三门峡水利枢纽4500 kN斜拉双向门机设计

2012-10-19唐松智赵中营朱君学

综合智慧能源 2012年12期

唐松智，赵中营，朱君学

(1.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003;2.华电郑州机械设计研究院有限公司，河南郑州 450015)

0 引言

三门峡水利枢纽原有的2台3500 kN坝顶门机由太原重型机械厂20世纪60年代初制造，投入运行近40年，属超期服役，技术性能明显下降。特别是在枢纽建成后，由于泥沙淤积问题，该门机先后进行了多次改建:打开了原已封堵的12个施工导流底孔后，启闭容量由3500 kN增加到4 500 kN，扬程由72 m增加到85 m;采用油缸配合拉杆的启闭斜拉闸门，耗时长，强度大，不能满足黄河防汛总指挥部下达的8 h之内全部启闭三门峡枢纽泄洪闸的调度要求和大坝安全运行的需要。2000年2月，三门峡水利枢纽管理局对三门峡水利枢纽工程3500 kN门机进行更新设计，即4 500 kN斜拉坝顶双向门机的设计。

1 4500 kN斜拉坝顶双向门机概述

4500 kN斜拉坝顶双向门机主要由主小车、小车驱动机构、门架、大车运行机构、320 kN回转式起重机、夹轨器、电缆卷筒、司机室和电气设备等组成。附属设备有轨道及附件等，其主要技术参数见表1。

2 门机主要机构设计

2.1 主小车起升机构

三门峡水利枢纽斜拉底孔事故检修闸门轨道斜度为1∶6.67，即闸门的斜拉方向与铅锤方向夹角为8.53°，钢丝绳对定滑轮的偏角远远超出了 SL 41—2011《水利水电工程启闭机设计规范》规定的4°～5°的范围。常规起吊斜拉闸门起升机构解决方案是将卷筒、定滑轮布置在小车架平台上，平衡滑轮悬挂于小车架下，同时在定滑轮梁下方设一组导向滑轮，满足斜拉和垂直起吊闸门的要求。该方案适用于启闭容量及钢丝绳倍率较小的起升机构，当起升机构容量较大、钢丝绳数量较多时，导向滑轮的设置较为困难。除受力复杂、维护不便外，钢丝绳极易产生乱绳现象，影响运行安全。经多次现场测量并进行深入细致的研究，该门机主起升机构设计采用以下措施:

表1 4500 kN斜拉坝顶双向门机主要技术参数

(1)卷筒设计。坝顶高程为335 m，深孔事故检修闸门的孔口尺寸为3.190 m×1.286 m，为防止起吊深孔事故检修闸门时2根进、出卷筒的钢丝绳与门槽干涉，卷筒的长度应加以控制。根据容量、扬程和门机的高度等指标进行分析计算，卷筒的长度应小于4.10 m。

对于单吊点、大容量、高扬程门机，卷筒采用折线绳槽和返回垫环技术是最经济、最合理的方案。该门机钢丝绳采用4层缠绕形式，倍率为10，最终确定卷筒直径为ø 2400 mm时，卷筒的长度为4.05 m，满足要求。

(2)定滑轮组布置。为满足底孔事故检修闸门的斜拉方向与铅锤方向夹角大于8.53°的要求，卷筒轴线应垂直于顺水流方向，动、定滑轮组的轴线平行于卷筒轴线布置。

该门机定滑轮梁位于小车架中心位置且垂直于卷筒轴线布置，定滑轮组位于卷筒的上游侧，通过吊板悬挂在支撑于定滑轮梁上的铰轴上，定滑轮组能够在垂直于卷筒轴线的方向转动。该门机控制斜拉方向与铅锤方向夹角为9.00°(大于8.53°)，满足要求。

(3)倍率确定。钢丝绳倍率小，则钢丝绳粗，滑轮直径大;倍率大，则钢丝绳细，滑轮直径小。动滑轮组在垂直水流方向尺寸大，除卷筒多层缠绕的返回角难以控制外，钢丝绳也易与门槽干涉。经多次比较分析计算，滑轮组倍率取10较好。

(4)选用进口钢丝绳。深孔事故检修闸门坝顶顺水流方向尺寸仅为1 286 mm，闸门起吊中心线偏向门槽中心线上游59 mm，要确保钢丝绳或动滑轮组不与门槽干涉，动滑轮组外缘尺寸应小于(1286/2－59)×2=1 168(mm);同时，考虑滑轮与滑轮罩之间的安全距离等因素，最终确定动滑轮罩最大外缘尺寸为905 mm。采用国产钢丝绳，其滑轮与工作级别系数不符合相关规范的要求。在最小破断拉力一样的情况下，进口钢丝绳较国产钢丝绳直径小，因此，为减小钢丝绳的直径，选用进口钢丝绳，可满足相关规范要求。

(5)平衡滑轮布置。平衡滑轮悬挂于小车架，位于定滑轮的上游侧，其滑轮中心与定滑轮中心距离远时，钢丝绳与门槽干涉，距离近时，由于钢丝绳倍率大，数量多，钢丝绳之间易干涉。经分析，可将平衡滑轮与定滑轮组布置在一起，位于定滑轮中间位置，通过吊板悬挂在定滑轮轴上。

