梨園水電站壩頂4 500/1 000 kN雙向門機的設計

陳素艷

摘 要：簡要介紹了梨園壩頂門機的設計特點和結構布置情況，從配重、結構和安全等方面入手優化設計它，并驗證其安全性和可靠性。

關鍵詞：門機；雙小車；懸臂；載荷

中圖分類號：TV664 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.091

梨園水電站位于云南省麗江市玉龍縣與迪慶州香格里拉縣交界的金沙江干流上，為金沙江中游河段“一庫八級”水電開發方案中的第三梯級。該工程屬一等大（1）型工程，以發電為主，兼顧防洪和旅游等。電站裝機容量為2 400 MW（4×600[1-2] MW），與上游龍盤水庫聯合運行時年發電量達1.070 3×1010 kW·h，聯合運行保證出力為1 103 MW。4 500/1 000 kN雙向門機布置在1 626.00 m高程的壩頂平臺上，門機主小車用于泄洪沖砂閘事故閘門、進水口快速門、進水口檢修門的啟閉和吊運，副小車用于攔污柵的啟閉機和吊運。門機同時兼顧進水口事故閘門液壓啟閉機的檢修工作。

1 門機的設計特點

4 500/1 000 kN雙向門機設有獨立運行的主、副小車，主、副小車可沿上下游方向移動。主小車跨內工作，副小車跨外懸臂工作，最大懸臂工作位置可達8.7 m。這種工況容易引發整機側翻的事故，所以，當該門機副小車工作時，主小車必須停在下游極限位置，防止整機設備傾翻。另外，為了防止操作人員忽視該問題或者誤操作，本機設置了位置檢測裝置，通過電氣聯鎖有效控制主副小車的動作，即主小車必須在規定的位置上停車，懸臂端副小車才能受電工作，從而避免設備傾覆的重大事故發生。副小車最大懸臂工況對主梁的剛度要求頗高，設計時應用有限元分析，在保證懸臂端剛度的前提下控制主梁的質量。該雙向門機在懸臂8.7 m處起吊1 000 kN載荷。這種大懸臂、大容量在水電站門機運行工況中還是首次使用。

2 門機的組成和主要結構布置

門機主要是由主小車、副小車、門架結構、大車運行機構、集中潤滑系統、夾軌器、司機室、電氣室、防風錨定裝置及埋件、攔污柵液壓自動掛鉤梁、車載變壓器、高壓開關柜、電力拖動和控制設備、風速儀及避雷針、電氣防雷接地裝置、軌道和阻進器及埋件等構成的。

門機主要附屬設備包括：攔污柵液壓自動掛鉤梁1套，壩頂門機軌道及埋件（含阻進器）1套。

門機軌距為16 m，并設置2套獨立的小車——主小車跨內工作，當其運行至上、下游極限位置時，吊具距軌道中心均為2.5 m；副小車跨外懸臂工作，當其運行至上游極限位置時，吊

具距上游軌道中心外8.7 m，運行至下游極限位置時，吊具距上游軌道中心外4 m。主機主梁上設有1套16 t的電動葫蘆，它可以沿上、下游方向移動。當其移至上游極限位置時，吊鉤距上游軌道中心外9 m，移至下游極限位置時，吊鉤距下游軌道中心外2 m。門機具體結構布置情況如圖1所示。

3 門機的主要技術參數

額定啟閉力（主小車/副小車）為4 500 kN /1 000 kN（不含抓梁質量）；額定行走荷載（主小車/副小車）為2 000 kN/300 kN（不含抓梁質量）；揚程（主小車/副小車）為45 m/35 m；起升速度（主小車/副小車）（變頻調速1∶20）為 0.25～5/0.25～5（額定2.5）m/min；大車行走速度（變頻調速1∶10）為2～20 m/min；主/副小車行走速度（變頻調速1∶10）為0.5～5 m/min。

4 門機的優化設計

4.1 門機的穩定性和配重情況

4 500/1 000 kN雙向門機設有獨立運行的主、副小車，它們可以沿上、下游方向移動。主小車跨內工作，副小車跨外懸臂工作，最大懸臂工作位置可以達到8.7 m，副小車額定起重量為1 000 kN。在這種工況下，很容易發生整機側翻的事故。因此，在工作過程中，可根據《水利水電工程啟閉機設計規范》（DL/T 5167—2002）對啟閉機進行抗傾覆穩定性的校核。將主小車停在上游極限位置，副小車懸臂上游極限位置工作，經計算，無風靜載工況∑M=-1 058.6 kN·m<0，門機不穩定，需在下游側增設7 t配重；有風動載工況∑M=-448.8 kN·m>0，門機不穩定，需在下游側增設3 t配重；暴風非工作工況∑M=-349.8kN·m>0，門機不穩定，需要在下游側增設3 t配重。該設備將主小車作為門機的配重，通過位置電氣聯絡保護門機安全。所以，在門機副小車工作時，主小車必須停在下游極限位置，并設置位置錨定和位置反饋，采用電氣聯鎖保護功能，防止整機設備傾翻，節省配重費用。

