司健偉

（華電鄭州機械設計研究院有限公司，鄭州　450015）

單向門式啟閉機弧形軌道運行新設計

司健偉

（華電鄭州機械設計研究院有限公司，鄭州450015）

針對善泥坡水電站單向門式啟閉機大車運行機構原設計方案存在的鉸接裝置維護及保養(yǎng)比較繁瑣、車輪易啃軌等問題，提出了新的設計方案：門機運行于整段弧形軌道時采用新的結構設計代替鉸接裝置，取消冗余的導向輪，車輪踏面寬取標準車輪寬與脫軌尺寸之和。有限元計算表明，門架主梁及門腿的強度和剛度滿足要求。門機設備投入使用后，整機運行情況良好。

單向門式啟閉機；弧形軌道；鉸接裝置；啃軌；踏面寬；有限元分析

0　引言

堤壩式水電站中的混凝土壩分為重力壩、拱壩和支墩壩3種類型。對應于不同的堤壩形式，水電站門式啟閉機大車軌道布置可采用直線軌道、整段圓弧軌道或直線與圓弧相互連接的軌道形式。門機在以上幾種形式的軌道運行時，都要保證大車運行精度，防止車輪出現(xiàn)啃軌現(xiàn)象。

善泥坡水電站位于北盤江干流中游河段的貴州省六盤水市水城縣境內(nèi)，電站裝機容量（2×90+ 5.5）MW，工程樞紐攔河大壩為拋物線雙曲拱壩。壩頂溢流壩段上布置1臺帶單回轉吊的單向門式啟閉機，該門機2×800kN主鉤主要用于啟閉溢流壩檢修閘門，利用250kN的回轉吊進行溢流壩弧門液壓機油缸的檢修工作。

1　門機主要技術參數(shù)

（1）起升機構。額定啟門力，2×800kN；起升高度，20.2m，其中軌上7.0m（不包括抓梁），軌下13.2m；起升速度，0.25～2.50/2.50～5.00m/min（額定起升速度為2.50m/min）［1-2］。

（2）大車運行機構。攜帶載荷，2×400kN；速度，2.0～20.0m/min；大車軌距，5.5m；大車軌道型號，QU80；外緣大車軌道半徑，127931mm；內(nèi)緣大車軌道半徑，122431mm。

（3）回轉吊。額定載荷，250kN；起升高度，20.2m，其中軌上7.0m，軌下13.2m；起升速度，0.2～2.0/2.0～4.0m/min（額定起升速度為2.0m/min）；回轉半徑，8m；回轉速度，0.4r/min；回轉角度，180°。

2　大車運行機構原設計方案

門架下橫梁與大車運行臺車架之間為鉸接結構，采用4組動載荷不低于600kN的推力球軸承；每組車輪在軌道兩側均設置有導向輪裝置；車輪踏面寬度采用標準車輪寬100mm。原大車運行機構臺車如圖1所示。

原方案的不足之處：（1）鉸接裝置的維護及保養(yǎng)比較繁瑣，更換成本較高；（2）內(nèi)外緣軌道兩側均布置導向輪，屬于冗余設置；（3）標準踏面寬度的車輪易啃軌。

3　大車運行機構新設計方案

大車車輪在整段圓弧軌道上運行時，為保證車輪運行精度，防止啃軌，車輪必須運行于大車軌道的切線方向上。將臺車架整體相對于門架下橫梁旋轉一個角度，外緣軌道處旋轉2.128°，內(nèi)緣軌道處旋轉2.224°，臺車架與下橫梁之間采用螺栓剛性連接形式，新大車運行機構如圖2所示。將冗余的導向輪取消，僅在外緣軌道內(nèi)側和內(nèi)緣軌道外側布置導向輪，導向輪輪緣與軌道側面間隙為10mm，新大車運行機構臺車如圖3所示。

為保證內(nèi)外緣車輪同步運行，內(nèi)外緣車輪應有相同的角速度ω，由此得

內(nèi)外緣車輪直徑之比等于內(nèi)外緣軌道半徑之比

式中：D1為外緣車輪直徑；D2為內(nèi)緣車輪直徑；R1為外緣軌道半徑；R2為內(nèi)緣軌道半徑；n為減速器輸出轉速；i為減速器速比。

圖1　原大車運行機構臺車

圖2　新大車運行機構示意

根據(jù)以上計算結果，選外緣車輪直徑D1為660 mm，內(nèi)緣車輪直徑D2為630mm，進行脫軌尺寸計算。

（1）內(nèi)軌定位時，脫軌尺寸為

式中：L為門機軌距，5.5m；K為門機基距，9.5m；φ2為內(nèi)軌定位角。

代入后得到內(nèi)軌脫軌尺寸d2=3.96mm。

（2）外軌定位時，脫軌尺寸為

式中：φ1為外軌定位角。

代入后得到外軌脫軌尺寸d1=3.96mm。

選擇車輪踏面寬度為標準寬與脫軌尺寸之和，考慮一定的裕量并圓整后，最終確定為110mm。

4　門架有限元計算與分析［3］

4.1單元剖分

以整個啟閉機為分析對象，建立計算模型，并通過通用有限元軟件進行計算分析。啟閉機結構有限元計算采用線彈性有限元法，把啟閉機離散為板單元三維彈性結構，所有的鋼板構件采用板單元模擬。門機有限元模型如圖4所示。

