500 kN/2×160 kN 雙向門(mén)式啟閉機(jī)設(shè)計(jì)

李欣欣 楊 芳 王 兵 代新啟

中國(guó)水利水電夾江水工機(jī)械有限公司 夾江 614100

0 概述

宗格魯水電站位于尼日利亞宗格魯鎮(zhèn)東北的卡杜納河上，其上游為已建成運(yùn)行的希羅羅水電站，最大庫(kù)容將近115 億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容27 億m3，總裝機(jī)容量700 MW，安裝4 臺(tái)175 MW 水輪機(jī)。一臺(tái)宗格魯進(jìn)水口500 kN/2×160 kN 雙向門(mén)式啟閉機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)門(mén)機(jī)）裝設(shè)在引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水口高程233 m的平臺(tái)上，承擔(dān)該電站進(jìn)水口清污、設(shè)備啟閉、設(shè)備檢修等任務(wù)。該門(mén)機(jī)的500 kN 小車(chē)配液壓抓梁承擔(dān)進(jìn)水口檢修閘門(mén)的啟閉及吊運(yùn)，同時(shí)承擔(dān)進(jìn)水口快速事故閘門(mén)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的安裝及檢修。門(mén)機(jī)在上游側(cè)跨外設(shè)置有一種新型懸掛移動(dòng)式2×160 kN 清污機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)清污機(jī)），清污機(jī)吊具下掛清污耙斗用于4 臺(tái)機(jī)組共16 孔攔污柵的清污，拆除清污耙斗，吊具下方安裝攔污柵液壓抓梁，同時(shí)具備攔污柵檢修時(shí)起吊攔污柵的功能。尼日利亞宗格魯水電站進(jìn)水口平臺(tái)設(shè)備布置如圖1 所示。

圖1 尼日利亞宗格魯水電站進(jìn)水口平臺(tái)設(shè)備布置

1 進(jìn)水口門(mén)機(jī)

該門(mén)機(jī)主要由小車(chē)、門(mén)架、大小車(chē)供電裝置、大車(chē)行走機(jī)構(gòu)、大小車(chē)限位裝置、梯子+平臺(tái)+欄桿+司機(jī)室、軌道裝置、清污機(jī)、控制系統(tǒng)和必要的附屬設(shè)備等組成，可沿上下游方向行走的小車(chē)設(shè)置在門(mén)架上部平臺(tái)軌道上，清污機(jī)設(shè)置在門(mén)架上游右側(cè)門(mén)腿外側(cè)。門(mén)機(jī)總體布置如圖2 所示，門(mén)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 門(mén)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖2 門(mén)機(jī)總體布置

2 小車(chē)

小車(chē)主要由起升機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、小車(chē)架、抓梁電纜卷筒、機(jī)房、3 t 機(jī)房檢修吊、防墜網(wǎng)和安全保護(hù)裝置等組成。小車(chē)整體結(jié)構(gòu)緊湊，小車(chē)架上的吊物孔距離機(jī)房邊緣較近，常規(guī)電動(dòng)葫蘆為鋼絲繩式，機(jī)房檢修起重機(jī)因其本身結(jié)構(gòu)無(wú)法移動(dòng)到吊物孔位置，遂采用鏈條式電動(dòng)葫蘆。這種電動(dòng)葫蘆體積小，質(zhì)量輕，性能可靠，單根鏈條下放即可滿(mǎn)足3 t 機(jī)房檢修起重機(jī)從壩面上吊裝零星物品的要求。

2.1 起升機(jī)構(gòu)

起升機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)、硬齒面減速器、2 臺(tái)液壓盤(pán)式工作制動(dòng)器、安全裝制動(dòng)器、帶制動(dòng)盤(pán)的聯(lián)軸器、卷筒裝置、定滑輪及載重傳感器裝置、動(dòng)滑輪裝置、平衡滑輪裝置、高度限制傳感器、重錘式限位裝置等組成。起升機(jī)構(gòu)為單吊點(diǎn)，由1 套卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)組成，卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與硬齒面減速器高速軸連接，減速器的低速軸通過(guò)卷筒聯(lián)軸器帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，卷筒上鋼絲繩繞過(guò)定滑輪、動(dòng)滑輪和平衡滑輪帶動(dòng)吊具起升，從而實(shí)現(xiàn)物品吊運(yùn)。

