張文科

(華能瀾滄江水電股份有限公司，昆明 650200)

0 引言

烏弄龍水電站尾水調(diào)壓井下游設(shè)2個(gè)尾水洞，每個(gè)尾水洞出口處設(shè)一道檢修閘門用于尾水洞檢修時(shí)擋住下游尾水封閉孔口。尾水洞的啟閉閘門采用2×2 500 kN-34 m固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，并置于檢修閘門上部的啟閉機(jī)安裝平臺(tái)處。 2孔尾水洞檢修閘門不在一條直線上，按每孔一門一機(jī)布置，2個(gè)尾水封閉孔共需要安裝2臺(tái)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。

本次計(jì)算采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的許用應(yīng)力法，在初定固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)布置方式和相應(yīng)構(gòu)件尺寸的基礎(chǔ)上，根據(jù)確定的啟閉機(jī)基本參數(shù)，對(duì)鋼絲繩、電機(jī)、減速器、制動(dòng)器等主要部件進(jìn)行計(jì)算選型，設(shè)計(jì)力求技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、結(jié)構(gòu)布置合理、安裝維修方便。

1 啟閉機(jī)概況

尾水洞2×2 500 kN-34 m固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)起升機(jī)構(gòu)采用全封閉齒輪傳動(dòng)、硬齒面減速器和YZP系列三相異步變頻電動(dòng)機(jī)。電機(jī)工作在海拔1 851 m左右,考慮海拔高度系數(shù)，其防護(hù)等級(jí)應(yīng)達(dá)到IP55，絕緣等級(jí)為F級(jí)，耐熱防腐(TH)處理。卷筒采用折線繩槽、二層纏繞，層間最大返回角小于1.5°。鋼絲繩均采用壓實(shí)股鋼絲繩。平衡滑輪軸處設(shè)有壓力荷重傳感器，用于起升載荷的信號(hào)輸出。卷筒軸處設(shè)起升高度傳感器，用于上下極限位置控制和顯示閘門的開度。起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)高速級(jí)上裝有1臺(tái)YWZE制動(dòng)器用于工作制動(dòng)。啟閉機(jī)基本技術(shù)參數(shù)見表1。

2 計(jì)算過程

2.1 傳動(dòng)效率計(jì)算

2 500 kN-34 m固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)起升機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率

表1 啟閉機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

η=η1η2η3=0.980×0.909×0.940=0.840 ，

式中：η1為卷筒組效率，0.980；η2為滑輪組效率， 0.909；η3為減速機(jī)效率，0.940。

該公式引用文獻(xiàn)[1]第95頁(yè)式2-2-4。

2.2 鋼絲繩選擇計(jì)算

鋼絲繩選用壓實(shí)股鍍鋅鋼絲繩，出廠前經(jīng)預(yù)拉伸處理。單根鋼絲繩的拉力

式中：Q為起升荷載與動(dòng)滑輪組重量之和，2 550.0 kN；z為雙聯(lián)卷筒數(shù)量，2；m為滑輪組倍率，6。

該公式引用文獻(xiàn)[1]第94頁(yè)式2-2-1。

根據(jù)YB/T 5359—2010《壓實(shí)股鋼絲繩》[2]，選用型號(hào)為40ZAB8×K36WS-IWRC-1870ZS的鋼絲繩，其最小破斷力1 230.0 kN，每百米質(zhì)量為792 kg，則該鋼絲繩的安全系數(shù)

查文獻(xiàn)[2]中表8.6.2-1可知，工作級(jí)別為Q2-輕的固卷安全系數(shù)須大于5.00由上式可知，該鋼絲繩選型滿足規(guī)范要求。

2.3 電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算

選用交流變頻電動(dòng)機(jī)，工作制為通電持續(xù)率40%的斷續(xù)周期工作制 (即S3-JC40%)，按額定啟門力加動(dòng)滑輪組及鋼絲繩重量計(jì)算，電動(dòng)機(jī)的靜功率101.2(kW) ，式中：Q為起升荷載+動(dòng)滑輪組的重量，2 550.0 kN；vq為起升速度，2.00 m/min。

