司健偉

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州　450015）

單向門式啟閉機(jī)弧形軌道運(yùn)行新設(shè)計(jì)

司健偉

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州450015）

針對(duì)善泥坡水電站單向門式啟閉機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)原設(shè)計(jì)方案存在的鉸接裝置維護(hù)及保養(yǎng)比較繁瑣、車輪易啃軌等問(wèn)題，提出了新的設(shè)計(jì)方案：門機(jī)運(yùn)行于整段弧形軌道時(shí)采用新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)代替鉸接裝置，取消冗余的導(dǎo)向輪，車輪踏面寬取標(biāo)準(zhǔn)車輪寬與脫軌尺寸之和。有限元計(jì)算表明，門架主梁及門腿的強(qiáng)度和剛度滿足要求。門機(jī)設(shè)備投入使用后，整機(jī)運(yùn)行情況良好。

單向門式啟閉機(jī)；弧形軌道；鉸接裝置；啃軌；踏面寬；有限元分析

0　引言

堤壩式水電站中的混凝土壩分為重力壩、拱壩和支墩壩3種類型。對(duì)應(yīng)于不同的堤壩形式，水電站門式啟閉機(jī)大車軌道布置可采用直線軌道、整段圓弧軌道或直線與圓弧相互連接的軌道形式。門機(jī)在以上幾種形式的軌道運(yùn)行時(shí)，都要保證大車運(yùn)行精度，防止車輪出現(xiàn)啃軌現(xiàn)象。

善泥坡水電站位于北盤江干流中游河段的貴州省六盤水市水城縣境內(nèi)，電站裝機(jī)容量（2×90+ 5.5）MW，工程樞紐攔河大壩為拋物線雙曲拱壩。壩頂溢流壩段上布置1臺(tái)帶單回轉(zhuǎn)吊的單向門式啟閉機(jī)，該門機(jī)2×800kN主鉤主要用于啟閉溢流壩檢修閘門，利用250kN的回轉(zhuǎn)吊進(jìn)行溢流壩弧門液壓機(jī)油缸的檢修工作。

1　門機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

（1）起升機(jī)構(gòu)。額定啟門力，2×800kN；起升高度，20.2m，其中軌上7.0m（不包括抓梁），軌下13.2m；起升速度，0.25～2.50/2.50～5.00m/min（額定起升速度為2.50m/min）［1-2］。

（2）大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。攜帶載荷，2×400kN；速度，2.0～20.0m/min；大車軌距，5.5m；大車軌道型號(hào)，QU80；外緣大車軌道半徑，127931mm；內(nèi)緣大車軌道半徑，122431mm。

（3）回轉(zhuǎn)吊。額定載荷，250kN；起升高度，20.2m，其中軌上7.0m，軌下13.2m；起升速度，0.2～2.0/2.0～4.0m/min（額定起升速度為2.0m/min）；回轉(zhuǎn)半徑，8m；回轉(zhuǎn)速度，0.4r/min；回轉(zhuǎn)角度，180°。

2　大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)原設(shè)計(jì)方案

門架下橫梁與大車運(yùn)行臺(tái)車架之間為鉸接結(jié)構(gòu)，采用4組動(dòng)載荷不低于600kN的推力球軸承；每組車輪在軌道兩側(cè)均設(shè)置有導(dǎo)向輪裝置；車輪踏面寬度采用標(biāo)準(zhǔn)車輪寬100mm。原大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)臺(tái)車如圖1所示。

原方案的不足之處：（1）鉸接裝置的維護(hù)及保養(yǎng)比較繁瑣，更換成本較高；（2）內(nèi)外緣軌道兩側(cè)均布置導(dǎo)向輪，屬于冗余設(shè)置；（3）標(biāo)準(zhǔn)踏面寬度的車輪易啃軌。

