大型水斗式轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)吊具的研究及應(yīng)用

楊 超 龍， 伍 超， 何 念 民

(四川川投田灣河開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610213)

1 概 述

田灣河水電站均為大型立式水斗式[1]水輪發(fā)電機(jī)組。運(yùn)行中，轉(zhuǎn)輪在轉(zhuǎn)輪室的空氣中運(yùn)轉(zhuǎn)，無吸水高度[2]，因此，水輪發(fā)電機(jī)的安裝和檢修順序則與混流式、轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組存在差別?；炝魇?、轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組的安裝和檢修是按機(jī)組從上至下拆卸、從下至上回裝的順序進(jìn)行，而水斗式水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)輪室位置比尾水高，轉(zhuǎn)輪等水機(jī)部件可從機(jī)組旁的吊物孔吊入球閥層，再轉(zhuǎn)運(yùn)至轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行安裝，故可以與發(fā)電機(jī)同時進(jìn)行安裝和檢修，不存在先后順序問題。但是，為了節(jié)約電站建設(shè)成本，需縮短廠房布置寬度，則廠房各層的轉(zhuǎn)輪吊物孔寬度尺寸不宜過大，所以，水斗式轉(zhuǎn)輪需要垂直吊裝，即先將轉(zhuǎn)輪進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作，由水平調(diào)整為垂直，然后穿過狹小的吊物孔到達(dá)球閥層或安裝間再進(jìn)行翻回，最后進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的水平安裝或放置。水斗式轉(zhuǎn)輪立式吊裝見圖1。

圖1 水斗式轉(zhuǎn)輪立式吊裝圖

2 大型水斗式轉(zhuǎn)輪常規(guī)吊具吊裝存在的問題

大型水斗式轉(zhuǎn)輪常規(guī)吊具一般有轉(zhuǎn)輪專用吊裝螺具、鋼絲繩、大噸位手拉葫蘆等眾多工器具，在吊裝及翻轉(zhuǎn)過程中，需要大量人力拉動手拉葫蘆進(jìn)行多次操作及調(diào)整。這種方式存在較多的弊端：(1)整個過程需要的工器具、人員較多，翻轉(zhuǎn)時間較長；(2)在轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)過程中，人員高空操作手拉葫蘆，墜落的安全風(fēng)險較大；(3)水斗式轉(zhuǎn)輪斗葉不規(guī)則的外緣不易保護(hù)，容易損傷甚至割斷鋼絲繩，存在高空吊裝物墜落的風(fēng)險。為保證作業(yè)安全，提高作業(yè)效率，研制一種簡單、高效、省力的專用吊具十分必要。

3 大型水斗式轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)吊具的研制

3.1 吊具的特點(diǎn)及要求

因轉(zhuǎn)輪在吊裝及翻轉(zhuǎn)過程中需要的常規(guī)吊具眾多，結(jié)構(gòu)不緊湊，分散的手拉葫蘆需要大量人力，且存在較多的安全風(fēng)險，針對這些問題，須分析轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)吊具的特點(diǎn)，以便有效地解決。

(1)在吊裝及翻轉(zhuǎn)過程中，不再使用鋼絲繩和手拉葫蘆等工器具，以達(dá)到簡單、高效及節(jié)約人力目的；

(2)應(yīng)具有輕松翻轉(zhuǎn)功能，用少量人力即可翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪；

(3)配合轉(zhuǎn)輪吊裝的總體架構(gòu)應(yīng)符合順利穿過廠房各層吊物孔的尺寸要求；

(4)在轉(zhuǎn)輪立式吊裝時，應(yīng)有防轉(zhuǎn)輪傾斜及翻轉(zhuǎn)的措施。

3.2 吊具的設(shè)計制造方案

根據(jù)轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)專用吊具的特點(diǎn)，分析并設(shè)計制造方案：

(1)為使轉(zhuǎn)輪吊裝順利穿過各層吊物孔，吊具與轉(zhuǎn)輪裝配后的尺寸應(yīng)小于吊物孔。按要求，將吊桿設(shè)計為“彎月”形，“彎月”的一端在水斗式轉(zhuǎn)輪中心連接受力，另一端伸出轉(zhuǎn)輪外緣與廠房橋機(jī)吊鉤連接，吊裝時“彎月”型的吊桿將水斗式轉(zhuǎn)輪進(jìn)行半包圍。

