大跨度門式啟閉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

趙沃洲,許定光

(廣東江海機(jī)電工程有限公司，廣東 廣州 510500)

1 概述

隨著國內(nèi)水路運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，船閘的規(guī)模越來越大，為優(yōu)化樞紐布置，降低建設(shè)成本，大跨度門式啟閉機(jī)在船閘工程中的應(yīng)用越來越廣泛，掌握大跨度門式啟閉機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，對提高水利產(chǎn)品的質(zhì)量以及拓寬水利產(chǎn)品的應(yīng)用有很好的促進(jìn)作用。

大跨度門式啟閉機(jī)的主要特點(diǎn)為跨度大(L>35 m)、門架結(jié)構(gòu)件尺寸大、運(yùn)行軌道長、同步要求高等。大跨度門式啟閉機(jī)的制造和安全運(yùn)行需要解決大跨度主梁制造、大型門架預(yù)拼裝、大車行走機(jī)構(gòu)同步控制、動滑輪裝置水下旋轉(zhuǎn)等關(guān)鍵技術(shù)問題。

廣東某船閘樞紐用于啟閉上、下閘首檢修閘門的操作設(shè)備為1 600 kN/250 kN-47 m門式啟閉機(jī)(見圖1)。該門式啟閉機(jī)的工作級別為A3，門機(jī)跨度為47 m，行走距離為327 m；主鉤額定起重量為1 600 kN，主起升總揚(yáng)程為35 m，軌上揚(yáng)程為13 m；副鉤額定起重量為250 kN，總揚(yáng)程為36 m；主梁總長為71 m；大車行走采用8個主動8個從動的變頻驅(qū)動，小車行走2個主動2個從動的變頻驅(qū)動。文章以該門式啟閉機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)為例，論述大跨度門式啟閉機(jī)研制需注意的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，提高大跨度門式啟閉機(jī)制造質(zhì)量水平和使用安全性。

圖1 門式啟閉機(jī)安裝現(xiàn)場

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大跨度門式啟閉機(jī)主梁制造技術(shù)[1-2]

大跨度門式啟閉機(jī)主梁制造關(guān)鍵技術(shù)主要包括：上拱控制、分段拼裝、焊接變形控制等。此門式啟閉機(jī)的上部橋架主梁長為71 m，截面高為3.0 m×寬1.4 m，單條主梁重為112.5 t，主要材料為Q345B，為箱型梁結(jié)構(gòu)。由于單件起吊重量大以及公路運(yùn)輸?shù)南拗?，需根?jù)生產(chǎn)車間的吊裝條件和運(yùn)輸條件，此主梁的制造采用分段制造，整體組裝的制造方式，每條主梁分3段，最重的單件重量為42 t，單件最長為24.5 m。

1) 主梁下料

主梁的關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)是主梁上拱度，主梁要求上拱度在0.9‰～1.4‰，經(jīng)計算可知上拱度控制數(shù)為42.3～65.8 mm，上拱控制按式(1)計算：

F=f技-f焊-f自+k

(1)

式中F為上拱度下料值;f技為設(shè)計上拱中間值，此處取54.05 mm；f焊為主梁在垂直方向的焊接撓曲變形，本例梁高接近3 m，焊接變形較小，取0；f自為主梁自重下?lián)?，本例按計算?20 mm；k為調(diào)整系數(shù)，本例為偏軌箱型梁，取k值為10 mm。

根據(jù)以上計算結(jié)果，F(xiàn)=84.05 mm，在47 m跨內(nèi)按照84 mm上拱度下料，最大上拱度控制在主梁中間4 700 mm范圍內(nèi)，由于小車極限位置在門腿中心，兩端的懸臂不需要上拱度。主梁上的上拱度是通過腹板下料預(yù)制時實(shí)現(xiàn)的，腹板下料時的上拱度曲線按二次拋物線制作，計算按公式(2)：

(2)

