新安江水电厂坝顶门机吊具自动穿销装置的研究

(国网新源水电有限公司新安江水力发电厂，浙江 杭州 311608)

新安江水力发电厂是中国第一座自行设计、自制设备、自己施工建造的大型水电站。1960年4月22日第一台机组投产发电，现有装机9台，总容量85万kW。电厂主要承担华东电网调峰、调频和事故备用任务，并发挥防洪、灌溉、航运、养殖、旅游、水上运动和林果业等综合效益。由于设计较早，新安江电厂坝顶门机吊具与平衡梁之间的连接采用手动穿销的方式。穿销安装在吊具上，重量较大，脱出时挂钩呈倾斜状态，穿销工作通常需要两名工作人员，在离地面约2.5m临近大坝边缘且高于坝顶护栏的操作点上，相互配合工作1h以上才能完成。操作不仅繁琐费时费力，还存在较大的安全隐患，不利于防汛工作的有序开展。为解决以上问题，亟须研究出一种自动穿销装置。相关研究人员对于自动穿销装置的研究主要是在启闭机设计和系统控制方面，老旧设备改造方面的研究较少。通过自制穿销装置不仅可以节省成本，还能够根据工程实际研制出更符合需求的产品。

1 自动穿销装置研制过程

2016年1—3月，制定研究计划，确定研究方向，确定采用电动装置完成自动穿销工作，实现坝顶门机与平衡梁之间的自动穿销。同时根据确定的研究方向编制配合研究的采购文件，并完成采购文件的提报。

2016年4—6月，确定合作单位，与合作单位共同完善研究方案，确定所需设备及材料等，并与合作单位签订合同。

2016年7—9月，根据门机的工作环境，完成电动穿销方式工作原理研究，论证电动穿销方式工作的可行性，并完成了初步设计方案，确认采用电机驱动加摩擦轮传动方式进行电动穿销柔性驱动，绘制初步设计图纸。在经过现场调试、整改、调整等一系列优化工作后，最终确定电机设置在装置中部，并初步完成自动穿销装置试制。

2016年10—12月，进行现场调试，验证自动穿销装置是否能够准确安全地进行穿销工作。根据现场调试结果对自动穿销装置再次进行改进。最后对该项目进行总结、评定和验收。

2 自动穿销装置简介

2.1 主要技术参数

自动穿销装置主要技术参数见表1。

2.2 自动穿销装置布置

早期计划在原有手动穿销装置基础上增加齿轮变速、电机动力和驱动丝杆推动穿销运动。经试验验证，此方案不能有效解决吊钩倾斜问题，穿销时无法对中吊具孔，无法实现自动穿销功能。经进一步优化方案后，决定将穿销装置安装在平衡梁上。试制时发现直接采用电动机械传动容易发生机械损坏和电机过载等故障，可采用摩擦机构柔性驱动方式解决此类问题。为保证摩擦力稳定，设计采用高质量直线轨道安装穿销，保证穿销行走的稳定性。同时，设计摩擦轮合理的运行阻力值，保证穿销发卡时，通过摩擦轮打滑，防止电机过载和机械损坏等故障，有效保证了装置的平稳运行。自动穿销装置设计图见图1。穿销装置布置如下所述。

表1 自动穿销装置主要技术参数

a.穿销机座上安装直线轨道，直线轨道上装有导向滑块，保证穿销工作直线平稳运行、阻力可控。

b.穿销采用无缝钢管，前半部为穿销工作连接部，后半部为穿销工作辅助运行部。辅助运行部安装在导向滑块上，用螺栓固定，随着滑块沿直线轨道运行。

c.采用涡轮减速电机驱动橡胶轮，在穿销工作辅助运行部上方工作面转动。通过弹簧调节橡胶轮压力、摩擦推动穿销进行直线运动，以达到驱动目的。

d.穿销辅助运行部安装齿条，侧面安装手轮，通过手轮带动齿轮推动齿条运行，使穿销进行直线运动，同样可以达到驱动目的。在设备断电时，保证可以手动操作进行穿销工作。

e.该装置控制采用安全电压按钮与遥控器两种控制方式。通过接触器控制电机正反运转，通过限位开关控制运行长度。

f.自动穿销装置为独立单元设备，直接安装在平衡梁两端，可以单独运行连接。

自动穿销装置实物图见图2，该装置动力部分由电机、减速器和摩擦轮组成。穿销速度为7m/min。采用摩擦轮传动，可防止穿销发卡时电机过载、减速器损坏，摩擦轮传动实物见图3。为保证在断电情况下可以较轻松地进行手动穿销。该装置还同时设计了一套纯手动备用操作装置，手动备用操作装置通过齿条带动穿销，齿条与摩擦条平行布置，手动备用操作装置实物见图4。装置底座上设有前后两只行程开关，穿销伸缩到位触碰开关后自动停止运行，行程限位布置实物图见图5。