圖1 卷筒尺寸

公式引用文獻(xiàn)[3]附錄L中的式L.1。

設(shè)備設(shè)置位置在海拔約1 851 m處，極端最高氣溫為31.9 ℃，極端最低氣溫為-8.9 ℃，室內(nèi)按40.0 ℃考慮，查DL/T 5167—2002《水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》表7.7.2.4可知，功率修正系數(shù)K取0.94，則經(jīng)修正后的電機(jī)功率

按樣本選用YZP315L-10型電動(dòng)機(jī)，額定功率Pn=110.0 kW，基準(zhǔn)工作制為S3-40%，則該電動(dòng)機(jī)過載校驗(yàn)功率

式中：H為該電動(dòng)機(jī)系數(shù)，2.1；u為電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)，1；λM為轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，2.7。電動(dòng)機(jī)過載校驗(yàn)功率小于額定功率，根據(jù)文獻(xiàn)[3]附錄K中式K.1，電動(dòng)機(jī)功率滿足要求。

2.4 卷筒計(jì)算

卷筒采用折線繩槽卷筒。卷筒采用焊接結(jié)構(gòu)、Q345C型鋼材、兩層纏繞,鋼絲繩的返回角小于1.5°[4]。卷筒裝置一端用滾動(dòng)軸承支承，一端支承在減速機(jī)低速軸端，兩端用卷筒聯(lián)軸器連接。卷筒軸采用熱處理后的Q345鋼，硬度為162～217 HBS。

以鋼絲繩直徑計(jì)算的卷筒和滑輪的最小纏繞直徑

D0min=ed=20×40=800(mm) ，

式中：e為與機(jī)構(gòu)工作級(jí)別有關(guān)的系數(shù)，查文獻(xiàn)[3]中表8.6.2-2取值為20；d為鋼絲繩直徑，40 mm。卷筒尺寸如圖1所示，卷筒纏繞直徑D=1 650 mm>D0min。

2.4.1 纏繞計(jì)算

第1層卷筒纏繞直徑即卷筒纏繞直徑，D0=D1=1.650 m。第1層繞圈數(shù)z1=19圈(第1層纏繞圈數(shù)25圈，其中3圈安全圈，3圈壓繩圈)，則第1圈鋼絲繩對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程

第2層纏繞的直徑

D2=D1+2Δh=1.650+2×0.037=

1.724 (m) 。

查表1可知啟閉機(jī)揚(yáng)程為34.000 m，則第2圈鋼絲繩對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程

h2=h-h1=34.000-16.407=17.593 (m) ，

對(duì)應(yīng)第2層繞圈數(shù)

于是第2圈的余圈=25.0-19.5=5.5。

2.4.2 鋼絲繩角度計(jì)算

由圖1可知，卷筒中間擋環(huán)處鋼絲繩最小間距(空白段長(zhǎng)度)為100 mm水平方向。水平方向，動(dòng)滑輪最外側(cè)滑輪中心距卷筒中心距離為540 mm；豎直方向，上極限時(shí)滑輪中心到卷筒中心豎向距離為4 800 mm；纏繞圈數(shù)為25；繩槽節(jié)距為4 200 mm。

第2層返回角

1.43(°)<1.50°。

上極限角

-3.08(°)<5.00°。

由上述計(jì)算可以看出，返回角與上極限角均小于規(guī)范的要求值。

2.4.3 卷筒強(qiáng)度計(jì)算

卷筒壁壓應(yīng)力

式中：[σp]為許用應(yīng)力，N/mm2；σs為屈服強(qiáng)度，N/mm2；A2為多層卷繞系數(shù)，1.4；δ為卷筒壁厚，45 mm；t為繩槽節(jié)距，4 200 mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]附錄G中式G.1的要求，材料Q345C滿足要求。

