河口村水库坝顶2 000 kN门式启闭机设计

史田明，雷海，张小辉，仝岩峰

(1.郑州水工机械有限公司，郑州 450042； 2.水利部产品质量标准研究所，杭州 310012； 3.黄河勘测规划设计有限公司，郑州 450003； 4.三门峡新华水工机械有限责任公司，河南 三门峡 472000)

0 引言

河口村水库工程位于沁河干流最后一段峡谷出口(五龙口)以上约9 km处,距河南省济源市约20 km。工程由拦河大坝、泄洪洞、溢洪道、灌溉引水洞及电站等建筑物组成。工程规模为大(Ⅱ)型，由大、小2个电站组成，大电站装机容量为2×5.0 MW，小电站装机为2×0.8 MW。

按照国家环保部门的要求，电站进口要求分3层取水，从上游依次设清污机槽、拦污栅以及底层/中层/上层取水门等，启闭设备为1台沿顺水流方向运行的2 000 kN门式启闭机。门式启闭机共设置2套液压自动抓梁，1套用于启闭拦污栅，1套用于启闭3套取水门。为防止污物堵塞拦污栅，门式启闭机下挂1套液压清污抓斗。

1 门式启闭机主要组成及技术参数

坝顶门式启闭机主要由起升机构、门架、大车运行机构、夹轨器、电缆卷筒、司机室和电气设备等组成(如图1所示)，液压自动抓梁、清污抓斗、轨道及附件等为门式启闭机的附属设备。门式启闭机的主要技术参数见表1。

2 门式启闭机主要机构设计

2.1 起升机构设计

起升机构为单吊点，启闭容量为2 000 kN，采用闭式齿轮传动集中驱动布置方式。减速器选用大功率、大传动比、大输出扭矩硬齿面减速器，装配形式为底脚安装式(G)。减速器高速轴一端通过带制动盘的联轴器与电动机相连接，另一端安装1个制动盘；低速轴其中一端通过卷筒联轴器与卷筒相连接。

图1 门式启闭机主要结构

机构项目参数主起升机构额定启门力/kN2000起升高度/轨上扬程/m75.00/9.85启闭速度/(m·min-1)0.25～5.00工作级别Q2-中大车运行机构运行载荷/kN1000运行速度/(m·min-1)2.00～20.00轨距/m7.00基距/m7.00工作级别Q2-中

电动机以额定启闭力(2 000 kN)、额定启闭速度(2.50 m/min)计算静功率，工作制为S3-40%(断续周期,负载持续率为40%)，选用型号为YZP315M2-8的冶金及起重用变频调速三相异步电动机。2套制动器分别安装在减速器高速轴两端，均为工作制动器，并按总制动力矩的1.25倍进行选择计算，选用型号为USB3-1-EB500/60的盘式制动器。根据电动机的功率、卷筒扭矩和传动比的要求选用减速器，减速器型号为DL4SH21-250/G。

卷筒采用折线绳槽双联卷筒，名义直径为1 500 mm，采用4层折线缠绕，钢丝绳直径40 mm，绳槽节距43 mm。卷筒左、中、右方各设一个阶梯形挡环，钢丝绳通过螺栓固定在卷筒两端，安全圈2圈。为保证钢丝绳在卷筒上缠绕均匀，严格按照SL 41—2011《水利水电启闭机设计规范》控制各层钢丝绳的返回角：第1层至第2层返回角0.30°；第2层至第3层返回角1.22°；第3层至第4层返回角1.43°。

荷重控制仪采用压式荷载限制器，型号为PR6201/34-30 t，共2套，分别位于平衡滑轮轴的两侧。在门式启闭机司机室的控制屏和荷载限制屏上实时显示吊点所承受的拉力。

高度指示装置由行程限位开关、编码器和显示仪组成，型号为JHGD-1。高度指示装置安装在卷筒轴上，并在门式启闭机司机室的控制屏和高度显示屏上实时显示闸门的开度。

2.2 大车运行机构设计

大车运行机构由支承座、平衡梁、传动机构、缓冲器装置和清轨板装置等组成。支承座上座板通过螺栓与门架下横梁连接，下部通过铰轴与平衡梁相连接。平衡梁上部与支承座连接，下部分别与主动轮和从动轮连接。传动机构由带有制动器的电动机通过减速器将扭矩传递到主动轮，封闭传动。该种布置形式受力明确，结构简单。

大车运行机构荷载为1 000 kN，电动机的静功率按克服运行阻力、坡道阻力和风阻力进行计算，电动机工作制为S3-40%。再根据电动机功率、主动轮承受的扭矩、车轮直径等，选用型号为LHYM15-4E185、传动比为179、输出转速为8.12 r/min的空心轴减速器。车轮主动轴直接插入减速器，通过胀紧套相连接，实现扭矩输出。大车运行机构共设4组台车，每组设一主一从2个车轮。

为防止门式启闭机停放时被大风吹移，在门式启闭机的2个下横梁的中部设置了自锁式夹轨器。当门式启闭机在大风等外力作用下移动时，夹轨钳在偏心轴的作用下扭转一定角度，将轨道卡死，确保门式启闭机不再移动。为防止夹轨器失灵或受非常规荷载的影响，在门式启闭机2个下横梁的中部设置了螺栓式锚定装置。

