新型結構清污雙向門式啟閉機設計

范如谷 楊 芳 趙碩勇 黎悟非 劉建明

中國水利水電夾江水工機械有限公司機械設計研究院 樂山 614100

0 概述

水電站和抽水站等送排水工程進水口攔污柵前經(jīng)常會累積污物，若這些污物得不到及時清理，將會極大地減小過水面積，影響機組的工作效率，甚至壓壞攔污柵，損壞機組或泵站造成事故。因此，為確保機組的正常運行，對清污機的研究越來越被人們所重視。我國早期建造的電站大多未設攔污柵清污設備，均靠人工清污，工作量大，工作效率低且勞動條件惡劣。近年來，我國根據(jù)污物的種類和大小研制了多種清污機，實現(xiàn)了清污的機械化。目前，國內主要清污機有回轉式、抓斗式、耙斗式等形式。在國外，清污機多為整機模塊化系列化，集成度較高。

清污機多為清污抓斗設單獨門槽，但由于門槽較小，門槽內易積壓污物，從而導致清污抓斗卡阻而無法完成清污。針對以上現(xiàn)狀，本文研制了一種新型結構的清污雙向門式啟閉機（以下簡稱門機），如圖1 所示。該機的主要特點是清污裝置與攔污柵共用一個門槽，能夠有效解決污物積壓問題。

圖1 門機總體布置

該門機用于馬來西亞某水電站，裝設于電站進水口壩頂上，軌面高程為225.25 m，主要由小車、門架、大車行走機構、清污裝置（包括清污抓斗起升、抓斗開合一體的起升系統(tǒng)、清污抓斗、清污滑車、清污滑車起升系統(tǒng)等）、移動式集污車、梯子平臺欄桿司機室、測風避雷裝置和電氣設備等組成。該門機的跨度為12.6 m，小車起重量為1 000 kN，放置于門架頂部。清污機構的起重量為2×80 kN，放置于上游側門架中橫梁清污系統(tǒng)平臺上，用于清污抓斗的起吊及開閉，其清污傾斜角度為76°，清污行程為55 m。清污滑車的起升機構同樣放置于清污系統(tǒng)平臺上，用于清污滑車的上下運行。該門機設有固定集污裝置，污物通過固定集污裝置直接滑進移動式集污車內。

門機的主要技術指標有：1）滿足清理傾斜攔污柵（傾斜角度為76°）污物的要求；2）可實現(xiàn)清污裝置與攔污柵共用1 個門槽清污，并用清污滑車運送清污抓斗；3）外形尺寸滿足清污操作和攔污柵槽尺寸要求；4）小車起升起重量為1 000 kN，額定起升速度為0.6 ～3 m/min（變頻調速）；5）清污裝置起升系統(tǒng)起重量為2×80 kN，額定起升速度為0.4 ～8 m/min（變頻調速）；6）小車行走速度為1.5 ～12 m/min（變頻調速）；7）大車行走速度為1.5 ～15 m/min（變頻調速）；8）門機跨度為12.6 m。

該門機是電站的關鍵設備，主要用于電站進水口攔污柵清污，進水口檢修閘門啟閉和吊運，及進水口快速閘門及其液壓啟閉機等的安裝、檢修起吊，其安全可靠關系到電站機組的正常運行。

1 門機的主要特點和難點

門機屬于抓斗類清污機，其清污裝置與攔污柵共用1 個門槽清污，清污傾斜角度為76°；同時采用了清污滑車運送清污抓斗，污物通過固定集污裝置直接滑進移動式集污車內的特殊結構，目前國內外均未見類似結構。與其相近的結構如某壩頂2×1 600 kN 雙向門機中清污裝置與攔污柵共用1 個門槽清污，清污傾斜角度為90°，為豎直清污，清污抓斗直接在攔污柵葉片上滑動，無專門的清污滑車運送，無集污裝置。某進水口2×500 kN 門式清污機中清污裝置與攔污柵分別設置門槽軌道，清污傾斜角度為90°，為豎直清污，無專門的清污滑車運送，設置可翻轉的集污裝置。具體比較如表1 所示。

表1 清污門機結構形式對比分析列表

由對比分析可以看出，當清污裝置與攔污柵共用1個門槽清污，且不具備將攔污柵直接鋪設至孔口上部條件時，采用清污滑車運送清污抓斗的方式最合理。清污門機的特點鮮明，與同一類型技術比較如表2 所示。新型結構的清污雙向門機主要特點和難點有：

表2 清污門機同類技術對比分析

1）門機清污裝置與攔污柵共用1 個門槽，清污傾斜角度為76°，并需采用清污滑車運送清污抓斗；

2）設計研發(fā)集清污抓斗起升、抓斗開合一體的起升系統(tǒng)及清污滑車起升系統(tǒng)布置，包括鋼絲繩纏繞方式研究，確保動滑輪組、清污裝置及其外形尺寸應滿足清污操作和攔污柵槽尺寸要求；

3）如何確保清污抓斗通過清污滑車在攔污柵與固定集污裝置之間往來運輸時的同步性及工序銜接的準確性。

2 新型結構清污裝置起升系統(tǒng)研制

設計研發(fā)集清污抓斗起升、開合一體的起升系統(tǒng)（見圖2）以及清污滑車起升系統(tǒng)布置，包括鋼絲繩纏繞方式的研究，以確保動滑輪組、清污裝置及其外形尺寸應滿足清污操作和攔污柵槽尺寸要求。

圖2 新型結構清污裝置起升系統(tǒng)

