液壓自動抓梁模塊化設計的研究及應用

曾 文， 范 如 谷， 趙 明， 譚 曉 波， 代 新 啟

(中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 樂山 614100)

1 概 述

液壓自動抓梁是水電站進行閘門啟閉操作的關鍵設備之一。該類抓梁能較好地實現水下自動穿退銷和防意外退銷功能，具有方便與閘門接口、適應不斷增加的大啟閉容量要求等諸多優點，在我國大、中型水利水電工程中應用廣泛，特別是隨著高壩、大壩建設的日益增多，還面臨著適應超過100 m水深和多泥沙水體等特殊環境使用的要求。

目前，液壓自動抓梁的設計普遍是針對每一項工程的具體要求，且以經驗設計為主，其設計周期較長、效率低、成本較高，進而影響到產品的可靠性和質量穩定性，而模塊化設計方法能在制造成本、設計周期、快速響應以及便于提高可靠性等方面滿足用戶的需求，提高了產品設計的自動化程度和競爭力。

針對液壓自動抓梁的使用與工作條件、功能、組成、結構及接口關系，研究了各部件的作用和關系，確定了各零部件模塊化設計的基本思路，提出了液壓自動抓梁模塊化設計方案，并針對三維模塊化快速設計進行了一些探討。

2 模塊化設計的原則和思路

2.1 模塊劃分原則

模塊劃分過程中，應充分考慮客戶需求、設計特征、功能結構、裝配、成本和維修等綜合因素，應遵循以下相關基本原則[1]：

(1)結構完整性和系統性。模塊化[2]是從系統優化的角度將產品的總體功能要求按照模塊應具有的基本功能特征、結構特征以及模塊劃分原則，將產品合理劃分成多個模塊的過程。在模塊劃分過程中，首先對產品的總功能進行充分的分解，得到一系列基本功能單元，形成系統的科學與應用相結合的模塊分類方法。

(2)功能獨立性及可擴充性原則。模塊劃分對分類子系統的擴展、對模塊類別的開拓要有良好的適應性，模塊內部要有強關聯性，模塊與模塊之間為弱關聯性，而不致于產生不良效果。在實際應用中，對識別模塊劃分、選擇模塊需要簡明、準確。

(3)模塊劃分數量合理。應重點解決好模塊劃分的總體功能分解方案及分解程度、功能單元程度的衡量及按模塊化設計的價值與效益確定模塊劃分的數目。

(4)相關性。模塊劃分層次的有序程度是保障模塊相關性的重要條件，模塊劃分層次的設計對于體現其科學與實用性具有至關重要的作用。

2.2 液壓自動抓梁設計的思路

在液壓自動抓梁設計過程中，需要滿足模塊化和參數化快速設計建模的要求，最終采用了“自頂向下[3]”的設計方法， 即設計思路是從“總體設計”到“模塊設計”。

(1)總體設計模塊化搭建。根據“自頂向下”的設計方法，在產品總體設計規劃過程中，首先建立了啟閉機、門槽及閘門總體布置的三維約束架構和主軸線架構，確保了總體模型主軸線和約束清晰，液壓自動抓梁骨架見圖1。

圖1 液壓自動抓梁骨架圖

(2)三維結構產品模塊劃分后，液壓自動抓梁總體平臺的三維結構需要與所劃分的模塊對應，總體設計時需要創建總體布置的設計意圖，然后搭建產品的三維結構(架構)，其中包括一級模塊和二級模塊的三維結構。

(3)模塊位置架構的設計。在總體設計過程中，按產品設計參數和三維約束架構布置各個模塊的安裝位置，根據“自頂向下”的三維建模原則，各個模塊的安裝位置需通過所建立的安裝坐標系確定，因此，要創建整機位置架構并在該架構模型中設置各模塊的安裝位置坐標系。

(4)模塊接口架構的管理。在前期模塊規劃和劃分過程中，應充分分析各模塊之間的接口及接口形式，確定典型應用接口，包括連接法蘭、安裝孔、空間干涉檢查、檢修空間、力傳遞等，其接口的位置由模塊安裝位置坐標予以體現。

(5)模塊間接口關系的處理原則。為了保持模塊之間的獨立性，模塊化產品的“自頂向下”設計原則要求將接口架構坐標作為各模塊設計的輸入，不允許模塊之間直接的外部引用關系，避免模塊間通過外部復制幾何的形式傳遞設計條件，既保持了設計接口正確，又保持了兩個模塊之間的獨立性。

(6)模塊設計。模塊化產品中的模塊要求具有較高程度的獨立性，模塊本身從結構和功能上是相對獨立的，貫徹“自頂向下”的設計思路。不同的是模塊本身要繼承接口的約束條件以及相關模塊的位置信息，即模塊設計架構需要將接口、位置信息作為模塊自身的外部參考條件。在模塊配置層裝配時，首先按默認的方式裝配整機模塊位置，按坐標系對齊的方式將本模塊位置架構安裝到整機位置架構上，然后采用坐標系對齊的方法安裝相關的一級接口和二級接口，再安裝本模塊的參數架構。

