白鶴灘水電站壩頂超大型斜拉門機制造探析

何 運

（中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 樂山 614100）

1 概述

白鶴灘水電站是僅次于三峽工程的第二大型水電站，壩頂雙向斜拉門式啟閉機為目前世界水電行業單鉤起重量最大的門機，起升小車采用雙液壓驅動，門機大車行走為弧形軌道，該門機主要用于深孔事故閘門動水關閉及靜水啟門。斜拉門機見圖1。

圖1 雙向斜拉門機

門機單鉤起重容量1 000 t，整機重1 045.7 t，結構復雜，涉及起升、大小車行走、回轉等多機構，起升為雙卷筒四驅動對稱抬吊布置，由兩組雙聯單層纏繞卷筒、四套驅動裝置及滑輪組等組成，制造過程中焊接變形控制、外形尺寸控制、雙卷筒四驅動組裝、液壓驅動小車、運行機構組裝、門架結構預拼裝及廠內組裝調試等技術質量要求高。主要受力結構和機構布置與常規大型門機區別明顯，需要策劃制造控制重點，重要零部件和結構的工藝技術方案和制造質量控制[1]，確保制造質量符合設計要求，制造是質量控制第一環節[2]，重點控制部件為小車、大車行走機構、主梁、門腿及門架預拼裝等。

2 結構制造

2.1 斜拉小車

斜拉小車主要由小車機架及斜拉起升機構、小車行走等組成。起升機構采用雙聯卷筒四驅動的布置方式，門機有斜拉工況，小車行走機構采用兩同步液壓驅動，以滿足斜拉工況并承受水平分力。

起升機構采用多點協同的雙聯卷筒四驅動，對稱抬吊的布置、鋼絲繩單層對繞方式，定滑輪軸線與兩卷筒軸線平行。每組卷筒設置兩套驅動，兩端各設置一套減速機，減速機與卷筒采用DC 撓性聯軸器連接，起升機構見圖2。

圖2 起升機構

2.1.1 小車架結構制造

小車架由行走梁、定滑輪梁、卷筒梁、平衡滑輪梁、平臺及連接梁等組成。該小車架承受斜拉分力，門機在7°斜拉工況下，產生122.7 t 超大水平分力，該水平分力經小車液壓缸支座傳遞給門架，門架主梁與門腿連接的彎角處以及小車液壓驅動與主梁上部的連接部位將產生較大應力。對關鍵部件進行可靠性試驗驗證[3]，通過設計多次優化在定滑輪梁與邊梁之間布置連接梁，將斜拉水平力傳遞至兩端梁，有效控制定滑輪梁水平應力及剛度，優化方案的應力小于常規設計方案。

小車架結構復雜,分段由高強度螺栓連接而成。小車架的制造重點在于焊縫質量要求高，多受力梁系結構、梁系位置精度要求嚴格，滿足斜拉和雙卷筒布置要求，結構布置緊湊，拼裝尺寸精度要求高。重要焊縫全熔透，焊接變形控制嚴格，機架節間孔位精度，機架平面墊板焊接變形將影響整體平面度。梁體的單件小拼焊尺寸、直線度、垂直度及對角線等精度誤差控制。在梁體拼裝時將腹板與翼板的組合焊縫坡口朝梁體內側，內腔采用氣保焊封底，外側采用埋弧自動焊，充分利用埋弧焊熔深大的特點，既降低了焊接工作量，又減小了焊接后翼板的角變形。小車架拼裝焊接的控制，焊接收縮量的預留及控制需充分考慮箱梁焊接收縮以及修校的余量。根據計算及經驗估計，確定小車架端梁中心跨距按經驗留余量拼裝。嚴格控制組合處坡口質量，小車架焊接完鉆孔，最后檢測水平再次拼裝，確保加工余量。焊接工藝評定[4]完成后，確定焊接工藝順序，控制焊接變形，焊前加固各處連接焊逢，焊接過程中嚴格控制焊接參數，焊接完成后對需UT 探傷部位進行無損檢測。