3　大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)新設(shè)計(jì)方案

大車車輪在整段圓弧軌道上運(yùn)行時(shí)，為保證車輪運(yùn)行精度，防止啃軌，車輪必須運(yùn)行于大車軌道的切線方向上。將臺(tái)車架整體相對(duì)于門架下橫梁旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，外緣軌道處旋轉(zhuǎn)2.128°，內(nèi)緣軌道處旋轉(zhuǎn)2.224°，臺(tái)車架與下橫梁之間采用螺栓剛性連接形式，新大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)如圖2所示。將冗余的導(dǎo)向輪取消，僅在外緣軌道內(nèi)側(cè)和內(nèi)緣軌道外側(cè)布置導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪輪緣與軌道側(cè)面間隙為10mm，新大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)臺(tái)車如圖3所示。

為保證內(nèi)外緣車輪同步運(yùn)行，內(nèi)外緣車輪應(yīng)有相同的角速度ω，由此得

內(nèi)外緣車輪直徑之比等于內(nèi)外緣軌道半徑之比

式中：D1為外緣車輪直徑；D2為內(nèi)緣車輪直徑；R1為外緣軌道半徑；R2為內(nèi)緣軌道半徑；n為減速器輸出轉(zhuǎn)速；i為減速器速比。

圖1　原大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)臺(tái)車

圖2　新大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)示意

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選外緣車輪直徑D1為660 mm，內(nèi)緣車輪直徑D2為630mm，進(jìn)行脫軌尺寸計(jì)算。

（1）內(nèi)軌定位時(shí)，脫軌尺寸為

式中：L為門機(jī)軌距，5.5m；K為門機(jī)基距，9.5m；φ2為內(nèi)軌定位角。

代入后得到內(nèi)軌脫軌尺寸d2=3.96mm。

（2）外軌定位時(shí)，脫軌尺寸為

式中：φ1為外軌定位角。

代入后得到外軌脫軌尺寸d1=3.96mm。

選擇車輪踏面寬度為標(biāo)準(zhǔn)寬與脫軌尺寸之和，考慮一定的裕量并圓整后，最終確定為110mm。

4　門架有限元計(jì)算與分析［3］

4.1單元剖分

以整個(gè)啟閉機(jī)為分析對(duì)象，建立計(jì)算模型，并通過(guò)通用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析。啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算采用線彈性有限元法，把啟閉機(jī)離散為板單元三維彈性結(jié)構(gòu)，所有的鋼板構(gòu)件采用板單元模擬。門機(jī)有限元模型如圖4所示。

板單元選用四節(jié)點(diǎn)彈性板殼元，這種板單元是基于薄板理論建立的，模型建立過(guò)程中通過(guò)不同的實(shí)常數(shù)來(lái)考慮不同規(guī)格鋼板的厚度和質(zhì)量，并綜合考慮了板的彎曲和剪切變形。

在建立三維有限元模型時(shí)，z向取為沿大車軌道方向，x向取為垂直于大車軌道方向，y向按照右手法則取為啟閉機(jī)的高度方向。

圖3　新大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)臺(tái)車

圖4　門機(jī)有限元模型

4.2約束處理

啟閉機(jī)下橫梁與大車車輪連接座板的支鉸處受到鉛垂方向（y向）的位移約束，根據(jù)該門架結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)，取約束使結(jié)構(gòu)成為單側(cè)的一次超靜定結(jié)構(gòu)：沿水流下游門腿右側(cè)限制Ux，Uy，Uz，釋放Mx，My，Mz；沿水流下游門腿左側(cè)限制Ux，Uy，釋放Mx，My，Mz，Uz；沿水流上游右側(cè)門腿鉸支限制Uy，Uz，釋放Ux，Mx，My，Mz；沿水流上游左側(cè)門腿鉸支限制Uy，釋放Ux，Uz，Mx，My，Mz。除此以外，所有節(jié)點(diǎn)均為自由節(jié)點(diǎn)。

