連江西牛航運(yùn)樞紐工程雙向門式啟閉機(jī)設(shè)計(jì)

陸海軍 楊美潔

（中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司 廣東廣州 510610）

1 工程概況

隨著啟閉機(jī)技術(shù)的大力推廣及應(yīng)用，門式啟閉機(jī)在水利、水電建設(shè)，火電建設(shè)，航運(yùn)建設(shè)，港口運(yùn)輸上的應(yīng)用越來(lái)越廣。連江西牛航運(yùn)樞紐工程地處廣東省連江下游，位于西牛鎮(zhèn)上游3km處，上距架橋石樞紐12.3km，下距連江口35.4km。電站廠房為擋水建筑物的一部分，廠房進(jìn)水口在約90m長(zhǎng)度的大壩范圍內(nèi)布置有3臺(tái)3.3MW燈泡貫流式機(jī)組，呈一列式布置，3臺(tái)機(jī)組共設(shè)3扇進(jìn)水口檢修閘門和3扇攔污柵。在電站廠房進(jìn)水口平臺(tái)頂部38.5m高程，設(shè)置了一臺(tái)2×800kN雙向門式啟閉機(jī)（以下簡(jiǎn)稱門機(jī)），運(yùn)行在整個(gè)廠房段約88m長(zhǎng)度范圍內(nèi)。

門機(jī)主小車起升機(jī)構(gòu)設(shè)有高低兩種起升速度，高速用于啟閉液壓清污耙斗進(jìn)行清污，低速用于啟閉進(jìn)水口檢修閘門和攔污柵。閘門、攔污柵在水下的自動(dòng)掛脫分別通過(guò)進(jìn)水口檢修閘門液壓自動(dòng)抓梁、攔污柵液壓自動(dòng)抓梁來(lái)完成。廠房機(jī)電設(shè)備的卸車和吊運(yùn)安裝通過(guò)主起升機(jī)構(gòu)配平衡梁來(lái)進(jìn)行。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 主要組成部分

門機(jī)主要由以下部分組成：主小車、大車走行機(jī)構(gòu)、門架、副起升機(jī)構(gòu)、司機(jī)室、電纜卷筒、夾軌器、小車供電裝置、液壓自動(dòng)抓梁、平衡梁、液壓清污耙斗、軌道、電氣設(shè)備等，如圖1所示。

2.2 主小車

主起升機(jī)構(gòu)、小車走行機(jī)構(gòu)、小車架、小車罩、檢修吊、小車錨定裝置、夾軌器等組成主小車。主小車移動(dòng)方向平行于水流向并與門機(jī)大車軌道垂直。

圖1 門機(jī)總圖

2.2.1 主起升機(jī)構(gòu)

主起升機(jī)構(gòu)采用雙卷筒同軸線分別驅(qū)動(dòng)布置方案，兩套起升機(jī)構(gòu)各自有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)通過(guò)高速軸帶動(dòng)減速器，減速器低速軸驅(qū)動(dòng)開(kāi)式齒輪，通過(guò)開(kāi)式齒輪變速后，驅(qū)動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，收放纏繞在卷筒上的鋼絲繩，帶動(dòng)動(dòng)滑輪裝置、液壓自動(dòng)抓梁及閘門上升或下降。起升減速器采用中硬齒面起重機(jī)用底座式減速器傳動(dòng)，齒輪齒面接觸強(qiáng)度較傳統(tǒng)軟齒面減速器大有提高。在啟閉機(jī)重載運(yùn)行時(shí)，能夠有效避免減速器齒輪點(diǎn)蝕和膠合破壞的產(chǎn)生，設(shè)備的安全和可靠性得到提高。兩套起升機(jī)構(gòu)在減速器低速軸處用聯(lián)軸器剛性聯(lián)接，保證雙吊點(diǎn)在運(yùn)行過(guò)程中機(jī)械同步。減速器高速軸上，設(shè)置了一套工作制動(dòng)器，采用電力液壓塊式制動(dòng)器。主起升機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主起升機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)表

主起升機(jī)構(gòu)要求設(shè)兩檔運(yùn)行速度，運(yùn)行速度差別較大。設(shè)計(jì)中原來(lái)考慮采用雙速電機(jī)，直接啟動(dòng)，通過(guò)切換電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)不同繞組，實(shí)現(xiàn)變速。但存在以下缺點(diǎn)：每檔速度為固定值，檔與檔之間不能再進(jìn)行高中低檔的調(diào)速，滿足不了運(yùn)行要求；直接啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)電流大，機(jī)構(gòu)運(yùn)行振動(dòng)大。最終采用了變頻電機(jī)加變頻器控制設(shè)計(jì)，既能滿足多級(jí)調(diào)速要求，又能確保機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)。變頻電動(dòng)機(jī)1～50Hz時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，啟閉閘門，50～100Hz時(shí)為恒功率調(diào)速，啟閉清污耙斗清污。

