唐松智，趙中營(yíng)，朱君學(xué)

(1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003;2.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450015)

0 引言

三門(mén)峽水利樞紐原有的2臺(tái)3500 kN壩頂門(mén)機(jī)由太原重型機(jī)械廠20世紀(jì)60年代初制造，投入運(yùn)行近40年，屬超期服役，技術(shù)性能明顯下降。特別是在樞紐建成后，由于泥沙淤積問(wèn)題，該門(mén)機(jī)先后進(jìn)行了多次改建:打開(kāi)了原已封堵的12個(gè)施工導(dǎo)流底孔后，啟閉容量由3500 kN增加到4 500 kN，揚(yáng)程由72 m增加到85 m;采用油缸配合拉桿的啟閉斜拉閘門(mén)，耗時(shí)長(zhǎng)，強(qiáng)度大，不能滿足黃河防汛總指揮部下達(dá)的8 h之內(nèi)全部啟閉三門(mén)峽樞紐泄洪閘的調(diào)度要求和大壩安全運(yùn)行的需要。2000年2月，三門(mén)峽水利樞紐管理局對(duì)三門(mén)峽水利樞紐工程3500 kN門(mén)機(jī)進(jìn)行更新設(shè)計(jì)，即4 500 kN斜拉壩頂雙向門(mén)機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 4500 kN斜拉壩頂雙向門(mén)機(jī)概述

4500 kN斜拉壩頂雙向門(mén)機(jī)主要由主小車(chē)、小車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、門(mén)架、大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、320 kN回轉(zhuǎn)式起重機(jī)、夾軌器、電纜卷筒、司機(jī)室和電氣設(shè)備等組成。附屬設(shè)備有軌道及附件等，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 門(mén)機(jī)主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主小車(chē)起升機(jī)構(gòu)

三門(mén)峽水利樞紐斜拉底孔事故檢修閘門(mén)軌道斜度為1∶6.67，即閘門(mén)的斜拉方向與鉛錘方向夾角為8.53°，鋼絲繩對(duì)定滑輪的偏角遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了 SL 41—2011《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的4°～5°的范圍。常規(guī)起吊斜拉閘門(mén)起升機(jī)構(gòu)解決方案是將卷筒、定滑輪布置在小車(chē)架平臺(tái)上，平衡滑輪懸掛于小車(chē)架下，同時(shí)在定滑輪梁下方設(shè)一組導(dǎo)向滑輪，滿足斜拉和垂直起吊閘門(mén)的要求。該方案適用于啟閉容量及鋼絲繩倍率較小的起升機(jī)構(gòu)，當(dāng)起升機(jī)構(gòu)容量較大、鋼絲繩數(shù)量較多時(shí)，導(dǎo)向滑輪的設(shè)置較為困難。除受力復(fù)雜、維護(hù)不便外，鋼絲繩極易產(chǎn)生亂繩現(xiàn)象，影響運(yùn)行安全。經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量并進(jìn)行深入細(xì)致的研究，該門(mén)機(jī)主起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用以下措施:

表1 4500 kN斜拉壩頂雙向門(mén)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

(1)卷筒設(shè)計(jì)。壩頂高程為335 m，深孔事故檢修閘門(mén)的孔口尺寸為3.190 m×1.286 m，為防止起吊深孔事故檢修閘門(mén)時(shí)2根進(jìn)、出卷筒的鋼絲繩與門(mén)槽干涉，卷筒的長(zhǎng)度應(yīng)加以控制。根據(jù)容量、揚(yáng)程和門(mén)機(jī)的高度等指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算，卷筒的長(zhǎng)度應(yīng)小于4.10 m。

對(duì)于單吊點(diǎn)、大容量、高揚(yáng)程門(mén)機(jī)，卷筒采用折線繩槽和返回墊環(huán)技術(shù)是最經(jīng)濟(jì)、最合理的方案。該門(mén)機(jī)鋼絲繩采用4層纏繞形式，倍率為10，最終確定卷筒直徑為? 2400 mm時(shí)，卷筒的長(zhǎng)度為4.05 m，滿足要求。

(2)定滑輪組布置。為滿足底孔事故檢修閘門(mén)的斜拉方向與鉛錘方向夾角大于8.53°的要求，卷筒軸線應(yīng)垂直于順?biāo)鞣较?，?dòng)、定滑輪組的軸線平行于卷筒軸線布置。

該門(mén)機(jī)定滑輪梁位于小車(chē)架中心位置且垂直于卷筒軸線布置，定滑輪組位于卷筒的上游側(cè)，通過(guò)吊板懸掛在支撐于定滑輪梁上的鉸軸上，定滑輪組能夠在垂直于卷筒軸線的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。該門(mén)機(jī)控制斜拉方向與鉛錘方向夾角為9.00°(大于8.53°)，滿足要求。

(3)倍率確定。鋼絲繩倍率小，則鋼絲繩粗，滑輪直徑大;倍率大，則鋼絲繩細(xì)，滑輪直徑小。動(dòng)滑輪組在垂直水流方向尺寸大，除卷筒多層纏繞的返回角難以控制外，鋼絲繩也易與門(mén)槽干涉。經(jīng)多次比較分析計(jì)算，滑輪組倍率取10較好。