(2)為使轉(zhuǎn)輪在翻轉(zhuǎn)及吊裝過程中不傾斜，吊具的吊點(diǎn)應(yīng)與水斗式轉(zhuǎn)輪的重心重合。由力矩公式M=F×L可知，轉(zhuǎn)輪重心的力臂L為“0”，故轉(zhuǎn)輪重心的力矩也為“0”。翻轉(zhuǎn)過程中，施加的外力力臂L為水斗式轉(zhuǎn)輪的半徑，外力力矩M=F×R。因轉(zhuǎn)輪各部分的形狀及質(zhì)量基本上以重心為中點(diǎn)形成對稱，各對稱端的重力基本相等(即力矩大小相等，方向相反)。這樣，只要在轉(zhuǎn)輪一端施加外力，則施加外力端的力矩便大于對稱端。因此，理論上施加較小外力即可使轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)，達(dá)到省力的目的。

(3)吊具由兩部分構(gòu)成：一是吊具托板，固定于水斗式轉(zhuǎn)輪上，托板采用凸臺形，內(nèi)嵌于水斗式轉(zhuǎn)輪內(nèi)部以實(shí)現(xiàn)定位功能，將托板采用螺栓夾具固定于轉(zhuǎn)輪螺栓孔；二是“彎月”型吊桿，為實(shí)現(xiàn)水斗式轉(zhuǎn)輪的輕松翻轉(zhuǎn)功能，固定連接部分與吊桿部分采用鉸鏈連接。轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)吊具示意圖見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)吊具示意圖

(4)為實(shí)現(xiàn)吊桿的輕巧功能，吊具采用矩形框結(jié)構(gòu)的低合金高強(qiáng)鋼材料。

(5)為防止轉(zhuǎn)輪吊裝時的翻動，吊裝時將吊桿與鉸鏈座用直銷鎖定。

3.3 轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)吊具主要部件尺寸及核算

3.3.1 吊具的主要尺寸

水斗式轉(zhuǎn)輪重量約20 T，直徑3 700 mm，聯(lián)軸法蘭內(nèi)孔直徑750 mm，聯(lián)軸螺孔直徑105 mm，水斗斗葉寬874 mm，各層轉(zhuǎn)輪吊物孔寬1 260 mm。根據(jù)上述參數(shù)和設(shè)計方案，結(jié)合水斗式轉(zhuǎn)輪外形結(jié)構(gòu)和尺寸，設(shè)計彎月吊桿中部為一段直桿，與水斗葉平行，兩端為相同的圓弧型，兩端的吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)根據(jù)功能要求進(jìn)行設(shè)計，吊桿直線長度約2 560 mm?？紤]吊桿在吊裝過程中會受到荷載的沖擊，為提高吊具的安全系數(shù)，選用中空矩形框的低合金高強(qiáng)鋼材料Q345，結(jié)構(gòu)截面尺寸為250 mm×250 mm，壁厚16 mm。

3.3.2 吊具受力分析

根據(jù)專用吊具設(shè)計方案，本吊具主要由托板和彎月吊桿構(gòu)成，鉸鏈處為約束點(diǎn)，可簡化為拉桿進(jìn)行受力分析[3]，即吊桿受到的拉力為橋機(jī)吊鉤的拉力，與水斗式轉(zhuǎn)輪和吊具的重力相等，方向相反。由于吊桿為彎月型，起吊過程中，轉(zhuǎn)輪重力及橋機(jī)拉力作用于吊桿上，沿吊桿彎月面的中部產(chǎn)生兩個相反的力矩，由吊桿內(nèi)應(yīng)力克服平衡，故吊桿的應(yīng)力集中截面為吊桿彎月中部內(nèi)緣，并向兩端減小，使彎月面的垂直面應(yīng)力較小。

