望亭水利樞紐鋼絲繩偏斜角動態(tài)計算分析及改進(jìn)措施

蔡 輝 孫嘉良

(太湖流域管理局蘇州管理局，江蘇 蘇州 215011)

1 工程概況

1.1 功能效益

望亭水利樞紐是太湖流域綜合治理十一項治太骨干之一望虞河工程的重要組成部分。位于蘇州相城區(qū)望亭鎮(zhèn)以西，望虞河與京杭大運河交匯處，距望虞河入太湖口2.2km。

工程自1994年投入運行以來，作為望虞河排泄太湖洪水及環(huán)太湖大堤的重要控制性工程，對太湖流域防洪、排澇、引水和航運發(fā)揮著重要作用。工程主要任務(wù)是：?望虞河排洪時，控制望虞河泄洪水位和泄量，并保障京杭運河的正常通航；?非行洪期控制太湖水位，需要時與望虞河常熟樞紐配合引長江水入太湖，實現(xiàn)“引江濟(jì)太”水資源調(diào)度。

1.2 結(jié)構(gòu)形式

望亭水利樞紐工程采用“上槽下洞”立交布置形式，上部為鋼筋混凝土矩形槽，供京杭運河通航，槽寬60m，底高程-1.7m；下部為鋼筋混凝土倒虹吸式涵洞，共9孔，每孔7.0m×6.5m，洞底高程-9.6m；在上游洞首處設(shè)9孔平面鋼閘門，采用9臺固定高揚程卷揚式啟閉機(jī)，啟閉機(jī)為QP型，容量2×200kN,揚程17.0m，布置在高程為15.0m的啟閉機(jī)房內(nèi)，鋼絲繩卷筒有2道固定圈、3道安全圈，共計5圈；工程總過水面積400m2，設(shè)計流量400m3/s。

工程為涵洞式水閘，部分鋼絲繩與動滑輪組長期浸泡于水中，導(dǎo)致鋼絲繩與動滑輪組銹蝕嚴(yán)重，鋼絲繩更換頻次為1次/2年。2018年9月，為提高工程運行安全性、減少鋼絲繩損耗，在關(guān)閘狀態(tài)下將每段鋼絲繩浸入水下部分更換為3節(jié)長3.06m拉桿。

2 卷繞系統(tǒng)現(xiàn)存問題

2.1 問題描述

工作人員在調(diào)整閘門過程中，發(fā)現(xiàn)啟閉機(jī)卷繞系統(tǒng)中卷筒鋼絲繩和動滑輪存在異響，響度隨閘門的提升呈增大趨勢，且鋼絲繩卷繞至卷筒兩側(cè)(閘門提升至最大開度)時，鋼絲繩擠壓處甚至出現(xiàn)摩擦火花，有肉眼可見的鐵屑掉落，動滑輪處鋼絲繩與動滑輪側(cè)壁剮蹭，磨損鋼絲繩(見圖1、圖2)。

圖1 卷筒處鋼絲繩擠壓位置

圖2 動滑輪處鋼絲繩摩擦位置

2.2 原因分析

調(diào)整閘門過程中，鋼絲繩中心線偏離螺旋槽中心線兩側(cè)的角度和鋼絲繩繞進(jìn)(出)滑輪槽時的偏斜角過大，加重啟閉機(jī)卷筒鋼絲繩間擠壓，產(chǎn)生異響，并使鋼絲繩與卷筒繩槽、動滑輪邊緣及動滑輪輪槽側(cè)面摩擦，磨損鋼絲繩，影響鋼絲繩使用壽命，并易造成鋼絲繩脫槽與動滑輪受橫向力損壞，威脅工程運行安全。

3 鋼絲繩偏斜角計算分析

依據(jù)《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》GB/T 3811—2008規(guī)定，鋼絲繩繞進(jìn)或繞出滑輪槽時的最大偏斜角(即鋼絲繩中心線和滑輪軸垂直平面之間的夾角)不應(yīng)大于5°；鋼絲繩繞進(jìn)或繞出卷筒時，鋼絲繩中心線偏離螺旋槽中心線兩側(cè)的角度不應(yīng)大于3.5°。對該工程上述鋼絲繩偏斜角進(jìn)行計算，以確定是否符合規(guī)范要求。

