白鶴灘水電站壩頂10 000 kN/500 kN超大型雙向斜拉門機研究

李 欣 欣， 楊 芳， 周 任 偉

(中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 夾江 614100)

1 概 述

金沙江白鶴灘水電站為我國西電東送的骨干電源之一，于2010年6月開始施工準備，計劃于2021年7月首批機組發電，2022年12月竣工。白鶴灘水電站的開發任務以發電為主，兼顧防洪、航運并促進地方社會經濟發展。大壩壩頂設置1臺10 000 kN/500 kN超大型雙向斜拉門式啟閉機，裝設在壩頂(軌頂)836 m高程上。主起升機構用于操作深孔事故閘門，斜拉狀態下的額定啟閉容量為10 000 kN,斜拉角度為7°；下游側回轉吊用于表孔液壓啟閉機的安裝、檢修，額定起升容量為500 kN。門機在壩頂沿左右方向弧形軌道走行，其軌距為13.2 m，門機軌道長度約190 m，大車行走距離約170 m。依托金沙江白鶴灘水電站啟閉機設備采購合同，中國水利水電夾江機械有限公司(以下簡稱夾江水工)對該電站壩頂10 000 kN/500 kN超大型雙向斜拉門機進行了專門的研發。該門機為目前已知世界上水電行業在建的最大啟閉容量的壩頂門機，且其斜拉角度達到7°。該門機專門用于底孔事故閘門的啟閉作業，屬于專用起重機械。其設備的安全性、可靠性直接關系到白鶴灘水電站的運行及大壩安全。

2 壩頂10 000 kN/500 kN雙向斜拉門機的總體設計方案

門機主要由小車、小車液壓驅動、500 kN回轉吊、門架、大車電纜卷筒裝置、小車供電裝置、大車行走機構以及必要的附屬設備等組成。門機總體布置情況見圖1。

圖1 門機總體布置圖

小車設置在門架上部的平臺軌道上，可沿上、下游方向行走，小車液壓驅動采用2個同步油缸以滿足斜拉工況并承受水平分力。小車起升機構的額定啟閉載荷為10 000 kN，總揚程為28 m，軌上揚程21 m，額定啟閉速度為0.15～1.5 m/min/0.15～3 m/min。小車行走機構的行走載荷為3 600 kN，油缸持住力為2×1 000 kN，驅動力為2×400 kN，工作行程為6.9 m。回轉吊起升機構吊額定提升力為500 kN，總揚程為42 m，啟閉速度為0.4～4 m/min；回轉機構的回轉載荷為500 kN，回轉半徑為10 m，回轉速度為0.04～0.4 r/min，回轉角度為180°。大車行走機構行走載荷為3 600 kN，行走速度為2～20 m/min，軌距為13.2 m，軌道為弧形，軌道半徑為R511 m/R497.8 m。整機工作級別為A3。

3 門機各部位的設計方案

3.1 門機小車的設計方案

小車主要由起升機構、行走機構、小車液壓驅動裝置、小車架、機房、機房檢修吊和安全保護裝置等組成，具有以下主要特點：(1)起升機構采用兩個雙聯卷筒、單層纏繞、四驅動的布置方式。每個卷筒設置兩套驅動，定滑輪軸線與卷筒中心線平行布置，定滑輪裝置布置于小車架上部的定滑輪梁上。(2)兩根鋼絲繩采用對繞方式，即鋼絲繩一端固定于其中一個卷筒中間，另一端固定于另一個卷筒外端。(3)由于門機有斜拉工況，故小車行走機構采用液壓驅動。

鑒于大容量門機起升機構的設計一直是水電行業內的一個突出技術難點，特別是大容量的斜拉門機更是鮮有應用，截止本項目之前，投入建設的水電站的最大容量門機為溪洛渡水電站8 000 kN雙向斜拉門機,斜拉角度為4.4°。該門機雖然容量較大，但其斜拉角度偏小，而云南省小灣水電工程6 000 kN雙向門式門機和四川省雅礱江錦屏一級水電站壩頂6 300 kN/200 kN雙向門式門機的斜拉角度均為8°，雖然斜拉角度較大，但其容量偏小。上述三種門機采用常規門機起升機構的典型結構即可滿足要求。而該項目斜拉角度大、水平力大，常規布置結構方式已不適用。對此，我公司前期設計了多個方案，經過對比分析后，選出了最優的起升機構設計方案。

