曾 文， 范 如 谷， 趙 明， 譚 曉 波， 代 新 啟

(中國水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川 樂山 614100)

1 概 述

液壓自動抓梁是水電站進(jìn)行閘門啟閉操作的關(guān)鍵設(shè)備之一。該類抓梁能較好地實現(xiàn)水下自動穿退銷和防意外退銷功能，具有方便與閘門接口、適應(yīng)不斷增加的大啟閉容量要求等諸多優(yōu)點，在我國大、中型水利水電工程中應(yīng)用廣泛，特別是隨著高壩、大壩建設(shè)的日益增多，還面臨著適應(yīng)超過100 m水深和多泥沙水體等特殊環(huán)境使用的要求。

目前，液壓自動抓梁的設(shè)計普遍是針對每一項工程的具體要求，且以經(jīng)驗設(shè)計為主，其設(shè)計周期較長、效率低、成本較高，進(jìn)而影響到產(chǎn)品的可靠性和質(zhì)量穩(wěn)定性，而模塊化設(shè)計方法能在制造成本、設(shè)計周期、快速響應(yīng)以及便于提高可靠性等方面滿足用戶的需求，提高了產(chǎn)品設(shè)計的自動化程度和競爭力。

針對液壓自動抓梁的使用與工作條件、功能、組成、結(jié)構(gòu)及接口關(guān)系，研究了各部件的作用和關(guān)系，確定了各零部件模塊化設(shè)計的基本思路，提出了液壓自動抓梁模塊化設(shè)計方案，并針對三維模塊化快速設(shè)計進(jìn)行了一些探討。

2 模塊化設(shè)計的原則和思路

2.1 模塊劃分原則

模塊劃分過程中，應(yīng)充分考慮客戶需求、設(shè)計特征、功能結(jié)構(gòu)、裝配、成本和維修等綜合因素，應(yīng)遵循以下相關(guān)基本原則[1]：

(1)結(jié)構(gòu)完整性和系統(tǒng)性。模塊化[2]是從系統(tǒng)優(yōu)化的角度將產(chǎn)品的總體功能要求按照模塊應(yīng)具有的基本功能特征、結(jié)構(gòu)特征以及模塊劃分原則，將產(chǎn)品合理劃分成多個模塊的過程。在模塊劃分過程中，首先對產(chǎn)品的總功能進(jìn)行充分的分解，得到一系列基本功能單元，形成系統(tǒng)的科學(xué)與應(yīng)用相結(jié)合的模塊分類方法。

(2)功能獨立性及可擴(kuò)充性原則。模塊劃分對分類子系統(tǒng)的擴(kuò)展、對模塊類別的開拓要有良好的適應(yīng)性，模塊內(nèi)部要有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，模塊與模塊之間為弱關(guān)聯(lián)性，而不致于產(chǎn)生不良效果。在實際應(yīng)用中，對識別模塊劃分、選擇模塊需要簡明、準(zhǔn)確。

(3)模塊劃分?jǐn)?shù)量合理。應(yīng)重點解決好模塊劃分的總體功能分解方案及分解程度、功能單元程度的衡量及按模塊化設(shè)計的價值與效益確定模塊劃分的數(shù)目。

(4)相關(guān)性。模塊劃分層次的有序程度是保障模塊相關(guān)性的重要條件，模塊劃分層次的設(shè)計對于體現(xiàn)其科學(xué)與實用性具有至關(guān)重要的作用。

2.2 液壓自動抓梁設(shè)計的思路

在液壓自動抓梁設(shè)計過程中，需要滿足模塊化和參數(shù)化快速設(shè)計建模的要求，最終采用了“自頂向下[3]”的設(shè)計方法， 即設(shè)計思路是從“總體設(shè)計”到“模塊設(shè)計”。

(1)總體設(shè)計模塊化搭建。根據(jù)“自頂向下”的設(shè)計方法，在產(chǎn)品總體設(shè)計規(guī)劃過程中，首先建立了啟閉機(jī)、門槽及閘門總體布置的三維約束架構(gòu)和主軸線架構(gòu)，確保了總體模型主軸線和約束清晰，液壓自動抓梁骨架見圖1。

圖1 液壓自動抓梁骨架圖

(2)三維結(jié)構(gòu)產(chǎn)品模塊劃分后，液壓自動抓梁總體平臺的三維結(jié)構(gòu)需要與所劃分的模塊對應(yīng)，總體設(shè)計時需要創(chuàng)建總體布置的設(shè)計意圖，然后搭建產(chǎn)品的三維結(jié)構(gòu)(架構(gòu))，其中包括一級模塊和二級模塊的三維結(jié)構(gòu)。