3.1 鋼絲繩繞進(jìn)或繞出滑輪槽時的最大偏斜角計算

如圖3所示，x為卷筒鋼絲繩固定端與安全圈距動滑輪出繩槽中心線的水平距離，y為卷筒鋼絲繩出繩端距固定端與安全圈的水平距離。閘門開啟時，卷筒不斷纏繞鋼絲繩，卷筒出繩端距動滑輪出繩槽中心線的水平位移距離(x+y)逐漸增大，動滑輪與高限位的垂直距離(H)逐漸減小，直至為0。

圖3 起升機(jī)構(gòu)示意圖

啟閉機(jī)起升機(jī)構(gòu)中涉及的基本參數(shù)有：動滑輪低限位至高限位垂直距離(Hmax)、動滑輪高限位至卷筒中心的垂直距離(h)、卷筒直徑(D)、鋼絲繩直徑(d)、滑輪倍率(n)、卷筒繩槽節(jié)距(P)。

卷筒鋼絲繩出繩端距固定端與安全圈的水平距離為

(1)

鋼絲繩繞進(jìn)或繞出滑輪槽時的偏斜角為

(2)

將式(1)代入式(2)可得

(3)

式(3)中，α為因變量；H為自變量，定義域為[0，Hmax]；其余量為定值，可作為常數(shù)?？稍O(shè)

(4)

對式(4)進(jìn)行求導(dǎo)，可得導(dǎo)函數(shù)f′(H)<0，函數(shù)f(H)為減函數(shù)，α隨H減小而增大。閘門開啟過程中，H逐漸減小，α逐漸增大，直至動滑輪提升至高限位，α為最大值。

經(jīng)實際測量，閘門完全開啟(動滑輪至高限位)時，每根鋼絲繩繞進(jìn)或繞出滑輪槽時的偏斜角均在區(qū)間[6.2°，7.3°]內(nèi)，不符合《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》(GB/T 3811—2008)中此角不大于5°的規(guī)定。

3.2 鋼絲繩中心線偏離卷筒螺旋槽中心線兩側(cè)的最大角度計算

如圖4所示，鋼絲繩中心線偏離卷筒螺旋槽中心線兩側(cè)的角度(γ)為

γ=α+β

(5)

圖4 鋼絲繩繞進(jìn)(出)卷筒結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3可知，α等于鋼絲繩繞進(jìn)或繞出滑輪槽時的偏斜角，此角在第3.1中已求出；β為卷筒繩槽螺旋角：

(6)

式(6)中，D為卷筒直徑，在該工程中，D=400mm；P為卷筒繩槽節(jié)距：

P=d+i(10mm≤d≤20mm時，i=2mm；

20mm

(7)

式(7)中，d為鋼絲繩直徑，在該工程中，d=20mm。

將式(7)代入式(6)，可得

(8)

將D=400mm和d=20mm代入式(7)、式(8)，可得該工程卷筒繩槽螺旋角為β=1.0°。

將求出的α與β代入式(5)，可得出每根鋼絲繩中心線偏離卷筒螺旋槽中心線兩側(cè)的最大角度γ，其結(jié)果均在區(qū)間(7.2°，8.3°)內(nèi)，不符合《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》(GB/T 3811—2008)中此角不應(yīng)大于3.5°的規(guī)定。

4 解決措施

4.1 方法比選

4.1.1 方法1：增加卷筒上鋼絲繩預(yù)留長度

望亭水利樞紐采用高揚程卷揚式啟閉機(jī)啟閉，此類啟閉機(jī)的特點是卷筒上可纏繞兩層鋼絲繩，繩端固定裝置位于卷筒中部，閘門從低限位升起過程中，第一階段為第一層鋼絲繩由中間向兩側(cè)進(jìn)行纏繞，第二階段為第二層鋼絲繩由兩側(cè)向兩側(cè)進(jìn)行纏繞，閘門升起至最高限位時鋼絲繩尾端位于卷筒中部，下垂段鋼絲繩近乎垂直于閘門，圖5(a)為第一階段起始狀態(tài)，圖5(b)為第一階段結(jié)束(第二階段起始)，圖5(c)為閘門到達(dá)高限位時(第二階段結(jié)束)狀態(tài)。

