祝鳳山，杜培文，許志剛

(山東省水利勘測設計院，山東濟南 250013)

南水北調韓莊泵站雙向可轉向門式啟閉機設計

祝鳳山，杜培文，許志剛

(山東省水利勘測設計院，山東濟南 250013)

為了高效完成韓莊泵站水泵機組設備的吊裝以及各類閘門的啟閉和檢修，設計了節(jié)點可旋轉的軌道和有旋轉機構的雙向可轉向門式啟閉機，并進行了1.25倍額定荷載的靜載試驗、1.1倍額定荷載的動載試驗和變軌試驗，觀測了門架結構的應力應變情況。結果表明:雙向可轉向門式啟閉機門架結構的強度和剛度均滿足要求;變軌操作運行平穩(wěn)，滿足多功能要求，提高了門式啟閉機的利用率，降低了工程造價。

門式啟閉機;旋轉軌道;回轉軸承;頂軌器;轉向機構;韓莊泵站

韓莊泵站是南水北調東線第一期工程的第九級抽水梯級泵站，位于山東省棗莊市嶧城區(qū)古邵鎮(zhèn)八里溝村西。泵站樞紐距南四湖下級湖約3km，站下引水渠接韓莊運河，站上出水渠接老運河入南四湖的下級湖。站區(qū)主要建筑物包括泵站副廠房、引水閘、引水渠、出水渠、交通橋、排澇渠及排澇涵洞等，泵站設計流量125 m3/s，設計凈揚程4.15 m，總裝機容量9000 kW。站區(qū)內金屬結構主要包括引水閘、流道進口防洪閘、流道出口快速閘和事故閘［1］。

為改善站區(qū)容貌，創(chuàng)造一個美觀而有特色的水利產業(yè)形象，韓莊泵站樞紐工程設計為主廠房地面以上無建筑物［2］。為滿足泵站水泵機組設備的吊裝和維修、引水閘閘門和流道進口防洪閘閘門的啟閉、流道出口快速閘和事故閘的檢修等功能，同時提高啟閉設備利用率，進行了可轉向門式啟閉機的設計研究。

門式啟閉機移動靈活，一臺可以控制同一縱向的多孔閘門［3］，但無法控制多個縱向閘門，為此在現(xiàn)有門式啟閉機技術的基礎上研究可轉向門式啟閉機，實現(xiàn)一臺門式啟閉機能在引水閘、防洪閘、泵站廠房吊物孔和泵站流道出口閘等多個縱向行走，進而高效完成泵站水泵機組設備的吊裝和維修，以及站區(qū)內閘門啟閉和檢修。

1 雙向可轉向門式啟閉機設計

1.1 門架結構設計

門架結構的各主要受力構件均采用箱形斷面，用Q345C板材焊接。門架上部平臺設兩根主梁，兩根主梁端部用兩根邊梁連接。為降低應力集中，主梁在門腿處采用變斷面圓弧過渡;為保證門腿上部為剛性節(jié)點，主梁與門腿上部采用工地焊縫連接。門腿與底橫梁、中橫梁的連接均采用高強螺栓拼接，司機室和電器房設置在下游側中橫梁上。

按設計規(guī)范要求，門式啟閉機工作時的最大荷載主要考慮自重荷載、主起升機構啟閉荷載、行走荷載、啟閉機慣性力、小車慣性力、工作狀態(tài)的風荷載和偏斜行走引起的側向力［4］。同時考慮門式啟閉機橫向和縱向行走時一個大車行走電機失效時的不利工況，共組合4種工況進行設計，根據(jù)計算結果，確定出安全、經濟和合理的門架結構。

1.2 起升機構設計

起升機構為固定在小車架上的雙吊點卷揚式啟閉機，主要由滑輪組、卷揚裝置、集中驅動機構及電子安全裝置等部分組成，如圖1所示。驅動機構位于小車架中間位置，左右兩套卷揚裝置通過兩個GIICLZ鼓形齒式聯(lián)軸器連接雙出軸減速器的輸出軸。為了滿足設計速度和結構布置的要求，傳動機構采用了一對傳動比為19/92的開式齒輪，其小齒輪裝在減速器一端輸出軸線上，大齒輪則采用鉸制螺栓與卷筒連接［5］。