(3)模塊位置架構(gòu)的設(shè)計。在總體設(shè)計過程中，按產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)和三維約束架構(gòu)布置各個模塊的安裝位置，根據(jù)“自頂向下”的三維建模原則，各個模塊的安裝位置需通過所建立的安裝坐標(biāo)系確定，因此，要創(chuàng)建整機(jī)位置架構(gòu)并在該架構(gòu)模型中設(shè)置各模塊的安裝位置坐標(biāo)系。

(4)模塊接口架構(gòu)的管理。在前期模塊規(guī)劃和劃分過程中，應(yīng)充分分析各模塊之間的接口及接口形式，確定典型應(yīng)用接口，包括連接法蘭、安裝孔、空間干涉檢查、檢修空間、力傳遞等，其接口的位置由模塊安裝位置坐標(biāo)予以體現(xiàn)。

(5)模塊間接口關(guān)系的處理原則。為了保持模塊之間的獨立性，模塊化產(chǎn)品的“自頂向下”設(shè)計原則要求將接口架構(gòu)坐標(biāo)作為各模塊設(shè)計的輸入，不允許模塊之間直接的外部引用關(guān)系，避免模塊間通過外部復(fù)制幾何的形式傳遞設(shè)計條件，既保持了設(shè)計接口正確，又保持了兩個模塊之間的獨立性。

(6)模塊設(shè)計。模塊化產(chǎn)品中的模塊要求具有較高程度的獨立性，模塊本身從結(jié)構(gòu)和功能上是相對獨立的，貫徹“自頂向下”的設(shè)計思路。不同的是模塊本身要繼承接口的約束條件以及相關(guān)模塊的位置信息，即模塊設(shè)計架構(gòu)需要將接口、位置信息作為模塊自身的外部參考條件。在模塊配置層裝配時，首先按默認(rèn)的方式裝配整機(jī)模塊位置，按坐標(biāo)系對齊的方式將本模塊位置架構(gòu)安裝到整機(jī)位置架構(gòu)上，然后采用坐標(biāo)系對齊的方法安裝相關(guān)的一級接口和二級接口，再安裝本模塊的參數(shù)架構(gòu)。

3 液壓自動抓梁的模塊化設(shè)計

為滿足大型、超大型水電站建設(shè)的要求和不斷的技術(shù)創(chuàng)新，液壓自動抓梁[4]工作水深超過100 m及大型化趨勢明顯，其所承受的載荷越來越大，對安全可靠性要求越來越高。但目前各廠家的液壓自動抓梁設(shè)計與制造基本上還停留在傳統(tǒng)的設(shè)計理念上，在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)手段、模塊化設(shè)計方法、設(shè)計周期、設(shè)計質(zhì)量管理等方面的差距仍然較大。針對液壓自動抓梁模塊化進(jìn)行了以下分析。

3.1 液壓自動抓梁的組成及原理

液壓自動抓梁通常按其上、下吊點數(shù)量進(jìn)行分類，一般可分為以下幾種類型，液壓自動抓梁上下吊點型式見表1。

表1 液壓自動抓梁上下吊點型式表

液壓自動抓梁主要由抓梁體(包括上、下吊耳結(jié)構(gòu)等)、平衡重、主/反導(dǎo)向裝置、側(cè)導(dǎo)向裝置、閘門定位導(dǎo)向裝置、抓梁/閘門到位檢測裝置、穿銷裝置、液壓管線、液壓泵及電纜(主)接頭等組成，液壓自動抓梁結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 液壓自動抓梁結(jié)構(gòu)示意圖

液壓自動抓梁的基本功能是在門橋式啟閉機(jī)操作控制下，由液壓抓梁液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動穿退銷裝置、按操作的指令完成抓取和啟閉閘門。

3.2 液壓自動抓梁模塊化設(shè)計的總體方案

液壓自動抓梁模塊化設(shè)計流程：

已有產(chǎn)品和用戶需求分析→產(chǎn)品功能分析→確定產(chǎn)品系列→確定產(chǎn)品主參數(shù)及參數(shù)范圍→模塊化分析→主要模塊化劃分→模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(包括模塊標(biāo)準(zhǔn)化和系列化)→三維參數(shù)化建?！幹萍夹g(shù)文件→完成液壓自動抓梁模塊化及參數(shù)化設(shè)計。

液壓自動抓梁的機(jī)械結(jié)構(gòu)按模塊化、參數(shù)化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計要求進(jìn)行設(shè)計，液壓抓梁模塊劃分見表2。

表2 液壓抓梁模塊劃分表

3.3 穿銷裝置模塊化設(shè)計

鑒于原設(shè)計方案中的穿銷裝置缸徑和桿徑規(guī)格過多，達(dá)到了11種且不統(tǒng)一，不利于設(shè)計和制造塊化和減少密封件等原器件的規(guī)格，增加了備件的準(zhǔn)備時間和用戶維護(hù)難度。對此，開展了以下研究工作。