清污抓斗起升、抓斗開合用鋼絲繩均纏繞在一個卷筒上，既保證了起升時兩者的速度一致，同時也簡化了起升機構。當抓斗停在合適位置需要開斗時，通過開斗機構中的電動推桿推動前端的鋼絲繩導輪沿導軌向前運動，使聯(lián)接抓斗開斗的鋼絲繩向上提升，從而達到抓斗開斗目的。當抓斗需要合斗時，則將電動推桿向回退，即可達到合斗目的。

清污滑車起升機構放置于清污系統(tǒng)平臺上，由于清污滑車的起升力、起升速度與清污抓斗的參數(shù)都一樣，所以鋼絲繩、卷筒直徑、電動機、減速器型號基本一致，考慮到整個清污起升機構布置的緊湊性，清污抓斗的起升機構減速器為垂直軸形式，而清污滑車起升機構減速器為平行軸形式。

由于提升滑車的鋼絲繩位于集污口下方，為防止鋼絲繩對污物傾卸的干擾，采用圖3 的導輪排繩方式，使鋼絲繩避開固定集污裝置的集污口，既滿足了鋼絲繩在卷筒上的偏角要求，又不影響污物的傾卸。

圖3 清污滑車起升機構排繩方式

3 新型清污裝置清污滑車研制

為適應門機清污裝置與攔污柵共用1 個門槽，設置專門清污滑車，清污抓斗通過清污滑車在攔污柵與固定集污裝置之間往來，并通過鋼絲繩牽引起升及開合。

壩面到攔污柵間沒有專門的抓斗運行軌道，需先將抓斗運行到清污滑車上，再通過清污滑車將抓斗運送到攔污柵上方，抓斗支承導向輪以攔污柵柵條作為導向軌道，在攔污柵面進行清污工作（見圖4）。抓斗抓取污物后經(jīng)過清污滑車運送到壩面上，再通過卸污斗將污物卸到集污車上。清污滑車與攔污柵共用同一個門槽，主支承導向輪以攔污柵正反軌埋件作為導向軌道及定位，表面布置有與攔污柵間距相同的柵條，且柵條與攔污柵上平面齊平，使抓斗從小車到攔污柵間實現(xiàn)無障礙自由運動。清污抓斗可通過清污滑車實現(xiàn)攔污柵與固定集污裝置之間往來。

圖4 清污抓斗運行過程

門槽上部出口處設置固定集污裝置，清污抓斗通過清污滑車運送至固定集污裝置，清污抓斗繼續(xù)運行至污物傾倒區(qū)，污物通過固定集污裝置直接滑進移動式集污車內。

4 新型結構清污雙向門機門架結構仿真分析

清污抓斗和清污滑車的起升系統(tǒng)放置于上游側門架中橫梁清污系統(tǒng)平臺，固定集污裝置也設置于上游側門架下橫梁，均對門架結構產(chǎn)生不利影響，需要研制特殊的門架結構。該門架由主梁、端梁、門腿、中橫梁、下橫梁及清污系統(tǒng)平臺等組成。

清污系統(tǒng)平臺與門架中橫梁采用一體化結構設計，取消清污系統(tǒng)平臺與中橫梁連接處的下翼板，使其與中橫梁融為一體，有效保證受力結構明確。由有限元仿真分析計算可以看出，在工作狀態(tài)下門架的最大復合應力為173.08 MPa，且分布范圍僅限于清污系統(tǒng)平臺與中橫梁連接的變截面局部區(qū)域內，該處板材料為Q355B，許用復合應力為230 MPa；最大變形位于清污系統(tǒng)平臺前部，為5.43 mm，其懸臂長為3 995 mm，比值為1/735，遠小于規(guī)范要求的1/350，如圖5 所示。通過有限仿真分析可以看出，該特殊門架的設計在強度、剛度各方面均滿足有關規(guī)范要求。

圖5 門架有限元模型及分析結果

5 新型結構清污雙向門機智能定位系統(tǒng)和電控系統(tǒng)

1）智能定位系統(tǒng)

設置定位標識點對孔口位置進行定位標識或定位標定，設置大車行走行程檢測傳感器和孔口定位開關，通過行程檢測傳感器和孔口定位開關結合運用，可實現(xiàn)清污雙向門機的孔口定位。清污抓斗卷揚機構及清污滑車設置定位檢測傳感器和行程檢測傳感器，以完成抓斗的位置精確檢測，完成抓斗起升和清污滑車的不間斷配合控制。

2）電控系統(tǒng)

清污抓斗在攔污柵上抓集污物后，通過清污滑車運送至固定集污裝置，清污抓斗繼續(xù)運行至污物傾倒區(qū)，污物通過固定集污裝置直接滑進移動式集污車內。這種工序需要精確控制，在抓斗未到達清污滑車時，抓斗單獨運行；當抓斗到達清污滑車時，抓斗和清污滑車即同步運行。為了安全可靠，設置了行程開關和位置編碼器來檢測抓斗、清污滑車位置。抓斗起升和清污滑車均采用速度閉環(huán)變頻控制，以達到平穩(wěn)和高精度控制。抓斗起升和清污滑車機構設置荷重傳感器、防止超載和機械卡阻等。清污門機采用PLC 控制，可實現(xiàn)清污門機的復雜控制，保證各機構運行工序的連續(xù)。

6 結語

我國的水電開發(fā)業(yè)務還有較大的需求空間，馬來西亞、巴基斯坦、尼泊爾、老撾、哥斯達黎加、贊比亞等國的水電開發(fā)正處于發(fā)展期。新型結構清污雙向門機的成功研制，進一步提升了該技術的研發(fā)能力，進一步拓展了清污門機的結構形式，并在水電行業(yè)內首次設計采用清污裝置與攔污柵共用1 個門槽清污、清污傾斜角度為76°、并用清污滑車運送清污抓斗的特殊結構，填補了行業(yè)空白，對今后此類清污門機的設計制造起到了一定的借鑒作用。