圖1 主起升機構布置

1.3 軌道設計

為實現(xiàn)門式啟閉機對站區(qū)閘門啟閉、機組設備的吊裝和檢修，在引水閘、防洪閘、出口閘和機組吊物孔設置7道縱向軌道，沿泵站一岸鋪設橫向軌道，如圖2所示?？v向軌道的軌距均與門式啟閉機軌距相同，橫向軌道的軌距與門式啟閉機輪距相同。在軌道的14個節(jié)點處，設置旋轉軌道裝置，如圖3所示。

圖2 軌道布置

旋轉軌道裝置中回轉軸承的內圈和外圈分別與基礎和旋轉軌道連接，回轉軸承外圈的轉動帶動旋轉軌道旋轉，從而實現(xiàn)節(jié)點處的軌道由縱向和橫向的變軌，將變軌后的軌道連成一個整體。為便于裝配，有效避免水及灰塵的進入，延長回轉軸承的使用壽命，回轉軸承的內圈由基礎上的擋圈定位，并將其放置在旋轉軌道下設支承板的相對密封的軸承腔內［6］。

圖3 旋轉軌道裝置結構

1.4 轉向機構設計

門式啟閉機轉向機構的主要設計機理是將車輪組在到達軌道節(jié)點處實現(xiàn)轉向。設計通過在門式啟閉機的主行走機構的車輪組上設置回轉軸承，由回轉軸承連接車輪組和門架，并通過與門架底梁連接的回轉機構帶動車輪組回轉，完成車輪組的轉向［7-8］。

如圖4所示，支承架與回轉軸承的內圈和轉軸連接，其下部通過鉸軸與車輪組連接，回轉軸承的外圈與門架連接座連接。油缸的一端通過轉臂與轉軸連接，另一端固定在門架底梁上。通過油缸的伸縮帶動轉臂和轉軸旋轉，進而帶動車輪組旋轉，實現(xiàn)車輪組轉向。油缸具有自鎖功能，車輪組在轉向后油缸自鎖固定，有效保證了車輪在轉向后能在另一直線軌道上行走平穩(wěn)。

圖4 轉向機構結構

2 運行控制過程及操作條件

門式啟閉機從縱向軌道行走至另一條縱向軌道的操作控制過程如下:門式啟閉機車輪組行走至縱向軌道節(jié)點處，位置傳感器發(fā)出信號，門式啟閉機位置微調精確后，裝設在底梁上的頂軌器開始頂升。頂軌器將車輪組頂離軌頂0.5～1.0 mm時，頂軌器停止頂軌并自鎖。油缸開始工作，轉軸轉動帶動車輪組和旋轉軌道旋轉，轉至90°時，位置傳感器將信號傳至控制室，油缸停止工作并自鎖，頂軌器解鎖并釋放行程后旋轉90°。門式啟閉機在軌距和其輪距相同的橫向軌道上行走，到達另一條縱向軌道的節(jié)點處，反復上述操作，可實現(xiàn)在另一條縱向軌道上工作。

通過風荷載對門式啟閉機轉向時的整體穩(wěn)定性計算，風速大于7.9 m/s的情況下，不宜進行轉向變軌操作;在風速大于10.7 m/s的情況下，禁止進行轉向變軌操作。

3 效益分析

雙向可轉向門式啟閉機由原來的單一功能擴展為現(xiàn)在實施的4種功能:①防洪閘閘門啟閉;②引水閘閘門啟閉;③出口快速閘門和事故閘門的檢修;④水泵機組設備的吊裝和檢修。門式啟閉機功能擴展后，其經濟效益主要包括工程投資、運行費用和管理費用，共計約390萬元，節(jié)省的工程投資包括:①防洪閘閘墩以上排架、機架橋、啟閉機房、電氣及自動化設備等;②引水閘檢修閘門啟閉機、排架、軌道和電氣設備等;③63 t/10 t雙梁雙鉤起重機、排架、軌道和電氣設備等。

