水電站平板閘門鎖定梁自動(dòng)位移裝置研制

錢正林，熊榮剛，趙 勇

（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 引言

平板閘門是水電站的重要金結(jié)設(shè)備，主要用于機(jī)組、快速門及水工建筑物等檢修的擋水工作，這些閘門靠啟閉機(jī)啟閉，非工作狀態(tài)時(shí)坐落在布置于門槽孔口的鎖定梁上。目前，無人值守和自動(dòng)化操作運(yùn)行是水電站發(fā)展的趨勢，也是提高工作效率的有效方法。所以實(shí)現(xiàn)平板閘門鎖定梁的遠(yuǎn)程操作自動(dòng)投退與監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)無人值守的重要途徑之一。

以白鶴灘水電站為例，白鶴灘水電站樞紐工程由攔河壩、泄洪消能設(shè)施、引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。這些主要建筑物中均配置有平板閘門，閘門非工作狀態(tài)時(shí)坐落在布置于門槽孔口的鎖定梁上，當(dāng)閘門啟閉時(shí)，需要移動(dòng)鎖定梁以至不妨礙閘門起落。傳統(tǒng)的鎖定梁移動(dòng)主要靠人力推和拉的方式實(shí)現(xiàn)其投、退功能，這種操作方式存在一定的操作危險(xiǎn)性、操作難度大和人力資源浪費(fèi)等弊端。因此，針對這些弊端研制出了一種靠三合一減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)位移裝置，可實(shí)現(xiàn)平板閘門鎖定梁的遠(yuǎn)程操作自動(dòng)投退和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

2 鎖定梁自動(dòng)位移裝置的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

2.1 裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

平板閘門鎖定梁自動(dòng)位移系統(tǒng)包括對稱布置的鎖定梁自動(dòng)位移裝置和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 平板閘門鎖定梁自動(dòng)位移系統(tǒng)圖

平板閘門自動(dòng)位移裝置主要由鎖定梁本體、三合一減速電機(jī)、齒輪和齒條4 個(gè)部分組成（如圖2）；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要包括攝像頭和監(jiān)控顯示屏。

2.2 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平板閘門鎖定梁自動(dòng)位移裝置控制系統(tǒng)主要包括鎖定梁的位移和限位2 個(gè)功能。其中位移功能需要提供移動(dòng)所需要的動(dòng)力；限位功能需要確定鎖定梁的啟停位置，并實(shí)現(xiàn)信號傳輸和鎖定梁的自動(dòng) 啟停。

水電站平板閘門現(xiàn)有鎖定梁行走機(jī)構(gòu)由車輪、滑動(dòng)軸承及軸組成，鎖定梁的水平位移靠人力推拉使其沿布置于門槽兩側(cè)的軌道上移動(dòng)。針對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和操作方式，借鑒水電站橋、門機(jī)行走機(jī)構(gòu)的工作原理，采用電力推動(dòng)的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)：在原有鎖定梁的兩側(cè)增設(shè)底板，采用螺栓與三合一減速箱法蘭進(jìn)行連接，并在三合一減速箱的輸出軸設(shè)置齒輪，在需要運(yùn)行范圍的地面設(shè)置齒條（齒條與地面采用膨脹螺栓連接），形成一整套運(yùn)行機(jī)構(gòu)。其中鎖定梁本體作用是承載平板閘門的載荷，將閘門鎖定至閘門槽孔口；三合一減速電機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置，其主要輸出驅(qū)動(dòng)力；齒輪作用是傳遞三合一減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，帶動(dòng)鎖定梁在齒條上往返移動(dòng)；齒條作用是與齒輪嚙合，并作為導(dǎo)向裝置。

圖2 平板閘門鎖定梁自動(dòng)位移裝置結(jié)構(gòu)圖

鎖定梁自動(dòng)位移裝置電氣控制設(shè)計(jì)分為供電系統(tǒng)部分和控制系統(tǒng)部分，供電系統(tǒng)由三相電源直接引入到配電箱的總斷路器開關(guān)上，通過總斷路器及總電源接觸器后引至各行走電機(jī)；控制系統(tǒng)由各控制按鈕、接觸器和保護(hù)繼電器等組成，主要控制鎖定梁自動(dòng)位移裝置三合一減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，已達(dá)到鎖定梁左、右行走的目的，且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和現(xiàn)地操作。在鎖定梁的行進(jìn)方向上，分別設(shè)置鎖定梁投入到位和退出到位限位開關(guān)，用來控制鎖定梁的 位置。

為準(zhǔn)確監(jiān)視平板閘門鎖定梁自動(dòng)位移裝置的投退情況，在閘門門槽兩旁各安裝了1 只攝像頭，攝像頭通過現(xiàn)地控制單元將信號傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控后臺(tái)，運(yùn)行人員可在遠(yuǎn)程監(jiān)視整個(gè)運(yùn)行過程。

