陳素艷

摘 要：簡(jiǎn)要介紹了梨園壩頂門(mén)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)布置情況，從配重、結(jié)構(gòu)和安全等方面入手優(yōu)化設(shè)計(jì)它，并驗(yàn)證其安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：門(mén)機(jī)；雙小車(chē)；懸臂；載荷

中圖分類(lèi)號(hào)：TV664 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.091

梨園水電站位于云南省麗江市玉龍縣與迪慶州香格里拉縣交界的金沙江干流上，為金沙江中游河段“一庫(kù)八級(jí)”水電開(kāi)發(fā)方案中的第三梯級(jí)。該工程屬一等大（1）型工程，以發(fā)電為主，兼顧防洪和旅游等。電站裝機(jī)容量為2 400 MW（4×600[1-2] MW），與上游龍盤(pán)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)年發(fā)電量達(dá)1.070 3×1010 kW·h，聯(lián)合運(yùn)行保證出力為1 103 MW。4 500/1 000 kN雙向門(mén)機(jī)布置在1 626.00 m高程的壩頂平臺(tái)上，門(mén)機(jī)主小車(chē)用于泄洪沖砂閘事故閘門(mén)、進(jìn)水口快速門(mén)、進(jìn)水口檢修門(mén)的啟閉和吊運(yùn)，副小車(chē)用于攔污柵的啟閉機(jī)和吊運(yùn)。門(mén)機(jī)同時(shí)兼顧進(jìn)水口事故閘門(mén)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的檢修工作。

1 門(mén)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

4 500/1 000 kN雙向門(mén)機(jī)設(shè)有獨(dú)立運(yùn)行的主、副小車(chē)，主、副小車(chē)可沿上下游方向移動(dòng)。主小車(chē)跨內(nèi)工作，副小車(chē)跨外懸臂工作，最大懸臂工作位置可達(dá)8.7 m。這種工況容易引發(fā)整機(jī)側(cè)翻的事故，所以，當(dāng)該門(mén)機(jī)副小車(chē)工作時(shí)，主小車(chē)必須停在下游極限位置，防止整機(jī)設(shè)備傾翻。另外，為了防止操作人員忽視該問(wèn)題或者誤操作，本機(jī)設(shè)置了位置檢測(cè)裝置，通過(guò)電氣聯(lián)鎖有效控制主副小車(chē)的動(dòng)作，即主小車(chē)必須在規(guī)定的位置上停車(chē)，懸臂端副小車(chē)才能受電工作，從而避免設(shè)備傾覆的重大事故發(fā)生。副小車(chē)最大懸臂工況對(duì)主梁的剛度要求頗高，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用有限元分析，在保證懸臂端剛度的前提下控制主梁的質(zhì)量。該雙向門(mén)機(jī)在懸臂8.7 m處起吊1 000 kN載荷。這種大懸臂、大容量在水電站門(mén)機(jī)運(yùn)行工況中還是首次使用。

2 門(mén)機(jī)的組成和主要結(jié)構(gòu)布置

門(mén)機(jī)主要是由主小車(chē)、副小車(chē)、門(mén)架結(jié)構(gòu)、大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、集中潤(rùn)滑系統(tǒng)、夾軌器、司機(jī)室、電氣室、防風(fēng)錨定裝置及埋件、攔污柵液壓自動(dòng)掛鉤梁、車(chē)載變壓器、高壓開(kāi)關(guān)柜、電力拖動(dòng)和控制設(shè)備、風(fēng)速儀及避雷針、電氣防雷接地裝置、軌道和阻進(jìn)器及埋件等構(gòu)成的。

門(mén)機(jī)主要附屬設(shè)備包括：攔污柵液壓自動(dòng)掛鉤梁1套，壩頂門(mén)機(jī)軌道及埋件（含阻進(jìn)器）1套。

門(mén)機(jī)軌距為16 m，并設(shè)置2套獨(dú)立的小車(chē)——主小車(chē)跨內(nèi)工作，當(dāng)其運(yùn)行至上、下游極限位置時(shí)，吊具距軌道中心均為2.5 m；副小車(chē)跨外懸臂工作，當(dāng)其運(yùn)行至上游極限位置時(shí)，吊

具距上游軌道中心外8.7 m，運(yùn)行至下游極限位置時(shí)，吊具距上游軌道中心外4 m。主機(jī)主梁上設(shè)有1套16 t的電動(dòng)葫蘆，它可以沿上、下游方向移動(dòng)。當(dāng)其移至上游極限位置時(shí)，吊鉤距上游軌道中心外9 m，移至下游極限位置時(shí)，吊鉤距下游軌道中心外2 m。門(mén)機(jī)具體結(jié)構(gòu)布置情況如圖1所示。

