南水北調(diào)韓莊泵站雙向可轉(zhuǎn)向門式啟閉機(jī)設(shè)計(jì)

祝鳳山，杜培文，許志剛

(山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250013)

南水北調(diào)韓莊泵站雙向可轉(zhuǎn)向門式啟閉機(jī)設(shè)計(jì)

祝鳳山，杜培文，許志剛

(山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250013)

為了高效完成韓莊泵站水泵機(jī)組設(shè)備的吊裝以及各類閘門的啟閉和檢修，設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)可旋轉(zhuǎn)的軌道和有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的雙向可轉(zhuǎn)向門式啟閉機(jī)，并進(jìn)行了1.25倍額定荷載的靜載試驗(yàn)、1.1倍額定荷載的動(dòng)載試驗(yàn)和變軌試驗(yàn)，觀測(cè)了門架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況。結(jié)果表明:雙向可轉(zhuǎn)向門式啟閉機(jī)門架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均滿足要求;變軌操作運(yùn)行平穩(wěn)，滿足多功能要求，提高了門式啟閉機(jī)的利用率，降低了工程造價(jià)。

門式啟閉機(jī);旋轉(zhuǎn)軌道;回轉(zhuǎn)軸承;頂軌器;轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu);韓莊泵站

韓莊泵站是南水北調(diào)東線第一期工程的第九級(jí)抽水梯級(jí)泵站，位于山東省棗莊市嶧城區(qū)古邵鎮(zhèn)八里溝村西。泵站樞紐距南四湖下級(jí)湖約3km，站下引水渠接韓莊運(yùn)河，站上出水渠接老運(yùn)河入南四湖的下級(jí)湖。站區(qū)主要建筑物包括泵站副廠房、引水閘、引水渠、出水渠、交通橋、排澇渠及排澇涵洞等，泵站設(shè)計(jì)流量125 m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程4.15 m，總裝機(jī)容量9000 kW。站區(qū)內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)主要包括引水閘、流道進(jìn)口防洪閘、流道出口快速閘和事故閘［1］。

為改善站區(qū)容貌，創(chuàng)造一個(gè)美觀而有特色的水利產(chǎn)業(yè)形象，韓莊泵站樞紐工程設(shè)計(jì)為主廠房地面以上無(wú)建筑物［2］。為滿足泵站水泵機(jī)組設(shè)備的吊裝和維修、引水閘閘門和流道進(jìn)口防洪閘閘門的啟閉、流道出口快速閘和事故閘的檢修等功能，同時(shí)提高啟閉設(shè)備利用率，進(jìn)行了可轉(zhuǎn)向門式啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)研究。

門式啟閉機(jī)移動(dòng)靈活，一臺(tái)可以控制同一縱向的多孔閘門［3］，但無(wú)法控制多個(gè)縱向閘門，為此在現(xiàn)有門式啟閉機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上研究可轉(zhuǎn)向門式啟閉機(jī)，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)門式啟閉機(jī)能在引水閘、防洪閘、泵站廠房吊物孔和泵站流道出口閘等多個(gè)縱向行走，進(jìn)而高效完成泵站水泵機(jī)組設(shè)備的吊裝和維修，以及站區(qū)內(nèi)閘門啟閉和檢修。

1 雙向可轉(zhuǎn)向門式啟閉機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 門架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

門架結(jié)構(gòu)的各主要受力構(gòu)件均采用箱形斷面，用Q345C板材焊接。門架上部平臺(tái)設(shè)兩根主梁，兩根主梁端部用兩根邊梁連接。為降低應(yīng)力集中，主梁在門腿處采用變斷面圓弧過(guò)渡;為保證門腿上部為剛性節(jié)點(diǎn)，主梁與門腿上部采用工地焊縫連接。門腿與底橫梁、中橫梁的連接均采用高強(qiáng)螺栓拼接，司機(jī)室和電器房設(shè)置在下游側(cè)中橫梁上。

按設(shè)計(jì)規(guī)范要求，門式啟閉機(jī)工作時(shí)的最大荷載主要考慮自重荷載、主起升機(jī)構(gòu)啟閉荷載、行走荷載、啟閉機(jī)慣性力、小車慣性力、工作狀態(tài)的風(fēng)荷載和偏斜行走引起的側(cè)向力［4］。同時(shí)考慮門式啟閉機(jī)橫向和縱向行走時(shí)一個(gè)大車行走電機(jī)失效時(shí)的不利工況，共組合4種工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定出安全、經(jīng)濟(jì)和合理的門架結(jié)構(gòu)。

