滚轴式复合索鞍制造关键技术

苏兰 石红昌 杨晓波 黄安明

(德阳天元重工股份有限公司，四川 德阳 618000)

虎跳峡金沙江大桥[1]位于香丽高速公路，虎跳峡上游跨越金沙江，是香丽高速公路的控制性工程。大桥全长1017 m，主桥为桥跨766 m悬索桥[2]，桥面为双向四车道。设计时速80 km/h。主桥为双塔单跨钢桁梁悬索桥，香丽高速虎跳峡项目是国内大跨度悬索桥中首次采用滚轴式复合索鞍[3]，它是一种新型的索鞍结构形式，将常规悬索桥的主索鞍[4]和散索鞍两种结构部件的功能合二为一，实现了主索鞍对主缆的支撑转向作用和散索鞍对主缆的活动及对索股的发散功能。在悬索桥的建设中如果使用滚轴式复合索鞍，可以不设置悬索桥的边跨段结构，不需要修建常规的主塔，可大幅度降低主塔建造的高度，对于在险峻山区峡谷修建的悬索桥，可以大大减小对锚碇位置山体的工程开挖量，大幅度降低建造成本，节能减排，缩短工期，同时减小对环境的破坏，实现绿色环保施工，产生可观的经济和社会效益。与传统主索鞍相比，滚轴式复合索鞍具有散索功能，而与传统散索鞍相比，复合索鞍两侧主缆转角大，需要承受更大的径向力。同时由于复合索鞍在使用过程中需要活动才能将荷载等引起的主缆内力传递给锚跨索股，因此需要在鞍座底部设置滚轴，以满足其活动要求。

本文以香丽高速虎跳峡金沙江大桥滚轴式复合索鞍作为对象，通过对其关键制造技术进行分析和研究，总结形成完善的产品制造技术，为山区类似项目提供参考依据。该滚轴式复合索鞍(结构组成见图1)鞍体下设不锈钢板-辊子-不锈钢板滚动副，以适应施工及运营过程中的相对移动。

(a)复合索鞍整体

该复合索鞍的制造施工主要包括锚跨侧鞍体、中跨侧鞍体、上(下)承板、挡板、滚动系统的制造、运输与安装，主要施工难点如下：

(1)该复合索鞍固定主缆的鞍槽部分形状复杂，采用ZG270-480H铸造而成，铸钢鞍头重量大(锚跨侧鞍头重26.6 t，中跨侧重23.6 t)，体积大，鞍头的鞍槽、主筋板、侧筋板的壁厚变化大，主筋板和鞍槽、鞍槽和侧筋板的交接部位易形成带状热节，其补缩难以兼顾，顺序凝固控制困难，易出现疏松、缩孔、气孔、夹渣等质量缺陷。

(2)该复合索鞍鞍体采用铸焊结合的混合结构，鞍槽用铸钢铸造，底座由钢板焊成，鞍头和底座材料为异质材料，对接接头处板厚一般80 mm以上，属于特厚板的异质材料焊接，焊接要求高，中间控制过程要求严格，鞍体属于受力部件，焊接变形大[5]。同时鞍体结构不规则，焊缝分布度高，空间相对狭小，坡口形式不一致，焊接的工作量大，单件鞍体焊接需用焊丝4 t。纵向收缩和横向收缩较大，焊接应力和变形大。

(3)复合索鞍鞍体为两半分体组合结构，最终产品在塔顶组合后使用，为了保证安装位置和入缆的准确性，索鞍鞍体组合后的大底平面和组合后鞍槽的一致性是个重点，另外索鞍鞍槽为三维空间曲面，鞍槽线型空间的精度保证是个难点，同时由于鞍槽深度较深，加工时机床主轴方向行程大，导致机床主轴刚性差，对加工设备的加工能力也是一个考验。

(4)滚动系统的滚轴(见图2)单件重量达1796 kg，材质为30CrNi3，调质硬度为325～350HBW，工件外形∅400 mm×170 mm×3500 mm，工件的尺寸精度和位置精度要求高，滚轴两端孔对外圆同心度要求高，滚轴上与上承板的导向平键配合的键槽加工精度要求高。如果每一根槽距达不到要求的精度，则会导致上承板的导向平键无法落入每一根滚轴的键槽中。