(1)液壓自動抓梁穿銷裝置規(guī)格統(tǒng)計。根據(jù)對歷年約124套液壓自動抓梁進(jìn)行的數(shù)據(jù)統(tǒng)計：吊軸直徑范圍為100～360 mm，共有11種油缸直徑與活塞桿徑的組合，其中缸徑范圍為63～160 mm，桿徑范圍為45～90 mm，油缸直徑與活塞桿徑組合情況見表3。

表3 油缸直徑與活塞桿徑組合表 /mm

(2)穿銷裝置模塊化設(shè)計。適應(yīng)吊軸的直徑范圍為100～360 mm。重新規(guī)劃后，將穿銷油缸/活塞桿優(yōu)化為4種組合規(guī)格(缸徑范圍為63～130 mm，桿徑為45～80 mm)，穿銷油缸/活塞桿直徑優(yōu)化情況見表4，穿銷裝置模型見圖3。

圖3 穿銷裝置模型圖

表4 穿銷油缸/活塞桿直徑優(yōu)化表

3.4 液壓泵站模塊化設(shè)計

3.4.1 液壓泵站性能需求分析

穿銷裝置模塊化和系列化設(shè)計后規(guī)格減少為四種，從而為液壓泵站模塊化設(shè)計打下了較好的基礎(chǔ)，針對功能、規(guī)格參數(shù)、控制方式、可靠性進(jìn)行了以下分析：

(1) 液壓泵站為穿銷裝置的吊軸“穿-退”提供驅(qū)動力，其吊軸“穿-退”時間偏差沒有明確的要求，即吊軸“穿-退”速度可以在較大的范圍由設(shè)計人員取值。

(2) 一般液壓自動抓梁的液壓系統(tǒng)采用常規(guī)控制方式，即用電磁換向閥控制吊軸的“穿-退”，該方式容易實現(xiàn)，但需要有電磁換向閥控制線從啟閉機(jī)通過主電纜接入到液壓抓梁的泵站內(nèi)，需占用較多的電纜芯數(shù)。液壓缸動作亦可采用液控方式，由于門橋式啟閉機(jī)制造廠在液壓專業(yè)不具備相應(yīng)的優(yōu)勢，導(dǎo)致該方式在液壓自動抓梁中的使用相對較少，其控制操作簡單的優(yōu)勢沒有得到發(fā)揮。

(3)為提高液壓泵站的可靠性，對泵站殼體密封結(jié)構(gòu)、中間接線箱及漏水檢測等方面需要進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

3.4.2 液壓泵站的詳細(xì)設(shè)計方案

(1)經(jīng)核算后得到的四種規(guī)格穿銷裝置吊軸“穿-退”速度范圍為：0.8～4.5 m/min?？紤]到同樣需要液壓泵站的液壓耙斗，將液壓泵站統(tǒng)一為兩種規(guī)格，其油泵規(guī)格分別為6.1 mL/r及18 mL/r。

(2)液壓系統(tǒng)由“電磁閥控制”優(yōu)化為全液壓控制，取消了電磁換向閥。通過雙向油泵和單向閥實現(xiàn)了油缸“伸出/退回”，同時亦減少了各類元器件及主電纜的芯線數(shù)量，液壓泵站及原理見圖4。經(jīng)13 000余次無水試驗和17 000余次水下(壓力為1.46 MPa)試驗，其動作安全可靠。

圖4 液壓泵站及原理圖

3.5 導(dǎo)向裝置模塊化設(shè)計

導(dǎo)向裝置主要包括主/反導(dǎo)向模塊、側(cè)導(dǎo)向模塊。將主/反導(dǎo)向模塊進(jìn)行系列化，通過調(diào)整參數(shù)改變上下游導(dǎo)向滑塊裝置的長度，進(jìn)而改變抓梁中心線與門槽中心線的相對位置。根據(jù)閘門的導(dǎo)向形式，通過選擇最終確定側(cè)導(dǎo)向模塊的形式。圖5為常見抓梁導(dǎo)向滑塊裝置示意圖。

圖5 常見抓梁導(dǎo)向滑塊裝置示意圖

3.6 抓梁梁體(含上、下吊耳)模塊化設(shè)計

抓梁梁體為液壓自動抓梁承載主體。液壓自動抓梁上下吊點型式見見表1。

3.6.1 上、下吊耳連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)抓梁上、下吊點有偏差時，目前常用的吊板結(jié)構(gòu)形式有以下幾種(上、下吊耳連接結(jié)構(gòu)形式見圖6)。

圖6 上、下吊耳連接結(jié)構(gòu)形式圖

對于偏差較大的采用圖6-a結(jié)構(gòu)形式；對于偏差較小且有焊接空間的采用圖6-b結(jié)構(gòu)形式；對于偏差較小且空間較小的采用圖6-c結(jié)構(gòu)形式，即采用吊板折彎方式。

