(國網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江 杭州 311608)

新安江水力發(fā)電廠是中國第一座自行設(shè)計(jì)、自制設(shè)備、自己施工建造的大型水電站。1960年4月22日第一臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，現(xiàn)有裝機(jī)9臺，總?cè)萘?5萬kW。電廠主要承擔(dān)華東電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)，并發(fā)揮防洪、灌溉、航運(yùn)、養(yǎng)殖、旅游、水上運(yùn)動(dòng)和林果業(yè)等綜合效益。由于設(shè)計(jì)較早，新安江電廠壩頂門機(jī)吊具與平衡梁之間的連接采用手動(dòng)穿銷的方式。穿銷安裝在吊具上，重量較大，脫出時(shí)掛鉤呈傾斜狀態(tài)，穿銷工作通常需要兩名工作人員，在離地面約2.5m臨近大壩邊緣且高于壩頂護(hù)欄的操作點(diǎn)上，相互配合工作1h以上才能完成。操作不僅繁瑣費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還存在較大的安全隱患，不利于防汛工作的有序開展。為解決以上問題，亟須研究出一種自動(dòng)穿銷裝置。相關(guān)研究人員對于自動(dòng)穿銷裝置的研究主要是在啟閉機(jī)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制方面，老舊設(shè)備改造方面的研究較少。通過自制穿銷裝置不僅可以節(jié)省成本，還能夠根據(jù)工程實(shí)際研制出更符合需求的產(chǎn)品。

1 自動(dòng)穿銷裝置研制過程

2016年1—3月，制定研究計(jì)劃，確定研究方向，確定采用電動(dòng)裝置完成自動(dòng)穿銷工作，實(shí)現(xiàn)壩頂門機(jī)與平衡梁之間的自動(dòng)穿銷。同時(shí)根據(jù)確定的研究方向編制配合研究的采購文件，并完成采購文件的提報(bào)。

2016年4—6月，確定合作單位，與合作單位共同完善研究方案，確定所需設(shè)備及材料等，并與合作單位簽訂合同。

2016年7—9月，根據(jù)門機(jī)的工作環(huán)境，完成電動(dòng)穿銷方式工作原理研究，論證電動(dòng)穿銷方式工作的可行性，并完成了初步設(shè)計(jì)方案，確認(rèn)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)加摩擦輪傳動(dòng)方式進(jìn)行電動(dòng)穿銷柔性驅(qū)動(dòng)，繪制初步設(shè)計(jì)圖紙。在經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試、整改、調(diào)整等一系列優(yōu)化工作后，最終確定電機(jī)設(shè)置在裝置中部，并初步完成自動(dòng)穿銷裝置試制。

2016年10—12月，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，驗(yàn)證自動(dòng)穿銷裝置是否能夠準(zhǔn)確安全地進(jìn)行穿銷工作。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果對自動(dòng)穿銷裝置再次進(jìn)行改進(jìn)。最后對該項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)、評定和驗(yàn)收。

2 自動(dòng)穿銷裝置簡介

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

自動(dòng)穿銷裝置主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2.2 自動(dòng)穿銷裝置布置

早期計(jì)劃在原有手動(dòng)穿銷裝置基礎(chǔ)上增加齒輪變速、電機(jī)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)絲桿推動(dòng)穿銷運(yùn)動(dòng)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，此方案不能有效解決吊鉤傾斜問題，穿銷時(shí)無法對中吊具孔，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穿銷功能。經(jīng)進(jìn)一步優(yōu)化方案后，決定將穿銷裝置安裝在平衡梁上。試制時(shí)發(fā)現(xiàn)直接采用電動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)容易發(fā)生機(jī)械損壞和電機(jī)過載等故障，可采用摩擦機(jī)構(gòu)柔性驅(qū)動(dòng)方式解決此類問題。為保證摩擦力穩(wěn)定，設(shè)計(jì)采用高質(zhì)量直線軌道安裝穿銷，保證穿銷行走的穩(wěn)定性。同時(shí)，設(shè)計(jì)摩擦輪合理的運(yùn)行阻力值，保證穿銷發(fā)卡時(shí)，通過摩擦輪打滑，防止電機(jī)過載和機(jī)械損壞等故障，有效保證了裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。自動(dòng)穿銷裝置設(shè)計(jì)圖見圖1。穿銷裝置布置如下所述。