1）電動(dòng)機(jī)

門(mén)機(jī)運(yùn)行的環(huán)境溫度最高為50℃，設(shè)計(jì)規(guī)范要求電動(dòng)機(jī)的選型要考慮海拔高度和環(huán)境溫度對(duì)電動(dòng)機(jī)功率的影響，電動(dòng)機(jī)以環(huán)境溫度和海拔高度為函數(shù)變量的修正值見(jiàn)圖2。從圖3 中可知，在海拔1 000 m 以下、環(huán)境溫度50℃時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率的修正系數(shù)為0.92，根據(jù)起升速度、額定起升載荷及吊具質(zhì)量、傳動(dòng)效率所計(jì)算的電動(dòng)機(jī)凈功率為22.3 kW，考慮修正系數(shù)后的電機(jī)功率為24.2 kW。綜合考慮，最終選擇電動(dòng)機(jī)功率為26 kW，滿(mǎn)足要求。

圖3 以環(huán)境溫度和海拔高度為函數(shù)變量的修正值

2）卷筒裝置

采用雙聯(lián)焊接卷筒，繩槽采用螺旋線(xiàn)型單層纏繞，鋼絲繩端頭用壓板螺栓固定在卷筒的兩端。采用焊接式短軸卷筒，卷筒軸經(jīng)滾動(dòng)軸承支承于軸承座上，滾動(dòng)軸承與軸承座端蓋間預(yù)留一定的間隙，用于消除卷筒的安裝誤差。硬齒面減速器低速軸上安裝有卷筒聯(lián)軸器，卷筒聯(lián)軸器通過(guò)法蘭與卷筒腹板上的卷筒轂連接，卷筒聯(lián)軸器可徑向轉(zhuǎn)動(dòng)，消除卷筒重載時(shí)的變形。

3）制動(dòng)器

在卷筒軸伸出軸承座端蓋的端面安裝有1 套包含主令控制器的起升高度限制傳感器，主令控制器用于上下極限位置控制，高度傳感器用于監(jiān)測(cè)閘門(mén)的位置。在定滑輪裝置處設(shè)置壓式載重傳感器，用于起升載荷的信號(hào)輸出及過(guò)載保護(hù)。為防止動(dòng)滑輪裝置沖頂造成事故，在平衡滑輪裝置旁設(shè)有重錘式限位裝置。動(dòng)滑輪裝置在上極限位置觸碰重錘式限制器后，起升機(jī)構(gòu)斷開(kāi)電源，防止起升機(jī)構(gòu)繼續(xù)提升。減速器高速軸上裝有2 臺(tái)液壓盤(pán)式制動(dòng)器用于工作制動(dòng)，在遠(yuǎn)離減速器側(cè)的卷筒端部設(shè)有制動(dòng)盤(pán)，在卷筒制動(dòng)盤(pán)上裝有1 套安全制動(dòng)器，安全制動(dòng)器延遲制動(dòng)，減小制動(dòng)沖擊，避免發(fā)生溜鉤事故。

2.2 安全防護(hù)措施

小車(chē)架上除在卷筒旁設(shè)有欄桿防止人員墜落外，還在卷筒下方設(shè)有防墜網(wǎng)，以防止小車(chē)上掉落工具，還可防止飛鳥(niǎo)進(jìn)入小車(chē)機(jī)房?jī)?nèi)，保持機(jī)房?jī)?nèi)的整潔。

在非工作狀態(tài)的暴風(fēng)工況下，小車(chē)可能會(huì)被暴風(fēng)吹動(dòng)跨過(guò)門(mén)架中部而移動(dòng)到下游側(cè)，此時(shí)起升機(jī)構(gòu)的動(dòng)滑輪裝置可能會(huì)與液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的液壓缸干涉，造成事故。為避免出現(xiàn)這種情況，在小車(chē)端部設(shè)有支軌器，支軌器的剎車(chē)板下放至軌道上并施加一定壓力，從而使?jié)L動(dòng)摩擦替換成滑動(dòng)摩擦，防止小車(chē)移動(dòng)。

3 懸掛移動(dòng)式2×160 kN 清污機(jī)

