乌弄龙水电站固定卷扬式启闭机主起升机构选型计算

张文科

(华能澜沧江水电股份有限公司，昆明 650200)

0 引言

乌弄龙水电站尾水调压井下游设2个尾水洞，每个尾水洞出口处设一道检修闸门用于尾水洞检修时挡住下游尾水封闭孔口。尾水洞的启闭闸门采用2×2 500 kN-34 m固定卷扬式启闭机，并置于检修闸门上部的启闭机安装平台处。 2孔尾水洞检修闸门不在一条直线上，按每孔一门一机布置，2个尾水封闭孔共需要安装2台固定卷扬式启闭机。

本次计算采用结构力学的许用应力法，在初定固定卷扬式启闭机布置方式和相应构件尺寸的基础上，根据确定的启闭机基本参数，对钢丝绳、电机、减速器、制动器等主要部件进行计算选型，设计力求技术先进、安全可靠、结构布置合理、安装维修方便。

1 启闭机概况

尾水洞2×2 500 kN-34 m固定卷扬式启闭机起升机构采用全封闭齿轮传动、硬齿面减速器和YZP系列三相异步变频电动机。电机工作在海拔1 851 m左右,考虑海拔高度系数，其防护等级应达到IP55，绝缘等级为F级，耐热防腐(TH)处理。卷筒采用折线绳槽、二层缠绕，层间最大返回角小于1.5°。钢丝绳均采用压实股钢丝绳。平衡滑轮轴处设有压力荷重传感器，用于起升载荷的信号输出。卷筒轴处设起升高度传感器，用于上下极限位置控制和显示闸门的开度。起升机构传动高速级上装有1台YWZE制动器用于工作制动。启闭机基本技术参数见表1。

2 计算过程

2.1 传动效率计算

2 500 kN-34 m固定卷扬式启闭机起升机构的传动效率

表1 启闭机基本技术参数

η=η1η2η3=0.980×0.909×0.940=0.840 ，

式中：η1为卷筒组效率，0.980；η2为滑轮组效率， 0.909；η3为减速机效率，0.940。

该公式引用文献[1]第95页式2-2-4。

2.2 钢丝绳选择计算

钢丝绳选用压实股镀锌钢丝绳，出厂前经预拉伸处理。单根钢丝绳的拉力

式中：Q为起升荷载与动滑轮组重量之和，2 550.0 kN；z为双联卷筒数量，2；m为滑轮组倍率，6。

该公式引用文献[1]第94页式2-2-1。

根据YB/T 5359—2010《压实股钢丝绳》[2]，选用型号为40ZAB8×K36WS-IWRC-1870ZS的钢丝绳，其最小破断力1 230.0 kN，每百米质量为792 kg，则该钢丝绳的安全系数

查文献[2]中表8.6.2-1可知，工作级别为Q2-轻的固卷安全系数须大于5.00由上式可知，该钢丝绳选型满足规范要求。

2.3 电动机的选择计算

选用交流变频电动机，工作制为通电持续率40%的断续周期工作制 (即S3-JC40%)，按额定启门力加动滑轮组及钢丝绳重量计算，电动机的静功率101.2(kW) ，式中：Q为起升荷载+动滑轮组的重量，2 550.0 kN；vq为起升速度，2.00 m/min。

图1 卷筒尺寸

公式引用文献[3]附录L中的式L.1。

设备设置位置在海拔约1 851 m处，极端最高气温为31.9 ℃，极端最低气温为-8.9 ℃，室内按40.0 ℃考虑，查DL/T 5167—2002《水电水利工程启闭机设计规范》表7.7.2.4可知，功率修正系数K取0.94，则经修正后的电机功率

按样本选用YZP315L-10型电动机，额定功率Pn=110.0 kW，基准工作制为S3-40%，则该电动机过载校验功率

式中：H为该电动机系数，2.1；u为电动机台数，1；λM为转矩倍数，2.7。电动机过载校验功率小于额定功率，根据文献[3]附录K中式K.1，电动机功率满足要求。

2.4 卷筒计算

卷筒采用折线绳槽卷筒。卷筒采用焊接结构、Q345C型钢材、两层缠绕,钢丝绳的返回角小于1.5°[4]。卷筒装置一端用滚动轴承支承，一端支承在减速机低速轴端，两端用卷筒联轴器连接。卷筒轴采用热处理后的Q345钢，硬度为162～217 HBS。

以钢丝绳直径计算的卷筒和滑轮的最小缠绕直径

D0min=ed=20×40=800(mm) ，

式中：e为与机构工作级别有关的系数，查文献[3]中表8.6.2-2取值为20；d为钢丝绳直径，40 mm。卷筒尺寸如图1所示，卷筒缠绕直径D=1 650 mm>D0min。

