淺談低溫狀態(tài)下門式啟閉機設(shè)計原則

劉 鵬 劉長亮 韓遠(yuǎn)征

（1.杭州江河機電裝備工程有限公司，浙江 杭州 310000；2.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江 杭州 310000；3.杭州江河機電裝備工程有限公司，浙江 杭州 310000）

在高緯度地區(qū)冬季的嚴(yán)寒天氣中，為了保證水電站能夠正常工作，門式啟閉機的設(shè)計、制造、使用維護(hù)應(yīng)考慮低溫環(huán)境的影響。

圖爾古松水電站位于哈薩克斯坦、東哈薩克斯坦州、濟良諾夫斯克市西北30公里處。電站為日調(diào)節(jié)型，河床式，電站廠房及安裝間作為擋水壩段的一部分，布置在圖爾古松河左岸，工程任務(wù)為發(fā)電，電站裝機總?cè)萘繛?4.9MW。冬季設(shè)計室外空氣溫度在-40℃左右。

門式啟閉機主要由產(chǎn)生運動的機構(gòu)、承受載荷的金屬結(jié)構(gòu)、提供動力和起控制作用的機電設(shè)備及各種電氣保護(hù)裝置等組成。

要保證門式啟閉機在低溫情況下正常工作，需要解決以下幾個問題。

一、保證傳動機構(gòu)的安全可靠

門式啟閉機的傳動機構(gòu)主要是起升機構(gòu)和運行機構(gòu)，起升機構(gòu)由電動機通過聯(lián)軸器經(jīng)減速器（開式齒輪）驅(qū)動卷筒旋轉(zhuǎn)，從而使繞在卷筒上的鋼絲繩帶動吊鉤裝置上升或下降；運行機構(gòu)采用有軌式運行，分散驅(qū)動的方式，采用結(jié)構(gòu)緊湊的“三合一”集成形式驅(qū)動車輪組，使啟閉機或小車做水平運動。

主要解決措施：（1）滿足低溫條件下重要外購件正常運行，例如低溫工況下電動機的選型；減速器增加加熱裝置；制動器的低溫適用；緩沖器選用耐低溫材料。

（2）通過選材、熱處理等步驟保證重要機械加工件的低溫抗脆性，例如開式齒輪、聯(lián)軸器等選擇低溫材料并進(jìn)行熱處理；卷筒使用焊接構(gòu)件，不得鑄造；車輪、吊鉤、滑輪和傳動軸等選用鍛造構(gòu)件并進(jìn)行熱處理。

（3）對裸露的重要部件加防護(hù)保溫裝置，例如大、小車三合一減速器增加電機罩阻隔冰雪、雨水侵入以防止結(jié)冰；超載限制器、編碼器等置于電氣柜外的電氣元件設(shè)置，防塵防雨罩、防止灰塵和潮濕；為起升機構(gòu)增設(shè)帶有保溫隔層的機房[1]。

（4）設(shè)計傳動機構(gòu)時應(yīng)減少沖擊和降低傳動過程，例如電動機采用軟啟動、PLC+變頻器的控制方式。

（5）其他防寒措施等，例如大小車端部設(shè)置清軌裝置對冬季軌道積雪進(jìn)行清理；各機構(gòu)潤滑油脂和液壓油等油料采用低溫適用或者根據(jù)冬夏季進(jìn)行更換；啟閉機軌道應(yīng)采用特殊設(shè)計配備自動調(diào)溫器。

二、低溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)主材性能變化

門式啟閉機鋼結(jié)構(gòu)主要由門架和小車架組成，包括主梁、上橫梁、中橫梁、下橫梁、門腿、臺車架等，梁體為箱型結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)的抗脆性受溫度影響較大，其變化隨溫度的降低而迅速下降，因此在低溫環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)的抗脆性設(shè)計和強度設(shè)計同樣重要。

針對低溫情況下的鋼材特點，我們做出以下解決措施。

（1）合理選材，提高鋼材質(zhì)量等級，并不得采用沸騰鋼，在零下40℃的情況下通常選用Q345E低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。對于一些有條件的企業(yè)或者非常重要的機械設(shè)備，可以進(jìn)行低溫環(huán)境下力學(xué)性能的檢驗檢測，同時進(jìn)行焊接工藝的評定。

（2）啟閉機鋼結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下的抗脆能力主要與結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度、鋼材的厚度及低溫環(huán)境的溫度有關(guān)系。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)避免應(yīng)力集中，注意焊縫交匯處、尖角、開孔、截面突變的位置，否則局部應(yīng)力過大會造成鋼材脆裂，結(jié)構(gòu)失效。焊縫的布置不宜重疊交錯，應(yīng)適當(dāng)分散；減少約束，要盡量保證焊縫能自由變形；不采用單邊搭接焊縫，盡量采用對接焊縫，減少應(yīng)力集中。結(jié)構(gòu)件上不宜有尖銳角或曲率很大的孔，尖角改為圓角過渡的方式，避免應(yīng)力集中，必須開孔時應(yīng)采取措施加強孔的周邊，即貼板“鑲?cè)Α盵2]。