(4)選用進(jìn)口鋼絲繩。深孔事故檢修閘門(mén)壩頂順?biāo)鞣较虺叽鐑H為1 286 mm，閘門(mén)起吊中心線偏向門(mén)槽中心線上游59 mm，要確保鋼絲繩或動(dòng)滑輪組不與門(mén)槽干涉，動(dòng)滑輪組外緣尺寸應(yīng)小于(1286/2－59)×2=1 168(mm);同時(shí)，考慮滑輪與滑輪罩之間的安全距離等因素，最終確定動(dòng)滑輪罩最大外緣尺寸為905 mm。采用國(guó)產(chǎn)鋼絲繩，其滑輪與工作級(jí)別系數(shù)不符合相關(guān)規(guī)范的要求。在最小破斷拉力一樣的情況下，進(jìn)口鋼絲繩較國(guó)產(chǎn)鋼絲繩直徑小，因此，為減小鋼絲繩的直徑，選用進(jìn)口鋼絲繩，可滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(5)平衡滑輪布置。平衡滑輪懸掛于小車(chē)架，位于定滑輪的上游側(cè)，其滑輪中心與定滑輪中心距離遠(yuǎn)時(shí)，鋼絲繩與門(mén)槽干涉，距離近時(shí)，由于鋼絲繩倍率大，數(shù)量多，鋼絲繩之間易干涉。經(jīng)分析，可將平衡滑輪與定滑輪組布置在一起，位于定滑輪中間位置，通過(guò)吊板懸掛在定滑輪軸上。

以上布置形式既滿足了門(mén)機(jī)的功能要求，又保證門(mén)機(jī)在垂直起吊和斜拉起吊時(shí)鋼絲繩與其他設(shè)備不干涉，受力條件好。

2.2 可測(cè)量垂直荷載和斜拉荷載的荷載限制器

水利水電工程強(qiáng)制性條文規(guī)定:水電站啟閉機(jī)必需設(shè)置荷載限制器，防止門(mén)機(jī)起升機(jī)構(gòu)超載運(yùn)行，避免門(mén)機(jī)發(fā)生安全事故。

起升機(jī)構(gòu)荷載限制器的布置是斜拉門(mén)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)多種方案進(jìn)行比較分析后發(fā)現(xiàn)，采用布置于平衡滑輪處的軸銷(xiāo)式荷載限制器，可保證在垂直或斜拉2種工況起吊閘門(mén)時(shí)應(yīng)變片的最大變形方向始終與荷載方向一致，不受荷載偏斜的影響，確保荷載測(cè)量和顯示的準(zhǔn)確。

2.3 小車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.3.1 小車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置

該門(mén)機(jī)小車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)選用液壓油缸驅(qū)動(dòng)方式。小車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由2套液壓缸、支承鉸座、液壓缸托架、1套液壓泵站及管道、行程測(cè)量裝置和位置控制裝置組成。

液壓缸固定在門(mén)機(jī)上平臺(tái)的雙耳鉸座中，允許液壓缸在一定的角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng);活塞桿端部吊頭與小車(chē)架上的單耳鉸座相連，吊頭內(nèi)的球面關(guān)節(jié)軸承具有自動(dòng)調(diào)心功能，既可避免主梁變形或小車(chē)行走時(shí)發(fā)生偏斜對(duì)液壓缸產(chǎn)生影響，又可減少安裝時(shí)產(chǎn)生的偏差。在靠近液壓缸尾部的上平臺(tái)裝有托架，以支承液壓缸的重量，減小缸筒及活塞桿受重力作用而產(chǎn)生的撓度。

液壓泵站布置在門(mén)機(jī)下游側(cè)的端梁里，在其上部設(shè)有吊物孔，便于泵站的安裝和檢修。

2.3.2 小車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)

根據(jù)門(mén)機(jī)的運(yùn)行要求，主小車(chē)的行走工況分為3種:主起升垂直起吊狀態(tài)運(yùn)行工況、主起升斜拉空鉤對(duì)位運(yùn)行工況和主起升斜拉滿載工況。

液壓泵站選用2臺(tái)雙聯(lián)葉片油泵電機(jī)組，液壓系統(tǒng)采用差動(dòng)回路和旁路糾偏回路。采用雙聯(lián)葉片泵并進(jìn)行各種功率組合，以滿足各個(gè)工況的設(shè)計(jì)要求;結(jié)合差動(dòng)回路，可保證主小車(chē)雙向行駛速度并可節(jié)約能耗。

垂直起吊狀態(tài)小車(chē)行走時(shí)，雙聯(lián)葉片泵工作。該工況下主小車(chē)行走可分為常速與快速2種速度，以提高工作效率。常速為一臺(tái)雙聯(lián)葉片泵－電動(dòng)機(jī)組工作，另一臺(tái)備用。快速時(shí)2臺(tái)雙聯(lián)葉片泵－電動(dòng)機(jī)組同時(shí)工作。