2.5 卷筒軸的計(jì)算

卷筒軸材料采用Q345鍛件。卷筒采用短軸支撐，短軸直徑為200 mm，短軸受力為F，其受力可簡(jiǎn)化為懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁長(zhǎng)度l=200 mm，如圖2所示。

圖2 卷筒軸

短軸受力

F= (2Smax+GJ)×0.5=

(2×233.8+70.0)×0.5=

268.8(kN) ，

式中：GJ為卷筒裝置重量，70.0 kN。

內(nèi)力計(jì)算，最大彎矩

最大剪力Qmax=F=268.8(kN) 。

危險(xiǎn)截面的彎曲正應(yīng)力為

68.5 (MPa)<σs/2.5=138.0(MPa) ，

危險(xiǎn)截面的剪應(yīng)力為

11.4 (MPa)<[τ]=90.0 MPa ，

式中：W為抗彎截面模數(shù)；σs為屈服強(qiáng)度；A為短軸截面積，mm2；[τ]為許用切應(yīng)力。由上式可知，主起升卷筒軸強(qiáng)度滿足要求。

2.6 減速器的選擇計(jì)算

減速器選用臥式硬齒面減速器，按樣本選擇地減速器使用系數(shù)不小于1.3，減速器采用噴油強(qiáng)制潤(rùn)滑。

(1)確定減速機(jī)傳動(dòng)比

式中：nD為電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，585 r/min；公式引用自文獻(xiàn)[1]第96頁(yè)式2-2-7。

(2)確定減速器額定功率

P≥KPj=1.32×101.2×=133.6(kW) ，

式中：K為減速器的選用系數(shù)。

(3)校核輸入扭矩T≥1.25SmaxD0=1.25×233.8×1.65=482.2(kN·m)。

(4)根據(jù)減速器產(chǎn)品手冊(cè)，初選減速器型號(hào)為4SH23-250，額定功率P=136 kW；實(shí)際傳動(dòng)比i=249.101，額定輸出扭矩548 kN·m，該型號(hào)的減速機(jī)額定輸出扭矩、額定功率和傳動(dòng)比滿足上述計(jì)算值要求。

(5)實(shí)際起升速度

2.03(m/min) 。

(7)電動(dòng)機(jī)實(shí)際靜功率

100.7(kW) 。

2.7 工作制動(dòng)器的選擇計(jì)算

在起升機(jī)構(gòu)每個(gè)吊點(diǎn)傳動(dòng)的高速級(jí)安裝2套制動(dòng)器作為工作制動(dòng)器，共4套制動(dòng)器。工作制動(dòng)器選用電力液壓塊式制動(dòng)器，制動(dòng)安全系數(shù)大于總制動(dòng)力矩的1.1倍。

(1)制動(dòng)靜力矩

1 182.35(N·m) 。

(2)制動(dòng)力矩

nZ=K制MZnZ=1.1×2×1 196.4=

2 632.08 ，

式中：KZ為制動(dòng)器安全系數(shù)，1.1；nZ

為制動(dòng)器套數(shù)，2。根據(jù)制動(dòng)器樣本，選制動(dòng)器型號(hào)為YWZE-500/200制動(dòng)器，制動(dòng)力矩為2000～4000N·m。

2.8 卷筒聯(lián)軸器的選擇計(jì)算

(1)傳遞扭矩

(2)最大扭矩

Mc=1.25M=1.25×417.4=521.8(kN·m) 。

最大扭矩出現(xiàn)于啟閉機(jī)1.25倍靜載試驗(yàn)時(shí)。根據(jù)聯(lián)軸器樣本，選聯(lián)軸器型號(hào)為WZL15，工作級(jí)別M4時(shí)，額定扭矩為570.0 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算可知，烏弄龍水電站工程尾水洞2×2 500 kN-34 m固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)設(shè)備選擇合理，卷筒直徑、鋼絲繩的規(guī)格及纏繞方式滿足設(shè)計(jì)揚(yáng)程要求，可為同類設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算借鑒。