（3）對主要受力構(gòu)件，例如小車架主梁、端梁，門架主梁、支腿、臺車架等，進(jìn)行抗脆性計算，且低溫情況下盡量采用較薄的鋼板，不選用超過36mm的鋼板作為承載結(jié)構(gòu)[3]。

三、電氣設(shè)備的加熱和保溫措施以及電氣保護(hù)裝置的低溫選型

電氣設(shè)備包括供電電源，各機構(gòu)的配電、控制、保護(hù)、信號、監(jiān)控以及照明控制。電氣系統(tǒng)中的各元件要求正常的工作溫度范圍一般為0℃～40℃，過低的溫度會對電氣元件產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致元件性能參數(shù)發(fā)生變化。因此為使啟閉機在低溫下正常工作，應(yīng)采取相應(yīng)的措施。

（1）門機PLC采用低溫產(chǎn)品，在-40℃環(huán)境溫度下可正常工作，安全可靠。PLC作為門機的整個控制系統(tǒng)的核心，通過PLC來采集各種信號，運用PLC內(nèi)部的虛擬觸點來實現(xiàn)整機各機構(gòu)的時序邏輯控制，屬“軟觸點”控制，可以大大減少控制柜內(nèi)的中間繼電器和時間繼電器，“軟觸點”不會因為長期使用而損壞，從而可以大大減少電氣系統(tǒng)的硬件故障，提高系統(tǒng)控制的可靠性。門機運行電控系統(tǒng)中的變頻器還具有完善的自診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)各種故障自診斷及顯示報警功能。

（2）考慮到環(huán)境對門機控制系統(tǒng)的影響，電氣設(shè)計中采取了設(shè)置獨立的電氣室進(jìn)行保溫，選用耐低溫元件及各控制柜中加裝除濕裝置等措施，以確保設(shè)備能在極低溫環(huán)境下長期穩(wěn)定正常運行。

（3）對于必須暴露在室外的電線電纜、插座、照明設(shè)備、限位開關(guān)等電氣元件，在設(shè)計時應(yīng)注意其工作溫度范圍，選用符合低溫的電氣元件或向元件供貨商提出溫度要求。大車滑線應(yīng)采用特殊設(shè)計并配有條狀加熱器。

（4）電氣保護(hù)裝置包括主隔離開關(guān)，總電源的短路保護(hù)，瞬時斷電失壓保護(hù)，零位保護(hù)，超載保護(hù)，超頻、超速保護(hù)，編碼器異常保護(hù)，緊急斷電開關(guān)，限位保護(hù)，行程保護(hù)（起升上下極限、運行極限），聯(lián)鎖保護(hù)，接地保護(hù)，風(fēng)級風(fēng)速報警，避雷針等各種保護(hù)措施。其中一些暴露在室外的傳感器在選型時要選低溫性能良好、傳感性能靈敏的傳感器。

四、其他低溫注意事項

使用廠家在購置啟閉機設(shè)備時，會把環(huán)境的絕對最低溫度和設(shè)計溫度寫到采購合同中，而啟閉機的設(shè)計溫度要高于當(dāng)?shù)氐慕^對最低溫度，因此當(dāng)啟閉機處于絕對最低溫度的環(huán)境時，啟閉機不應(yīng)處于載重工作狀態(tài)，尤其是冬天水下條件復(fù)雜，閘門容易結(jié)冰，會導(dǎo)致嚴(yán)重的鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞，造成重大事故。因此在低溫工作環(huán)境下的啟閉機，應(yīng)說明啟閉機最低設(shè)計溫度，即工作狀態(tài)的最低溫度，不得在此溫度以下負(fù)載運行。

在低溫環(huán)境下，一般冰雪天氣較多，有時甚至?xí)斜┭┨鞖?，?yīng)考慮由暴雪引起的偶然載荷；對于啟閉機易造成積雪的部位，應(yīng)及時進(jìn)行清理。門式啟閉機一般工作在露天環(huán)境中，考慮到積雪融化后再次結(jié)冰可能會使啟閉機車輪、夾軌器、錨定裝置、供電電纜等凝結(jié)在地面構(gòu)件上，故要求土建設(shè)計時應(yīng)使大車軌道高于地面，鋼軌的安裝槽及供電電纜溝應(yīng)排水通暢，以避免積水。另外，在啟閉機使用維護(hù)說明書中要特別強調(diào)使用廠家應(yīng)及時清理積雪及處理融雪積水[4]。

五、主要結(jié)論

低溫環(huán)境下使用的啟閉機有著特殊的要求，本文通過案例討論了低溫情況在設(shè)計時必須注意啟閉機的金屬結(jié)構(gòu)，各機構(gòu)零部件及電氣設(shè)備等三個主要方面，滿足當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件以及合同要求。該案例的應(yīng)用，證明了該設(shè)計在低溫高寒工況下時能正常工作并取得了良好的效果。