3 門(mén)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

額定啟閉力（主小車(chē)/副小車(chē)）為4 500 kN /1 000 kN（不含抓梁質(zhì)量）；額定行走荷載（主小車(chē)/副小車(chē)）為2 000 kN/300 kN（不含抓梁質(zhì)量）；揚(yáng)程（主小車(chē)/副小車(chē)）為45 m/35 m；起升速度（主小車(chē)/副小車(chē)）（變頻調(diào)速1∶20）為 0.25～5/0.25～5（額定2.5）m/min；大車(chē)行走速度（變頻調(diào)速1∶10）為2～20 m/min；主/副小車(chē)行走速度（變頻調(diào)速1∶10）為0.5～5 m/min。

4 門(mén)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 門(mén)機(jī)的穩(wěn)定性和配重情況

4 500/1 000 kN雙向門(mén)機(jī)設(shè)有獨(dú)立運(yùn)行的主、副小車(chē)，它們可以沿上、下游方向移動(dòng)。主小車(chē)跨內(nèi)工作，副小車(chē)跨外懸臂工作，最大懸臂工作位置可以達(dá)到8.7 m，副小車(chē)額定起重量為1 000 kN。在這種工況下，很容易發(fā)生整機(jī)側(cè)翻的事故。因此，在工作過(guò)程中，可根據(jù)《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5167—2002）對(duì)啟閉機(jī)進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性的校核。將主小車(chē)停在上游極限位置，副小車(chē)懸臂上游極限位置工作，經(jīng)計(jì)算，無(wú)風(fēng)靜載工況∑M=-1 058.6 kN·m<0，門(mén)機(jī)不穩(wěn)定，需在下游側(cè)增設(shè)7 t配重；有風(fēng)動(dòng)載工況∑M=-448.8 kN·m>0，門(mén)機(jī)不穩(wěn)定，需在下游側(cè)增設(shè)3 t配重；暴風(fēng)非工作工況∑M=-349.8kN·m>0，門(mén)機(jī)不穩(wěn)定，需要在下游側(cè)增設(shè)3 t配重。該設(shè)備將主小車(chē)作為門(mén)機(jī)的配重，通過(guò)位置電氣聯(lián)絡(luò)保護(hù)門(mén)機(jī)安全。所以，在門(mén)機(jī)副小車(chē)工作時(shí)，主小車(chē)必須停在下游極限位置，并設(shè)置位置錨定和位置反饋，采用電氣聯(lián)鎖保護(hù)功能，防止整機(jī)設(shè)備傾翻，節(jié)省配重費(fèi)用。

4.2 門(mén)機(jī)的安全性設(shè)計(jì)

由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，除了常規(guī)的安全保護(hù)外，必須要重點(diǎn)考慮各機(jī)構(gòu)之間的工作聯(lián)鎖。設(shè)備中必須安裝檢測(cè)傳感器和檢測(cè)開(kāi)關(guān)，它們分別檢測(cè)雙小車(chē)的起升荷載、起升高度、停車(chē)位置、錨定位置、電機(jī)溫度和運(yùn)行速度等參數(shù)。利用控制程序綜合檢測(cè)數(shù)據(jù)可以判斷和控制設(shè)備的運(yùn)行情況。主小車(chē)運(yùn)行的互鎖條件是：副小車(chē)機(jī)構(gòu)停機(jī)，并空載鎖定在下游側(cè)極限位置（空載狀態(tài)允許帶抓梁）。副小車(chē)運(yùn)行的互鎖條件是：主小車(chē)機(jī)構(gòu)停機(jī)，并鎖定在下游側(cè)極限位置。與以往單小車(chē)運(yùn)行不同的是，將主副小車(chē)的荷載和位置作為反饋值，根據(jù)上述反饋在PLC內(nèi)進(jìn)行判斷和計(jì)算，從而明確主副小車(chē)的運(yùn)行條件，并在判斷后輸出運(yùn)行頻率，防止實(shí)際操作人員忽視該問(wèn)題或者誤操作引發(fā)設(shè)備傾覆等重大事故。

4.3 主梁的設(shè)計(jì)計(jì)算

由于門(mén)機(jī)跨度大，主小車(chē)起吊噸位大，幅小車(chē)大懸臂工作，所以，對(duì)門(mén)機(jī)主梁的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性提出了較高的要求。主梁采用偏軌箱形梁型式，主梁截面如圖2所示。

4.3.1 穩(wěn)定性

4.3.1.1 腹板的局部穩(wěn)定性

當(dāng)腹板高度h0與腹板厚度δ的比（h0/δ）≤60時(shí)，一般可按照構(gòu)造決定其是否配置橫向加勁肋；當(dāng)60≤（h0/δ）≤135時(shí)，應(yīng)配置橫向加勁肋；當(dāng)135≤（h0/δ）≤200時(shí)，除了配置橫向加勁肋外，應(yīng)該在受壓邊緣高度為（1/5～1/4）h處配置縱向加勁肋；當(dāng)200≤（h0/δ）≤270時(shí)，除了配置橫向加勁肋外，應(yīng)該在受壓區(qū)配置兩道縱向加勁肋，第一道設(shè)置在距腹板受壓邊緣（0.15～0.20）h處，第二道設(shè)置在距腹板受壓邊緣（0.35～0.40）h處。

