白鶴灘水電站臺式啟閉機臨空面檢修平臺的設計與應用

王 樓，王樹強，唐 剛

（中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

1 工程概況

白鶴灘水電站攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程為834.00 m，最大壩高289.00 m，拱壩頂中心線全長708.7 m，是目前在建規模世界第一的水電工程。在機組檢修期間，上游進水口與下游尾水管檢修閘門入槽擋水，為機組檢修創造無水流條件。左右岸尾水管各設置有2 臺4 000 kN 臺式啟閉機，用于尾水管檢修閘門的啟閉工作。

2 項目實施背景

白鶴灘水電站建成后將成為國內規模僅次于三峽水利樞紐的第二大水電站，永久設備的安全性和運行穩定性尤為重要。為保證水電站內臺車運行可靠性，需要對臺車進行定期維護和檢修，對于臺車的端梁部位的維護是一個難點。

臺車兩側行走機構部位內側為閘門孔口，為移動設備臨空面。在內側臨空面對行走機構進行檢修時，無法保證作業人員的安全，給臺車的日常維護和定期檢修帶來不便，影響設備安全穩定性。因此，我們設計了一種體積小、可拆裝的輕型臨空檢修平臺。本文主要研究了臨空檢修平臺的工作原理和機械結構組成，在此基礎上分析了各構件承受載荷情況以及在兩種工況下的應力和位移分布規律，保證新產品更加安全可靠，也為同類型的產品設計提供 依據。

圖1 臺式啟閉機臺車架示意圖 （矩形框里位置為端梁上的高強螺栓連接處）

3 現有臺車臨空面檢修方式及存在問題

3.1 大修期間的臨空面檢修方式

大型檢修時，現有臨空位置端梁部位的檢修方式為將臺車駛離閘門孔口，運行至墩墻位置，再在墩墻頂部采用搭設腳手架的方式進行檢修。因此會產生以下問題：①腳手架搭設作業量大，耗費時間和人工量大；②只能在固定位置檢修，無法對臨空面車輪運行情況進行動態觀察。

3.2 常規檢修時的臨空面檢修方式

臺車行走機構內側為門槽孔口部位，在對臺車行走機構進行常規檢修時，需要檢修人員在軌道兩側互相配合。為保證作業人員安全，檢修人員進入軌道臨空側施工時與非臨空側人員配合對臺車行走機構進行檢修。在對行走機構檢修時會帶來以下問題：①常規檢修時作業空間狹窄，操作受限；②周邊沒有支撐受力點，其操作難度大；③部分檢修任務難以完成且人員需向臨空面探出身體，安全風險高；④只能在固定位置檢修，無法對臨空面車輪運行情況進行動態觀察。

4 臺車臨空面檢修平臺方案設計

4.1 基本結構與原理

針對現有臺車臨空面檢修作業中存在的問題，結合現場檢修需要，按照2 人進入到臨空面進行檢修，并配備部分檢修工器具，平臺的載荷按照300 kg設計。為能解決臺車行走機構檢修中安全作業問題，提高檢修效率，檢修平臺設計按照三個方面的原則：①模塊化設計，互換性強；②保證強度和剛度安全條件下盡量輕巧，人工搬運方便；③各件采用螺栓和銷軸連接，安裝、拆卸方便；如圖2 和圖3 所示，檢修平臺由平臺、立柱、固定梁、欄桿及連接螺栓和銷軸等組成，安裝固定在臺車行走架上，便于檢修臺車架和行走車輪組懸空面的螺栓、軸承及其他附件。

圖2 檢修平臺示意圖

圖3 檢修平臺結構組成

檢修平臺各部件采用標準化、模塊化設計。平臺部件由多個模塊設計的分塊平臺組成，能適應不同工況的設備檢修；固定梁和立柱標準化設計，適應平臺長度變化；各連接件標準化設計，通用性強。同時，單元模塊各部件間連接全部采用標準的螺栓和銷軸連接，其中，固定梁與臺車行車架采用螺栓連接，固定梁與立柱采用銷軸連接，平臺和立柱采用強力角件連接。現場組裝和拆卸方便快捷，避免焊接，大大提高工作效率。其安裝過程如圖4 所示。

