范 如 谷， 吳 思 夠

(中國(guó)水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川 夾江 614100)

1 概 述

烏東德水電站位于云南省祿勸縣和四川省會(huì)東縣交界的金沙江干流上，是金沙江下游河段四個(gè)水電梯級(jí)——烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩中的第一個(gè)梯級(jí)。烏東德水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程988 m，最大壩高270 m，拱冠梁底厚46.25 m，厚高比為0.168，為世界上最薄的300 m級(jí)雙曲拱壩。烏東德水電站主廠房開挖高度高達(dá)89.8 m，是目前世界上最高的地下電站廠房；裝機(jī)容量為1 020萬(wàn)kW，是中國(guó)目前已經(jīng)核準(zhǔn)建設(shè)的第三大水電站、世界已建和在建的第七大水電站，也是“西電東送”的骨干電源點(diǎn)。

金沙江烏東德水電站左、右岸進(jìn)水口2×2 000/1 100/1 100 kN雙向門式啟閉機(jī)(以下簡(jiǎn)稱門機(jī))為該電站關(guān)鍵啟閉設(shè)備，也是目前國(guó)內(nèi)水電站啟閉機(jī)中最大容量回轉(zhuǎn)吊的門機(jī)。門機(jī)共2臺(tái)，分別裝設(shè)在左、右岸電站進(jìn)水塔頂988 m高程平臺(tái)上。門機(jī)設(shè)有獨(dú)立運(yùn)行的2×2 000 kN小車，上游左側(cè)和右側(cè)各布置了一臺(tái)主鉤1 100 kN、副鉤1 00 kN的雙鉤回轉(zhuǎn)吊，并在門架左右兩側(cè)設(shè)有100 kN電動(dòng)葫蘆檢修吊。小車用于操作進(jìn)水口檢修閘門及快速閘門和液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的安裝、檢修。上游側(cè)雙回轉(zhuǎn)吊用于操作進(jìn)水口攔污柵、分層取水閘門和清污抓斗的水中清污。葫蘆檢修吊用于閘門和液壓?jiǎn)㈤]機(jī)檢修時(shí)小件及其它零星物品的吊運(yùn)。門機(jī)主要由小車、門架、回轉(zhuǎn)吊、大車行走機(jī)構(gòu)、門機(jī)軌道和阻進(jìn)器及二期埋件、防風(fēng)夾輪器、防風(fēng)錨定裝置及埋件、電力拖動(dòng)和控制設(shè)備、門機(jī)安全監(jiān)控管理及視頻監(jiān)控設(shè)備等組成。門機(jī)機(jī)構(gòu)配置為全變頻控制、全封閉傳動(dòng)(圖1)。

圖1 門機(jī)示意圖

門機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)：

(1)小車額定啟門力為2×2 000 kN，總揚(yáng)程90 m，軌上揚(yáng)程24.5 m，起升速度為0.25～5 m/min(變頻調(diào)速)，小車運(yùn)行速度為0.25～2.5 m/min(變頻調(diào)速)；

(2)回轉(zhuǎn)吊主起升額定載荷為1 100 kN，揚(yáng)程94 m，起升速度為0.5～10 m/min(變頻調(diào)速)；

(3)回轉(zhuǎn)吊副起升額定載荷為100 kN，揚(yáng)程94 m，起升速度為0.5～10 m/min(變頻調(diào)速)；

(4)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)速度為0.04～0.4 r/min(變頻調(diào)速)，回轉(zhuǎn)角度為180°～200°；

(5)門機(jī)行走載荷為2×1 600 kN，大車行走速度為2～20 m/min(變頻調(diào)速)；

(6)門機(jī)跨度為22 m。

2 門機(jī)具有的主要特點(diǎn)和難點(diǎn)

因該門機(jī)的參數(shù)配置與常規(guī)門機(jī)有較大差別(特別是1 100 kN超大容量雙回轉(zhuǎn)吊)，必須根據(jù)該門機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行研制與創(chuàng)新，以保證門機(jī)的可靠性。門機(jī)的主要特點(diǎn)和難點(diǎn)均集中在目前國(guó)內(nèi)水電站啟閉機(jī)中最大容量的回轉(zhuǎn)吊上：(1)超大容量回轉(zhuǎn)吊懸臂梁與主梁連接處易拉裂；(2)超大容量回轉(zhuǎn)吊揚(yáng)程為94 m的高揚(yáng)程，吊具易旋轉(zhuǎn)而使鋼絲繩打結(jié)。