清污機(jī)布置在門(mén)架上游右側(cè)門(mén)腿的外側(cè)，主要由2×160 kN 電動(dòng)葫蘆裝置、支架、拉桿、鉸軸、供電裝置、限位裝置等組成，清污機(jī)的工作范圍為上游側(cè)跨外7 m 至跨外2.5 m。2×160 kN 電動(dòng)葫蘆裝置主要由2 臺(tái)160 kN 電動(dòng)葫蘆、吊架、行走機(jī)構(gòu)等組成，2 臺(tái)電動(dòng)葫蘆對(duì)稱(chēng)布置，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝空間小，頂部通過(guò)螺栓固定在吊架底部，吊架又通過(guò)鉸軸與行走機(jī)構(gòu)相連，行走機(jī)構(gòu)的車(chē)輪懸掛在清污機(jī)支架兩側(cè)設(shè)置的軌道上。清污機(jī)支架靠近門(mén)腿側(cè)通過(guò)鉸軸連接在門(mén)架的中橫梁和門(mén)腿上，支架另一側(cè)通過(guò)鉸軸與兩個(gè)拉桿的一端連接，2 個(gè)拉桿另一端鉸接在門(mén)架主梁端部和端梁上，清污機(jī)的拉桿和支架與門(mén)架間均為鉸接，方便運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)安裝便捷，且形成了三角形的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，受力明確，便于拉桿、支架、門(mén)架的分析計(jì)算。清污機(jī)的布置如圖4 所示。

圖4 清污機(jī)布置示意圖

4 門(mén)機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制

在進(jìn)水口平臺(tái)下游側(cè)設(shè)有4 臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，用于4孔4 扇進(jìn)水口快速事故閘門(mén)的啟閉，布置在距下游側(cè)軌道中心2.9 m 處，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸高出軌面約10 m，門(mén)機(jī)吊點(diǎn)下游側(cè)極限位置時(shí)至下游側(cè)軌道中心的距離為2.5 m。小車(chē)起升機(jī)構(gòu)至上極限時(shí)，門(mén)機(jī)動(dòng)滑輪裝置下掛的抓梁下吊耳中心至軌面的距離為11 m，亦即門(mén)機(jī)小車(chē)只在動(dòng)滑輪裝置位于上極限且抓梁不能下掛閘門(mén)時(shí)才允許運(yùn)行至下游側(cè)極限位置。為解決此問(wèn)題，在門(mén)架主梁中部設(shè)有信號(hào)感應(yīng)裝置，與小車(chē)起升機(jī)構(gòu)的載重傳感器和高度限制器聯(lián)合使用。在小車(chē)經(jīng)過(guò)主梁中部觸發(fā)信號(hào)感應(yīng)裝置后，PLC 讀取載重傳感器和高度限制器數(shù)據(jù)。在監(jiān)測(cè)到小車(chē)起升動(dòng)滑輪裝置空載且處于上極限位置時(shí)，小車(chē)方可繼續(xù)向下游側(cè)行駛，且運(yùn)行過(guò)程起升機(jī)構(gòu)鎖定無(wú)法下放動(dòng)滑輪裝置。

清污機(jī)在跨外7 m 處起吊額定載荷2×160 kN 時(shí)，加上其自重會(huì)對(duì)門(mén)機(jī)產(chǎn)生較大的傾翻力矩，而門(mén)機(jī)小車(chē)自重相對(duì)較輕，且門(mén)機(jī)跨度僅為11.5 m，為滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的門(mén)機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性要求，在不采取措施的情況需在下游側(cè)增加配重用于平衡，這樣會(huì)使下游側(cè)大車(chē)車(chē)輪輪壓增加。增加門(mén)機(jī)的大車(chē)輪壓，即增加了門(mén)機(jī)軌道承重梁的負(fù)載，也意味著增加了投資成本。采用門(mén)機(jī)小車(chē)極限位置與清污機(jī)電動(dòng)葫蘆裝置極限位置互鎖的方式，門(mén)機(jī)小車(chē)與清污機(jī)的電動(dòng)葫蘆裝置不同時(shí)工作。小車(chē)運(yùn)行時(shí)，清污機(jī)電動(dòng)葫蘆裝置必須停放在靠近上游側(cè)門(mén)腿的極限位置；清污機(jī)電動(dòng)葫蘆裝置運(yùn)行時(shí)，小車(chē)必須停放在門(mén)機(jī)下游側(cè)極限位置。在采取這種措施后，按照規(guī)范中門(mén)機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算，得出門(mén)機(jī)下游側(cè)的配重從35 t 減少到12 t，減重顯著，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