3.3.3 吊具有限元計算

吊桿選用矩形框的低合金高強(qiáng)鋼材料Q345，厚度16 mm，由鋼材牌號可知其屈服強(qiáng)度σb≥345 MPa，查《GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的表3.4.1-1得其抗拉強(qiáng)度f≥310 MPa。

將吊桿建立起模型和網(wǎng)格劃分，根據(jù)金屬材料彈性和塑性理論進(jìn)行有限元[4]計算分析，建模網(wǎng)格劃分圖見圖3。

網(wǎng)格數(shù)：33330 節(jié)點(diǎn)數(shù)：143366圖3 建模網(wǎng)格劃分圖

施加15 t、20 t、25 t荷載進(jìn)行吊桿抗扭承載力模擬數(shù)值分析，可計算出吊桿的內(nèi)應(yīng)力和總位移。吊桿有限元計算分析結(jié)果表見表1。

表1 吊桿有限元計算分析結(jié)果

由表1可知，吊桿承受最大荷載25 t后的最大內(nèi)應(yīng)力為232.4 MPa，遠(yuǎn)小于低合金高強(qiáng)鋼材料Q345屈服強(qiáng)度345 MPa和抗拉強(qiáng)度310 MPa；卸載后，吊具恢復(fù)原狀，只發(fā)生彈性變形，故轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)專用吊具承吊20 t荷載其強(qiáng)度是合格的。

4 轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)吊具的應(yīng)用

4.1 設(shè)計效果

(1)采用“彎月”型吊桿替代原眾多鋼絲繩、重型葫蘆和吊環(huán)螺栓等工器具，實(shí)現(xiàn)了吊具的簡單化。

(2)“彎月”型吊桿為單吊點(diǎn)平衡吊，達(dá)到了水斗式轉(zhuǎn)輪一次性起吊及翻轉(zhuǎn)的目的，簡化了轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)時傳統(tǒng)吊具多次倒換吊點(diǎn)的繁瑣操作。

(3)將轉(zhuǎn)輪重心與吊桿受力點(diǎn)與鉸鏈處重合，達(dá)到水斗式轉(zhuǎn)輪各處重力圍繞重心的平衡[5]，在翻轉(zhuǎn)時使各處重力做功相互抵消或不做功，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪輕松懸空翻轉(zhuǎn)，在任意位置均可保持平衡。

(4)“彎月”型吊桿采用Q345低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼和空心矩形截面結(jié)構(gòu)制作，強(qiáng)度高，重量輕，承載彎矩大，安全系數(shù)高。同時，還可防止吊具與水斗葉的碰擦，避免了水斗葉的損傷。

(5)整個吊具采用吊桿與托盤組合，結(jié)構(gòu)簡單，拆裝容易，維護(hù)量小，經(jīng)久耐用，并可在流域梯級電站使用。

4.2 使用效果

(1)專用吊具與常規(guī)吊具吊裝時可大幅節(jié)約投入資源。兩種投入資源對比分析見表2。

表2 兩種投入資源對比分析表

(2)吊具在使用中達(dá)到了輕松翻轉(zhuǎn)及省力的目的，通過表2對兩種吊具的投入資源對比，專用吊具投入工器具和工時大幅減少，僅為常規(guī)工具吊裝時的1/15，同時也縮短了轉(zhuǎn)輪更換的檢修工期，減少了發(fā)電量的損失。

5 結(jié) 論

新型轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)吊具是針對水斗式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原常規(guī)吊具存在的安全風(fēng)險大、效率低等問題，采用力學(xué)和結(jié)構(gòu)理論分析計算進(jìn)行設(shè)計的。新型翻轉(zhuǎn)吊具結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、省力高效、安全耐用、經(jīng)濟(jì)適用，解決了水斗式轉(zhuǎn)輪常規(guī)吊具吊裝時的操作繁瑣、投入資源多、費(fèi)時費(fèi)事、安全風(fēng)險高等問題，可在大型水斗式轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)吊裝中普遍應(yīng)用，并以轉(zhuǎn)輪重量、水斗寬度、轉(zhuǎn)輪直徑為基本參數(shù)，規(guī)范水斗式轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)吊裝工具，形成系列針對性產(chǎn)品，應(yīng)用前景十分廣泛。