4.3.1.2 受壓翼緣板的局部穩(wěn)定性

對(duì)于箱型截面，當(dāng)腹板中心距b0與受壓翼緣板厚度δ的比值（b0/δ）≤50時(shí)，可不計(jì)算其局部穩(wěn)定性；當(dāng)翼緣板比較寬時(shí)，應(yīng)設(shè)置一道或多道縱向加勁肋，以滿足相關(guān)比值的要求。

在設(shè)計(jì)本梁體時(shí)，要根據(jù)穩(wěn)定性要求設(shè)置加勁肋，以滿足主梁局部穩(wěn)定性的要求。

4.3.2 主梁應(yīng)力和撓度計(jì)算

由于本機(jī)工況復(fù)雜，綜合考慮載荷的情況，有限元分析以下10種工況的載荷組合：①主小車(chē)停于跨中位置，副小車(chē)停于上游側(cè)極限位置（1），副小車(chē)起升機(jī)構(gòu)滿載并作緊急制動(dòng)，風(fēng)載荷順著大車(chē)軌道方向，大車(chē)不制動(dòng)；②主小車(chē)停于跨中位置，副小車(chē)停于上游側(cè)極限位置（1），副小車(chē)起升機(jī)構(gòu)滿載并作緊急制動(dòng)，風(fēng)載荷順著大車(chē)軌道方向，大車(chē)制動(dòng)；③主小車(chē)停于跨中位置，副小車(chē)停于上游側(cè)極限位置（2），副小車(chē)起升機(jī)構(gòu)滿載并作緊急制動(dòng)，風(fēng)載荷順著大車(chē)軌道方向，大車(chē)不制動(dòng)；④主小車(chē)停于跨中位置，副小車(chē)停于上游側(cè)極限位置（2），副小車(chē)起升機(jī)構(gòu)滿載并作緊急制動(dòng)，風(fēng)載荷順著大車(chē)軌道方向，大車(chē)制動(dòng)；⑤副小車(chē)停于上游極限位置，主小車(chē)停于跨中位置（1），主小車(chē)起升機(jī)構(gòu)滿載并作緊急制動(dòng)，風(fēng)載荷順著大車(chē)軌道方向，大車(chē)不制動(dòng)；⑥副小車(chē)停于上游極限位置，主小車(chē)停于跨中位置（1），主小車(chē)起升機(jī)構(gòu)滿載并作緊急制動(dòng)，風(fēng)載荷順著大車(chē)軌道方向，大車(chē)制動(dòng)；⑦副小車(chē)停于上游極限位置，主小車(chē)停于跨中位置（2），主小車(chē)起升機(jī)構(gòu)滿載并作緊急制動(dòng)，風(fēng)載荷順著大車(chē)方向，大車(chē)不制動(dòng)；⑧副小車(chē)停于上游極限位置，主小車(chē)停于跨中位置（2），主小車(chē)起升機(jī)構(gòu)滿載，風(fēng)載荷順著大車(chē)軌道方向，大車(chē)制動(dòng)；⑨負(fù)荷試驗(yàn)，副小車(chē)吊125%的額定載荷位于上游極限位置，主小車(chē)位于跨中；⑩負(fù)荷試驗(yàn)，主小車(chē)吊125%的額定載荷位于跨中，副小車(chē)位于上游極限位置。相關(guān)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

在各種工況下，主梁彎曲最大折算應(yīng)力為213 MPa，懸臂端撓度最大值為-33 mm，滿足剛度要求。由此可知，截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，門(mén)架質(zhì)量最輕。

5 結(jié)束語(yǔ)

梨園壩頂門(mén)機(jī)工況復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)，要從各個(gè)方面入手考慮設(shè)備的安全性，并通過(guò)手算和有限元分析門(mén)架結(jié)構(gòu)，配置各工況的電氣互鎖控制，從而保證門(mén)機(jī)設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。這種大懸臂的、可跨外工作的雙小車(chē)啟閉不僅擴(kuò)大了啟閉機(jī)的作業(yè)范圍，還節(jié)約了工程成本。該設(shè)備自2014年投入使用以來(lái)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，這種一機(jī)多用的大型懸臂門(mén)機(jī)值得推廣使用。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)，水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.DL/T 5167—2002 水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[2]北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所，國(guó)家起重運(yùn)輸機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，上海振華港機(jī)股份有限公司，等.GB/T 3811—2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[3]王金諾，張質(zhì)文，程文明，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1997.

〔編輯：白潔〕