500 kN/2×160 kN 雙向門式啟閉機設計

李欣欣 楊 芳 王 兵 代新啟

中國水利水電夾江水工機械有限公司 夾江 614100

0 概述

宗格魯水電站位于尼日利亞宗格魯鎮東北的卡杜納河上，其上游為已建成運行的希羅羅水電站，最大庫容將近115 億m3，調節庫容27 億m3，總裝機容量700 MW，安裝4 臺175 MW 水輪機。一臺宗格魯進水口500 kN/2×160 kN 雙向門式啟閉機（以下簡稱門機）裝設在引水發電系統進水口高程233 m的平臺上，承擔該電站進水口清污、設備啟閉、設備檢修等任務。該門機的500 kN 小車配液壓抓梁承擔進水口檢修閘門的啟閉及吊運，同時承擔進水口快速事故閘門液壓啟閉機的安裝及檢修。門機在上游側跨外設置有一種新型懸掛移動式2×160 kN 清污機（以下簡稱清污機），清污機吊具下掛清污耙斗用于4 臺機組共16 孔攔污柵的清污，拆除清污耙斗，吊具下方安裝攔污柵液壓抓梁，同時具備攔污柵檢修時起吊攔污柵的功能。尼日利亞宗格魯水電站進水口平臺設備布置如圖1 所示。

圖1 尼日利亞宗格魯水電站進水口平臺設備布置

1 進水口門機

該門機主要由小車、門架、大小車供電裝置、大車行走機構、大小車限位裝置、梯子+平臺+欄桿+司機室、軌道裝置、清污機、控制系統和必要的附屬設備等組成，可沿上下游方向行走的小車設置在門架上部平臺軌道上，清污機設置在門架上游右側門腿外側。門機總體布置如圖2 所示，門機主要技術參數如表1 所示。

表1 門機主要技術參數

圖2 門機總體布置

2 小車

小車主要由起升機構、行走機構、小車架、抓梁電纜卷筒、機房、3 t 機房檢修吊、防墜網和安全保護裝置等組成。小車整體結構緊湊，小車架上的吊物孔距離機房邊緣較近，常規電動葫蘆為鋼絲繩式，機房檢修起重機因其本身結構無法移動到吊物孔位置，遂采用鏈條式電動葫蘆。這種電動葫蘆體積小，質量輕，性能可靠，單根鏈條下放即可滿足3 t 機房檢修起重機從壩面上吊裝零星物品的要求。

2.1 起升機構

起升機構主要由電動機、硬齒面減速器、2 臺液壓盤式工作制動器、安全裝制動器、帶制動盤的聯軸器、卷筒裝置、定滑輪及載重傳感器裝置、動滑輪裝置、平衡滑輪裝置、高度限制傳感器、重錘式限位裝置等組成。起升機構為單吊點，由1 套卷揚系統組成，卷揚系統由電動機通過聯軸器與硬齒面減速器高速軸連接，減速器的低速軸通過卷筒聯軸器帶動卷筒轉動，卷筒上鋼絲繩繞過定滑輪、動滑輪和平衡滑輪帶動吊具起升，從而實現物品吊運。

1）電動機

門機運行的環境溫度最高為50℃，設計規范要求電動機的選型要考慮海拔高度和環境溫度對電動機功率的影響，電動機以環境溫度和海拔高度為函數變量的修正值見圖2。從圖3 中可知，在海拔1 000 m 以下、環境溫度50℃時，電動機功率的修正系數為0.92，根據起升速度、額定起升載荷及吊具質量、傳動效率所計算的電動機凈功率為22.3 kW，考慮修正系數后的電機功率為24.2 kW。綜合考慮，最終選擇電動機功率為26 kW，滿足要求。

圖3 以環境溫度和海拔高度為函數變量的修正值

2）卷筒裝置

采用雙聯焊接卷筒，繩槽采用螺旋線型單層纏繞，鋼絲繩端頭用壓板螺栓固定在卷筒的兩端。采用焊接式短軸卷筒，卷筒軸經滾動軸承支承于軸承座上，滾動軸承與軸承座端蓋間預留一定的間隙，用于消除卷筒的安裝誤差。硬齒面減速器低速軸上安裝有卷筒聯軸器，卷筒聯軸器通過法蘭與卷筒腹板上的卷筒轂連接，卷筒聯軸器可徑向轉動，消除卷筒重載時的變形。

3）制動器

在卷筒軸伸出軸承座端蓋的端面安裝有1 套包含主令控制器的起升高度限制傳感器，主令控制器用于上下極限位置控制，高度傳感器用于監測閘門的位置。在定滑輪裝置處設置壓式載重傳感器，用于起升載荷的信號輸出及過載保護。為防止動滑輪裝置沖頂造成事故，在平衡滑輪裝置旁設有重錘式限位裝置。動滑輪裝置在上極限位置觸碰重錘式限制器后，起升機構斷開電源，防止起升機構繼續提升。減速器高速軸上裝有2 臺液壓盤式制動器用于工作制動，在遠離減速器側的卷筒端部設有制動盤，在卷筒制動盤上裝有1 套安全制動器，安全制動器延遲制動，減小制動沖擊，避免發生溜鉤事故。

