前坪水库固定卷扬式启闭机载重部件设计

陈薛萍，张兴锋，陈 勇

（山东水总机电工程有限公司，山东 济南 250100）

河南省前坪水库主体工程QH-2×1 000 kN弧门固定卷扬式启闭机台数为5台，启闭机安装在429.5 m高程启闭室内，用于启闭溢洪道弧形工作闸门（15 m×15 m×14.6 m）。

卷扬式弧门启闭机主要用于操作露顶式弧形闸门，图1所示是溢洪道工作闸门总图布置图，吊点设置在面板前面的弧门启闭机的布置，为了适应弧门转动的需要，启闭机上翼板不能采用滑轮装置，只能用单根或多根钢丝绳自卷筒引出并直接连接到吊耳轴上的方式。这一做法使该类弧门启闭机的起重容量受到较大的限制。

1 启闭机构造及工作原理

前坪水库2×1 000 kN弧门固定卷扬式启闭机由起升机构、吊具、滑轮组、机架、安全装置及电气部分组成。

起升机构额定起升容量为2×1 000 kN，双吊点布置，吊点中心距9 m，启闭场程22 m。驱动方式为集中驱动。一台电动机通过制动轮联轴器与减速机高速轴相连，减速机低速轴为两端输出，输出轴上分别安装小齿轮。小齿轮分别与装在卷筒上的大齿轮啮合，驱动卷筒旋转。钢丝绳分别通过滑轮固定在卷筒上。布置总图如图1示。

2 载重部件的设计与计算

2.1 钢丝绳

卷筒上缠绕的钢丝绳所受的最大拉力S为：

图1 启闭机总图

式中：Q为起升荷载，Q=1 000 kN；Q0为吊具重量，Q0=5 000 N；m 为双联卷筒，m=4；η1为滑轮组效率，η1=0.96。

钢丝绳是根据破断力F0进行选择：F0≥nS（必要条件）。

启闭机钢丝绳采用镀锌钢丝绳，且优先采用线接触钢丝绳。多层缠绕的钢丝绳采用金属芯钢丝绳。

经计算，钢丝绳选用：40ZAB18×K19SWSC1960（从设计手册中查出：F0=1 448.28 kN）。

F0≥nS，该钢丝绳满足设计要求。

F0为钢丝绳的破断拉力，N；n为钢丝绳的安全系数，见表1；S为钢丝绳最大工作静拉力。

表1 钢丝绳最小安全系数

钢丝绳出厂、运输、存放时应卷成盘形，表面涂油，两端扎紧并带有标签，注明订货号及规格。钢丝绳端部固定连接的安全要求符合GB6067的规定。

2.2 卷筒

水工建筑物的QH-2×1 000 kN弧门固定卷扬式启闭机，由于启闭机起重容量很大，为减小卷筒的外形尺寸，采用双层缠绕的卷筒。

2.2.1 卷筒尺寸

卷筒直径D=hd=1 000 mm

绳槽半径 R=（0.53～0.56）d=21～22 mm（R 取21mm）

绳槽深度 H=（0.25～0.4）d=10～16 mm（H 取15 mm）

绳槽节距 t=d+（2～4）=42～44 mm（t取 44 mm）卷筒厚度δ≈d（δ取45 mm）

式中：d为钢丝绳直径，mm；h为与机构工作级别有关的系数。

2.2.2 卷筒强度计算

材料为ZG270-500，σs=270 MPa，抗拉强度σb=500 MPa。

式中：L为卷筒长度，取2 160 mm；D0为卷筒绳槽底径，取970 mm。

需要校核卷筒表面最大压应力，不需要校核合成应力。

卷筒壁的压应力：σp=ASmax/δt=162.85 N/mm2。

式中：A为与钢丝绳缠绕层数有关的多层缠绕系数，按表2选取。

Smax为钢丝绳最大拉力，N；δ为卷筒壁厚（对灰铁 δmin≥12 mm，对铸钢 δmin≥15 mm）；本卷筒采用铸钢件，壁厚不小于45 mm；t为卷筒上的螺纹绳槽节距，取44 mm。

表2 钢丝绳多层缠绕系数

[σp]为许用压应力，N/mm2（钢：[σp]=σs/1.5；铸铁：[σp]=σ抗压/4.25）；其中：σ抗压=3～4 倍的抗拉强度。[σp]=σs/1.5=180 N/mm2，σp＜ [σp] 满足要求。

2.3 卷筒轴计算

卷筒轴两端采用实心轴，中间采用φ=219×25钢管。扭矩作用下的切应力：

式中：Mmax为扭矩，Mmax=Pa=1.69×108N·mm

（取a=335 mm，则L=2 750 mm；P=505 000 N）

W为抗扭界面系数，实心轴。

（α为圆管内外圆直径之比，α=169/219）

材料的许用应力[σ]=150 N/mm2；σ＜[σ]，所以φ=219×25钢管可行。

3 结语

在业主单位的组织下，该启闭机的设计方案，通过了设计单位、监理单位等的设计审核，经过现场试运行，表明该启闭机的设计方案是合理、可靠的。