5 大車(chē)行走機(jī)構(gòu)

大車(chē)行走機(jī)構(gòu)共設(shè)有4 組臺(tái)車(chē)，每側(cè)2 組對(duì)稱(chēng)布置，每組臺(tái)車(chē)由支座、臺(tái)車(chē)架、主動(dòng)車(chē)輪組、從動(dòng)車(chē)輪組等組成，共有8 個(gè)車(chē)輪組。臺(tái)車(chē)車(chē)輪組采用45o剖分式結(jié)構(gòu)，車(chē)輪組軸承座內(nèi)孔與外圈采取偏心布置，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承座可實(shí)現(xiàn)小范圍調(diào)整車(chē)輪偏斜的功能，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，使車(chē)輪處于最佳接觸狀態(tài)。臺(tái)車(chē)架與支座之間通過(guò)鉸軸連接，兩者之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，可有效避免因軌道安裝不平整導(dǎo)致的車(chē)輪懸空問(wèn)題，支座通過(guò)螺栓固定在門(mén)架下橫梁上。每個(gè)主動(dòng)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)裝置采用1 套 “三合一”減速器封閉式傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)處設(shè)置防雨罩。這種布置不僅能均衡各行車(chē)輪輪壓，還能有效防止主動(dòng)車(chē)輪在啟動(dòng)時(shí)打滑。

6 門(mén)架結(jié)構(gòu)的計(jì)算

門(mén)機(jī)的關(guān)鍵受力構(gòu)件主要為門(mén)架，結(jié)合常規(guī)的跨外懸臂門(mén)機(jī)和帶回轉(zhuǎn)吊門(mén)機(jī)的部分特點(diǎn)，既有相似點(diǎn)又有很大不同。設(shè)計(jì)手冊(cè)中建議門(mén)機(jī)的懸臂長(zhǎng)度l＝（0.25～0.35）L，L為門(mén)機(jī)跨度，該門(mén)機(jī)跨外有效工作范圍的懸臂為7 m，門(mén)機(jī)跨度為11.5 m，兩者比值為0.61，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)手冊(cè)的建議范圍。常規(guī)的門(mén)機(jī)跨外額定起重量與主小車(chē)額定起重量比值一般較小，而該門(mén)機(jī)跨外有額定起重量2×160 kN 與小車(chē)額定起重量500 kN的比值為1:1.56。與常規(guī)的門(mén)機(jī)相比，該門(mén)機(jī)具有跨外額定起重量相對(duì)小車(chē)額定起重量比值大和跨外有效工作范圍與門(mén)機(jī)跨度比值大的特點(diǎn)，對(duì)門(mén)架的設(shè)計(jì)要求較高。

當(dāng)清污機(jī)跨外7 m 處起吊2×160 kN的額定載荷時(shí)，清污機(jī)的拉桿為主要受力構(gòu)件，拉桿將力傳遞至門(mén)架的主梁和端梁，清污機(jī)支架通過(guò)鉸軸將力傳遞至門(mén)架中橫梁和門(mén)腿中部，主要工況下門(mén)架的受力情況見(jiàn)圖4，主要工況下門(mén)架各鉸點(diǎn)處受力大小見(jiàn)表2。圖5 中的G1為小車(chē)自重，G2為門(mén)架自重，G3為清污機(jī)除電動(dòng)葫蘆外的自重，G4為電動(dòng)葫蘆的自重，G5為配重，F(xiàn)為額定載荷，S為拉桿鉸接的門(mén)架主梁處受力，S1為拉桿鉸接的門(mén)架中橫梁處受的水平分力，S2為拉桿鉸接的門(mén)架中橫梁處受的豎直分力。常規(guī)的手工計(jì)算，并不能完全體現(xiàn)門(mén)架整體的應(yīng)力、剛度以及局部的集中應(yīng)力，有限元分析是目前行之有效的解決方法。

圖4 主要工況下門(mén)架的受力示意

表2 主要工況下門(mén)架各鉸點(diǎn)受力大小

6.1 門(mén)架結(jié)構(gòu)