3 超大容量回轉(zhuǎn)吊懸臂梁與主梁連接處易拉裂的防治技術(shù)措施

該回轉(zhuǎn)吊采用轉(zhuǎn)盤式回轉(zhuǎn)吊結(jié)構(gòu)形式(圖1)，主副起升機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均設(shè)置在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，回轉(zhuǎn)平臺(tái)上設(shè)有回轉(zhuǎn)吊機(jī)房，對(duì)起升機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)；回轉(zhuǎn)吊臂架一端與回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸接，另一端與拉桿鉸接，而拉桿的另一端鉸接在門架懸臂梁上；回轉(zhuǎn)平臺(tái)又通過回轉(zhuǎn)支撐與安裝在門架外伸梁上的大開式齒輪連接，大開齒與裝設(shè)在回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)軸端的小開齒嚙合；在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下，小開齒繞大開齒轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)、臂架及拉桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)吊的回轉(zhuǎn)。

回轉(zhuǎn)吊受力情況見圖2?；剞D(zhuǎn)吊的受力主要集中在其下部的回轉(zhuǎn)平臺(tái)及回轉(zhuǎn)支撐，然后傳遞到門架外伸梁上，其上部的拉桿拉力通過拉桿傳遞到門架的懸臂梁上。

其下部受力傳遞到門架外伸梁上，外伸梁連接到回轉(zhuǎn)吊側(cè)門腿，又通過立柱連接到下橫梁。采用專業(yè)結(jié)構(gòu)有限元軟件分析得知，此處受力通過加強(qiáng)回轉(zhuǎn)吊側(cè)門腿及外伸梁很容易解決回轉(zhuǎn)吊起吊額定載荷1 100 kN并旋轉(zhuǎn)到各個(gè)角度時(shí)外伸梁的受力問題；同樣也有助于門機(jī)大跨度受力。其上部受力傳遞到門架懸臂梁上。當(dāng)回轉(zhuǎn)吊旋轉(zhuǎn)到垂直于懸臂梁時(shí)，懸臂梁與門架主梁連接處受力很大。傳統(tǒng)的連接形式一般是懸臂梁通過高強(qiáng)螺栓與連接板連接，連接板與門架主梁焊接(圖3)。

連接板與主梁焊接處為高受力區(qū)域，此處焊縫為對(duì)接焊縫。因連接板與主梁翼緣板成直角，轉(zhuǎn)角處又為高集中應(yīng)力區(qū)域，特別是大噸位的回轉(zhuǎn)吊此處受力更大，很容易拉裂該處的焊縫，進(jìn)而造成事故(圖4)。

圖2 回轉(zhuǎn)吊受力示意圖

圖3 懸臂梁傳統(tǒng)連接形式示意圖

圖4 懸臂梁傳統(tǒng)連接形式易拉裂位置圖

為解決超大容量回轉(zhuǎn)吊門架結(jié)構(gòu)受力難題，針對(duì)這種工況，設(shè)計(jì)人員采用專業(yè)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算軟件進(jìn)行了門架結(jié)構(gòu)整體和局部受力分析研究，總結(jié)出一種安全可靠的解決方案并已申請(qǐng)專利，該方案能使超大容量回轉(zhuǎn)吊在各個(gè)回轉(zhuǎn)角度安全可靠運(yùn)行。這種全新的結(jié)構(gòu)形式見圖5。

圖5 超大容量回轉(zhuǎn)吊特殊門架結(jié)構(gòu)形式示意圖

這種超大容量回轉(zhuǎn)吊特殊門架結(jié)構(gòu)形式，避免了在高受力區(qū)域的焊縫連接，取消了連接板，改進(jìn)為懸臂梁直接和主梁通過高強(qiáng)螺栓連接。而高受力區(qū)域變?yōu)橐粔K整的鋼板而不是原來的焊縫，并且有大圓弧以避免高集中應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)，從根本上避免了高集中應(yīng)力引起的拉裂破壞，從而使回轉(zhuǎn)吊在各個(gè)角度均能安全可靠的運(yùn)行。

