白鶴灘水電站臺(tái)式啟閉機(jī)臨空面檢修平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 樓，王樹(shù)強(qiáng)，唐 剛

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

1 工程概況

白鶴灘水電站攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程為834.00 m，最大壩高289.00 m，拱壩頂中心線全長(zhǎng)708.7 m，是目前在建規(guī)模世界第一的水電工程。在機(jī)組檢修期間，上游進(jìn)水口與下游尾水管檢修閘門入槽擋水，為機(jī)組檢修創(chuàng)造無(wú)水流條件。左右岸尾水管各設(shè)置有2 臺(tái)4 000 kN 臺(tái)式啟閉機(jī)，用于尾水管檢修閘門的啟閉工作。

2 項(xiàng)目實(shí)施背景

白鶴灘水電站建成后將成為國(guó)內(nèi)規(guī)模僅次于三峽水利樞紐的第二大水電站，永久設(shè)備的安全性和運(yùn)行穩(wěn)定性尤為重要。為保證水電站內(nèi)臺(tái)車運(yùn)行可靠性，需要對(duì)臺(tái)車進(jìn)行定期維護(hù)和檢修，對(duì)于臺(tái)車的端梁部位的維護(hù)是一個(gè)難點(diǎn)。

臺(tái)車兩側(cè)行走機(jī)構(gòu)部位內(nèi)側(cè)為閘門孔口，為移動(dòng)設(shè)備臨空面。在內(nèi)側(cè)臨空面對(duì)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢修時(shí)，無(wú)法保證作業(yè)人員的安全，給臺(tái)車的日常維護(hù)和定期檢修帶來(lái)不便，影響設(shè)備安全穩(wěn)定性。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種體積小、可拆裝的輕型臨空檢修平臺(tái)。本文主要研究了臨空檢修平臺(tái)的工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，在此基礎(chǔ)上分析了各構(gòu)件承受載荷情況以及在兩種工況下的應(yīng)力和位移分布規(guī)律，保證新產(chǎn)品更加安全可靠，也為同類型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供 依據(jù)。

圖1 臺(tái)式啟閉機(jī)臺(tái)車架示意圖 （矩形框里位置為端梁上的高強(qiáng)螺栓連接處）

3 現(xiàn)有臺(tái)車臨空面檢修方式及存在問(wèn)題

3.1 大修期間的臨空面檢修方式

大型檢修時(shí)，現(xiàn)有臨空位置端梁部位的檢修方式為將臺(tái)車駛離閘門孔口，運(yùn)行至墩墻位置，再在墩墻頂部采用搭設(shè)腳手架的方式進(jìn)行檢修。因此會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：①腳手架搭設(shè)作業(yè)量大，耗費(fèi)時(shí)間和人工量大；②只能在固定位置檢修，無(wú)法對(duì)臨空面車輪運(yùn)行情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察。

3.2 常規(guī)檢修時(shí)的臨空面檢修方式

臺(tái)車行走機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)為門槽孔口部位，在對(duì)臺(tái)車行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行常規(guī)檢修時(shí)，需要檢修人員在軌道兩側(cè)互相配合。為保證作業(yè)人員安全，檢修人員進(jìn)入軌道臨空側(cè)施工時(shí)與非臨空側(cè)人員配合對(duì)臺(tái)車行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢修。在對(duì)行走機(jī)構(gòu)檢修時(shí)會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題：①常規(guī)檢修時(shí)作業(yè)空間狹窄，操作受限；②周邊沒(méi)有支撐受力點(diǎn)，其操作難度大；③部分檢修任務(wù)難以完成且人員需向臨空面探出身體，安全風(fēng)險(xiǎn)高；④只能在固定位置檢修，無(wú)法對(duì)臨空面車輪運(yùn)行情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察。

4 臺(tái)車臨空面檢修平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

4.1 基本結(jié)構(gòu)與原理

針對(duì)現(xiàn)有臺(tái)車臨空面檢修作業(yè)中存在的問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢修需要，按照2 人進(jìn)入到臨空面進(jìn)行檢修，并配備部分檢修工器具，平臺(tái)的載荷按照300 kg設(shè)計(jì)。為能解決臺(tái)車行走機(jī)構(gòu)檢修中安全作業(yè)問(wèn)題，提高檢修效率，檢修平臺(tái)設(shè)計(jì)按照三個(gè)方面的原則：①模塊化設(shè)計(jì)，互換性強(qiáng)；②保證強(qiáng)度和剛度安全條件下盡量輕巧，人工搬運(yùn)方便；③各件采用螺栓和銷軸連接，安裝、拆卸方便；如圖2 和圖3 所示，檢修平臺(tái)由平臺(tái)、立柱、固定梁、欄桿及連接螺栓和銷軸等組成，安裝固定在臺(tái)車行走架上，便于檢修臺(tái)車架和行走車輪組懸空面的螺栓、軸承及其他附件。

圖2 檢修平臺(tái)示意圖

圖3 檢修平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

檢修平臺(tái)各部件采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)。平臺(tái)部件由多個(gè)模塊設(shè)計(jì)的分塊平臺(tái)組成，能適應(yīng)不同工況的設(shè)備檢修；固定梁和立柱標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，適應(yīng)平臺(tái)長(zhǎng)度變化；各連接件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通用性強(qiáng)。同時(shí)，單元模塊各部件間連接全部采用標(biāo)準(zhǔn)的螺栓和銷軸連接，其中，固定梁與臺(tái)車行車架采用螺栓連接，固定梁與立柱采用銷軸連接，平臺(tái)和立柱采用強(qiáng)力角件連接。現(xiàn)場(chǎng)組裝和拆卸方便快捷，避免焊接，大大提高工作效率。其安裝過(guò)程如圖4 所示。