起升機構主要由電動機、減速器、工作制動器、安裝制動器、聯軸器、傳動軸、卷筒裝置1、卷筒裝置2、定滑輪裝置、動滑輪裝置、鋼絲繩、高度限制傳感器、重錘式限位裝置等組成。

根據起升機構的啟閉載荷及揚程，采用2組雙聯卷筒(即四驅動系統)對稱布置。每個卷筒由2臺變頻電動機通過聯軸器驅動減速器高速軸，減速器低速軸又通過卷筒聯軸器使卷筒旋轉，卷筒上的鋼絲繩通過動、定滑輪裝置實現吊具的升降[1]。在兩組定滑輪裝置處均設置附著式荷重傳感器，用于起升載荷的信號輸出及過載保護。在每臺減速器的低速軸非工作端上分別裝有一套起升高度限制傳感器，用于上下極限位置控制和顯示閘門的開度，可通過電氣控制保證雙驅動系統的同步性。每臺減速器高速軸上裝有2臺電力液壓盤式制動器用于工作制動，在每套卷筒的制動盤上裝有3套液壓盤式制動器用于安全制動，起升機構還設置有重錘式限位裝置用于防止動滑輪裝置沖頂。

(1)卷筒裝置。起升機構的兩組卷筒裝置對稱布置，分為卷筒裝置1和卷筒裝置2，單組雙聯卷筒只承受一半的啟閉載荷，可有效降低卷筒尺寸。兩組卷筒裝置除鋼絲繩壓板分布位置不同外，其余結構均相同。卷筒裝置1和卷筒裝置2主要由卷筒、制動盤、鋼絲繩壓板、WZL系列卷筒聯軸器、鼓型齒式卷筒聯軸器等組成。

兩組雙聯卷筒裝置對稱布置且兩根鋼絲繩采用對繞方式，故卷筒裝置1的鋼絲繩固定壓板設置在卷筒的中部，卷筒裝置2的鋼絲繩固定壓板設置在卷筒的兩端。卷筒裝置的一端通過能傳遞扭矩的WZL系列卷筒聯軸器與硬齒面減速器低速軸相連，卷筒另一端通過能傳遞扭矩的鼓型齒式卷筒聯軸器與硬齒面減速器低速軸相連。WZL系列卷筒聯軸器的作用是限制卷筒軸向移動，但不限制卷筒徑向轉動；而鼓型齒式卷筒聯軸器的作用剛好相反，采用兩者組合能夠可靠消除卷筒的安裝誤差和重載變形，按照兩個卷筒聯軸器的特性，將安全制動盤布置在安裝有WZL卷筒聯軸器的卷筒側，在卷筒裝置卷筒內壁的中部設置有加強環，用于增加卷筒的剛性。

(2)動滑輪裝置。動滑輪裝置主要由滑輪1、滑輪2、滑輪軸、滑輪罩、吊梁、雙列圓錐滾子軸承、移軸裝置、銷軸等組成。

動滑輪裝置倍率的選定對起升機構的總體尺寸影響較大，倍率增大，則鋼絲繩分支拉力減小，鋼絲繩直徑、滑輪和卷筒直徑均減小，在起升速度不變時需提高卷筒轉數，即減小機構傳動比，但倍率過大會使換輪組本身體積和重量增大，同時亦會降低效率，加速鋼絲繩的磨損。經過對多方案進行比較分析后，將動滑輪裝置的倍率取2×8較好[2]。由于該門機起升載荷很大，起吊額定載荷時，單根鋼絲繩的拉力達到350 kN，仍存在斜拉工況，因此，動滑輪裝置的合理設計就顯得特別重要。我們在動滑輪裝置的吊梁與移軸裝置的吊板之間采用銷軸連接，減小了卷筒纏繞不同步時對移軸裝置的影響，可以保證移軸裝置始終處于豎直狀態。動滑輪采用滾動軸承，受鋼絲繩偏角的限制，兩個滑輪的間距不能太大，而整個滑輪承載的鋼絲繩拉力又很大，常規單個滑輪里布置的2個圓柱滾子軸承已無法滿足要求。經過多方案對比后，最終采用在單個滑輪里布置1個雙列圓錐滾子軸承的方式，該軸承具有承載能力大、寬度方向尺寸小的特點，能夠滿足使用需要。