图2 滚轴工程图

(5)复合索鞍滚动系统框架为柔性结构，与滚轴的装配精度要求高，安装后滚轴需要沿着框架上预定的滚动位移方向滚动，这就要求在起吊、运输和安装过程中必须要保证滚动系统装配体自身的结构，又能够对滚动系统的框架结构实现定形和加固。

复合索鞍的制造包括鞍体的制造和滚动系统制造，鞍体制造的主要流程为：分体铸造→钢板采购检测→异质材料装配焊接→产品的机械加工→产品部件的试装→产品试验→成品的防腐保护。

滚动系统制造的主要流程为：框架的制造→滚轮的制造→滚动系统试装→试验调试→产品防腐保护。

3.1 鞍头铸造

鞍头铸造要符合行业标准JT/T 903—2014《悬索桥索鞍索夹》的要求[6]，由于U字型鞍槽结构的特殊性，鞍头铸件易在薄弱的交接部位形成带状热节，同时由于铸件尺寸形状的原因，铸造易在薄壁处或者狭窄位置处出现常规的疏松、气孔、夹渣等缺陷。

针对鞍头铸造易出现的上述质量问题，采用专业铸造工艺软件进行模型模拟优化分析，确定合理浇铸方案，通过优选大冒口、厚板补缩加强、鞍槽口朝向(向上)、布置相关防变形拉筋、留足足够的工艺余量、考虑冷铁的适宜位置、保证钢水按照预定的顺序凝固、过程中做好铸件的热处理控制[7]。

3.2 鞍体焊接

索鞍鞍体为铸焊结构，鞍头和鞍座为异种钢(铸钢件和碳钢件)的焊接，而铸钢件与碳钢件的焊接性主要取决于淬硬性、母材的组织状态、冷裂纹敏感性和冷却速度[8]。根据索鞍鞍体焊接技术要求，焊缝须进行超声波和表面探伤。焊缝探伤质量保证是关键，在正式产品焊接前进行焊接工艺评定，确定合理的焊接工艺参数。

索鞍的钢板厚度尺寸最大达100 mm，属于特厚板焊接。由于焊缝分布不规律，焊缝相对密集，坡口形式不一致，焊接的工作量大，焊接残余应力和空间变形大。在鞍体焊接中通过以下措施控制：(1)设定合理的装焊顺序、深浅坡口的焊接控制，采取锤击消应。(2)采用分层多道小线能量焊接，严格按照评定合格的焊接评定参数进行焊接，焊接过程中做好变形控制。(3)做好勤翻身、多人对称焊接。(4)按照工艺技术要求做好装焊过程中的热处理消应处理，减少焊接残余应力。

3.3 鞍体加工

复合索鞍鞍槽为既有竖弯又有平弯的三维空间曲面，为保证加工精度，提高加工效率，适宜采用回转法[9]进行加工，本项目鞍体加工采用回转法、组合整体加工方式，采用四轴联动大型数控镗铣床进行加工(见图3)。机床主轴∅260 mm，X轴行程18 m，Y轴行程9 m，Z+W轴行程3.3 m。X、Y、Z、W轴定位精度0.02 mm/1000 mm。机床配备450 t数控联动回转工作台，工作台面5500 mm×8000 mm，承重450 t，行程5 m，B轴旋转定位精度12″。机床数控系统拥有优秀的人机交互性和系统稳定性，其优越的伺服系统、位置测量系统和补偿系统，更好地保证多轴联动加工精度。适合索鞍三轴及四轴联动加工，同时加工车间配置有起吊能力400 t+150 t的行车，可以满足复合索鞍整体组合加工的需要[10]。

图3 主索鞍体组合整体精加工

加工时利用调平组对工装，将两件滚轴式复合索鞍鞍体成对组合，找正对齐后，打入定位钢销，用连接螺栓把紧，侧面连接的中分面筋板位置进行压块的焊接固定，按已精加工的中分面的工艺基准面和半精加工的大底平面基准找正，精铣组合索鞍大底平面到位，保证索鞍两半组合后索鞍鞍体的整个底平面的平面度符合技术规范。