2.2 安全防護措施

小車架上除在卷筒旁設有欄桿防止人員墜落外，還在卷筒下方設有防墜網，以防止小車上掉落工具，還可防止飛鳥進入小車機房內，保持機房內的整潔。

在非工作狀態的暴風工況下，小車可能會被暴風吹動跨過門架中部而移動到下游側，此時起升機構的動滑輪裝置可能會與液壓啟閉機的液壓缸干涉，造成事故。為避免出現這種情況，在小車端部設有支軌器，支軌器的剎車板下放至軌道上并施加一定壓力，從而使滾動摩擦替換成滑動摩擦，防止小車移動。

3 懸掛移動式2×160 kN 清污機

清污機布置在門架上游右側門腿的外側，主要由2×160 kN 電動葫蘆裝置、支架、拉桿、鉸軸、供電裝置、限位裝置等組成，清污機的工作范圍為上游側跨外7 m 至跨外2.5 m。2×160 kN 電動葫蘆裝置主要由2 臺160 kN 電動葫蘆、吊架、行走機構等組成，2 臺電動葫蘆對稱布置，結構緊湊，安裝空間小，頂部通過螺栓固定在吊架底部，吊架又通過鉸軸與行走機構相連，行走機構的車輪懸掛在清污機支架兩側設置的軌道上。清污機支架靠近門腿側通過鉸軸連接在門架的中橫梁和門腿上，支架另一側通過鉸軸與兩個拉桿的一端連接，2 個拉桿另一端鉸接在門架主梁端部和端梁上，清污機的拉桿和支架與門架間均為鉸接，方便運輸，現場安裝便捷，且形成了三角形的穩定結構，受力明確，便于拉桿、支架、門架的分析計算。清污機的布置如圖4 所示。

圖4 清污機布置示意圖

4 門機的聯動控制

在進水口平臺下游側設有4 臺液壓啟閉機，用于4孔4 扇進水口快速事故閘門的啟閉，布置在距下游側軌道中心2.9 m 處，液壓啟閉機液壓缸高出軌面約10 m，門機吊點下游側極限位置時至下游側軌道中心的距離為2.5 m。小車起升機構至上極限時，門機動滑輪裝置下掛的抓梁下吊耳中心至軌面的距離為11 m，亦即門機小車只在動滑輪裝置位于上極限且抓梁不能下掛閘門時才允許運行至下游側極限位置。為解決此問題，在門架主梁中部設有信號感應裝置，與小車起升機構的載重傳感器和高度限制器聯合使用。在小車經過主梁中部觸發信號感應裝置后，PLC 讀取載重傳感器和高度限制器數據。在監測到小車起升動滑輪裝置空載且處于上極限位置時，小車方可繼續向下游側行駛，且運行過程起升機構鎖定無法下放動滑輪裝置。

清污機在跨外7 m 處起吊額定載荷2×160 kN 時，加上其自重會對門機產生較大的傾翻力矩，而門機小車自重相對較輕，且門機跨度僅為11.5 m，為滿足規范規定的門機抗傾覆穩定性要求，在不采取措施的情況需在下游側增加配重用于平衡，這樣會使下游側大車車輪輪壓增加。增加門機的大車輪壓，即增加了門機軌道承重梁的負載，也意味著增加了投資成本。采用門機小車極限位置與清污機電動葫蘆裝置極限位置互鎖的方式，門機小車與清污機的電動葫蘆裝置不同時工作。小車運行時，清污機電動葫蘆裝置必須停放在靠近上游側門腿的極限位置；清污機電動葫蘆裝置運行時，小車必須停放在門機下游側極限位置。在采取這種措施后，按照規范中門機抗傾覆穩定性的計算，得出門機下游側的配重從35 t 減少到12 t，減重顯著，具有良好的經濟性。

5 大車行走機構

大車行走機構共設有4 組臺車，每側2 組對稱布置，每組臺車由支座、臺車架、主動車輪組、從動車輪組等組成，共有8 個車輪組。臺車車輪組采用45o剖分式結構，車輪組軸承座內孔與外圈采取偏心布置，通過轉動軸承座可實現小范圍調整車輪偏斜的功能，便于現場調整，使車輪處于最佳接觸狀態。臺車架與支座之間通過鉸軸連接，兩者之間相對轉動一定角度，可有效避免因軌道安裝不平整導致的車輪懸空問題，支座通過螺栓固定在門架下橫梁上。每個主動車輪的驅動裝置采用1 套 “三合一”減速器封閉式傳動，電動機處設置防雨罩。這種布置不僅能均衡各行車輪輪壓，還能有效防止主動車輪在啟動時打滑。

