前坪水庫固定卷揚式啟閉機載重部件設計

陳薛萍，張興鋒，陳 勇

（山東水總機電工程有限公司，山東 濟南 250100）

河南省前坪水庫主體工程QH-2×1 000 kN弧門固定卷揚式啟閉機臺數為5臺，啟閉機安裝在429.5 m高程啟閉室內，用于啟閉溢洪道弧形工作閘門（15 m×15 m×14.6 m）。

卷揚式弧門啟閉機主要用于操作露頂式弧形閘門，圖1所示是溢洪道工作閘門總圖布置圖，吊點設置在面板前面的弧門啟閉機的布置，為了適應弧門轉動的需要，啟閉機上翼板不能采用滑輪裝置，只能用單根或多根鋼絲繩自卷筒引出并直接連接到吊耳軸上的方式。這一做法使該類弧門啟閉機的起重容量受到較大的限制。

1 啟閉機構造及工作原理

前坪水庫2×1 000 kN弧門固定卷揚式啟閉機由起升機構、吊具、滑輪組、機架、安全裝置及電氣部分組成。

起升機構額定起升容量為2×1 000 kN，雙吊點布置，吊點中心距9 m，啟閉場程22 m。驅動方式為集中驅動。一臺電動機通過制動輪聯軸器與減速機高速軸相連，減速機低速軸為兩端輸出，輸出軸上分別安裝小齒輪。小齒輪分別與裝在卷筒上的大齒輪嚙合，驅動卷筒旋轉。鋼絲繩分別通過滑輪固定在卷筒上。布置總圖如圖1示。

2 載重部件的設計與計算

2.1 鋼絲繩

卷筒上纏繞的鋼絲繩所受的最大拉力S為：

圖1 啟閉機總圖

式中：Q為起升荷載，Q=1 000 kN；Q0為吊具重量，Q0=5 000 N；m 為雙聯卷筒，m=4；η1為滑輪組效率，η1=0.96。

鋼絲繩是根據破斷力F0進行選擇：F0≥nS（必要條件）。

啟閉機鋼絲繩采用鍍鋅鋼絲繩，且優先采用線接觸鋼絲繩。多層纏繞的鋼絲繩采用金屬芯鋼絲繩。

經計算，鋼絲繩選用：40ZAB18×K19SWSC1960（從設計手冊中查出：F0=1 448.28 kN）。

F0≥nS，該鋼絲繩滿足設計要求。

F0為鋼絲繩的破斷拉力，N；n為鋼絲繩的安全系數，見表1；S為鋼絲繩最大工作靜拉力。

表1 鋼絲繩最小安全系數

鋼絲繩出廠、運輸、存放時應卷成盤形，表面涂油，兩端扎緊并帶有標簽，注明訂貨號及規格。鋼絲繩端部固定連接的安全要求符合GB6067的規定。

2.2 卷筒

水工建筑物的QH-2×1 000 kN弧門固定卷揚式啟閉機，由于啟閉機起重容量很大，為減小卷筒的外形尺寸，采用雙層纏繞的卷筒。

2.2.1 卷筒尺寸

卷筒直徑D=hd=1 000 mm

繩槽半徑 R=（0.53～0.56）d=21～22 mm（R 取21mm）

繩槽深度 H=（0.25～0.4）d=10～16 mm（H 取15 mm）

繩槽節距 t=d+（2～4）=42～44 mm（t取 44 mm）卷筒厚度δ≈d（δ取45 mm）

式中：d為鋼絲繩直徑，mm；h為與機構工作級別有關的系數。

2.2.2 卷筒強度計算

材料為ZG270-500，σs=270 MPa，抗拉強度σb=500 MPa。

式中：L為卷筒長度，取2 160 mm；D0為卷筒繩槽底徑，取970 mm。

需要校核卷筒表面最大壓應力，不需要校核合成應力。

卷筒壁的壓應力：σp=ASmax/δt=162.85 N/mm2。

式中：A為與鋼絲繩纏繞層數有關的多層纏繞系數，按表2選取。

Smax為鋼絲繩最大拉力，N；δ為卷筒壁厚（對灰鐵 δmin≥12 mm，對鑄鋼 δmin≥15 mm）；本卷筒采用鑄鋼件，壁厚不小于45 mm；t為卷筒上的螺紋繩槽節距，取44 mm。

表2 鋼絲繩多層纏繞系數

[σp]為許用壓應力，N/mm2（鋼：[σp]=σs/1.5；鑄鐵：[σp]=σ抗壓/4.25）；其中：σ抗壓=3～4 倍的抗拉強度。[σp]=σs/1.5=180 N/mm2，σp＜ [σp] 滿足要求。

2.3 卷筒軸計算

卷筒軸兩端采用實心軸，中間采用φ=219×25鋼管。扭矩作用下的切應力：

式中：Mmax為扭矩，Mmax=Pa=1.69×108N·mm

（取a=335 mm，則L=2 750 mm；P=505 000 N）

W為抗扭界面系數，實心軸。

（α為圓管內外圓直徑之比，α=169/219）

材料的許用應力[σ]=150 N/mm2；σ＜[σ]，所以φ=219×25鋼管可行。

3 結語

在業主單位的組織下，該啟閉機的設計方案，通過了設計單位、監理單位等的設計審核，經過現場試運行，表明該啟閉機的設計方案是合理、可靠的。