1.2 起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

起升機(jī)構(gòu)為固定在小車架上的雙吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，主要由滑輪組、卷?yè)P(yáng)裝置、集中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及電子安全裝置等部分組成，如圖1所示。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于小車架中間位置，左右兩套卷?yè)P(yáng)裝置通過(guò)兩個(gè)GIICLZ鼓形齒式聯(lián)軸器連接雙出軸減速器的輸出軸。為了滿足設(shè)計(jì)速度和結(jié)構(gòu)布置的要求，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了一對(duì)傳動(dòng)比為19/92的開(kāi)式齒輪，其小齒輪裝在減速器一端輸出軸線上，大齒輪則采用鉸制螺栓與卷筒連接［5］。

圖1 主起升機(jī)構(gòu)布置

1.3 軌道設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)門式啟閉機(jī)對(duì)站區(qū)閘門啟閉、機(jī)組設(shè)備的吊裝和檢修，在引水閘、防洪閘、出口閘和機(jī)組吊物孔設(shè)置7道縱向軌道，沿泵站一岸鋪設(shè)橫向軌道，如圖2所示?？v向軌道的軌距均與門式啟閉機(jī)軌距相同，橫向軌道的軌距與門式啟閉機(jī)輪距相同。在軌道的14個(gè)節(jié)點(diǎn)處，設(shè)置旋轉(zhuǎn)軌道裝置，如圖3所示。

圖2 軌道布置

旋轉(zhuǎn)軌道裝置中回轉(zhuǎn)軸承的內(nèi)圈和外圈分別與基礎(chǔ)和旋轉(zhuǎn)軌道連接，回轉(zhuǎn)軸承外圈的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軌道旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)處的軌道由縱向和橫向的變軌，將變軌后的軌道連成一個(gè)整體。為便于裝配，有效避免水及灰塵的進(jìn)入，延長(zhǎng)回轉(zhuǎn)軸承的使用壽命，回轉(zhuǎn)軸承的內(nèi)圈由基礎(chǔ)上的擋圈定位，并將其放置在旋轉(zhuǎn)軌道下設(shè)支承板的相對(duì)密封的軸承腔內(nèi)［6］。

圖3 旋轉(zhuǎn)軌道裝置結(jié)構(gòu)

1.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

門式啟閉機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)機(jī)理是將車輪組在到達(dá)軌道節(jié)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。設(shè)計(jì)通過(guò)在門式啟閉機(jī)的主行走機(jī)構(gòu)的車輪組上設(shè)置回轉(zhuǎn)軸承，由回轉(zhuǎn)軸承連接車輪組和門架，并通過(guò)與門架底梁連接的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)車輪組回轉(zhuǎn)，完成車輪組的轉(zhuǎn)向［7-8］。

如圖4所示，支承架與回轉(zhuǎn)軸承的內(nèi)圈和轉(zhuǎn)軸連接，其下部通過(guò)鉸軸與車輪組連接，回轉(zhuǎn)軸承的外圈與門架連接座連接。油缸的一端通過(guò)轉(zhuǎn)臂與轉(zhuǎn)軸連接，另一端固定在門架底梁上。通過(guò)油缸的伸縮帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂和轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)車輪組旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車輪組轉(zhuǎn)向。油缸具有自鎖功能，車輪組在轉(zhuǎn)向后油缸自鎖固定，有效保證了車輪在轉(zhuǎn)向后能在另一直線軌道上行走平穩(wěn)。

圖4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2 運(yùn)行控制過(guò)程及操作條件

門式啟閉機(jī)從縱向軌道行走至另一條縱向軌道的操作控制過(guò)程如下:門式啟閉機(jī)車輪組行走至縱向軌道節(jié)點(diǎn)處，位置傳感器發(fā)出信號(hào)，門式啟閉機(jī)位置微調(diào)精確后，裝設(shè)在底梁上的頂軌器開(kāi)始頂升。頂軌器將車輪組頂離軌頂0.5～1.0 mm時(shí)，頂軌器停止頂軌并自鎖。油缸開(kāi)始工作，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)車輪組和旋轉(zhuǎn)軌道旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)至90°時(shí)，位置傳感器將信號(hào)傳至控制室，油缸停止工作并自鎖，頂軌器解鎖并釋放行程后旋轉(zhuǎn)90°。門式啟閉機(jī)在軌距和其輪距相同的橫向軌道上行走，到達(dá)另一條縱向軌道的節(jié)點(diǎn)處，反復(fù)上述操作，可實(shí)現(xiàn)在另一條縱向軌道上工作。

通過(guò)風(fēng)荷載對(duì)門式啟閉機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)的整體穩(wěn)定性計(jì)算，風(fēng)速大于7.9 m/s的情況下，不宜進(jìn)行轉(zhuǎn)向變軌操作;在風(fēng)速大于10.7 m/s的情況下，禁止進(jìn)行轉(zhuǎn)向變軌操作。