2.3 系統(tǒng)工作原理

整套系統(tǒng)的工作原理為：當(dāng)平板閘門需要下閘時(shí)，閘門靠啟閉機(jī)提起高過鎖定梁約20 cm，啟閉機(jī)起升停止，此時(shí)操作鎖定梁自動(dòng)位移裝置的“鎖定梁退出”按鈕，閘門兩側(cè)鎖定梁將向門槽外側(cè)移動(dòng)，當(dāng)鎖定梁移動(dòng)到退出到位位置時(shí)，鎖定梁退出到位檢測開關(guān)動(dòng)作，鎖定梁自動(dòng)位移裝置三合一減速電機(jī)停止工作，鎖定梁停止移動(dòng)，這時(shí)啟閉機(jī)運(yùn)行，閘門下閘。

同理，當(dāng)閘門從門槽提起需要鎖定在鎖定梁上時(shí)，閘門靠啟閉機(jī)提起高過鎖定梁約20 cm，啟閉機(jī)起升停止，此時(shí)操作鎖定梁自動(dòng)位移裝置的“鎖定梁投入”按鈕，閘門兩側(cè)鎖定梁將向門槽內(nèi)側(cè)移動(dòng)，當(dāng)鎖定梁移動(dòng)到投入到位位置時(shí)，鎖定梁投入到位檢測開關(guān)動(dòng)作，鎖定梁自動(dòng)位移裝置三合一減速電機(jī)停止工作，鎖定梁停止移動(dòng)，這時(shí)啟閉機(jī)運(yùn)行將閘門放至鎖定梁上。

2.4 裝置設(shè)備選型及計(jì)算

2.4.1 運(yùn)行機(jī)構(gòu)計(jì)算（按照GB3811-2008 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行）

（1）摩擦阻力：

式中：G-鎖定梁自重載荷，鎖定梁自重3 t

u-車輪軸承摩擦阻力系數(shù)，u=0.1

d-與軸承相配合處車輪軸的直徑，d=50 mm

f-滾動(dòng)摩擦系數(shù)，f=0.3

D-車輪踏面直徑，D=180 mm

β-附加摩擦阻力系數(shù)，β=1.5

（2）坡道阻力：

式中：G-鎖定梁自重載荷，鎖定梁自重3 t

i-坡道阻力系數(shù)，i=0.002

（3）風(fēng)阻力：

式中：A-鎖定梁迎風(fēng)面積，單位m2

PⅡ-與設(shè)計(jì)工況相對應(yīng)的風(fēng)壓，PⅡ=150 N/m2

故，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行阻力：

（4）穩(wěn)態(tài)計(jì)算功率：

式中：Vy-鎖定梁的運(yùn)行速度

η-機(jī)構(gòu)總效率，η=0.85

m-機(jī)構(gòu)運(yùn)行電機(jī)數(shù)量，m=2

（5）電機(jī)功率：

式中：KD-電動(dòng)機(jī)的功率增大系數(shù)，KD=1.2

由于所需電機(jī)功率小，因此選擇減速器電機(jī)型號為：Y2 EJ-71 M2-4；功率為：0.37 kW，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4.2 減速器的選擇計(jì)算

減速器輸出轉(zhuǎn)速：

選擇減速器型號：KCLA57R3737，輸出轉(zhuǎn)速：5.6 r/min，運(yùn)行速度誤差率小于10%，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 預(yù)計(jì)成效

（1）提高操作安全性。可自動(dòng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)投、退功能，降低操作人員的操作安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）操作簡單。操作時(shí)只需一人控制即可實(shí)現(xiàn)其投、退功能，節(jié)約了人力資料成本，提高了工作效率。

（3）結(jié)構(gòu)簡單，便于檢修，維護(hù)成本低。該裝置三合一減速箱與鎖定梁采用螺栓連接，方便拆卸，便于后期的檢修跟維護(hù)。

（4）推廣價(jià)值較高。該裝置不需對原有的鎖定梁進(jìn)行改造，因此在現(xiàn)有技術(shù)下如需實(shí)現(xiàn)鎖定梁的自動(dòng)位移功能，只需增加連接底板、三合一驅(qū)動(dòng)裝置、齒輪及齒條即可實(shí)現(xiàn)，改造較為簡便，具有較高的推廣價(jià)值。

4 結(jié)語

本文以白鶴灘水電站為例，針對現(xiàn)有平板閘門鎖定梁結(jié)構(gòu)及操作方式存在的問題，借鑒水電站橋、門機(jī)行走機(jī)構(gòu)的工作原理，開發(fā)研制了一種靠電力推動(dòng)的鎖定梁自動(dòng)位移裝置。本裝置結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可達(dá)到遠(yuǎn)程操作和無人值守的目的，為實(shí)現(xiàn)水電站平板閘門的自動(dòng)化運(yùn)行提供了技術(shù)支持。