圖4 檢修平臺安裝示意圖

4.2 結構設計與選型

為滿足檢修平臺使用的安全性，需對各部件和連接件的強度和可靠性進行研究分析。本項目對檢修平臺的部件設計選型、固定梁以及立柱等連接件受力進行了分析。

圖5 檢修平臺三維效果圖

檢修平臺的固定梁和立柱主要連接件選用承載能力大、強度高的鋁合金，平臺部分采用鋁合金骨架搭設，保證其足夠的強度，再在表面滿鋪鋁合金花紋板，確保整體安全穩定。主要結構設計選型：

平臺骨架：平臺采用工業鋁高強型材，承載能力高（懸長1 m，最大可承載1 000 kg），重量輕（只有鋼型材的1/3）；平臺各連接件選用承載能力高的連接件，主要為強力角件；平臺鋪鋁合金花紋板，防銹效果好；欄桿采用鋁合金，外觀效果好，強度高。

4.3 有限元分析

4.3.1 有限元分析及其方程

由彈性力學方程可知，兩個接觸的彈性體處于平衡時，其離散平衡方程為：

式中：K1，U1—物體l 和2 的剛度矩陣；K2，U2—兩離散體節點位移矢量；f1，F1—作用在兩物體上的外力等效節點力；f2，F2—兩物體上的接觸力等效節點力。

通過上述平衡方程反復迭代就可以得到節點的位移和接觸應力。

4.3.2 有限元模型和分析

檢修平臺的主要連接部件為固定梁和立柱，平臺部件為主要承載部件。在SolidWorks 中建立固定梁、立柱和平臺的三維模型，再導入到ANSYS 中進行有限元分析，為平臺設計選型提供數據支撐，保證檢修平臺的使用安全。

連接部件采用Q235B 材料，根據材料規范GB50018，材料性能參數：[σ]=205 MPa、[τ]=120 MPa、[σcd]=310 MPa。

固定梁一端與臺車行車架固定，另一端與立柱連接，固定梁受懸伸平臺的扭轉彎矩載荷。由應力分析結果可知，應力主要分布于螺栓連接的部位，最大變形產生在懸伸與立柱連接的位置。最大應力為58.72 MPa＜[σ]=205 MPa，XY 方向的撓度均小于L/2 000，滿足材料使用安全要求。

圖6 固定梁應力云圖

X 軸、Y 軸、Z 軸方向的應變分析如圖7。

圖7 固定梁的應變云圖

立柱主要用來連接固定梁和平臺，靠銷軸進行連接。同樣受立柱懸伸平臺的扭轉彎矩載荷。最大應力為48.2 MPa＜[σ]=205 MPa，分布在與固定梁和平臺連接的部位，同樣XY 方向的撓度均小于 L/2 000。

平臺部分用于人員操作檢修的平臺，主要承受集中載荷，按400 kg 的集中載荷對平臺骨架進行受力分析。最大應力為67.61 MPa＜[σ]=205 MPa，XY 方向的撓度均小于L/2 000。

圖8 立柱應力云圖

X 軸、Y 軸、Z 軸方向的變形分析如圖9。

圖9 立柱應變云圖

圖10 平臺骨架應力云圖

X 軸、Y 軸、Z 軸方向的變形分析如圖11。

圖11 平臺骨架應變云圖

通過對檢修平臺的主要連接件和受力部件進行有限元分析，其各個受力部件的應力應變遠小于許用應力，即所選用的連接件和材料能夠滿足安全使用的要求。

5 結語

本文針對臺車行走機構的檢修問題，研制一種用于臨空面的檢修平臺。該檢修平臺的投入使用有效地解決了臺車臨空面檢修作業過程的安全問題，提高了檢修效率。該檢修平臺可用于白鶴灘尾水隧洞臺式啟閉機，同時，也為類似設備臨空面檢修維護工作提供借鑒。