白鹤滩水电站台式启闭机临空面检修平台的设计与应用

王 楼，王树强，唐 刚

（中国长江电力股份有限公司白鹤滩电厂筹建处，四川 凉山615400）

1 工程概况

白鹤滩水电站拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程为834.00 m，最大坝高289.00 m，拱坝顶中心线全长708.7 m，是目前在建规模世界第一的水电工程。在机组检修期间，上游进水口与下游尾水管检修闸门入槽挡水，为机组检修创造无水流条件。左右岸尾水管各设置有2 台4 000 kN 台式启闭机，用于尾水管检修闸门的启闭工作。

2 项目实施背景

白鹤滩水电站建成后将成为国内规模仅次于三峡水利枢纽的第二大水电站，永久设备的安全性和运行稳定性尤为重要。为保证水电站内台车运行可靠性，需要对台车进行定期维护和检修，对于台车的端梁部位的维护是一个难点。

台车两侧行走机构部位内侧为闸门孔口，为移动设备临空面。在内侧临空面对行走机构进行检修时，无法保证作业人员的安全，给台车的日常维护和定期检修带来不便，影响设备安全稳定性。因此，我们设计了一种体积小、可拆装的轻型临空检修平台。本文主要研究了临空检修平台的工作原理和机械结构组成，在此基础上分析了各构件承受载荷情况以及在两种工况下的应力和位移分布规律，保证新产品更加安全可靠，也为同类型的产品设计提供 依据。

图1 台式启闭机台车架示意图 （矩形框里位置为端梁上的高强螺栓连接处）

3 现有台车临空面检修方式及存在问题

3.1 大修期间的临空面检修方式

大型检修时，现有临空位置端梁部位的检修方式为将台车驶离闸门孔口，运行至墩墙位置，再在墩墙顶部采用搭设脚手架的方式进行检修。因此会产生以下问题：①脚手架搭设作业量大，耗费时间和人工量大；②只能在固定位置检修，无法对临空面车轮运行情况进行动态观察。

3.2 常规检修时的临空面检修方式

台车行走机构内侧为门槽孔口部位，在对台车行走机构进行常规检修时，需要检修人员在轨道两侧互相配合。为保证作业人员安全，检修人员进入轨道临空侧施工时与非临空侧人员配合对台车行走机构进行检修。在对行走机构检修时会带来以下问题：①常规检修时作业空间狭窄，操作受限；②周边没有支撑受力点，其操作难度大；③部分检修任务难以完成且人员需向临空面探出身体，安全风险高；④只能在固定位置检修，无法对临空面车轮运行情况进行动态观察。

4 台车临空面检修平台方案设计

4.1 基本结构与原理

针对现有台车临空面检修作业中存在的问题，结合现场检修需要，按照2 人进入到临空面进行检修，并配备部分检修工器具，平台的载荷按照300 kg设计。为能解决台车行走机构检修中安全作业问题，提高检修效率，检修平台设计按照三个方面的原则：①模块化设计，互换性强；②保证强度和刚度安全条件下尽量轻巧，人工搬运方便；③各件采用螺栓和销轴连接，安装、拆卸方便；如图2 和图3 所示，检修平台由平台、立柱、固定梁、栏杆及连接螺栓和销轴等组成，安装固定在台车行走架上，便于检修台车架和行走车轮组悬空面的螺栓、轴承及其他附件。

图2 检修平台示意图

图3 检修平台结构组成

检修平台各部件采用标准化、模块化设计。平台部件由多个模块设计的分块平台组成，能适应不同工况的设备检修；固定梁和立柱标准化设计，适应平台长度变化；各连接件标准化设计，通用性强。同时，单元模块各部件间连接全部采用标准的螺栓和销轴连接，其中，固定梁与台车行车架采用螺栓连接，固定梁与立柱采用销轴连接，平台和立柱采用强力角件连接。现场组装和拆卸方便快捷，避免焊接，大大提高工作效率。其安装过程如图4 所示。

图4 检修平台安装示意图

4.2 结构设计与选型

为满足检修平台使用的安全性，需对各部件和连接件的强度和可靠性进行研究分析。本项目对检修平台的部件设计选型、固定梁以及立柱等连接件受力进行了分析。

图5 检修平台三维效果图

检修平台的固定梁和立柱主要连接件选用承载能力大、强度高的铝合金，平台部分采用铝合金骨架搭设，保证其足够的强度，再在表面满铺铝合金花纹板，确保整体安全稳定。主要结构设计选型：

平台骨架：平台采用工业铝高强型材，承载能力高（悬长1 m，最大可承载1 000 kg），重量轻（只有钢型材的1/3）；平台各连接件选用承载能力高的连接件，主要为强力角件；平台铺铝合金花纹板，防锈效果好；栏杆采用铝合金，外观效果好，强度高。

4.3 有限元分析

4.3.1 有限元分析及其方程

由弹性力学方程可知，两个接触的弹性体处于平衡时，其离散平衡方程为：

式中：K1，U1—物体l 和2 的刚度矩阵；K2，U2—两离散体节点位移矢量；f1，F1—作用在两物体上的外力等效节点力；f2，F2—两物体上的接触力等效节点力。

通过上述平衡方程反复迭代就可以得到节点的位移和接触应力。

4.3.2 有限元模型和分析

检修平台的主要连接部件为固定梁和立柱，平台部件为主要承载部件。在SolidWorks 中建立固定梁、立柱和平台的三维模型，再导入到ANSYS 中进行有限元分析，为平台设计选型提供数据支撑，保证检修平台的使用安全。

连接部件采用Q235B 材料，根据材料规范GB50018，材料性能参数：[σ]=205 MPa、[τ]=120 MPa、[σcd]=310 MPa。

固定梁一端与台车行车架固定，另一端与立柱连接，固定梁受悬伸平台的扭转弯矩载荷。由应力分析结果可知，应力主要分布于螺栓连接的部位，最大变形产生在悬伸与立柱连接的位置。最大应力为58.72 MPa＜[σ]=205 MPa，XY 方向的挠度均小于L/2 000，满足材料使用安全要求。

图6 固定梁应力云图

X 轴、Y 轴、Z 轴方向的应变分析如图7。

图7 固定梁的应变云图

立柱主要用来连接固定梁和平台，靠销轴进行连接。同样受立柱悬伸平台的扭转弯矩载荷。最大应力为48.2 MPa＜[σ]=205 MPa，分布在与固定梁和平台连接的部位，同样XY 方向的挠度均小于 L/2 000。

平台部分用于人员操作检修的平台，主要承受集中载荷，按400 kg 的集中载荷对平台骨架进行受力分析。最大应力为67.61 MPa＜[σ]=205 MPa，XY 方向的挠度均小于L/2 000。

图8 立柱应力云图

X 轴、Y 轴、Z 轴方向的变形分析如图9。

图9 立柱应变云图

图10 平台骨架应力云图

X 轴、Y 轴、Z 轴方向的变形分析如图11。

图11 平台骨架应变云图

通过对检修平台的主要连接件和受力部件进行有限元分析，其各个受力部件的应力应变远小于许用应力，即所选用的连接件和材料能够满足安全使用的要求。

5 结语

本文针对台车行走机构的检修问题，研制一种用于临空面的检修平台。该检修平台的投入使用有效地解决了台车临空面检修作业过程的安全问题，提高了检修效率。该检修平台可用于白鹤滩尾水隧洞台式启闭机，同时，也为类似设备临空面检修维护工作提供借鉴。