4 超大容量高揚(yáng)程、吊具易旋轉(zhuǎn)使鋼絲繩打結(jié)的解決措施

該回轉(zhuǎn)吊由主、副起升兩套卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)組成，每套卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)由變頻電動(dòng)機(jī)通過齒輪聯(lián)軸器、硬齒面減速器帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，卷筒上的鋼絲繩又通過動(dòng)、定滑輪和平衡滑輪帶動(dòng)吊具的起升實(shí)現(xiàn)閘門啟閉。主、副起升采用電氣位置同步控制實(shí)現(xiàn)同步啟閉。由PLC程序通過計(jì)算分析分別設(shè)在主、副起升的高度編碼器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制主、副起升吊點(diǎn)高度，如果一個(gè)吊點(diǎn)速度過快，通過高度編碼器數(shù)據(jù)反饋，PLC會(huì)控制該吊點(diǎn)減速或控制另一個(gè)吊點(diǎn)加速，以保證主、副起升吊點(diǎn)同步運(yùn)行。

起升機(jī)構(gòu)采用折線卷筒多層纏繞的方式解決高揚(yáng)程問題。為便于鋼絲繩層間順利過渡，在過渡處設(shè)有過渡環(huán)。鋼絲繩的層間返回偏角均在0.5°～1.5°范圍內(nèi)，上極限時(shí)的偏角小于2.5°，這是一個(gè)很理想的結(jié)果，可以確保鋼絲繩纏繞整齊。

但是，揚(yáng)程高意味著動(dòng)滑輪吊鉤下降高度高，動(dòng)滑輪吊鉤在如此高的高度運(yùn)行，加上鋼絲繩自身的旋轉(zhuǎn)力以及動(dòng)滑輪吊鉤自身重量等因素，很容易使動(dòng)滑輪吊鉤晃動(dòng)旋轉(zhuǎn)而造成鋼絲繩打結(jié)(圖6)。針對(duì)這種情況，該回轉(zhuǎn)吊通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，從設(shè)計(jì)上采用了以下針對(duì)性措施： 首先，合理布置主、副起升機(jī)構(gòu)位于拉桿端部的導(dǎo)向滑輪，使主、副起升機(jī)構(gòu)的鋼絲繩分開，避免在啟閉過程中出現(xiàn)主副起升鋼絲繩交叉干涉、相互摩擦的現(xiàn)象，有效增加了鋼絲繩的使用壽命； 其次，在鋼絲繩設(shè)計(jì)選型時(shí)選用特殊鋼絲繩。這種鋼絲繩能夠極大地減小自身的旋轉(zhuǎn)力，能夠有效避免動(dòng)滑輪吊鉤因鋼絲繩自身旋轉(zhuǎn)力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)，從根本上避免了鋼絲繩出現(xiàn)打結(jié)現(xiàn)象； 最后，在設(shè)計(jì)動(dòng)滑輪吊鉤組時(shí)，針對(duì)不同噸位的動(dòng)滑輪吊鉤組自身重量，采用了不同的措施，如果動(dòng)滑輪吊鉤組自身的重量不能滿足設(shè)計(jì)需要，則在動(dòng)滑輪吊鉤組上增加一定重量的配重塊，避免因動(dòng)滑輪吊鉤組過輕而使鋼絲繩下放不到位、使動(dòng)滑輪吊鉤組擺動(dòng)而產(chǎn)生的鋼絲繩打結(jié)現(xiàn)象。

圖6 超大容量回轉(zhuǎn)吊鋼絲繩打結(jié)示意圖

5 結(jié) 語(yǔ)

金沙江烏東德水電站左、右岸進(jìn)水口2×2 000/1 100/1 100 kN雙向門式啟閉機(jī)的成功研制、在水電行業(yè)內(nèi)首次設(shè)計(jì)采用超大容量回轉(zhuǎn)吊特殊門架結(jié)構(gòu)形式，填補(bǔ)了行業(yè)空白，對(duì)今后類似超大容量回轉(zhuǎn)吊門機(jī)的設(shè)計(jì)制造具有一定的借鑒作用。