小車為斜拉工況，小車驅動采用雙缸液壓驅動，可以保證小車可靠停止在設置的任何位置。結構制作控制油缸支座的焊接及探傷，特別是油缸支座反復承受液壓油缸的推拉力，斜拉分力通過油缸傳遞到支座上，油缸支座嚴格控制制造質量。

2.1.2 小車架加工

小車架焊接完成后，打開小車架的節間連接板，釋放焊接應力后，復拼、修校，檢測小車架整體水平度、扭曲,中部有無下撓現象，再點焊聯接板，加工配鉸聯接板四角鉸制孔，完成后配鉆剩余聯接板螺栓孔，確保小車架連接定位精度。小車架分片制作，在完成連接板配孔后，將小車架連接成整體，布置在工裝上，整體調整水平，貼焊各支架支承墊板。焊接后劃加工線，小車架整體一次性加工完成。

2.2 卷筒制造控制

卷筒體結構復雜，制造工序多，加工難度大及成本高等問題突出[5]。卷筒體為鋼板卷制而成，通過卷板、拼裝、焊接、退火等工序，卷板尺寸的控制是重點，形成橢圓或者尺寸偏差，影響卷筒加工后的壁厚，且對卷筒受力產生影響；卷筒體的焊接質量控制嚴格，環縫、縱縫均為一類全熔透焊縫，需整體焊接后退火，消除焊接應力。

卷筒繩槽的加工是關鍵，繩槽底徑的尺寸精度是重點，卷筒直徑誤差的控制，使用專用卷筒數控車床，編程控制尺寸精度，使用專用的成型刀車削形成槽體，繩槽的加工精度高。

2.3 小車組裝、調試

小車行走按要求鋪設工藝軌道，在工藝軌道上組裝小車，校核小車行走機構軌距，基距，小車架翻身布置在小車工裝軌道上，校核小車架上平面水平度和各部件中心線，組裝起升機構，焊牢各支架，組裝小車液壓驅動裝置，試車運行。

小車機械、電氣組裝完成后，進行各項功能調試，主要包括機械傳動、液壓制動、電氣控制、同步糾偏、撓性聯軸器調節、安全監控等，重點調試制動盤跳動及制動間隙的調整，機械及電氣同步的調試。小車采用雙卷筒四驅動起升，除卷筒制造精度及相對差控制來滿足起升高度同步外，單個卷筒采用雙電機、雙聯軸器同步驅動，雙聯軸器一致性控制是調試的重要細節，主要通過電氣多次反復調試達到一致性控制。

起升機構采用兩種不同模式控制同步的方式，實現多驅動工況下剛性連接與柔性連接同時精確運行。單組雙聯卷筒兩驅動電機采用主、從力矩均衡控制的方式，主電機和從電機分別采用速度工作模式和轉矩工作模式，將主電機的轉矩輸出作為從電機的初始值，確保從電機的輸出轉矩與主電機同步，速度始終與主電機相同，從而保證主起升電機的剛性連接同步和出力均衡。兩組雙聯卷筒之間的主電機采用位置同步控制技術實現動態調節，當高度差大于20 mm 時，啟動糾偏功能。

2.4 大車運行機構

大車運行為弧形軌道，上游側軌道弧形半徑為R511.0 m，下游側弧形半徑為R497.8 m，上下游車輪采用與弧形軌道相匹配的不同車輪直徑。車輪加工確保大小車輪的尺寸精度，嚴格工序尺寸檢驗，通過加工精度保證弧線運行。大車行走機構采用大、小平衡梁及回轉支承與下橫梁鉸接連接。該結構不僅能夠均衡各行走車輪的輪壓，而且能夠有效防止主動車輪在啟動時打滑，回轉支承結構有效控制臺車組在弧形軌道上偏擺角度的自由調整。

大車行走機構組裝，控制臺車組件的裝配精度，臺車軸孔的精度通過機床加工保證，大車車輪踏面軸線與弧形軌道相接觸的弧形中心相切，確保臺車中心與軌道中心基本重合。

大車行走組裝，模擬弧形軌的布置，放樣設置各車輪弧形軌道分布點，將4 組臺車單件組裝在弧形軌道上，單套臺車組裝時，通過各調整墊調整小平衡梁和臺車架中心線與大平衡梁中心線偏差，同一臺車上的中心線偏差方向相反。臺車各車輪及臺車架的加工基準面朝軌道外側，車輪外側只允許下輪緣向內偏斜。