圖5 閘門提升過程中高揚程啟閉機(jī)卷筒鋼絲繩纏繞示意圖

在該工程實際運行中，卷筒纏繞鋼絲繩僅運行第一階段，閘門升起至最高限位時卷筒狀態(tài)見圖5(b)，按3.1中的計算分析，圖5(b)為鋼絲繩偏轉(zhuǎn)角度最大值。由圖 (3)、圖(5)與式(4)易得，若增加卷筒上鋼絲繩預(yù)留長度，改變x值，可減小鋼絲繩最大偏轉(zhuǎn)角度。

4.1.2 方法2：更換啟閉機(jī)卷筒

在該工程運行中，閘門至高限位時，起升高度僅6.5m左右，無須配備高揚程卷筒(雙層鋼絲繩)，可更換鋼絲繩固定端位于卷筒兩側(cè)的普通卷筒(單層鋼絲繩)，其運行特點是閘門從低限位升起過程中，卷筒上鋼絲繩由兩側(cè)向中部逐漸纏繞，見圖6，由式(4)易得，此法也可減小鋼絲繩最大偏轉(zhuǎn)角度。

圖6 閘門提升過程中普通啟閉機(jī)卷筒鋼絲繩纏繞示意圖

綜上所述，兩種方法都可達(dá)到改進(jìn)目的，但由于增加卷筒上鋼絲繩預(yù)留長度較更換卷筒成本更低，方法1更為經(jīng)濟(jì)，下文將著重研究方法1的具體措施。

4.2 確定鋼絲繩預(yù)留長度

鋼絲繩預(yù)留長度將影響工程運行中鋼絲繩偏斜角，為確保改進(jìn)后的鋼絲繩符合相關(guān)規(guī)范要求，需分析鋼絲繩在不同的預(yù)留長度條件下所產(chǎn)生的最大偏斜角，進(jìn)而明確該工程鋼絲繩合適的預(yù)留長度，為后續(xù)改進(jìn)提供理論支撐。

4.2.1 鋼絲繩進(jìn)行第二層纏繞時涉及參數(shù)的具體數(shù)值

a.卷筒鋼絲繩固定端與安全圈距動滑輪出繩槽中心線的水平距離(x)為75mm。

b.卷筒鋼絲繩出繩端距固定端與安全圈的最大水平距離(ymax)為242mm。

c.卷筒鋼絲繩出繩端距動滑輪出繩槽中心線的最大水平距離(L=x+ymax)為317mm。

d.動滑輪高限位距卷筒中心的垂直距離(h)為2.6m。

e.卷筒直徑(D)為400mm，卷筒一側(cè)鋼絲繩槽共16圈，布置2圈固定圈、3圈安全圈，為避免鋼絲繩碰觸固定端，第二層鋼絲繩不宜在第一層鋼絲繩固定圈和安全圈上纏繞。

f.滑輪倍率(n)為2。

g.鋼絲繩直徑(d)為20mm，由式(7)可得，卷筒繩槽節(jié)距(P)為22mm。

4.2.2 計算思路與公式

增加預(yù)留鋼絲繩長度后，將涉及卷筒上第二層鋼絲繩纏繞，為求出鋼絲繩最大偏斜角，須分析閘門從低限位升至高限位過程中鋼絲繩偏斜角的變化，其較3中計算更為復(fù)雜，計算思路如下：

如圖7所示，H2為增加鋼絲繩預(yù)留長度后，卷筒上鋼絲繩完成第一層纏繞時動滑輪中心距高限位的垂直距離：

(9)