門(mén)機(jī)的門(mén)架結(jié)構(gòu)主要由主梁、小車(chē)軌道、端梁、門(mén)腿、中橫梁及下橫梁等組成。主梁沿跨度方向布置，中、下橫梁沿大車(chē)軌道方向布置。主梁采用偏軌箱形梁結(jié)構(gòu)，主梁的主腹板采用2 種板厚的鋼板對(duì)接而成，與軌道下翼板連接的主腹板局部選用加厚鋼板，以減小局部區(qū)域擠壓應(yīng)力，遠(yuǎn)離高應(yīng)力區(qū)域的主腹板，小車(chē)輪壓對(duì)其板厚的選取影響不再加大，計(jì)算后選用較薄板厚的鋼板可有效降低梁體的自重。為了保證上主梁與門(mén)腿之間連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度，在主梁與門(mén)腿連接處采用大圓弧過(guò)渡，與清污機(jī)拉桿連接的主梁局部做加強(qiáng)處理，以保證主梁的強(qiáng)度。小車(chē)軌道布置在主梁的主腹板板厚中心線(xiàn)上，通過(guò)壓板固定。

端梁采用箱形結(jié)構(gòu)，與主梁組成框架結(jié)構(gòu)，整體制作，分體運(yùn)輸，兩端通過(guò)高強(qiáng)螺栓與主梁連接成一體。

門(mén)腿共4 件，上下游各2 件，其中下游側(cè)的2 件設(shè)置有灌注孔，用于混凝土配重的灌注。門(mén)腿采用箱形梁結(jié)構(gòu)，在跨度平面內(nèi)為上寬下窄的箱形斷面立柱。門(mén)腿上端與主梁之間采用單片法蘭焊接，下端與下橫梁的上平面之間采用雙法蘭普通螺栓連接，下橫梁的下端面與大車(chē)行走機(jī)構(gòu)的支座用螺栓連接。在其基距平面內(nèi)，門(mén)腿斷面的寬度不變。

中橫梁采用箱形梁結(jié)構(gòu)，兩端分別焊接在2 個(gè)門(mén)腿中部，設(shè)有2 個(gè)分段處，便于運(yùn)輸，分段處通過(guò)高強(qiáng)螺栓副與門(mén)架連接成一體。

采用有限元對(duì)門(mén)架各工況進(jìn)行分析，然后優(yōu)化設(shè)計(jì)得出合理結(jié)構(gòu)。

6.2 門(mén)架的有限元分析

采用有限元法程序，經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算，得到門(mén)架在小車(chē)跨中起吊額定載荷時(shí)的最大應(yīng)力為113 MPa，出現(xiàn)在門(mén)腿與中橫梁組合處，應(yīng)力范圍小，應(yīng)力值小于規(guī)范要求的216 MPa；門(mén)架在清污機(jī)跨外7 m 起吊額定載荷時(shí)的最大應(yīng)力為158.7 MPa，出現(xiàn)在門(mén)腿與中橫梁組合處，應(yīng)力范圍小，應(yīng)力值小于規(guī)范要求的216 MPa；小車(chē)跨中起吊額定載荷時(shí)，門(mén)架的最大變形為3.9 mm，跨度為11.5 m，比值為1/2 949，數(shù)值小于規(guī)范要求的L/1 000，門(mén)架的強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足要求。門(mén)架計(jì)算結(jié)果云圖見(jiàn)圖5。

圖5 門(mén)架計(jì)算結(jié)果云圖

7 結(jié)論

通過(guò)研究小車(chē)起升機(jī)構(gòu)及其高溫環(huán)境下電動(dòng)機(jī)的選型、懸掛移動(dòng)式2×160 kN 清污機(jī)、大車(chē)行走機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件，分析了門(mén)架的受力特點(diǎn)，采用有限元軟件對(duì)門(mén)架各工況進(jìn)行計(jì)算，得出合理的門(mén)架結(jié)構(gòu)，采用小車(chē)和清污機(jī)聯(lián)動(dòng)控制的方式，門(mén)機(jī)減重顯著。設(shè)置必要安全防護(hù)措施，該500 kN/2×160 kN 雙向門(mén)機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足合同規(guī)定的參數(shù)及規(guī)范的要求，其關(guān)鍵技術(shù)得到用戶(hù)的認(rèn)可。本項(xiàng)目也提供了一種跨外新型清污機(jī)的設(shè)計(jì)思路，為后續(xù)的水電站啟閉機(jī)提供了值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。