以上布置形式既满足了门机的功能要求，又保证门机在垂直起吊和斜拉起吊时钢丝绳与其他设备不干涉，受力条件好。

2.2 可测量垂直荷载和斜拉荷载的荷载限制器

水利水电工程强制性条文规定:水电站启闭机必需设置荷载限制器，防止门机起升机构超载运行，避免门机发生安全事故。

起升机构荷载限制器的布置是斜拉门机设计的关键技术。对多种方案进行比较分析后发现，采用布置于平衡滑轮处的轴销式荷载限制器，可保证在垂直或斜拉2种工况起吊闸门时应变片的最大变形方向始终与荷载方向一致，不受荷载偏斜的影响，确保荷载测量和显示的准确。

2.3 小车驱动机构

2.3.1 小车驱动机构布置

该门机小车驱动机构选用液压油缸驱动方式。小车驱动机构由2套液压缸、支承铰座、液压缸托架、1套液压泵站及管道、行程测量装置和位置控制装置组成。

液压缸固定在门机上平台的双耳铰座中，允许液压缸在一定的角度范围内转动;活塞杆端部吊头与小车架上的单耳铰座相连，吊头内的球面关节轴承具有自动调心功能，既可避免主梁变形或小车行走时发生偏斜对液压缸产生影响，又可减少安装时产生的偏差。在靠近液压缸尾部的上平台装有托架，以支承液压缸的重量，减小缸筒及活塞杆受重力作用而产生的挠度。

液压泵站布置在门机下游侧的端梁里，在其上部设有吊物孔，便于泵站的安装和检修。

2.3.2 小车驱动机构液压系统

根据门机的运行要求，主小车的行走工况分为3种:主起升垂直起吊状态运行工况、主起升斜拉空钩对位运行工况和主起升斜拉满载工况。

液压泵站选用2台双联叶片油泵电机组，液压系统采用差动回路和旁路纠偏回路。采用双联叶片泵并进行各种功率组合，以满足各个工况的设计要求;结合差动回路，可保证主小车双向行驶速度并可节约能耗。

垂直起吊状态小车行走时，双联叶片泵工作。该工况下主小车行走可分为常速与快速2种速度，以提高工作效率。常速为一台双联叶片泵－电动机组工作，另一台备用。快速时2台双联叶片泵－电动机组同时工作。

主起升斜拉空钩对位时，小车的运行速度与主起升空钩速度相适应，以保证吊具对位后空钩斜拉上升或下降时钢丝绳不会松绳。在该工况下，双联叶片泵的大流量油泵卸载，低压小流量泵工作，以保证小车的运行速度。主起升斜拉满载状态时，双联叶片泵中的低压大流量油泵卸载，高压小流量泵工作即可满足工作要求。

2套液压缸内均安装有位移传感器，用来测量油缸行程。小车在运行过程中，当双缸同步偏差达到设定值时，通过可编程控制器(PLC)控制，旁路纠偏阀动作，先行的液压缸放油，直到双缸达到同步。

2.4 大车运行机构

根据额定启门力4 500 kN对门机轮压进行计算，大车车轮数量为16时可满足车轮对轨道及其基础混凝土的许用承压应力。

大车运行机构由支承座、平衡梁、台车装配部件、缓冲器装置和清轨板装置组成。

支承座上座板通过螺栓与门架下横梁连接，下部通过其铰心与平衡梁相连接。平衡梁上部铰心与支承座连接，下部2个铰心则分别与2个台车装配部件连接。台车装配部件由主动车轮、从动车轮和台车架组成。

门架有限元分析的模型建立是以支承座和平衡梁连接的铰心为支承点，一侧轨道的2个支承为三向铰，另一侧轨道的2个支承为二向铰，该模型符合实际的受力情况。平衡梁的受力较为复杂，当门机斜拉启闭底孔事故检修闸门时，其平衡梁的腹板除承受垂直荷载产生的剪应力外，还要承受水平荷载所产生的弯曲应力，经分析计算，采取以下2种措施:

(1)平衡梁腹板下部2个铰心处的圆弧过渡半径应加大，该门机取200 mm。

(2)平衡梁腹板的厚度应适当增加，该门机取36 mm。

2.5 门架

门架为焊接箱型梁结构，由主框架、侧框架和上框架组成。主梁按简支梁进行设计，支腿按框架结构进行设计。主梁与端梁之间，支腿与上横梁、中横梁、回转式起重机下横梁之间通过高强螺栓连接;支腿与下横梁之间采用普通螺栓和抗剪块连接;主梁与支腿则通过焊接连接。主梁和门腿在门机沿大车轨道方向构成主框架，在门机垂直于大车轨道方向由支腿、端梁和上/中/下横梁构成侧框架。

对于一般不承受斜拉荷载，只承受垂直荷载的门机，主框架门腿的受力变形为外侧承受拉应力，内侧承受压应力，门腿的横向肋板外侧与翼板之间留有50 mm间隙。三门峡水利枢纽工程4500 kN坝顶双向门式启闭机不仅承受垂直荷载，而且需承受斜拉荷载，其主框架门腿的受力变形与一般门机有所不同，其门腿内、外侧均需承受拉应力或压应力，经研究分析认为，门腿的横向肋板在外侧与翼板之间不留间隙符合其实际受力情况。