4.2 門機的安全性設計

由于設備結構復雜，除了常規的安全保護外，必須要重點考慮各機構之間的工作聯鎖。設備中必須安裝檢測傳感器和檢測開關，它們分別檢測雙小車的起升荷載、起升高度、停車位置、錨定位置、電機溫度和運行速度等參數。利用控制程序綜合檢測數據可以判斷和控制設備的運行情況。主小車運行的互鎖條件是：副小車機構停機，并空載鎖定在下游側極限位置（空載狀態允許帶抓梁）。副小車運行的互鎖條件是：主小車機構停機，并鎖定在下游側極限位置。與以往單小車運行不同的是，將主副小車的荷載和位置作為反饋值，根據上述反饋在PLC內進行判斷和計算，從而明確主副小車的運行條件，并在判斷后輸出運行頻率，防止實際操作人員忽視該問題或者誤操作引發設備傾覆等重大事故。

4.3 主梁的設計計算

由于門機跨度大，主小車起吊噸位大，幅小車大懸臂工作，所以，對門機主梁的強度、剛度和穩定性提出了較高的要求。主梁采用偏軌箱形梁型式，主梁截面如圖2所示。

4.3.1 穩定性

4.3.1.1 腹板的局部穩定性

當腹板高度h0與腹板厚度δ的比（h0/δ）≤60時，一般可按照構造決定其是否配置橫向加勁肋；當60≤（h0/δ）≤135時，應配置橫向加勁肋；當135≤（h0/δ）≤200時，除了配置橫向加勁肋外，應該在受壓邊緣高度為（1/5～1/4）h處配置縱向加勁肋；當200≤（h0/δ）≤270時，除了配置橫向加勁肋外，應該在受壓區配置兩道縱向加勁肋，第一道設置在距腹板受壓邊緣（0.15～0.20）h處，第二道設置在距腹板受壓邊緣（0.35～0.40）h處。

4.3.1.2 受壓翼緣板的局部穩定性

對于箱型截面，當腹板中心距b0與受壓翼緣板厚度δ的比值（b0/δ）≤50時，可不計算其局部穩定性；當翼緣板比較寬時，應設置一道或多道縱向加勁肋，以滿足相關比值的要求。

在設計本梁體時，要根據穩定性要求設置加勁肋，以滿足主梁局部穩定性的要求。

4.3.2 主梁應力和撓度計算

由于本機工況復雜，綜合考慮載荷的情況，有限元分析以下10種工況的載荷組合：①主小車停于跨中位置，副小車停于上游側極限位置（1），副小車起升機構滿載并作緊急制動，風載荷順著大車軌道方向，大車不制動；②主小車停于跨中位置，副小車停于上游側極限位置（1），副小車起升機構滿載并作緊急制動，風載荷順著大車軌道方向，大車制動；③主小車停于跨中位置，副小車停于上游側極限位置（2），副小車起升機構滿載并作緊急制動，風載荷順著大車軌道方向，大車不制動；④主小車停于跨中位置，副小車停于上游側極限位置（2），副小車起升機構滿載并作緊急制動，風載荷順著大車軌道方向，大車制動；⑤副小車停于上游極限位置，主小車停于跨中位置（1），主小車起升機構滿載并作緊急制動，風載荷順著大車軌道方向，大車不制動；⑥副小車停于上游極限位置，主小車停于跨中位置（1），主小車起升機構滿載并作緊急制動，風載荷順著大車軌道方向，大車制動；⑦副小車停于上游極限位置，主小車停于跨中位置（2），主小車起升機構滿載并作緊急制動，風載荷順著大車方向，大車不制動；⑧副小車停于上游極限位置，主小車停于跨中位置（2），主小車起升機構滿載，風載荷順著大車軌道方向，大車制動；⑨負荷試驗，副小車吊125%的額定載荷位于上游極限位置，主小車位于跨中；⑩負荷試驗，主小車吊125%的額定載荷位于跨中，副小車位于上游極限位置。相關計算結果如表1所示。

在各種工況下，主梁彎曲最大折算應力為213 MPa，懸臂端撓度最大值為-33 mm，滿足剛度要求。由此可知，截面結構設計合理，門架質量最輕。

5 結束語

梨園壩頂門機工況復雜，設計時，要從各個方面入手考慮設備的安全性，并通過手算和有限元分析門架結構，配置各工況的電氣互鎖控制，從而保證門機設備運行的安全性和可靠性。這種大懸臂的、可跨外工作的雙小車啟閉不僅擴大了啟閉機的作業范圍，還節約了工程成本。該設備自2014年投入使用以來，設備運行穩定，操作簡單，自動化程度高，為企業創造了良好的經濟效益和社會效益。因此，這種一機多用的大型懸臂門機值得推廣使用。

參考文獻

[1]中國水電工程顧問集團，水電水利規劃設計總院.DL/T 5167—2002 水電水利工程啟閉機設計規范[S].北京：中國電力出版社，2002.

[2]北京起重運輸機械研究所，國家起重運輸機械質量監督檢驗中心，上海振華港機股份有限公司，等.GB/T 3811—2008 起重機設計規范[S].北京：中國標準出版社，2008.

[3]王金諾，張質文，程文明，等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1997.

〔編輯：白潔〕