表1 自動(dòng)穿銷裝置主要技術(shù)參數(shù)

a.穿銷機(jī)座上安裝直線軌道，直線軌道上裝有導(dǎo)向滑塊，保證穿銷工作直線平穩(wěn)運(yùn)行、阻力可控。

b.穿銷采用無縫鋼管，前半部為穿銷工作連接部，后半部為穿銷工作輔助運(yùn)行部。輔助運(yùn)行部安裝在導(dǎo)向滑塊上，用螺栓固定，隨著滑塊沿直線軌道運(yùn)行。

c.采用渦輪減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)橡膠輪，在穿銷工作輔助運(yùn)行部上方工作面轉(zhuǎn)動(dòng)。通過彈簧調(diào)節(jié)橡膠輪壓力、摩擦推動(dòng)穿銷進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)目的。

d.穿銷輔助運(yùn)行部安裝齒條，側(cè)面安裝手輪，通過手輪帶動(dòng)齒輪推動(dòng)齒條運(yùn)行，使穿銷進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，同樣可以達(dá)到驅(qū)動(dòng)目的。在設(shè)備斷電時(shí)，保證可以手動(dòng)操作進(jìn)行穿銷工作。

e.該裝置控制采用安全電壓按鈕與遙控器兩種控制方式。通過接觸器控制電機(jī)正反運(yùn)轉(zhuǎn)，通過限位開關(guān)控制運(yùn)行長度。

f.自動(dòng)穿銷裝置為獨(dú)立單元設(shè)備，直接安裝在平衡梁兩端，可以單獨(dú)運(yùn)行連接。

自動(dòng)穿銷裝置實(shí)物圖見圖2，該裝置動(dòng)力部分由電機(jī)、減速器和摩擦輪組成。穿銷速度為7m/min。采用摩擦輪傳動(dòng)，可防止穿銷發(fā)卡時(shí)電機(jī)過載、減速器損壞，摩擦輪傳動(dòng)實(shí)物見圖3。為保證在斷電情況下可以較輕松地進(jìn)行手動(dòng)穿銷。該裝置還同時(shí)設(shè)計(jì)了一套純手動(dòng)備用操作裝置，手動(dòng)備用操作裝置通過齒條帶動(dòng)穿銷，齒條與摩擦條平行布置，手動(dòng)備用操作裝置實(shí)物見圖4。裝置底座上設(shè)有前后兩只行程開關(guān)，穿銷伸縮到位觸碰開關(guān)后自動(dòng)停止運(yùn)行，行程限位布置實(shí)物圖見圖5。

圖1 自動(dòng)穿銷裝置設(shè)計(jì)圖 (單位：mm)注：1—導(dǎo)軌；2—穿銷；3—方軌；4—限位架；5—導(dǎo)軌軸承；6—電控箱；7—齒輪；8—橡膠輪；9—渦輪減速器

圖2 自動(dòng)穿銷裝置實(shí)物

圖3 摩擦輪傳動(dòng)部分實(shí)物

圖4 手動(dòng)備用操作機(jī)構(gòu)實(shí)物

圖5 行程限位裝置實(shí)物

3 主要參數(shù)驗(yàn)算

3.1 動(dòng)力性驗(yàn)算

設(shè)計(jì)摩擦輪合理的運(yùn)行阻力值，可以保證穿銷時(shí)，能夠通過摩擦輪打滑來防止電機(jī)過載以及機(jī)械損壞等故障，有效保證了該裝置平穩(wěn)可靠地運(yùn)行。