當(dāng)上、下吊耳吊板中心線不是一條直線時，根據(jù)對歷年來抓梁中吊板的折彎角度α進(jìn)行統(tǒng)計，取吊板折彎角度α上限為15°(吊板折彎處中心線與豎直方向的夾角)，并將15°作為判斷參數(shù)，當(dāng)偏角大于15°時，上、下吊板將分開，并根據(jù)梁高和抓舉容量選擇對應(yīng)的連接方式，如圖6-b。

3.6.2 抓梁重心問題

抓梁在使用過程中必須保持平衡才能順利通過門槽口部。為保證抓梁平衡，一般通過設(shè)置平衡重來調(diào)整抓梁重心。而目前所使用的部分抓梁平衡重較重，因此，實施過程中將上吊耳板孔心往需設(shè)置平衡重的方向調(diào)整，調(diào)整距離小于理論的平衡距離，通過這種方式可有效減輕平衡重的重量。為調(diào)整制造偏差，設(shè)置了少量平衡重進(jìn)行調(diào)整[5]。

3.7 到位信號裝置標(biāo)準(zhǔn)化

按照模塊劃分原則，將抓梁到位信號裝置統(tǒng)一為以下兩種情況(到位信號裝置示意圖見圖7)。

(1)對于閘門有沖水閥的穿銷到位裝置。根據(jù)穿銷裝置的相關(guān)尺寸，確定了兩種工況下兩個位置傳感器的位置(圖7-a)。

(2)對于無沖水閥的閘門，根據(jù)穿銷裝置的相關(guān)尺寸，只需確定一個位置傳感器的位置(圖7-b)。

圖7 到位信號裝置示意圖

4 液壓自動抓梁三維快速建模

4.1 三維快速建模的方法

通過液壓自動抓梁三維參數(shù)化設(shè)計，可以實現(xiàn)三維快速建模。其主要流程為：輸入?yún)?shù)→ilogic讀取參數(shù)→驅(qū)動子部件模型→驅(qū)動總裝配模型→圖紙輸出，三維快速建模流程見表5。

表5 三維快速建模流程表

4.2 應(yīng)用實例

目前修建的水電站中的啟閉機(jī)多數(shù)都設(shè)置有抓梁，有的甚至設(shè)置了多個抓梁。為了有效提高設(shè)計工作的效率，對抓梁進(jìn)行了模塊化、參數(shù)化設(shè)計?，F(xiàn)已對以下水電工程：烏東德2×2 000 kN抓梁、巴基斯坦卡洛特2×1 600 kN及2×800 kN抓梁、贊比亞下凱富峽1 250 kN抓梁、漢江孤山2×2 500 kN、2×2 000 kN和2×1 600 kN抓梁、貴州平寨2×630 kN、2×500 kN和2×400 kN抓梁、尼日利亞宗格魯2×1 600 kN和2×500 kN抓梁等進(jìn)行了模塊化、參數(shù)化設(shè)計。

5 結(jié) 語

對液壓自動抓梁模塊化及三維參數(shù)化快速建模設(shè)計進(jìn)行了分析與研究，按模塊化、參數(shù)化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計要求形成了液壓自動抓梁模塊化設(shè)計方案，并通過參數(shù)驅(qū)動實現(xiàn)了液壓自動抓梁三維參數(shù)化快速設(shè)計，提高了設(shè)計水平和效率，主要研究工作取得了以下結(jié)論：

(1)液壓自動抓梁的設(shè)計需要滿足模塊化和參數(shù)化快速設(shè)計建模的要求，應(yīng)采用“自頂向下”的設(shè)計方法， 即設(shè)計思路是從“總體設(shè)計”到“模塊設(shè)計”。

(2)基于液壓自動抓梁必須適應(yīng)門槽約束的要求，應(yīng)先建立啟閉機(jī)、門槽及閘門的三維約束架構(gòu)和主軸線架構(gòu)，確?？傮w模型主軸線和約束邊界清晰，并按產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)和三維約束架構(gòu)建立安裝坐標(biāo)系，布置各個模塊的安裝位置。

(3)模塊化總體設(shè)計規(guī)劃過程中，應(yīng)針對關(guān)鍵部件進(jìn)行系列化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，為提高產(chǎn)品的可靠性和參數(shù)化設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)，如導(dǎo)向裝置、梁體結(jié)構(gòu)、主電纜插頭、穿銷裝置及液壓泵站(含接線箱)等的專項改進(jìn)設(shè)計。

(4)通過液壓自動抓梁模塊化、參數(shù)化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，該產(chǎn)品在制造成本、設(shè)計周期、快速響應(yīng)以及可靠性等方面得到了明顯的提升。