；同时也不会有过大的旋转。
b.重锤工作部位采用倒V形底刃能起到二次导向的作用，利用底刃斜面与副孔接触时所产生的横向推力可将重锤的重心引向副孔顶部，有效地保证了重锤的击中率；同时也避免了因重锤过度偏心受力所引发的各种故障。
c.重锤工作部位采用二阶底刃设计，下阶底刃的厚度较小，单位面积上的冲击力较大，能起到率先破岩开槽的作用；上阶底刃在下阶底刃开槽的基础上扩孔至设计要求的槽孔宽度。对于含有漂石和孤石的坚硬地层，掏槽扩孔工艺能大幅提高钻进工效。
d.二阶冲击器设计成上部带有圆滑过渡的长方形有两个目的：一是利用槽孔中的泥浆阻力减少重锤上部的横向倾斜，保证重锤沿着与其中心线平行的方向运动；二是在重锤上部发生前后倾斜时防止吊具撞击孔壁。
e.在定向问题解决之后，破除孤石就是副孔钻进的主要障碍，常规冲击钻机和钻具难以胜任。该重锤的质量有12t，利用抓斗主机提升作业，提升高度可以增加至最大冲程，其冲击力远大于常规冲击钻头，足以有效击破槽内孤石。