式中fx為主梁從某一端算起任意點(diǎn)的上拱度；fmax為主梁最上拱度，即主梁長度中點(diǎn)的上拱度標(biāo)高；x為從主梁某一端算起的任意距離；LK為主梁的跨度。

由于主梁總長達(dá)到71 m，根據(jù)制造吊裝和運(yùn)輸條件，采用分3段制造(如圖2所示)，下料時把主梁腹板按圖拼接好，要分段的地方貼緊并點(diǎn)焊，按上述公式計算數(shù)值劃線、切割，然后在車間內(nèi)分3段進(jìn)行主梁的拼裝和焊接。

圖2 主梁分段示意(單位：mm)

2) 主梁拼裝

該門機(jī)主梁腹板高度為2.95 m，門腿位置接近4 m，腹板和翼板分段后的長度最短的也有22 m長，如果采用常規(guī)的腹板立式拼裝工藝，吊裝、定位、焊接比較困難，因此，主梁拼裝時采用腹板臥式的拼裝工藝。先搭好工作平臺，將按上述下好料的第一件腹板水平放置在平臺上并固定，按圖組裝隔板，焊接定位焊，裝焊上翼板，最后裝焊另一件腹板；梁內(nèi)焊縫全部焊完并校正，隱蔽工程檢驗(yàn)合格后，這時整條梁形成一剛性的整體，吊裝、翻轉(zhuǎn)都比較容易。將梁翻90°，即下翼板朝上，開始安裝下翼板；焊接定位焊，拼裝完成后再翻90°校正水平，防止梁在焊接過程中出現(xiàn)扭曲變形，用埋弧自動焊水平進(jìn)行梁外腹板與翼板的焊接；焊完翻180°再焊另一面。

3) 主梁焊接

焊接前應(yīng)對焊工進(jìn)行焊接技術(shù)交底，按焊接材料選用合適的焊接工藝，該主梁的材料為Q345B，梁外腹板與翼板的焊接采用埋弧自動焊(具體參數(shù)見表1)采用焊絲配焊劑，其余焊縫的焊接采用二氧化碳保護(hù)焊(見表2)，采用焊絲。

加強(qiáng)對焊接過程的檢驗(yàn)控制和焊后檢驗(yàn)的控制，以保證焊縫質(zhì)量。焊接順序?yàn)橄群噶簝?nèi)隔板與腹板的角接焊縫，由偶數(shù)焊工采用手工對稱焊接，分段退焊；接著焊接腹板與翼板的內(nèi)側(cè)平角焊，用雙數(shù)合格焊工對稱施焊，由中間向兩頭焊。焊接翼臥板和腹板4條主縫時應(yīng)保證焊縫方向一致，防止變形。焊接外部焊縫時，先將主梁校正水平固定、清根，采用埋弧自動焊施焊，焊接時要同一方向施焊，以防止發(fā)生扭曲變形。

表1 埋弧自動焊主要焊參數(shù)

表2 二氧化碳保護(hù)焊主要焊接參數(shù)

2.2門架預(yù)拼裝的分塊組合拼裝技術(shù)[3]

對于大跨度門式啟閉機(jī)，門架的制造和組裝是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，按照常規(guī)做法，門架需在廠內(nèi)整體預(yù)拼裝，但此門架總高度為17 m，主梁長度為71 m，上部橋架總重量達(dá)到265 t，對廠內(nèi)拼裝場地的要求高，難布置，同時吊裝難度大，吊裝時間長，安全方面隱患多，拼裝成本高。

經(jīng)仔細(xì)研究，對于這種大跨度門式啟閉機(jī)，門架的預(yù)拼裝可采用分塊組合拼裝的方式代替整體拼裝，既能保證拼裝質(zhì)量，還可以大幅度降低對場地、吊裝設(shè)備等的要求，降低拼裝成本。門架主要由上部橋架、剛門腿、柔門腿(含鉸支座)、中橫梁、下橫梁組成。門架分三大部分進(jìn)行拼裝：上部橋架的拼裝；剛門腿與中橫梁及下橫梁的拼裝；柔門腿與中橫梁及下橫梁的拼裝。門架的分塊組合拼裝技術(shù)通過下述幾項(xiàng)關(guān)鍵工藝實(shí)施：

