超大容量回轉吊門機設計之關鍵技術

范 如 谷， 吳 思 夠

(中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 夾江 614100)

1 概 述

烏東德水電站位于云南省祿勸縣和四川省會東縣交界的金沙江干流上，是金沙江下游河段四個水電梯級——烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩中的第一個梯級。烏東德水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程988 m，最大壩高270 m，拱冠梁底厚46.25 m，厚高比為0.168，為世界上最薄的300 m級雙曲拱壩。烏東德水電站主廠房開挖高度高達89.8 m，是目前世界上最高的地下電站廠房；裝機容量為1 020萬kW，是中國目前已經核準建設的第三大水電站、世界已建和在建的第七大水電站，也是“西電東送”的骨干電源點。

金沙江烏東德水電站左、右岸進水口2×2 000/1 100/1 100 kN雙向門式啟閉機(以下簡稱門機)為該電站關鍵啟閉設備，也是目前國內水電站啟閉機中最大容量回轉吊的門機。門機共2臺，分別裝設在左、右岸電站進水塔頂988 m高程平臺上。門機設有獨立運行的2×2 000 kN小車，上游左側和右側各布置了一臺主鉤1 100 kN、副鉤1 00 kN的雙鉤回轉吊，并在門架左右兩側設有100 kN電動葫蘆檢修吊。小車用于操作進水口檢修閘門及快速閘門和液壓啟閉機的安裝、檢修。上游側雙回轉吊用于操作進水口攔污柵、分層取水閘門和清污抓斗的水中清污。葫蘆檢修吊用于閘門和液壓啟閉機檢修時小件及其它零星物品的吊運。門機主要由小車、門架、回轉吊、大車行走機構、門機軌道和阻進器及二期埋件、防風夾輪器、防風錨定裝置及埋件、電力拖動和控制設備、門機安全監控管理及視頻監控設備等組成。門機機構配置為全變頻控制、全封閉傳動(圖1)。

圖1 門機示意圖

門機的主要技術指標：

(1)小車額定啟門力為2×2 000 kN，總揚程90 m，軌上揚程24.5 m，起升速度為0.25～5 m/min(變頻調速)，小車運行速度為0.25～2.5 m/min(變頻調速)；

(2)回轉吊主起升額定載荷為1 100 kN，揚程94 m，起升速度為0.5～10 m/min(變頻調速)；

(3)回轉吊副起升額定載荷為100 kN，揚程94 m，起升速度為0.5～10 m/min(變頻調速)；

(4)回轉機構的回轉速度為0.04～0.4 r/min(變頻調速)，回轉角度為180°～200°；

(5)門機行走載荷為2×1 600 kN，大車行走速度為2～20 m/min(變頻調速)；

(6)門機跨度為22 m。

2 門機具有的主要特點和難點

因該門機的參數配置與常規門機有較大差別(特別是1 100 kN超大容量雙回轉吊)，必須根據該門機的特點進行研制與創新，以保證門機的可靠性。門機的主要特點和難點均集中在目前國內水電站啟閉機中最大容量的回轉吊上：(1)超大容量回轉吊懸臂梁與主梁連接處易拉裂；(2)超大容量回轉吊揚程為94 m的高揚程，吊具易旋轉而使鋼絲繩打結。

3 超大容量回轉吊懸臂梁與主梁連接處易拉裂的防治技術措施

該回轉吊采用轉盤式回轉吊結構形式(圖1)，主副起升機構和回轉驅動機構均設置在回轉平臺上，回轉平臺上設有回轉吊機房，對起升機構和回轉驅動機構進行保護；回轉吊臂架一端與回轉平臺鉸接，另一端與拉桿鉸接，而拉桿的另一端鉸接在門架懸臂梁上；回轉平臺又通過回轉支撐與安裝在門架外伸梁上的大開式齒輪連接，大開齒與裝設在回轉驅動機構軸端的小開齒嚙合；在驅動機構帶動下，小開齒繞大開齒轉動，帶動回轉平臺、臂架及拉桿轉動，實現回轉吊的回轉。

回轉吊受力情況見圖2。回轉吊的受力主要集中在其下部的回轉平臺及回轉支撐，然后傳遞到門架外伸梁上，其上部的拉桿拉力通過拉桿傳遞到門架的懸臂梁上。

其下部受力傳遞到門架外伸梁上，外伸梁連接到回轉吊側門腿，又通過立柱連接到下橫梁。采用專業結構有限元軟件分析得知，此處受力通過加強回轉吊側門腿及外伸梁很容易解決回轉吊起吊額定載荷1 100 kN并旋轉到各個角度時外伸梁的受力問題；同樣也有助于門機大跨度受力。其上部受力傳遞到門架懸臂梁上。當回轉吊旋轉到垂直于懸臂梁時，懸臂梁與門架主梁連接處受力很大。傳統的連接形式一般是懸臂梁通過高強螺栓與連接板連接，連接板與門架主梁焊接(圖3)。