2.4.1 缠绕计算

第1层卷筒缠绕直径即卷筒缠绕直径，D0=D1=1.650 m。第1层绕圈数z1=19圈(第1层缠绕圈数25圈，其中3圈安全圈，3圈压绳圈)，则第1圈钢丝绳对应的扬程

第2层缠绕的直径

D2=D1+2Δh=1.650+2×0.037=

1.724 (m) 。

查表1可知启闭机扬程为34.000 m，则第2圈钢丝绳对应的扬程

h2=h-h1=34.000-16.407=17.593 (m) ，

对应第2层绕圈数

于是第2圈的余圈=25.0-19.5=5.5。

2.4.2 钢丝绳角度计算

由图1可知，卷筒中间挡环处钢丝绳最小间距(空白段长度)为100 mm水平方向。水平方向，动滑轮最外侧滑轮中心距卷筒中心距离为540 mm；竖直方向，上极限时滑轮中心到卷筒中心竖向距离为4 800 mm；缠绕圈数为25；绳槽节距为4 200 mm。

第2层返回角

1.43(°)<1.50°。

上极限角

-3.08(°)<5.00°。

由上述计算可以看出，返回角与上极限角均小于规范的要求值。

2.4.3 卷筒强度计算

卷筒壁压应力

式中：[σp]为许用应力，N/mm2；σs为屈服强度，N/mm2；A2为多层卷绕系数，1.4；δ为卷筒壁厚，45 mm；t为绳槽节距，4 200 mm。

根据文献[3]附录G中式G.1的要求，材料Q345C满足要求。

2.5 卷筒轴的计算

卷筒轴材料采用Q345锻件。卷筒采用短轴支撑，短轴直径为200 mm，短轴受力为F，其受力可简化为悬臂梁结构，悬臂梁长度l=200 mm，如图2所示。

图2 卷筒轴

短轴受力

F= (2Smax+GJ)×0.5=

(2×233.8+70.0)×0.5=

268.8(kN) ，

式中：GJ为卷筒装置重量，70.0 kN。

内力计算，最大弯矩

最大剪力Qmax=F=268.8(kN) 。

危险截面的弯曲正应力为

68.5 (MPa)<σs/2.5=138.0(MPa) ，

危险截面的剪应力为

11.4 (MPa)<[τ]=90.0 MPa ，

式中：W为抗弯截面模数；σs为屈服强度；A为短轴截面积，mm2；[τ]为许用切应力。由上式可知，主起升卷筒轴强度满足要求。

2.6 减速器的选择计算

减速器选用卧式硬齿面减速器，按样本选择地减速器使用系数不小于1.3，减速器采用喷油强制润滑。

(1)确定减速机传动比

式中：nD为电动机的实际转速，585 r/min；公式引用自文献[1]第96页式2-2-7。

(2)确定减速器额定功率

P≥KPj=1.32×101.2×=133.6(kW) ，

式中：K为减速器的选用系数。

(3)校核输入扭矩T≥1.25SmaxD0=1.25×233.8×1.65=482.2(kN·m)。

(4)根据减速器产品手册，初选减速器型号为4SH23-250，额定功率P=136 kW；实际传动比i=249.101，额定输出扭矩548 kN·m，该型号的减速机额定输出扭矩、额定功率和传动比满足上述计算值要求。

(5)实际起升速度

2.03(m/min) 。

(7)电动机实际静功率

100.7(kW) 。

2.7 工作制动器的选择计算

在起升机构每个吊点传动的高速级安装2套制动器作为工作制动器，共4套制动器。工作制动器选用电力液压块式制动器，制动安全系数大于总制动力矩的1.1倍。

(1)制动静力矩

1 182.35(N·m) 。

(2)制动力矩

nZ=K制MZnZ=1.1×2×1 196.4=

2 632.08 ，

式中：KZ为制动器安全系数，1.1；nZ

为制动器套数，2。根据制动器样本，选制动器型号为YWZE-500/200制动器，制动力矩为2000～4000N·m。

2.8 卷筒联轴器的选择计算

(1)传递扭矩

(2)最大扭矩

Mc=1.25M=1.25×417.4=521.8(kN·m) 。

最大扭矩出现于启闭机1.25倍静载试验时。根据联轴器样本，选联轴器型号为WZL15，工作级别M4时，额定扭矩为570.0 kN，满足设计要求。

3 结束语

计算可知，乌弄龙水电站工程尾水洞2×2 500 kN-34 m固定卷扬式启闭机起升机构电动设备选择合理，卷筒直径、钢丝绳的规格及缠绕方式满足设计扬程要求，可为同类设备设计计算借鉴。