橡膠與鋼的摩擦系數(shù)μ為0.8，正壓力P為300N,鋼與鋼的干摩擦系數(shù)μ1為0.2，銷軸重G約為100kg。

驅(qū)動(dòng)力F=μP=0.8×300=240N

穿銷運(yùn)行阻力Ff=μ1G=0.2×100×9.8=196N

因驅(qū)動(dòng)力F大于穿銷運(yùn)行阻力Ff，故驅(qū)動(dòng)力滿足要求。

3.2 運(yùn)動(dòng)性驗(yàn)算

電機(jī)轉(zhuǎn)速n為1400r/min，減速機(jī)速比i為1/100，橡膠輪直徑D為160mm，運(yùn)行長度L為650mm。

穿銷實(shí)際速度v=niπD=1400×1/100×3.14×160/1000=7m/min

穿銷實(shí)際運(yùn)行時(shí)間t=L/v=5.6s

3.3 電動(dòng)機(jī)復(fù)核

穿銷運(yùn)行阻力Ff為196N，運(yùn)行速度v為7m/min,摩擦傳動(dòng)效率ηo為0.80

電機(jī)靜功率計(jì)算公式：Pj=Ffv/(1000ηo)=0.03kW

計(jì)算得電機(jī)靜功率Pj為0.03kW

考慮電機(jī)慣性系數(shù)Kd為2

電機(jī)功率P=0.03×2=0.06kW

據(jù)此選擇GS 712.4電動(dòng)機(jī)，功率0.37kW，轉(zhuǎn)速1400r/min，可以滿足要求。

3.4 減速器選擇

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1400r/min，穿銷運(yùn)行阻力為196N，穿銷實(shí)際速度7m/min，橡膠輪直徑160mm，所需傳動(dòng)比為100。

計(jì)算所需輸出扭矩M=FfD/2=16N·m

由于計(jì)算值小于55N·m，故選擇RV-050蝸輪減速器，傳動(dòng)比100、功率0.18kW、輸出扭矩55 N·m是合理的，所選減速器能夠滿足輸出扭矩要求。

3.5 手動(dòng)機(jī)構(gòu)操作力

齒輪模數(shù)m為2mm，齒數(shù)Z1為30，運(yùn)行阻力Ff為196N，手輪直徑D輪為150mm。

所需手動(dòng)機(jī)構(gòu)操作力Ft=FfmZ1/D輪=196×2×30/150=78N

計(jì)算所需手動(dòng)機(jī)構(gòu)操作力為78N，符合人機(jī)工程學(xué)中“對操作活動(dòng)受一定限制，作業(yè)姿勢坐、立交替時(shí)，手動(dòng)機(jī)構(gòu)操作力應(yīng)為50N～100N”的要求。因此手動(dòng)操作結(jié)構(gòu)設(shè)置合理，滿足相關(guān)要求。

經(jīng)以上驗(yàn)算，各參數(shù)選擇均能滿足運(yùn)行驅(qū)動(dòng)和速度要求。裝置加工制作完成后，對新安江水電廠壩頂門機(jī)吊具進(jìn)行了相應(yīng)改造，安裝調(diào)試后正式啟用運(yùn)行，運(yùn)行過程中穿脫銷順暢，現(xiàn)已順利運(yùn)行近兩年時(shí)間，運(yùn)行過程中均未出現(xiàn)卡阻等異?，F(xiàn)象。經(jīng)對實(shí)際的手動(dòng)機(jī)構(gòu)操作力測試，其操作力約為70N，與計(jì)算值相近，表明該裝置的自動(dòng)穿銷及手動(dòng)穿銷動(dòng)作的安全性和可靠性均得到了有效驗(yàn)證。

4 結(jié) 語

該裝置實(shí)現(xiàn)了新安江水電廠壩頂門機(jī)與平衡梁之間穿銷的自動(dòng)化，消除了作業(yè)人員登高作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，大大降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了穿銷工作的安全順利進(jìn)行，并極大地提升了工作效率。設(shè)計(jì)摩擦力合理的運(yùn)行阻力值，保證穿銷卡阻時(shí)，可以通過摩擦輪打滑來防止電機(jī)過載和機(jī)械損壞等故障，有效地保證了該裝置平穩(wěn)可靠地運(yùn)行。電氣控制箱設(shè)置在裝置后部，有效利用了現(xiàn)場空間，優(yōu)化了裝置的整體結(jié)構(gòu)，且便于安裝，安全可靠，有利于檢修維護(hù)工作的順利開展。

目前新安江水電廠壩頂門機(jī)與平衡梁自動(dòng)穿銷裝置的運(yùn)行情況良好，壩頂門機(jī)與平衡梁之間穿脫銷順暢無卡阻,在改造過程中節(jié)省了成本，實(shí)現(xiàn)了較大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，在確保操作人員人身安全的同時(shí)，有效降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為防汛工作順利開展提供了安全可靠的保障。該裝置也可以為相關(guān)水利水電工程啟閉機(jī)械手動(dòng)穿銷裝置的更新改造提供借鑒。