3 液壓自動抓梁的模塊化設計

為滿足大型、超大型水電站建設的要求和不斷的技術創新，液壓自動抓梁[4]工作水深超過100 m及大型化趨勢明顯，其所承受的載荷越來越大，對安全可靠性要求越來越高。但目前各廠家的液壓自動抓梁設計與制造基本上還停留在傳統的設計理念上，在產品設計開發手段、模塊化設計方法、設計周期、設計質量管理等方面的差距仍然較大。針對液壓自動抓梁模塊化進行了以下分析。

3.1 液壓自動抓梁的組成及原理

液壓自動抓梁通常按其上、下吊點數量進行分類，一般可分為以下幾種類型，液壓自動抓梁上下吊點型式見表1。

表1 液壓自動抓梁上下吊點型式表

液壓自動抓梁主要由抓梁體(包括上、下吊耳結構等)、平衡重、主/反導向裝置、側導向裝置、閘門定位導向裝置、抓梁/閘門到位檢測裝置、穿銷裝置、液壓管線、液壓泵及電纜(主)接頭等組成，液壓自動抓梁結構示意圖見圖2。

圖2 液壓自動抓梁結構示意圖

液壓自動抓梁的基本功能是在門橋式啟閉機操作控制下，由液壓抓梁液壓控制系統驅動穿退銷裝置、按操作的指令完成抓取和啟閉閘門。

3.2 液壓自動抓梁模塊化設計的總體方案

液壓自動抓梁模塊化設計流程：

已有產品和用戶需求分析→產品功能分析→確定產品系列→確定產品主參數及參數范圍→模塊化分析→主要模塊化劃分→模塊結構設計(包括模塊標準化和系列化)→三維參數化建模→編制技術文件→完成液壓自動抓梁模塊化及參數化設計。

液壓自動抓梁的機械結構按模塊化、參數化、系列化、標準化的設計要求進行設計，液壓抓梁模塊劃分見表2。

表2 液壓抓梁模塊劃分表

3.3 穿銷裝置模塊化設計

鑒于原設計方案中的穿銷裝置缸徑和桿徑規格過多，達到了11種且不統一，不利于設計和制造塊化和減少密封件等原器件的規格，增加了備件的準備時間和用戶維護難度。對此，開展了以下研究工作。

(1)液壓自動抓梁穿銷裝置規格統計。根據對歷年約124套液壓自動抓梁進行的數據統計：吊軸直徑范圍為100～360 mm，共有11種油缸直徑與活塞桿徑的組合，其中缸徑范圍為63～160 mm，桿徑范圍為45～90 mm，油缸直徑與活塞桿徑組合情況見表3。

表3 油缸直徑與活塞桿徑組合表 /mm

(2)穿銷裝置模塊化設計。適應吊軸的直徑范圍為100～360 mm。重新規劃后，將穿銷油缸/活塞桿優化為4種組合規格(缸徑范圍為63～130 mm，桿徑為45～80 mm)，穿銷油缸/活塞桿直徑優化情況見表4，穿銷裝置模型見圖3。

圖3 穿銷裝置模型圖

表4 穿銷油缸/活塞桿直徑優化表

3.4 液壓泵站模塊化設計

3.4.1 液壓泵站性能需求分析

穿銷裝置模塊化和系列化設計后規格減少為四種，從而為液壓泵站模塊化設計打下了較好的基礎，針對功能、規格參數、控制方式、可靠性進行了以下分析：

(1) 液壓泵站為穿銷裝置的吊軸“穿-退”提供驅動力，其吊軸“穿-退”時間偏差沒有明確的要求，即吊軸“穿-退”速度可以在較大的范圍由設計人員取值。

(2) 一般液壓自動抓梁的液壓系統采用常規控制方式，即用電磁換向閥控制吊軸的“穿-退”，該方式容易實現，但需要有電磁換向閥控制線從啟閉機通過主電纜接入到液壓抓梁的泵站內，需占用較多的電纜芯數。液壓缸動作亦可采用液控方式，由于門橋式啟閉機制造廠在液壓專業不具備相應的優勢，導致該方式在液壓自動抓梁中的使用相對較少，其控制操作簡單的優勢沒有得到發揮。

(3)為提高液壓泵站的可靠性，對泵站殼體密封結構、中間接線箱及漏水檢測等方面需要進行進一步的優化。

3.4.2 液壓泵站的詳細設計方案

(1)經核算后得到的四種規格穿銷裝置吊軸“穿-退”速度范圍為：0.8～4.5 m/min。考慮到同樣需要液壓泵站的液壓耙斗，將液壓泵站統一為兩種規格，其油泵規格分別為6.1 mL/r及18 mL/r。

(2)液壓系統由“電磁閥控制”優化為全液壓控制，取消了電磁換向閥。通過雙向油泵和單向閥實現了油缸“伸出/退回”，同時亦減少了各類元器件及主電纜的芯線數量，液壓泵站及原理見圖4。經13 000余次無水試驗和17 000余次水下(壓力為1.46 MPa)試驗，其動作安全可靠。