1) 上部橋架拼裝

上部橋架2條主梁各分3段制造，焊接完成，經(jīng)檢驗(yàn)，焊縫的質(zhì)量，每段的上拱度合格。2條端梁分別整體下料焊接并配鉆好分段處的連接板；然后在地面放好門腿的十字中心線和控制線，把分3段制造的主梁按圖紙拼成1條完整的主梁，分段連接處的腹板、翼板要貼緊，并用板臨時固定，檢查整條梁的上拱度是否符合要求，合格后分段處配鉆連接板螺栓孔并擰緊。依次拼裝另一條主梁，最后將端梁與主梁拼裝焊接好，形成上部橋架整體結(jié)構(gòu)，測量合格后安裝軌道并加固。然后吊上小車進(jìn)行空載試驗(yàn)，檢驗(yàn)小車各機(jī)構(gòu)是否正常，檢驗(yàn)上部橋架的拼裝質(zhì)量。

2) 剛門腿與中橫梁及下橫梁的拼裝

下橫梁焊接完成，檢驗(yàn)合格后，按圖加工好下橫梁與輪架的連接平面及與門腿的連接平面，然后門腿的連接板與下橫梁進(jìn)行配鉆后用螺栓連接；加工好剛性門腿與上部橋架的連接板；在地面搭設(shè)拼裝平臺并放出控制線，按下橫梁(已裝好連接板)→剛門腿→與上部橋架的連接板→中橫梁的順序按控制線進(jìn)行拼裝(見圖3所示)；先點(diǎn)焊，再次測量合格后先對各結(jié)構(gòu)件進(jìn)行臨時加固再進(jìn)行焊接，焊接時采取小電流焊接，避免大電流焊接的熱量輸入，控制好焊接變形，在焊接過程中采取措施保證門腿的精度。

3) 柔門腿與中橫梁及下橫梁的拼裝

柔門腿與剛門腿基本相同，唯一差別就是柔門腿通過鉸支座與上部橋架連接；需先加工好鉸支座與柔門腿的連接面和連接板，鉆孔后裝好連接螺栓，鉸支座在鏜孔前已經(jīng)用角鋼臨時連成整體，以保證制作上下平面的精度；其他步驟與剛門腿相同。

通過以上嚴(yán)格的過程控制，保證了各部分拼裝的精度，同時控制好車輪組與下橫梁的組裝精度，采取在車間內(nèi)分塊組合拼裝的方式，可以滿足門架拼裝的質(zhì)量要求。

圖3 門架剛門腿拼裝示意

2.3動滑輪裝置水下旋轉(zhuǎn)技術(shù)

為滿足將閘門從檢修門槽旋轉(zhuǎn)±90°進(jìn)入閘門儲存門槽的要求，采用動滑輪裝置旋轉(zhuǎn)技術(shù)。該動滑輪裝置帶有電動液壓旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，吊叉可在空中±90°旋轉(zhuǎn)，帶動液壓抓梁與閘門跟著吊叉旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動力來自安裝在動滑輪裝置上的小型液壓站驅(qū)動的液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)帶動齒輪組，再通過軸鍵帶動吊叉轉(zhuǎn)動；吊叉上安裝有移軸裝置控制，移軸裝置通過轉(zhuǎn)動螺桿，方便實(shí)現(xiàn)吊叉與液壓自動抓梁之間的裝拆；由于動滑輪裝置有時需要在水下工作，為了解決水下供電及防水技術(shù)難題，采用了整體密閉式液壓驅(qū)動及防水電纜供電方式，液壓驅(qū)動可在水底下工作，電纜的防水采用航空插頭與空氣護(hù)罩的方式。

2.4 大車行走機(jī)構(gòu)同步控制技術(shù)[4-5]