圖7 卷筒上鋼絲繩第二層纏繞時起升機(jī)構(gòu)示意圖

式(9)中，m為增加的預(yù)留鋼絲繩圈數(shù)，易得在第一層可纏繞c1=11圈，在第二層可纏繞c2=0.65圈，取值范圍為[0，11.65]。

卷筒鋼絲繩出繩端距固定端與安全圈的水平距離為

(10)

將式(10)代入式(1)可得

(11)

式(11)中，α為因變量，H為自變量，將H2及其余量作為常數(shù)。設(shè)α=g(H)，對式(11)求導(dǎo)可得：

第二層鋼絲繩纏繞時，增加的預(yù)留鋼絲繩圈數(shù)m≤10.92時，g′(H)≤0，α隨H減小(閘門上升)而增大；m>10.92時，g′(H)>0，α隨H減小(閘門上升)而減小。由3中的分析可知，第一層鋼絲繩纏繞時，α隨H減小(閘門上升)而減小，且規(guī)范要求鋼絲繩繞進(jìn)或繞出滑輪槽時的最大偏斜角(α)不應(yīng)大于5°，與鋼絲繩中心線偏離卷筒螺旋槽中心線兩側(cè)的角度(γ)不大于3.5°，γ=α+1°，因此，為符合上述規(guī)范需保證α≤2.5°。

4.2.3 計算結(jié)果

可分為三種情況：

a.增加的預(yù)留鋼絲繩圈數(shù)m≤10.92。閘門從低限位至高限位上升過程中，α逐漸增大，當(dāng)閘門至高限位(H=0)時，α為最增大值。假設(shè)閘門至高限位(H=0)時α=2.5°，根據(jù)式(9)和式(10)反推m，易得m=9.90。當(dāng)9.90≤m≤10.92時，α≤2.5°。

b.增加的預(yù)留鋼絲繩圈數(shù)11.00≥m>10.92。卷筒上第一層鋼絲繩纏繞過程中，α逐漸增大；第二層鋼絲繩纏繞過程中，α逐漸減小，易得α取得最大值時鋼絲繩剛好完成第一層纏繞(y=ymax)，假設(shè)此時α=2.5°，根據(jù)式(9)和式(11)反推m，易得m=8.07，前提條件為11.00≥m>10.92，必有m>8.07。因此，當(dāng)11.00≥m>10.92時，α≤2.5°。

c.增加的預(yù)留鋼絲繩圈數(shù)11.65≥m>11.00。此種情況鋼絲繩工作時只涉及第二層纏繞，計算方法與上文大致相同，不再贅述，可得當(dāng)11.65≥m>11.00時，α≤2.5°。

綜上所述，當(dāng)9.90≤m≤11.56時，α≤2.5°，符合《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》(GB/T 3811—2008)相關(guān)規(guī)定。

5 結(jié) 語

望亭水利樞紐具備排洪、引水等多種功能，閘門調(diào)整較為頻繁。在卷揚式啟閉結(jié)構(gòu)中，鋼絲繩作為起升機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵部分，鋼絲繩偏斜角過大會極大增加鋼絲繩間擠壓，加重鋼絲繩磨損，影響工程運行安全。若對工程起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造(例如增加拉桿等)，需再次分析調(diào)整閘門時鋼絲繩動態(tài)變化情況，計算核驗改造后鋼絲繩偏斜角和鋼絲繩偏離卷筒中心線角度的最大值是否符合規(guī)范。

鋼絲繩預(yù)留長度可有效減小工程運行中鋼絲繩的偏斜角，且改進(jìn)成本低、實施簡單，但此法會涉及卷筒上第二層鋼絲繩纏繞，卷筒上第二層鋼絲繩纏繞較第一層更易出現(xiàn)脫槽現(xiàn)象，為避免鋼絲繩脫槽，一是應(yīng)使鋼絲繩保持受力狀態(tài)；二是增設(shè)鋼絲繩防脫槽裝置；三是在調(diào)整閘門時，注意觀察鋼絲繩狀態(tài)，確保運行正常。