連接板與主梁焊接處為高受力區域，此處焊縫為對接焊縫。因連接板與主梁翼緣板成直角，轉角處又為高集中應力區域，特別是大噸位的回轉吊此處受力更大，很容易拉裂該處的焊縫，進而造成事故(圖4)。

圖2 回轉吊受力示意圖

圖3 懸臂梁傳統連接形式示意圖

圖4 懸臂梁傳統連接形式易拉裂位置圖

為解決超大容量回轉吊門架結構受力難題，針對這種工況，設計人員采用專業結構有限元計算軟件進行了門架結構整體和局部受力分析研究，總結出一種安全可靠的解決方案并已申請專利，該方案能使超大容量回轉吊在各個回轉角度安全可靠運行。這種全新的結構形式見圖5。

圖5 超大容量回轉吊特殊門架結構形式示意圖

這種超大容量回轉吊特殊門架結構形式，避免了在高受力區域的焊縫連接，取消了連接板，改進為懸臂梁直接和主梁通過高強螺栓連接。而高受力區域變為一塊整的鋼板而不是原來的焊縫，并且有大圓弧以避免高集中應力區域出現，從根本上避免了高集中應力引起的拉裂破壞，從而使回轉吊在各個角度均能安全可靠的運行。

4 超大容量高揚程、吊具易旋轉使鋼絲繩打結的解決措施

該回轉吊由主、副起升兩套卷揚系統組成，每套卷揚系統由變頻電動機通過齒輪聯軸器、硬齒面減速器帶動卷筒轉動，卷筒上的鋼絲繩又通過動、定滑輪和平衡滑輪帶動吊具的起升實現閘門啟閉。主、副起升采用電氣位置同步控制實現同步啟閉。由PLC程序通過計算分析分別設在主、副起升的高度編碼器數據實時控制主、副起升吊點高度，如果一個吊點速度過快，通過高度編碼器數據反饋，PLC會控制該吊點減速或控制另一個吊點加速，以保證主、副起升吊點同步運行。

起升機構采用折線卷筒多層纏繞的方式解決高揚程問題。為便于鋼絲繩層間順利過渡，在過渡處設有過渡環。鋼絲繩的層間返回偏角均在0.5°～1.5°范圍內，上極限時的偏角小于2.5°，這是一個很理想的結果，可以確保鋼絲繩纏繞整齊。

但是，揚程高意味著動滑輪吊鉤下降高度高，動滑輪吊鉤在如此高的高度運行，加上鋼絲繩自身的旋轉力以及動滑輪吊鉤自身重量等因素，很容易使動滑輪吊鉤晃動旋轉而造成鋼絲繩打結(圖6)。針對這種情況，該回轉吊通過設計優化，從設計上采用了以下針對性措施： 首先，合理布置主、副起升機構位于拉桿端部的導向滑輪，使主、副起升機構的鋼絲繩分開，避免在啟閉過程中出現主副起升鋼絲繩交叉干涉、相互摩擦的現象，有效增加了鋼絲繩的使用壽命； 其次，在鋼絲繩設計選型時選用特殊鋼絲繩。這種鋼絲繩能夠極大地減小自身的旋轉力，能夠有效避免動滑輪吊鉤因鋼絲繩自身旋轉力產生的旋轉，從根本上避免了鋼絲繩出現打結現象； 最后，在設計動滑輪吊鉤組時，針對不同噸位的動滑輪吊鉤組自身重量，采用了不同的措施，如果動滑輪吊鉤組自身的重量不能滿足設計需要，則在動滑輪吊鉤組上增加一定重量的配重塊，避免因動滑輪吊鉤組過輕而使鋼絲繩下放不到位、使動滑輪吊鉤組擺動而產生的鋼絲繩打結現象。

圖6 超大容量回轉吊鋼絲繩打結示意圖

5 結 語

金沙江烏東德水電站左、右岸進水口2×2 000/1 100/1 100 kN雙向門式啟閉機的成功研制、在水電行業內首次設計采用超大容量回轉吊特殊門架結構形式，填補了行業空白，對今后類似超大容量回轉吊門機的設計制造具有一定的借鑒作用。