4.3計(jì)算載荷

本次計(jì)算主要分析了5種工況條件下啟閉機(jī)的應(yīng)力分布和變形情況，計(jì)算分析的工況及其載荷（基本風(fēng)壓為250Pa）如下。

（1）工況1?？鐑?nèi)起升機(jī)構(gòu)起吊額定載荷；門架側(cè)平面風(fēng)載荷；大車不制動(dòng)。載荷：跨內(nèi)起升結(jié)構(gòu)自重+起升載荷，-y向；等效風(fēng)載荷，-x向；回轉(zhuǎn)吊自重；門架自重；

（2）工況2?？鐑?nèi)起升機(jī)構(gòu)起吊大車攜帶載荷；門架側(cè)平面風(fēng)載荷；大車制動(dòng)。載荷：跨內(nèi)起升結(jié)構(gòu)自重+起升載荷，-y向；等效風(fēng)載荷，-x向；回轉(zhuǎn)吊自重；門架自重；

（3）工況3?？鐑?nèi)起升機(jī)構(gòu)起吊1.25倍額定載荷；門架側(cè)平面風(fēng)載荷；大車不制動(dòng)。載荷：跨內(nèi)起升結(jié)構(gòu)自重+1.25倍起升載荷，-y向；等效風(fēng)載荷，-x向；回轉(zhuǎn)吊自重；門架自重；

（4）工況4?；剞D(zhuǎn)吊起吊額定載荷，沿平行大車軌道方向；門架側(cè)平面風(fēng)載荷；大車不制動(dòng)。載荷：回轉(zhuǎn)起升結(jié)構(gòu)自重+起升載荷，-y向；等效風(fēng)載荷，-x向；跨內(nèi)起升自重；門架自重；

（5）工況5?；剞D(zhuǎn)吊起吊額定載荷，垂直大車軌道方向；門架側(cè)平面風(fēng)載荷；大車不制動(dòng)。載荷：回轉(zhuǎn)起升結(jié)構(gòu)自重+起升載荷，-y向；等效風(fēng)載荷，-x向；跨內(nèi)起升自重；門架自重。

4.4計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算結(jié)果表明，在各種工況條件下，啟閉機(jī)各主要構(gòu)件（主要包括主梁、門腿、上中下橫梁等）的大部分板件的折算應(yīng)力計(jì)算值在120MPa以下，整個(gè)啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)的計(jì)算應(yīng)力均小于鋼材的設(shè)計(jì)許用值，滿足強(qiáng)度要求。

在各種工況條件下，主梁主要發(fā)生彎曲變形，最大折算應(yīng)力為80MPa?？缰胸Q向（y向）撓度最大值為5.2mm，滿足剛度要求。門腿主要為受壓構(gòu)件，門腿的多數(shù)部位在各種工況下的主壓應(yīng)力一般小于75MPa。中、下橫梁為連接構(gòu)件，各種條件下的應(yīng)力水平不高。

5　結(jié)束語(yǔ)

善泥坡水電站溢流壩2×800/250kN單回轉(zhuǎn)吊門式啟閉機(jī)弧形軌道運(yùn)行新設(shè)計(jì)方案及門機(jī)整體設(shè)計(jì)方案順利通過(guò)了設(shè)計(jì)審查，認(rèn)為此方案切實(shí)可行。2014年10月該門機(jī)設(shè)備投入使用，經(jīng)過(guò)近2年的生產(chǎn)運(yùn)行，整機(jī)運(yùn)行情況良好。

［1］起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T3811—2008［S］.

［2］張質(zhì)文.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

［3］水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范：DL/T5167—2002［S］.

（本文責(zé)編：劉芳）

TV664；TB115

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1674-1951（2016）09-0023-03

2016-06-20；

2016-07-07

司健偉（1967—），男，河南新密人，高級(jí)工程師，從事水電站啟閉機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)工作（E-mail：sijw@hdmdi.com）。