板單元選用四節(jié)點彈性板殼元，這種板單元是基于薄板理論建立的，模型建立過程中通過不同的實常數(shù)來考慮不同規(guī)格鋼板的厚度和質量，并綜合考慮了板的彎曲和剪切變形。

在建立三維有限元模型時，z向取為沿大車軌道方向，x向取為垂直于大車軌道方向，y向按照右手法則取為啟閉機的高度方向。

圖3　新大車運行機構臺車

圖4　門機有限元模型

4.2約束處理

啟閉機下橫梁與大車車輪連接座板的支鉸處受到鉛垂方向（y向）的位移約束，根據(jù)該門架結構及受力特點，取約束使結構成為單側的一次超靜定結構：沿水流下游門腿右側限制Ux，Uy，Uz，釋放Mx，My，Mz；沿水流下游門腿左側限制Ux，Uy，釋放Mx，My，Mz，Uz；沿水流上游右側門腿鉸支限制Uy，Uz，釋放Ux，Mx，My，Mz；沿水流上游左側門腿鉸支限制Uy，釋放Ux，Uz，Mx，My，Mz。除此以外，所有節(jié)點均為自由節(jié)點。

4.3計算載荷

本次計算主要分析了5種工況條件下啟閉機的應力分布和變形情況，計算分析的工況及其載荷（基本風壓為250Pa）如下。

（1）工況1?？鐑?nèi)起升機構起吊額定載荷；門架側平面風載荷；大車不制動。載荷：跨內(nèi)起升結構自重+起升載荷，-y向；等效風載荷，-x向；回轉吊自重；門架自重；

（2）工況2。跨內(nèi)起升機構起吊大車攜帶載荷；門架側平面風載荷；大車制動。載荷：跨內(nèi)起升結構自重+起升載荷，-y向；等效風載荷，-x向；回轉吊自重；門架自重；

（3）工況3?？鐑?nèi)起升機構起吊1.25倍額定載荷；門架側平面風載荷；大車不制動。載荷：跨內(nèi)起升結構自重+1.25倍起升載荷，-y向；等效風載荷，-x向；回轉吊自重；門架自重；

（4）工況4。回轉吊起吊額定載荷，沿平行大車軌道方向；門架側平面風載荷；大車不制動。載荷：回轉起升結構自重+起升載荷，-y向；等效風載荷，-x向；跨內(nèi)起升自重；門架自重；

（5）工況5?；剞D吊起吊額定載荷，垂直大車軌道方向；門架側平面風載荷；大車不制動。載荷：回轉起升結構自重+起升載荷，-y向；等效風載荷，-x向；跨內(nèi)起升自重；門架自重。

4.4計算結果及分析

計算結果表明，在各種工況條件下，啟閉機各主要構件（主要包括主梁、門腿、上中下橫梁等）的大部分板件的折算應力計算值在120MPa以下，整個啟閉機結構的計算應力均小于鋼材的設計許用值，滿足強度要求。

在各種工況條件下，主梁主要發(fā)生彎曲變形，最大折算應力為80MPa?？缰胸Q向（y向）撓度最大值為5.2mm，滿足剛度要求。門腿主要為受壓構件，門腿的多數(shù)部位在各種工況下的主壓應力一般小于75MPa。中、下橫梁為連接構件，各種條件下的應力水平不高。

5　結束語

善泥坡水電站溢流壩2×800/250kN單回轉吊門式啟閉機弧形軌道運行新設計方案及門機整體設計方案順利通過了設計審查，認為此方案切實可行。2014年10月該門機設備投入使用，經(jīng)過近2年的生產(chǎn)運行，整機運行情況良好。

［1］起重機設計規(guī)范：GB/T3811—2008［S］.

［2］張質文.起重機設計手冊［M］.北京：中國鐵道出版社，2013.

［3］水電水利工程啟閉機設計規(guī)范：DL/T5167—2002［S］.

（本文責編：劉芳）

TV664；TB115

B

1674-1951（2016）09-0023-03

2016-06-20；

2016-07-07

司健偉（1967—），男，河南新密人，高級工程師，從事水電站啟閉機設備設計工作（E-mail：sijw@hdmdi.com）。