主起升機(jī)構(gòu)的鋼絲繩采用了螺旋繩槽卷筒單層纏繞的方式。主要考慮以下因素：

（1）總起升揚(yáng)程30m，屬于中低揚(yáng)程；

（2）門機(jī)承擔(dān)廠房機(jī)電設(shè)備的安裝任務(wù)，對(duì)雙吊點(diǎn)的同步要求高，采用螺旋繩槽卷筒單層纏繞能更有效保證雙吊點(diǎn)的同步性。

雙吊點(diǎn)啟閉機(jī)影響吊點(diǎn)同步因素包括：卷筒的轉(zhuǎn)速、卷筒直徑誤差、鋼絲繩纏繞的不均勻性和鋼絲繩直徑允許偏差等。其中鋼絲繩纏繞的均勻性是關(guān)鍵因素。當(dāng)卷筒采用多層纏繞時(shí)，起升機(jī)構(gòu)雙吊點(diǎn)只有在纏繞第一層鋼絲繩時(shí)在繩槽的約束和導(dǎo)向下能保持可靠同步。在第二層及以上各層纏繞時(shí)，由于沒(méi)有了繩槽，不能保證鋼絲繩會(huì)纏繞均勻，有可能在某個(gè)位置上或在某時(shí)出現(xiàn)鋼絲繩跳槽亂繩，兩卷筒出現(xiàn)該現(xiàn)象的位置和時(shí)機(jī)不一樣，當(dāng)兩卷筒同時(shí)旋轉(zhuǎn)一圈，兩卷筒上纏繞的鋼絲繩的長(zhǎng)度是會(huì)有差異的，誤差較大時(shí)就會(huì)引起兩個(gè)吊點(diǎn)升降不同步。鋼絲繩纏繞越多層數(shù)，出現(xiàn)不同步的機(jī)率和程度就越大，所以為了保證鋼絲繩纏繞均勻應(yīng)選用單層纏繞。同時(shí)設(shè)計(jì)中還要求對(duì)鋼絲繩采取預(yù)拉伸處理措施，目的是消除鋼絲繩內(nèi)部間隙, 使其結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，提高2根鋼絲繩纏繞時(shí)的同步精度。

2.2.2 小車走行機(jī)構(gòu)

小車走行機(jī)構(gòu)采用分別驅(qū)動(dòng)，共設(shè)4個(gè)走行輪，2個(gè)主動(dòng)輪，2個(gè)從動(dòng)輪。主動(dòng)輪采用〝三合一〞減速裝置全封閉傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速機(jī)三合一體，電機(jī)帶防雨罩。小車走行機(jī)構(gòu)中設(shè)置有行程限位裝置、當(dāng)小車行走至極限位置時(shí)，可自動(dòng)切斷小車走行機(jī)構(gòu)的電源來(lái)進(jìn)行限位保護(hù)。小車走行機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

2.3 副起升機(jī)構(gòu)

采用CD1 10-24D電動(dòng)葫蘆作為副起升機(jī)構(gòu)，可啟吊壩面上零星物品，啟閉力100kN，總揚(yáng)程為 24m，啟閉速度 7m/min。電動(dòng)葫蘆布置在門機(jī)上游左側(cè)，可沿門架主梁方向行走，行走速度20m/min。門架上部設(shè)有副起升檢修平臺(tái)。

2.4 大車走行機(jī)構(gòu)

大車走行機(jī)構(gòu)共四組，每組結(jié)構(gòu)型式相同，由走行臺(tái)車、支承架、緩沖器、夾軌器、行程開(kāi)關(guān)等部件組成，分別安裝在四個(gè)門腿對(duì)應(yīng)的下橫梁下部。每組走行機(jī)構(gòu)由一套走行臺(tái)車通過(guò)鉸軸和支承架連接，支承架通過(guò)法蘭與門架下橫梁連接。每套走行臺(tái)車由一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)輪組成，每個(gè)主動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)裝置采用一套 TAF“三合一”減速器全封閉傳動(dòng)。大車走行機(jī)構(gòu)共設(shè)走行車輪8個(gè)，其中主動(dòng)輪4個(gè)，從動(dòng)輪4個(gè)。大車走行機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 小車走行機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)表

表3 大車走行機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)表

2.5 門架

門架由上平臺(tái)、門腿、下橫梁、中橫梁、梯子和欄桿平臺(tái)等構(gòu)件組成。它們之間構(gòu)成三個(gè)互相垂直、各節(jié)點(diǎn)為剛性的空間框架。主框架即軌距平面，由主梁、門腿組成為∏型；側(cè)框架即基距平面，由端梁、門腿及下橫梁組成等腰梯形；上平臺(tái)框架由主梁及端梁組成的矩形框架。