应用数控程序半精加工、精加工鞍槽两侧壁平面和各圆弧绳槽台阶面，保证各台阶面圆弧轮廓度满足图纸技术要求。

在机床上临时配装已经加工好的上承板到组合鞍体底部，通过专用工装夹紧，配钻、铰鞍体底平面与上承板连接的钢销孔。最后将鞍体翻身正放，精加工宽度侧面，钻拉杆孔。

3.4 滚轴加工

滚轴毛坯采用合金钢锻件制作，毛坯采购回厂后进行材料复验和毛坯尺寸检查，合格后进入机械加工(见图4)。根据滚轴结构分析，加工滚轴首先需进行粗加工，使各面满足探伤条件；
粗加工后对滚轴进行超声检测和磁粉检测，检测合格后再对滚轴进行调质(淬火+回火)热处理，调质热处理后半精加工滚轴，半精加工并检测合格后，最后对滚轴进行精加工并检测。为保证滚轴的加工精度及质量要求，需采取以下措施：

(a)精车外圆 (b)四轴联动龙门铣铣键槽 (c)镗床镗销孔 (d)涂防锈油后的滚轮成品

(1)锻造时在滚轴毛坯两端长度方向预留工艺凸台余量，粗加工时加工成型；

(2)在半精车和精铣170 mm扁两面时均按两工艺台阶为基准进行精加工；

(3)加工中以标记一端作为工艺基准，并在数控龙门铣上采用定制的可联动的数控旋转辅助装备进行键槽的加工，确保每一根滚轮的两键槽中心距误差控制在0.05 mm以内；

(4)采用磨床进行精加工，在外表面全部精加工完后进行外圆及两工艺台阶外圆的精磨加工(确保各外圆同心)；

(5)以两端工艺凸台为基准加工两端孔，确保两端孔与外圆同心。

3.5 滚轮起吊工装的设计和制作

复合索鞍滚动系统框架为柔性结构，与滚轴的装配精度要求高，根据滚动系统的结构特点，我们设计了专用的滚动系统起吊运输工装(图5)，该工装既能保证滚动系统装配体自身的结构，又能够对滚动系统的框架结构实现定型和加固[11]。

(a)滚轮结构与起吊工装组合 (b)起吊示意图

3.6 复合索鞍拼装及摆动试验

滚轴式组合索鞍各零部件制作完成并检验合格后，进行厂内试装配(见图6)，装配前所有零部件清理干净。

图6 滚轴式组合索鞍试装配

(1)首先在装配工作平台上组装滚轮、框架及滚轮轴为一个整体单元，将滚轴式组合索鞍底板吊放在装配平台上并调水平，将下承板吊放安装在底板上，将组装好的滚轮框架整体吊放在下承板上。

(2)将上承板放在工作平台上，将两件滚轴式组合索鞍鞍体分别吊放在上承板上，鞍体底部钢销孔与上承板的定位钢销对正，与上承板组装就位，两件鞍体对合平面贴紧，装定位钢销并用连接螺栓把合拧紧，采用专用固定工装将上承板与鞍体联结固定。

(3)将主索鞍及上承板整体起吊放置在滚轮副上，调整滚轴式组合索鞍相关装配件位置，检查各装配尺寸和形状是否符合图纸要求，各零部件的相对位置及鞍体的中线、TP点、IP点位置须做出永久性定位标记，装配后检查滚轮是否滚动灵活，有无卡阻现象。

(4)滚轴式组合索鞍试装配合格后进行索鞍预偏试验，检验鞍体相对于下承板之间的相对滑移能否达到设计规定的滑移值。

香丽高速虎跳峡项目是国内大跨度悬索桥中首次采用滚轴式复合索鞍，大大减小对锚碇位置山体的工程开挖量，大幅度降低建造成本，节能减排，缩短工期，同时减小对环境的破坏，实现了绿色环保施工，产品制造涉及多工序衔接专业的制造，通过对产品关键技术的研究和分析，总结归纳了先进的产品制造工艺，解决了铸造、焊接、机加工中的难点问题，设计了专用的工装吊具，解决了滚轮系统的起吊和运输问题，复合索鞍制造完成后，质量检测完全符合设计规范及产品技术要求，目前该桥已建设完毕并全线通车。该桥的顺利建设为以后类似地质环境下的桥梁建设提供了参考和依据。