3 效益分析

雙向可轉(zhuǎn)向門式啟閉機(jī)由原來(lái)的單一功能擴(kuò)展為現(xiàn)在實(shí)施的4種功能:①防洪閘閘門啟閉;②引水閘閘門啟閉;③出口快速閘門和事故閘門的檢修;④水泵機(jī)組設(shè)備的吊裝和檢修。門式啟閉機(jī)功能擴(kuò)展后，其經(jīng)濟(jì)效益主要包括工程投資、運(yùn)行費(fèi)用和管理費(fèi)用，共計(jì)約390萬(wàn)元，節(jié)省的工程投資包括:①防洪閘閘墩以上排架、機(jī)架橋、啟閉機(jī)房、電氣及自動(dòng)化設(shè)備等;②引水閘檢修閘門啟閉機(jī)、排架、軌道和電氣設(shè)備等;③63 t/10 t雙梁雙鉤起重機(jī)、排架、軌道和電氣設(shè)備等。

韓莊泵站雙向可轉(zhuǎn)向門式啟閉機(jī)的應(yīng)用，集多功能于一體，省去了各建筑物“一對(duì)一”設(shè)置的固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)、電氣設(shè)備和高排架等機(jī)構(gòu)，提高了門式啟閉利用率，節(jié)約了工程投資，改善了站區(qū)整體環(huán)境(圖5)，為主廠房地面以上無(wú)建筑物的泵站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路，起到了示范作用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

圖5 韓莊泵站雙向可轉(zhuǎn)向門式啟閉機(jī)與副廠房

4 結(jié)語(yǔ)

雙向可轉(zhuǎn)向門式啟閉機(jī)在韓莊泵站現(xiàn)場(chǎng)組裝、調(diào)試和空載試運(yùn)行合格后，進(jìn)行了各類試驗(yàn):1.25倍額定荷載的靜載試驗(yàn)、1.1倍額定荷載的動(dòng)載試驗(yàn)［9］和變軌試驗(yàn)。在荷載試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果表明門架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均滿足要求;變軌操作試驗(yàn)表明運(yùn)行平穩(wěn)，滿足各功能要求。

［1］南水北調(diào)東線第一期工程韓莊運(yùn)河段工程可行性研究報(bào)告［R］.濟(jì)南:山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2003.

［2］杜選震，儲(chǔ)訓(xùn)，楊淮，等.南水北調(diào)東線工程大型泵站設(shè)計(jì)研究［J］.水利水電科技進(jìn)展，2003，23(5):40.(DU Xuanzhen，CHU Xun，YANG Huai，et al.Design and research on large pumping station of the east-route of southto-north water diversion project［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2003，23(5):40.(in Chinese))

［3］黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司.用于壩體閘門的斜拉雙向門式啟閉機(jī):中國(guó)，201110095317.4［P］.2012-04-18.

［4］臧海燕，李一馥，葛忠權(quán)，等.大跨度雙向門機(jī)設(shè)計(jì)及在航電樞紐中的應(yīng)用［J］.水運(yùn)工程，2008(5):132-135.(ZANG Haiyan，LI Yifu，GE Zhongquan，et al.Largespan double-way gantry crane design and Its application in navigation-power junction［J］.Port＆ Waterway Engineering，2008(5)，132-135.(in Chinese))

［5］張質(zhì)文.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1998:82-84.

［6］杜培文，許志剛，于秀香，等.門式啟閉機(jī)的旋轉(zhuǎn)軌道裝置:中國(guó)，200920239023.2［P］.2010-07-07.

［7］杜培文，高峰，許志剛，等.門式啟閉機(jī)車輪組轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu):中國(guó)，200920239022.8［P］.2010-07-07.

［8］杜培文，高峰，許 志 剛，等.門式 啟閉 機(jī):中 國(guó)，200910019176.0［P］.2011-11-09.

［9］SL 381—2007 水利水電工程啟閉機(jī)制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范［S］.

Design of bidirectional and turning gate hoist in Hanzhuang pump station of South-to-North Water Transfer

Project

ZHU Fengshan，DU Peiwen，XU Zhigang(Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy，Jinan250013，China)

In order to hoist a pumping unit efficiently，and to open-close and overhaul gate efficiently，a rotation pitch point and the gate hoist with turning mechanism were designed.Based on a static load test with 1.25 times rated load and a dynamic load test with 1.1 times rated load，the stress-strain of the portal frame was studied.The results show that the strength and stiffness of the portal frame of bidirectional and turning gate hoist can be satisfactory.Transferring the rail is a smooth operation and meets multifunctional requirements，which increases the utilization of gate hoist and reduces the project cost.

gate hoist;rotation rail;rotary bearing;rail brakes;steering mechanism;Hanzhuang pump station

TV 664.3

B

1006-7647(2013)01-0074-03

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.01.017

祝鳳山(1977—)，男，山東成武人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及渠道襯砌設(shè)備研究和開(kāi)發(fā)工作。E-mailzfs@sina.com

2012-04-19 編輯:周紅梅)