為了制造、運(yùn)輸、安裝方便，端梁與主梁之間采用高強(qiáng)螺栓連接。門腿上端與上平臺(tái)之間采用單片法蘭焊接，下端與下橫梁之間采用雙法蘭螺栓連接。中橫梁與門腿之間采用高強(qiáng)度螺栓連接。梯子和欄桿平臺(tái)等安裝時(shí)現(xiàn)場(chǎng)焊接。

2.6 液壓自動(dòng)抓梁和平衡梁

液壓自動(dòng)抓梁采用全行程液壓自動(dòng)穿軸型式，由自動(dòng)抓梁體、液壓穿軸裝置、液壓泵站裝置及管道、檢測(cè)裝置、電控設(shè)備等組成，其上吊耳與主起升機(jī)構(gòu)動(dòng)滑輪組連接，下吊耳設(shè)有液壓穿軸裝置，以實(shí)現(xiàn)該自動(dòng)抓梁與閘門間的自動(dòng)穿軸與退軸。液壓自動(dòng)抓梁采用電纜卷筒供電，電纜卷筒可自動(dòng)保持與起升機(jī)構(gòu)吊具的同步升降。

平衡梁配 500kN吊鉤用于電站機(jī)電設(shè)備的垂直進(jìn)廠吊運(yùn)及安裝。

2.7 液壓清污耙斗

液壓清污耙斗由耙斗架、油箱、油缸、轉(zhuǎn)耙和鏟齒等組成，通過(guò)油缸活塞桿的伸縮帶動(dòng)轉(zhuǎn)耙轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抓取和釋放污物。耙斗容積8m3,耙斗寬度8.85m，吊點(diǎn)距為4.5m，可直接與主起升機(jī)構(gòu)的動(dòng)滑輪連接。液壓清污耙斗與液壓自動(dòng)抓梁共用電纜卷筒供電。

3 運(yùn)行和設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 運(yùn)行特點(diǎn)

門機(jī)的大車走行機(jī)構(gòu)、小車走行機(jī)構(gòu)、主起升機(jī)構(gòu)、副起升機(jī)構(gòu)、檢修吊、液壓清污耙斗機(jī)構(gòu)之間均兩兩互為閉鎖，防止誤操作，其中任一機(jī)構(gòu)工作時(shí)，其余機(jī)構(gòu)均閉鎖。門機(jī)主要操作都在司機(jī)室內(nèi)進(jìn)行。

門機(jī)設(shè)小開(kāi)度行程（200mm）預(yù)置，滿足充水閥行程要求。

鋼絲繩纏繞方式、動(dòng)滑輪裝置、液壓自動(dòng)抓梁滿足閘門操作和閘門門槽尺寸要求。

門機(jī)大車及小車走行荷載限定為2×400kN，當(dāng)超載時(shí)，走行機(jī)構(gòu)將自動(dòng)斷電停止。

3.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

為了保證啟動(dòng)、制動(dòng)、運(yùn)行平穩(wěn)，門機(jī)主起升機(jī)構(gòu)采用了變頻調(diào)速設(shè)計(jì)，電動(dòng)機(jī)使用變頻電機(jī)，重載時(shí)低速采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速（1～50Hz），輕載時(shí)高速采用恒功率調(diào)速（50～100Hz）；變頻電機(jī)加變頻器的控制方式，實(shí)現(xiàn)了主起升機(jī)構(gòu)無(wú)級(jí)變速的啟閉功能。

門機(jī)主起升機(jī)構(gòu)采用了螺旋繩槽卷筒鋼絲繩單層纏繞等措施，使鋼絲繩在卷筒上均勻纏繞，保證了雙吊點(diǎn)的同步性，確保了起升機(jī)構(gòu)的安全運(yùn)行。

門機(jī)的小車、大車走行機(jī)構(gòu)均采用了“三合一”減速裝置，電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速機(jī)三合一體，該裝置具有模塊化設(shè)計(jì)、傳動(dòng)比范圍廣、安裝形式多樣、強(qiáng)度高、體積小、使用壽命長(zhǎng)、噪聲低、傳動(dòng)效率高、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

連江西牛航運(yùn)樞紐工程2×800kN雙向門式啟閉機(jī)已制造安裝完畢，并通過(guò)驗(yàn)收，投入使用多年，至今運(yùn)行良好，設(shè)備應(yīng)用結(jié)果表明，門機(jī)的設(shè)計(jì)是成功的，可為今后同類型的設(shè)計(jì)工作提供參考。

1 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2008.

2 張質(zhì)文, 王金諾等. 起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版). 北京:中國(guó)鐵道出版社, 2013.

3 《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T3811-2008). 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社2008.

4 《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL41-2011). 中國(guó)水利水電出版社. 2011.