3 起升机构布置特点

门式启闭机布置在进水口坝顶，顺水流方向运行，从上游依次布置有清污抓斗槽、拦污栅槽、下层取水门槽、中层取水门槽、上层取水门槽、检修孔、#1门库、#2门库等。清污抓斗槽中心线距大坝上游端可利用距离为6 425 mm，#2门库中心线距大坝下游端可利用距离为5 486 mm，门式启闭机上、下游两缓冲器间距为9 080 mm。为保证门式启闭机的运行安全，轨道端部须设置车挡和限位开关等，约需占用1 200 mm左右。若将其起升机构吊点中心与门式启闭机上、下游缓冲器的中心重合布置，当门式启闭机吊点中心运行至下游#2门库上方时，端部空间尺寸约需9 080/2+1 200=5 740 (mm)，比#2门库中心线距大坝下游端可利用距离超出了254 mm。为解决该难题，设计人员进行了以下3种布置方案的比较分析。

(1)大坝加长方案。当起吊闸门，大坝下游空间不足时，最直接、最有效的办法就是将#2门库中心至大坝下游端可利用距离至加大至6 000 mm。

(2)同心布置方案。在其他条件不变的情况下，起升机构吊点中心与门式启闭机中心重合，将门机基距由7 000 mm减少到6 000 mm以内，此时门式启闭机上、下游两个缓冲器间距为8 080 mm，当门式启闭机运行至下游#2门库上方起吊闸门时，端部尺寸约为8 080/2+1 200=5 240 (mm)，小于#2门库中心线距大坝下游端可利用距离。

(3)偏心布置方案。门式启闭机在顺水流方向，吊点中心相对于门式启闭机中心向下游移动600 mm。该方案充分利用了门式启闭机上游空间尺寸较下游空间尺寸大的特点。在门式启闭机基距等条件不变的情况下，当门式启闭机运行至下游#2门库上方起吊闸门时，门机下游缓冲器距大坝端部的距离为1 546 mm，当门机运行至上游、起吊清污抓斗时，门机上游缓冲器距大坝端部距离1 285 mm。在该布置方案中，上下游均设有栏杆、车挡及限位开关撞尺的空间，大坝空间可满足门机的运行要求。

以上3套方案，均可满足大坝空间布置要求。但方案1的土建工程量最大，较方案2、方案3的高出30 m3左右，工程投资约高出1万元；方案2减小了门式启闭机的基距，其防风抗滑稳定性较方案3降低了约15%。设计人员经过研究，确定选用投资少、防风抗滑稳定性好的方案3作为最终施工方案。

4 景观机房

常规门式启闭机的机房布置主要从功能、防护和安全上考虑：首先考虑机房的密封防雨、防雷和通风等；其次，需考虑机房的平面尺寸是否满足起升机构、电控柜及人行通道的布置要求。机房的高度还

应满足起升机构小件物品检修的要求：如电动机维修时检修起吊装置应能够利用机房内的吊物孔将电动机吊置于大坝平台；机房的强度与刚度除应满足检修起吊装置起吊额定荷载安全外，还应承受非工作风压的要求。

常规门式启闭机机房一般多考虑功能要求，而较少考虑与周围环境协调与美观。对于河口村水库坝顶门式启闭机的机房，用户明确要求其外形设计必须与周围环境及建筑物的协调。为此，设备设计人员与建筑景观设计人员共同进行研究，并进行了多个外观设计方案的比较分析。

(1)常规外形机房及外刷混凝土颜色漆方案。机房为常规机房，内侧钢架，外侧钢板，四面墙壁呈平行四边形布置，相邻面相互垂直，顶部两个平面呈一定角度交叉布置，方便排水。为与周围环境及建筑物协调，机房外侧钢板涂混凝土颜色面漆。

(2)常规外形机房及彩板外铺锌板方案。机房结构同第1方案，外侧的钢板改为彩板外铺锌板。

(3)艺术机房及外刷混凝土颜色漆方案。机房在常规机房的前提下，将四面墙壁相交的直角升华为圆弧造型，其圆弧护板高度与机房顶平齐。艺术机房内侧钢架，外侧钢板，为增加其使用寿命，采用厚度为4 mm的钢板。

以上3种方案均可满足与周围环境颜色相协调的要求，但第3种方案，除颜色与周围环境协调外，机房四角圆弧形造型与坝顶固定卷扬启闭机机房建筑艺术造型一致，更好地满足了用户的景观需求(如图2所示)。

图2 河口村门机景观机房

5 结束语

河口村水库工程坝顶2 000 kN门式启闭机已通过型式试验，各项技术参数和强度、刚度及稳定性均满足规范要求，目前设备运行良好。对顺水流方向运行的单向门式启闭机，采用起升机构吊点中心与门式启闭机基距中心偏心布置形式，可有效减小吊点中心至一端建筑平台边缘的尺寸，从而减少土建工程量和投资。采用景观机房，可保持与周围建筑物的景观协调，达到设备、建筑物与周围环境的和谐，为今后水利工程同类门式启闭机的设计提供借鉴。