圖4 液壓泵站及原理圖

3.5 導向裝置模塊化設計

導向裝置主要包括主/反導向模塊、側導向模塊。將主/反導向模塊進行系列化，通過調整參數改變上下游導向滑塊裝置的長度，進而改變抓梁中心線與門槽中心線的相對位置。根據閘門的導向形式，通過選擇最終確定側導向模塊的形式。圖5為常見抓梁導向滑塊裝置示意圖。

圖5 常見抓梁導向滑塊裝置示意圖

3.6 抓梁梁體(含上、下吊耳)模塊化設計

抓梁梁體為液壓自動抓梁承載主體。液壓自動抓梁上下吊點型式見見表1。

3.6.1 上、下吊耳連接結構設計

當抓梁上、下吊點有偏差時，目前常用的吊板結構形式有以下幾種(上、下吊耳連接結構形式見圖6)。

圖6 上、下吊耳連接結構形式圖

對于偏差較大的采用圖6-a結構形式；對于偏差較小且有焊接空間的采用圖6-b結構形式；對于偏差較小且空間較小的采用圖6-c結構形式，即采用吊板折彎方式。

當上、下吊耳吊板中心線不是一條直線時，根據對歷年來抓梁中吊板的折彎角度α進行統計，取吊板折彎角度α上限為15°(吊板折彎處中心線與豎直方向的夾角)，并將15°作為判斷參數，當偏角大于15°時，上、下吊板將分開，并根據梁高和抓舉容量選擇對應的連接方式，如圖6-b。

3.6.2 抓梁重心問題

抓梁在使用過程中必須保持平衡才能順利通過門槽口部。為保證抓梁平衡，一般通過設置平衡重來調整抓梁重心。而目前所使用的部分抓梁平衡重較重，因此，實施過程中將上吊耳板孔心往需設置平衡重的方向調整，調整距離小于理論的平衡距離，通過這種方式可有效減輕平衡重的重量。為調整制造偏差，設置了少量平衡重進行調整[5]。

3.7 到位信號裝置標準化

按照模塊劃分原則，將抓梁到位信號裝置統一為以下兩種情況(到位信號裝置示意圖見圖7)。

(1)對于閘門有沖水閥的穿銷到位裝置。根據穿銷裝置的相關尺寸，確定了兩種工況下兩個位置傳感器的位置(圖7-a)。

(2)對于無沖水閥的閘門，根據穿銷裝置的相關尺寸，只需確定一個位置傳感器的位置(圖7-b)。

圖7 到位信號裝置示意圖

4 液壓自動抓梁三維快速建模

4.1 三維快速建模的方法

通過液壓自動抓梁三維參數化設計，可以實現三維快速建模。其主要流程為：輸入參數→ilogic讀取參數→驅動子部件模型→驅動總裝配模型→圖紙輸出，三維快速建模流程見表5。

表5 三維快速建模流程表

4.2 應用實例

目前修建的水電站中的啟閉機多數都設置有抓梁，有的甚至設置了多個抓梁。為了有效提高設計工作的效率，對抓梁進行了模塊化、參數化設計。現已對以下水電工程：烏東德2×2 000 kN抓梁、巴基斯坦卡洛特2×1 600 kN及2×800 kN抓梁、贊比亞下凱富峽1 250 kN抓梁、漢江孤山2×2 500 kN、2×2 000 kN和2×1 600 kN抓梁、貴州平寨2×630 kN、2×500 kN和2×400 kN抓梁、尼日利亞宗格魯2×1 600 kN和2×500 kN抓梁等進行了模塊化、參數化設計。

5 結 語

對液壓自動抓梁模塊化及三維參數化快速建模設計進行了分析與研究，按模塊化、參數化、系列化、標準化設計要求形成了液壓自動抓梁模塊化設計方案，并通過參數驅動實現了液壓自動抓梁三維參數化快速設計，提高了設計水平和效率，主要研究工作取得了以下結論：

(1)液壓自動抓梁的設計需要滿足模塊化和參數化快速設計建模的要求，應采用“自頂向下”的設計方法， 即設計思路是從“總體設計”到“模塊設計”。

(2)基于液壓自動抓梁必須適應門槽約束的要求，應先建立啟閉機、門槽及閘門的三維約束架構和主軸線架構，確保總體模型主軸線和約束邊界清晰，并按產品設計參數和三維約束架構建立安裝坐標系，布置各個模塊的安裝位置。

(3)模塊化總體設計規劃過程中，應針對關鍵部件進行系列化、標準化設計，為提高產品的可靠性和參數化設計打下良好的基礎，如導向裝置、梁體結構、主電纜插頭、穿銷裝置及液壓泵站(含接線箱)等的專項改進設計。

(4)通過液壓自動抓梁模塊化、參數化設計技術的應用，該產品在制造成本、設計周期、快速響應以及可靠性等方面得到了明顯的提升。