韓莊泵站雙向可轉向門式啟閉機的應用，集多功能于一體，省去了各建筑物“一對一”設置的固定卷揚式啟閉機、電氣設備和高排架等機構，提高了門式啟閉利用率，節(jié)約了工程投資，改善了站區(qū)整體環(huán)境(圖5)，為主廠房地面以上無建筑物的泵站金屬結構設計提供了新的設計思路，起到了示范作用，填補了國內空白。

圖5 韓莊泵站雙向可轉向門式啟閉機與副廠房

4 結語

雙向可轉向門式啟閉機在韓莊泵站現(xiàn)場組裝、調試和空載試運行合格后，進行了各類試驗:1.25倍額定荷載的靜載試驗、1.1倍額定荷載的動載試驗［9］和變軌試驗。在荷載試驗過程中對門架結構進行了應力應變觀測，觀測結果表明門架結構的強度和剛度均滿足要求;變軌操作試驗表明運行平穩(wěn)，滿足各功能要求。

［1］南水北調東線第一期工程韓莊運河段工程可行性研究報告［R］.濟南:山東省水利勘測設計院，2003.

［2］杜選震，儲訓，楊淮，等.南水北調東線工程大型泵站設計研究［J］.水利水電科技進展，2003，23(5):40.(DU Xuanzhen，CHU Xun，YANG Huai，et al.Design and research on large pumping station of the east-route of southto-north water diversion project［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2003，23(5):40.(in Chinese))

［3］黃河勘測規(guī)劃設計有限公司.用于壩體閘門的斜拉雙向門式啟閉機:中國，201110095317.4［P］.2012-04-18.

［4］臧海燕，李一馥，葛忠權，等.大跨度雙向門機設計及在航電樞紐中的應用［J］.水運工程，2008(5):132-135.(ZANG Haiyan，LI Yifu，GE Zhongquan，et al.Largespan double-way gantry crane design and Its application in navigation-power junction［J］.Port＆ Waterway Engineering，2008(5)，132-135.(in Chinese))

［5］張質文.起重機設計手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，1998:82-84.

［6］杜培文，許志剛，于秀香，等.門式啟閉機的旋轉軌道裝置:中國，200920239023.2［P］.2010-07-07.

［7］杜培文，高峰，許志剛，等.門式啟閉機車輪組轉向機構:中國，200920239022.8［P］.2010-07-07.

［8］杜培文，高峰，許 志 剛，等.門式 啟閉 機:中 國，200910019176.0［P］.2011-11-09.

［9］SL 381—2007 水利水電工程啟閉機制造安裝及驗收規(guī)范［S］.

Design of bidirectional and turning gate hoist in Hanzhuang pump station of South-to-North Water Transfer

Project

ZHU Fengshan，DU Peiwen，XU Zhigang(Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy，Jinan250013，China)

In order to hoist a pumping unit efficiently，and to open-close and overhaul gate efficiently，a rotation pitch point and the gate hoist with turning mechanism were designed.Based on a static load test with 1.25 times rated load and a dynamic load test with 1.1 times rated load，the stress-strain of the portal frame was studied.The results show that the strength and stiffness of the portal frame of bidirectional and turning gate hoist can be satisfactory.Transferring the rail is a smooth operation and meets multifunctional requirements，which increases the utilization of gate hoist and reduces the project cost.

gate hoist;rotation rail;rotary bearing;rail brakes;steering mechanism;Hanzhuang pump station

TV 664.3

B

1006-7647(2013)01-0074-03

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.01.017

祝鳳山(1977—)，男，山東成武人，高級工程師，碩士，主要從事水利水電工程金屬結構設計以及渠道襯砌設備研究和開發(fā)工作。E-mailzfs@sina.com

2012-04-19 編輯:周紅梅)