3.2 大車行走機構的設計

增加門機大車車輪數量可以減少軌道底部基礎混凝土所承受的壓力，但車輪數量的增多將導致其靈活性降低，故在滿足軌道底部基礎混凝土承壓的前提下應盡量減少車輪數量。根據門機的額定啟門力(10 000 kN)對門機輪壓進行計算，結合混凝土的承壓能力，將大車車輪數量定為32個即可滿足要求。將32個車輪均分至四組臺車，每組臺車結構型式相同，由行走機構、大平衡梁、小平衡梁、鉸座、大平衡梁鉸軸、回轉支承等零部件組成，分別安裝在四個門腿對應的下橫梁下部。每組行走機構由兩套行走臺車通過小平衡梁鉸接成一體，兩套小平衡梁通過回轉支承、小平衡梁鉸軸、大平衡梁和鉸座與門架下橫梁連接。每套行走臺車由臺車架、一個主動車輪和一個從動車輪組成，每個主動車輪的驅動裝置采用一套進口知名品牌“三合一”減速器封閉式傳動，電動機處設置防雨罩[3]。這種布置方式不僅能夠均衡各車輪的輪壓，而且能夠有效防止主動車輪在啟動時打滑。

該門機大車在弧線軌道上行走，上游側圓弧半徑為R511 m，下游側圓弧半徑為R497.8 m。為解決門機啃軌問題，采取了以下有效措施：

(1)上游側車輪直徑采用728.83 mm，下游側車輪直徑采用710 mm；

(2)行走臺車與平衡梁間采用三排滾柱式回轉支承連接，三排滾柱式回轉支承具有以下特點：可在水平面自由轉動、能承受很大的軸向力、能承受很大的傾翻力矩并能承受很大的水平徑向力；

(3)由于門機臺車的間距大，導致臺車中心線偏離軌道中心線較大。通過調整門架中心線與弧形軌道中心線偏離一定的安裝位置和在小平衡梁鉸軸處增加偏心軸套等措施將臺車中心移至軌道中心，以保證臺車中心與軌道中心基本重合；

(4)在布置行走臺車時，將行走臺車兩車輪踏面中心線與軌道弧形中心線位于相切位置，以保證車輪與軌道間隙基本一致；

(5)適當加寬車輪踏面以適應弧形軌道的弧度。

通過采取以上幾種有效措施，保證了大車行走機構在弧形軌道上勻速運行且不發生卡軌現象。

3.3 小車架及門架結構的計算

門機的關鍵受力構件主要為小車架和門架。門機有斜拉工況，斜拉時小車架端部與油缸頭部連接處的持住力為1 227 kN，定滑輪梁的翼緣板采用上寬下窄結構以避免與鋼絲繩干涉。常規的手工計算并不能完全體現小車架整體的應力、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。通過有限元對小車架各工況進行分析，優化設計得出各梁相對合理的截面尺寸；增加定滑輪梁與兩端梁的連接梁以有效地控制斜拉時定滑輪梁的水平應力及剛度問題[3，4]。

(1)對小車架進行有限元分析。采用有限元法程序ANSYS Workbench進行計算，得到小車架的最大應力為161.32 MPa，出現在滑輪梁與行走梁組合處的圓弧過渡區域，應力范圍小，應力值小于規范要求的219 MPa，小車架的最大變形為4.075 2 mm，數值小于規范要求的L/2 000。由此可以得出：小車架的強度及剛度滿足要求[5，6]。小車架計算結構云圖見圖2。

(2)門架的有限元分析。采用有限元法程序ANSYS Workbench進行計算，得到門架的最大應力為160.01 MPa，出現在門腿與下橫梁組合處，應力范圍小，應力值小于規范要求的205 MPa，門架主梁受載后的跨中最大垂直位移為6.82 mm，數值小于規范要求的L/800，由此可以得出：門架的強度及剛度滿足要求[4～6]。門架計算結構云圖見圖3。

(a)應力云圖 (b)變形云圖圖2 小車架計算結構云圖

4 結 語

項目部技術人員通過對卷筒裝置、動滑輪裝置、大車行走機構、小車架、門架等關鍵受力構件進行研究，完成了世界上目前在建的最大啟閉容量的水電站壩頂門機——白鶴灘水電站壩頂10 000 kN/500 kN雙向斜拉門機的設計開發。門機的設計方案滿足合同規定的參數及規范要求，其關鍵技術得到專家和業主的認可。文中所述的門式啟閉機是目前在建的、用于水電站最大起升容量的雙向門式啟閉機，該門機的成功研發，對類似大啟閉容量、大斜拉角度的門機設計具有一定的參考價值。

(a) 應力云圖 (b) 變形云圖圖3 門架計算結構云圖