2.5 門架結構

門機的門架由上部主梁結構及門腿結構組成，主梁采用偏軌箱型梁[6]結構形式，不同截面應受力不同，采用厚薄不同的鋼板對接的結構方式，制造難度加大。單件主梁的長度20.5 m，腹板下料時要預起拱，預起上拱度[7]依據規范在下料放樣時設置上拱值，主梁預拼裝起拱值要充分考慮焊接收縮變形及軌道壓板焊接產生的形變。最大上拱度為考慮焊接收縮變形，制作時按最大上拱度以上+3~4 mm 預拱。門架結構見圖3。

圖3 門架結構

2.5.1 主梁制作

主梁結構拼裝前，按照拼接工藝對主梁上翼板、主腹板、副腹板依據不同尺寸進行對接，無損檢測合格后，修校平整。在拼裝工位上，按上拱坐標值放點固定，鋪設上翼板，檢測上拱值，主、副腹板、隔板放樣，T 型梁翼板與主梁上翼板拼接焊接后，復查上拱值，依次拼裝隔板、縱向筋板、主梁腹板，重點控制主梁腹板與翼板間隙，是否符合預起拱要求，拼裝主梁內腔其余零件，最后拼裝主梁下翼板，特別控制兩端弧型蓋板的尺寸及拼裝間隙，檢測主梁腹板直線度、垂直度、水平扭曲及上拱度。

焊接方式、規范、順序對控制主梁的焊接變形至關重要。主梁外部焊縫盡可能采用埋弧焊焊接，內側采用氣體保護焊；焊接順序為隔板與主梁腹板、T型梁、上翼板連接焊縫；內側腹板與隔板、筋板、翼板焊接，T 型梁的對接焊縫；焊接梁內其余焊縫。

主梁焊接完檢查合格后，主梁上拱度及水平彎曲在許可范圍內，如果上拱值超出規范，考慮后期主梁平拼焊接等變形因素 ，待焊接完成后一并修校處理。

上部主梁結構平拼，單件主梁布置在拼裝工位上，將端梁與兩主梁拼接一起，兩主梁中心尺寸依據計算及經驗增加焊接收縮余量+5 mm，將主梁與端梁間連接板點焊固定，拼裝尺寸交檢合格后焊接，同時，懸臂梁同樣預先拼裝及焊接。

焊接合格后對上部結構焊前的臨時連接部位打開釋放焊接應力，復拼檢測各項尺寸，兩主梁中心距符合技術規范要求后，放樣安裝小車軌道及墊板，采取特別焊接措施，防止焊接變形對主梁上拱的影響。

焊接后檢測上部結構尺寸，復核上拱度，再加工主梁與端梁連接處的高強螺栓孔和鉸制螺栓孔，劃出上部結構上的各種中心線、對位線后，待門機整體大拼。

2.5.2 門腿制作

門腿拼裝，門腿腹板、翼板單件接板、探傷、校平后，將門腿翼板置于拼裝平臺上，按圖放樣，注意隔板放樣為實長，圖紙顯示為投影值，依次拼裝隔板、腹板，腹板不同方向厚度不同，避免拼裝錯誤，控制隔板、內外腹板垂直度，在兩端外側隔板設置腹板直線度檢測線，符合規范要求后，拼裝翼板封頂，交檢后焊接。

H 型門腿平拼，平拼是門機預組裝的重要環節，門腿單件焊接檢測合格后，設置拼裝工裝，以門腿結構中心線為基準，調節上、下開口尺寸，控制焊接收縮余量+5 mm，以兩主梁腹板中心線為找正基準拼裝中橫梁，尺寸合格后支撐牢固。同時拼裝門腿上端板，控制端板垂直度；焊接連接焊縫及上端板焊縫，采用小電流、交替、對稱焊接措施，探傷合格后，將中橫梁與門腿連接板打開釋放焊接應力，檢測修校門腿變形后，重新組拼連接板，點焊連接板，配鉆中橫梁與門腿的節間連接板螺栓孔。劃出中心線、大拼對位線后待門機整體大拼。