6 門架結構的計算

門機的關鍵受力構件主要為門架，結合常規的跨外懸臂門機和帶回轉吊門機的部分特點，既有相似點又有很大不同。設計手冊中建議門機的懸臂長度l＝（0.25～0.35）L，L為門機跨度，該門機跨外有效工作范圍的懸臂為7 m，門機跨度為11.5 m，兩者比值為0.61，遠遠超過設計手冊的建議范圍。常規的門機跨外額定起重量與主小車額定起重量比值一般較小，而該門機跨外有額定起重量2×160 kN 與小車額定起重量500 kN的比值為1:1.56。與常規的門機相比，該門機具有跨外額定起重量相對小車額定起重量比值大和跨外有效工作范圍與門機跨度比值大的特點，對門架的設計要求較高。

當清污機跨外7 m 處起吊2×160 kN的額定載荷時，清污機的拉桿為主要受力構件，拉桿將力傳遞至門架的主梁和端梁，清污機支架通過鉸軸將力傳遞至門架中橫梁和門腿中部，主要工況下門架的受力情況見圖4，主要工況下門架各鉸點處受力大小見表2。圖5 中的G1為小車自重，G2為門架自重，G3為清污機除電動葫蘆外的自重，G4為電動葫蘆的自重，G5為配重，F為額定載荷，S為拉桿鉸接的門架主梁處受力，S1為拉桿鉸接的門架中橫梁處受的水平分力，S2為拉桿鉸接的門架中橫梁處受的豎直分力。常規的手工計算，并不能完全體現門架整體的應力、剛度以及局部的集中應力，有限元分析是目前行之有效的解決方法。

圖4 主要工況下門架的受力示意

表2 主要工況下門架各鉸點受力大小

6.1 門架結構

門機的門架結構主要由主梁、小車軌道、端梁、門腿、中橫梁及下橫梁等組成。主梁沿跨度方向布置，中、下橫梁沿大車軌道方向布置。主梁采用偏軌箱形梁結構，主梁的主腹板采用2 種板厚的鋼板對接而成，與軌道下翼板連接的主腹板局部選用加厚鋼板，以減小局部區域擠壓應力，遠離高應力區域的主腹板，小車輪壓對其板厚的選取影響不再加大，計算后選用較薄板厚的鋼板可有效降低梁體的自重。為了保證上主梁與門腿之間連接節點的強度和剛度，在主梁與門腿連接處采用大圓弧過渡，與清污機拉桿連接的主梁局部做加強處理，以保證主梁的強度。小車軌道布置在主梁的主腹板板厚中心線上，通過壓板固定。

端梁采用箱形結構，與主梁組成框架結構，整體制作，分體運輸，兩端通過高強螺栓與主梁連接成一體。

門腿共4 件，上下游各2 件，其中下游側的2 件設置有灌注孔，用于混凝土配重的灌注。門腿采用箱形梁結構，在跨度平面內為上寬下窄的箱形斷面立柱。門腿上端與主梁之間采用單片法蘭焊接，下端與下橫梁的上平面之間采用雙法蘭普通螺栓連接，下橫梁的下端面與大車行走機構的支座用螺栓連接。在其基距平面內，門腿斷面的寬度不變。

中橫梁采用箱形梁結構，兩端分別焊接在2 個門腿中部，設有2 個分段處，便于運輸，分段處通過高強螺栓副與門架連接成一體。

采用有限元對門架各工況進行分析，然后優化設計得出合理結構。

6.2 門架的有限元分析

采用有限元法程序，經過軟件計算，得到門架在小車跨中起吊額定載荷時的最大應力為113 MPa，出現在門腿與中橫梁組合處，應力范圍小，應力值小于規范要求的216 MPa；門架在清污機跨外7 m 起吊額定載荷時的最大應力為158.7 MPa，出現在門腿與中橫梁組合處，應力范圍小，應力值小于規范要求的216 MPa；小車跨中起吊額定載荷時，門架的最大變形為3.9 mm，跨度為11.5 m，比值為1/2 949，數值小于規范要求的L/1 000，門架的強度和剛度滿足要求。門架計算結果云圖見圖5。

圖5 門架計算結果云圖

7 結論

通過研究小車起升機構及其高溫環境下電動機的選型、懸掛移動式2×160 kN 清污機、大車行走機構等關鍵部件，分析了門架的受力特點，采用有限元軟件對門架各工況進行計算，得出合理的門架結構，采用小車和清污機聯動控制的方式，門機減重顯著。設置必要安全防護措施，該500 kN/2×160 kN 雙向門機的設計開發滿足合同規定的參數及規范的要求，其關鍵技術得到用戶的認可。本項目也提供了一種跨外新型清污機的設計思路，為后續的水電站啟閉機提供了值得借鑒的經驗。