主起升斜拉空鉤對(duì)位時(shí)，小車(chē)的運(yùn)行速度與主起升空鉤速度相適應(yīng)，以保證吊具對(duì)位后空鉤斜拉上升或下降時(shí)鋼絲繩不會(huì)松繩。在該工況下，雙聯(lián)葉片泵的大流量油泵卸載，低壓小流量泵工作，以保證小車(chē)的運(yùn)行速度。主起升斜拉滿載狀態(tài)時(shí)，雙聯(lián)葉片泵中的低壓大流量油泵卸載，高壓小流量泵工作即可滿足工作要求。

2套液壓缸內(nèi)均安裝有位移傳感器，用來(lái)測(cè)量油缸行程。小車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)雙缸同步偏差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，通過(guò)可編程控制器(PLC)控制，旁路糾偏閥動(dòng)作，先行的液壓缸放油，直到雙缸達(dá)到同步。

2.4 大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)

根據(jù)額定啟門(mén)力4 500 kN對(duì)門(mén)機(jī)輪壓進(jìn)行計(jì)算，大車(chē)車(chē)輪數(shù)量為16時(shí)可滿足車(chē)輪對(duì)軌道及其基礎(chǔ)混凝土的許用承壓應(yīng)力。

大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)由支承座、平衡梁、臺(tái)車(chē)裝配部件、緩沖器裝置和清軌板裝置組成。

支承座上座板通過(guò)螺栓與門(mén)架下橫梁連接，下部通過(guò)其鉸心與平衡梁相連接。平衡梁上部鉸心與支承座連接，下部2個(gè)鉸心則分別與2個(gè)臺(tái)車(chē)裝配部件連接。臺(tái)車(chē)裝配部件由主動(dòng)車(chē)輪、從動(dòng)車(chē)輪和臺(tái)車(chē)架組成。

門(mén)架有限元分析的模型建立是以支承座和平衡梁連接的鉸心為支承點(diǎn)，一側(cè)軌道的2個(gè)支承為三向鉸，另一側(cè)軌道的2個(gè)支承為二向鉸，該模型符合實(shí)際的受力情況。平衡梁的受力較為復(fù)雜，當(dāng)門(mén)機(jī)斜拉啟閉底孔事故檢修閘門(mén)時(shí)，其平衡梁的腹板除承受垂直荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力外，還要承受水平荷載所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，經(jīng)分析計(jì)算，采取以下2種措施:

(1)平衡梁腹板下部2個(gè)鉸心處的圓弧過(guò)渡半徑應(yīng)加大，該門(mén)機(jī)取200 mm。

(2)平衡梁腹板的厚度應(yīng)適當(dāng)增加，該門(mén)機(jī)取36 mm。

2.5 門(mén)架

門(mén)架為焊接箱型梁結(jié)構(gòu)，由主框架、側(cè)框架和上框架組成。主梁按簡(jiǎn)支梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，支腿按框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主梁與端梁之間，支腿與上橫梁、中橫梁、回轉(zhuǎn)式起重機(jī)下橫梁之間通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接;支腿與下橫梁之間采用普通螺栓和抗剪塊連接;主梁與支腿則通過(guò)焊接連接。主梁和門(mén)腿在門(mén)機(jī)沿大車(chē)軌道方向構(gòu)成主框架，在門(mén)機(jī)垂直于大車(chē)軌道方向由支腿、端梁和上/中/下橫梁構(gòu)成側(cè)框架。

對(duì)于一般不承受斜拉荷載，只承受垂直荷載的門(mén)機(jī)，主框架門(mén)腿的受力變形為外側(cè)承受拉應(yīng)力，內(nèi)側(cè)承受壓應(yīng)力，門(mén)腿的橫向肋板外側(cè)與翼板之間留有50 mm間隙。三門(mén)峽水利樞紐工程4500 kN壩頂雙向門(mén)式啟閉機(jī)不僅承受垂直荷載，而且需承受斜拉荷載，其主框架門(mén)腿的受力變形與一般門(mén)機(jī)有所不同，其門(mén)腿內(nèi)、外側(cè)均需承受拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，經(jīng)研究分析認(rèn)為，門(mén)腿的橫向肋板在外側(cè)與翼板之間不留間隙符合其實(shí)際受力情況。

3 結(jié)束語(yǔ)

三門(mén)峽水利樞紐工程2臺(tái)4500 kN壩頂雙向門(mén)機(jī)分別于2010年8月17日和2011年4月7日由國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局進(jìn)行了型式試驗(yàn)，各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)均符合規(guī)范要求，多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的驗(yàn)證可為今后水利工程大容量斜拉門(mén)機(jī)的設(shè)計(jì)提供新的思路。

［1］司健偉.三峽地下電站進(jìn)水塔壩頂雙向門(mén)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)［J］.華電技術(shù)，2010，32(2):22 －25.

［2］司健偉.進(jìn)水塔門(mén)機(jī)650/100 kN回轉(zhuǎn)吊起升方案的改進(jìn)［J］.華電技術(shù)，2009，31(12):29 －31.