3 門架預拼裝

門架廠內預拼裝是驗證設計及制造的關鍵工序，該斜拉門機結構形式特殊，不同門腿及主梁各有區別，由于承載的不同，拼裝存在方向的唯一性，組裝、接口、拼裝基準線及編號是否滿足設計要求，必須通過預拼裝驗證。

3.1 預拼裝要求

該門機單片H 型門腿重量為108.7 t,上部主梁結構重量為159 t,整體吊裝重量重，工廠預組裝不具備整體吊裝的條件，需采用單件大拼，單件吊裝單元最重達59.4 t，采用空間拼裝的方法，必須制定專用安全技術拼裝方案，且在安全技術培訓后實施操作。

3.2 預拼裝特點

門架在廠內預拼裝是重點也是難點，門機行走機構及門架結構整體重量818.9 t，拼裝場地地基的穩固和安全可靠需按雙倍安全系數考慮。上部結構重，單片H 型門腿重量超過起吊能力，采用單件在空間組拼的預組方法，增加拼裝施工難度，安全施工風險較大。

3.3 預拼裝安全設施

預拼裝場地基礎的穩固性要求高，大噸位門機拼裝地基不結實引起的下沉，將直接影響后續拼裝質量。地基選擇須經專業計算確定其可靠性；纜風鋼絲繩緊固后與地面夾角不大于60°，充分考慮受力不均勻產生的沖擊載荷，選取3.5 倍安全系數的鋼絲繩；每片H 門腿兩側選用2 個容量足夠的手動葫蘆固定；組建專業拼裝施工隊伍，統一現場指揮、完善安全技術交底流程。

3.4 預拼裝過程

大拼現場鋪設穩固的弧形工藝軌道，按行走機構弧形要求，組裝布置4 組行走臺車及兩組下橫梁，采用剛性支撐焊接固定。依次按大拼編號拼裝上游側門腿，采用2 臺門座機及汽車吊的組合吊裝方式，門座機吊裝2 件門腿，汽車吊吊裝中橫梁，組拼成單片門腿結構，用4 組風繩兩側初步固定，校準對正預先加工后組裝在下橫梁上的門腿下端板。同時用經緯儀校準門腿的垂直度向外側傾斜2 mm 后張緊纜風繩，焊接加固門腿與下橫梁處連接板。同理吊裝下游側門腿，校核調整上下游門腿間的垂直度、中心距及對角線，兩片門腿的對角線差值符合規范要求后，在兩片門腿中橫梁處用型鋼加固，風繩用手鏈葫蘆應有失效保護措施。焊接門腿與下端板連接焊縫，采取避免焊接變形的焊接方式，控制下端板連接焊縫焊接后下端板與下橫梁的間隙小于0.3 mm。

上部結構的拼裝，將主梁預先放置在有效吊裝位置，吊裝主梁，兩端頭的安裝中心線與門腿上端板安裝中心線重合；檢測主梁的垂直度及水平度的符合性后焊接加固；同理吊裝另一側主梁，校核調整兩主梁跨距、水平及垂直度后加固。吊裝兩件端梁在空間組裝連接板及連接螺栓。依次安裝門機其余輔件，檢測大拼數據是否符合技術規范要求。

拼裝狀態包括門架上部結構、門腿、中橫梁以及下橫梁，同時應在門架上對回轉吊進行預拼裝。門架預拼裝見圖4。

圖4 門架預拼裝

4 結語

壩頂門機作為水電工程永久性設備，特別是大型重點水電工程，制造及安裝質量直接影響工程建設質量，使用功能的可靠性，設計制造是關鍵控制要素，設計、工藝、構件制作、加工、預拼、組裝調試、驗收等環節的有效質量控制，才能保證設備制造和安裝質量，滿足國家工程建設的需要。白鶴灘門機的成功制造，攻克了水電行業單鉤容量最大斜拉門機的設計、制造及成套預裝的關鍵技術，為超大型水工金屬結構啟閉裝備國產化發展制造提供寶貴經驗與借鑒。