图1 自动穿销装置设计图 (单位：mm)注：1—导轨；2—穿销；3—方轨；4—限位架；5—导轨轴承；6—电控箱；7—齿轮；8—橡胶轮；9—涡轮减速器

图2 自动穿销装置实物

图3 摩擦轮传动部分实物

图4 手动备用操作机构实物

图5 行程限位装置实物

3 主要参数验算

3.1 动力性验算

设计摩擦轮合理的运行阻力值，可以保证穿销时，能够通过摩擦轮打滑来防止电机过载以及机械损坏等故障，有效保证了该装置平稳可靠地运行。

橡胶与钢的摩擦系数μ为0.8，正压力P为300N,钢与钢的干摩擦系数μ1为0.2，销轴重G约为100kg。

驱动力F=μP=0.8×300=240N

穿销运行阻力Ff=μ1G=0.2×100×9.8=196N

因驱动力F大于穿销运行阻力Ff，故驱动力满足要求。

3.2 运动性验算

电机转速n为1400r/min，减速机速比i为1/100，橡胶轮直径D为160mm，运行长度L为650mm。

穿销实际速度v=niπD=1400×1/100×3.14×160/1000=7m/min

穿销实际运行时间t=L/v=5.6s

3.3 电动机复核

穿销运行阻力Ff为196N，运行速度v为7m/min,摩擦传动效率ηo为0.80

电机静功率计算公式：Pj=Ffv/(1000ηo)=0.03kW

计算得电机静功率Pj为0.03kW

考虑电机惯性系数Kd为2

电机功率P=0.03×2=0.06kW

据此选择GS 712.4电动机，功率0.37kW，转速1400r/min，可以满足要求。

3.4 减速器选择

电动机转速为1400r/min，穿销运行阻力为196N，穿销实际速度7m/min，橡胶轮直径160mm，所需传动比为100。

计算所需输出扭矩M=FfD/2=16N·m

由于计算值小于55N·m，故选择RV-050蜗轮减速器，传动比100、功率0.18kW、输出扭矩55 N·m是合理的，所选减速器能够满足输出扭矩要求。

3.5 手动机构操作力

齿轮模数m为2mm，齿数Z1为30，运行阻力Ff为196N，手轮直径D轮为150mm。

所需手动机构操作力Ft=FfmZ1/D轮=196×2×30/150=78N

计算所需手动机构操作力为78N，符合人机工程学中“对操作活动受一定限制，作业姿势坐、立交替时，手动机构操作力应为50N～100N”的要求。因此手动操作结构设置合理，满足相关要求。

经以上验算，各参数选择均能满足运行驱动和速度要求。装置加工制作完成后，对新安江水电厂坝顶门机吊具进行了相应改造，安装调试后正式启用运行，运行过程中穿脱销顺畅，现已顺利运行近两年时间，运行过程中均未出现卡阻等异常现象。经对实际的手动机构操作力测试，其操作力约为70N，与计算值相近，表明该装置的自动穿销及手动穿销动作的安全性和可靠性均得到了有效验证。

4 结 语

该装置实现了新安江水电厂坝顶门机与平衡梁之间穿销的自动化，消除了作业人员登高作业的风险，大大降低了作业人员的劳动强度，保证了穿销工作的安全顺利进行，并极大地提升了工作效率。设计摩擦力合理的运行阻力值，保证穿销卡阻时，可以通过摩擦轮打滑来防止电机过载和机械损坏等故障，有效地保证了该装置平稳可靠地运行。电气控制箱设置在装置后部，有效利用了现场空间，优化了装置的整体结构，且便于安装，安全可靠，有利于检修维护工作的顺利开展。

目前新安江水电厂坝顶门机与平衡梁自动穿销装置的运行情况良好，坝顶门机与平衡梁之间穿脱销顺畅无卡阻,在改造过程中节省了成本，实现了较大的经济和社会效益，在确保操作人员人身安全的同时，有效降低了作业人员的劳动强度，为防汛工作顺利开展提供了安全可靠的保障。该装置也可以为相关水利水电工程启闭机械手动穿销装置的更新改造提供借鉴。