在實(shí)際使用中由于大車軌道高低和平行偏差造成運(yùn)行阻力的不同、大車行走輪直徑的偏差、電動機(jī)轉(zhuǎn)速的偏差、位移傳感器的測量精度等諸多因素的影響，導(dǎo)致腿兩側(cè)在運(yùn)行一段時間后會產(chǎn)生快慢不一的現(xiàn)象，造成嚴(yán)重啃軌，大跨度門機(jī)出現(xiàn)此問題的可能性更大，在制造過程中必須采取糾正措施解決此問題。

首先，在機(jī)械設(shè)計上需采用成熟的“一剛一柔”的門腿設(shè)計方案，剛性門腿主要承受水平產(chǎn)生的彎距，和上平臺剛性連接，通常較粗；柔門腿設(shè)計成鉸接方式，釋放彎距，補(bǔ)償?shù)踔禺a(chǎn)生的側(cè)向推力，減少因溫度變化對主梁長度的影響。

其次，在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計上，采用電氣自動糾偏進(jìn)行同步運(yùn)行控制。主要采取以下方案：

①在剛、柔門腿的兩側(cè)各安裝一個位移編碼器，以獲取剛性腿和柔性腿的實(shí)際運(yùn)行距離，通過PLC計算剛、柔門腿的行走偏差，當(dāng)偏差超過設(shè)計允許值時(可在0～200 mm設(shè)定，本門機(jī)設(shè)為100 mm)，PLC輸出控制信號通過變頻器對剛或柔門腿側(cè)的大車行走電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)大車運(yùn)行的自動糾偏，使剛、柔門腿兩側(cè)的運(yùn)行同步，保證設(shè)備安全運(yùn)行。

②在門機(jī)行程的原始零位(一般為大車軌道有防風(fēng)錨定那一邊的端部)設(shè)置有兩個限位塊，當(dāng)門機(jī)每次走到該位置時行程開關(guān)碰到限位塊時，對剛、柔門腿的位移傳感器進(jìn)行強(qiáng)制清零，自動消除大車長行程運(yùn)行產(chǎn)生的累積測量誤差。

③采用獨(dú)立的控制系統(tǒng)進(jìn)行大車行走同步運(yùn)行控制，提高了運(yùn)行的可靠性。按規(guī)定該門機(jī)必須設(shè)安全監(jiān)控系統(tǒng)，正常的控制方案都是采用該安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行同步糾偏控制，由于安全監(jiān)控系統(tǒng)包括的輸入信號比較多，容易發(fā)生故障，如果直接采用該系統(tǒng)進(jìn)行同步控制，可能會因?yàn)橐恍┬〉墓收隙鴮?dǎo)致無法進(jìn)行同步控制，影響門機(jī)的正常使用；該門機(jī)的安全監(jiān)控系統(tǒng)只負(fù)責(zé)安全保護(hù)和監(jiān)視、運(yùn)行記錄，兩側(cè)大車運(yùn)行的偏差只起報警作用，沒有參與同步控制，提高了同步控制的可靠性。

通過采用上述同步控制技術(shù)，解決了大跨度長行程門機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)的同步運(yùn)行問題，避免發(fā)生啃軌現(xiàn)象。

3 結(jié)語

目前已經(jīng)有2臺同類型門式啟閉機(jī)應(yīng)用以上關(guān)鍵技術(shù)制造完畢，制造質(zhì)量符合合同以及《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范(GB/T 3811—2008)》《通用門式起重機(jī)(GB/T 14406—2011)》要求，產(chǎn)品均已通過出廠驗(yàn)收并在現(xiàn)場安裝完畢，已通過特種設(shè)備檢測并投入正常使用，質(zhì)量符合《門式起重機(jī)型式試驗(yàn)細(xì)則(TSG Q 7003—2007)》及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。該關(guān)鍵技術(shù)切實(shí)可行，還可在類似的大跨度門式啟閉機(jī)或橋式起重機(jī)推廣應(yīng)用，有利于進(jìn)一步提高產(chǎn)品技術(shù)水平和制造質(zhì)量水平，降低制造成本。