圖4 檢修平臺(tái)安裝示意圖

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型

為滿足檢修平臺(tái)使用的安全性，需對(duì)各部件和連接件的強(qiáng)度和可靠性進(jìn)行研究分析。本項(xiàng)目對(duì)檢修平臺(tái)的部件設(shè)計(jì)選型、固定梁以及立柱等連接件受力進(jìn)行了分析。

圖5 檢修平臺(tái)三維效果圖

檢修平臺(tái)的固定梁和立柱主要連接件選用承載能力大、強(qiáng)度高的鋁合金，平臺(tái)部分采用鋁合金骨架搭設(shè)，保證其足夠的強(qiáng)度，再在表面滿鋪鋁合金花紋板，確保整體安全穩(wěn)定。主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型：

平臺(tái)骨架：平臺(tái)采用工業(yè)鋁高強(qiáng)型材，承載能力高（懸長(zhǎng)1 m，最大可承載1 000 kg），重量輕（只有鋼型材的1/3）；平臺(tái)各連接件選用承載能力高的連接件，主要為強(qiáng)力角件；平臺(tái)鋪鋁合金花紋板，防銹效果好；欄桿采用鋁合金，外觀效果好，強(qiáng)度高。

4.3 有限元分析

4.3.1 有限元分析及其方程

由彈性力學(xué)方程可知，兩個(gè)接觸的彈性體處于平衡時(shí)，其離散平衡方程為：

式中：K1，U1—物體l 和2 的剛度矩陣；K2，U2—兩離散體節(jié)點(diǎn)位移矢量；f1，F(xiàn)1—作用在兩物體上的外力等效節(jié)點(diǎn)力；f2，F(xiàn)2—兩物體上的接觸力等效節(jié)點(diǎn)力。

通過(guò)上述平衡方程反復(fù)迭代就可以得到節(jié)點(diǎn)的位移和接觸應(yīng)力。

4.3.2 有限元模型和分析

檢修平臺(tái)的主要連接部件為固定梁和立柱，平臺(tái)部件為主要承載部件。在SolidWorks 中建立固定梁、立柱和平臺(tái)的三維模型，再導(dǎo)入到ANSYS 中進(jìn)行有限元分析，為平臺(tái)設(shè)計(jì)選型提供數(shù)據(jù)支撐，保證檢修平臺(tái)的使用安全。

連接部件采用Q235B 材料，根據(jù)材料規(guī)范GB50018，材料性能參數(shù)：[σ]=205 MPa、[τ]=120 MPa、[σcd]=310 MPa。

固定梁一端與臺(tái)車行車架固定，另一端與立柱連接，固定梁受懸伸平臺(tái)的扭轉(zhuǎn)彎矩載荷。由應(yīng)力分析結(jié)果可知，應(yīng)力主要分布于螺栓連接的部位，最大變形產(chǎn)生在懸伸與立柱連接的位置。最大應(yīng)力為58.72 MPa＜[σ]=205 MPa，XY 方向的撓度均小于L/2 000，滿足材料使用安全要求。

圖6 固定梁應(yīng)力云圖

X 軸、Y 軸、Z 軸方向的應(yīng)變分析如圖7。

圖7 固定梁的應(yīng)變?cè)茍D

立柱主要用來(lái)連接固定梁和平臺(tái)，靠銷軸進(jìn)行連接。同樣受立柱懸伸平臺(tái)的扭轉(zhuǎn)彎矩載荷。最大應(yīng)力為48.2 MPa＜[σ]=205 MPa，分布在與固定梁和平臺(tái)連接的部位，同樣X(jué)Y 方向的撓度均小于 L/2 000。

平臺(tái)部分用于人員操作檢修的平臺(tái)，主要承受集中載荷，按400 kg 的集中載荷對(duì)平臺(tái)骨架進(jìn)行受力分析。最大應(yīng)力為67.61 MPa＜[σ]=205 MPa，XY 方向的撓度均小于L/2 000。

圖8 立柱應(yīng)力云圖

X 軸、Y 軸、Z 軸方向的變形分析如圖9。

圖9 立柱應(yīng)變?cè)茍D

圖10 平臺(tái)骨架應(yīng)力云圖

X 軸、Y 軸、Z 軸方向的變形分析如圖11。

圖11 平臺(tái)骨架應(yīng)變?cè)茍D

通過(guò)對(duì)檢修平臺(tái)的主要連接件和受力部件進(jìn)行有限元分析，其各個(gè)受力部件的應(yīng)力應(yīng)變遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，即所選用的連接件和材料能夠滿足安全使用的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)臺(tái)車行走機(jī)構(gòu)的檢修問(wèn)題，研制一種用于臨空面的檢修平臺(tái)。該檢修平臺(tái)的投入使用有效地解決了臺(tái)車臨空面檢修作業(yè)過(guò)程的安全問(wèn)題，提高了檢修效率。該檢修平臺(tái)可用于白鶴灘尾水隧洞臺(tái)式啟閉機(jī)，同時(shí)，也為類似設(shè)備臨空面檢修維護(hù)工作提供借鑒。