新型结构清污双向门式启闭机设计

范如谷 杨 芳 赵硕勇 黎悟非 刘建明

中国水利水电夹江水工机械有限公司机械设计研究院 乐山 614100

0 概述

水电站和抽水站等送排水工程进水口拦污栅前经常会累积污物，若这些污物得不到及时清理，将会极大地减小过水面积，影响机组的工作效率，甚至压坏拦污栅，损坏机组或泵站造成事故。因此，为确保机组的正常运行，对清污机的研究越来越被人们所重视。我国早期建造的电站大多未设拦污栅清污设备，均靠人工清污，工作量大，工作效率低且劳动条件恶劣。近年来，我国根据污物的种类和大小研制了多种清污机，实现了清污的机械化。目前，国内主要清污机有回转式、抓斗式、耙斗式等形式。在国外，清污机多为整机模块化系列化，集成度较高。

清污机多为清污抓斗设单独门槽，但由于门槽较小，门槽内易积压污物，从而导致清污抓斗卡阻而无法完成清污。针对以上现状，本文研制了一种新型结构的清污双向门式启闭机（以下简称门机），如图1 所示。该机的主要特点是清污装置与拦污栅共用一个门槽，能够有效解决污物积压问题。

图1 门机总体布置

该门机用于马来西亚某水电站，装设于电站进水口坝顶上，轨面高程为225.25 m，主要由小车、门架、大车行走机构、清污装置（包括清污抓斗起升、抓斗开合一体的起升系统、清污抓斗、清污滑车、清污滑车起升系统等）、移动式集污车、梯子平台栏杆司机室、测风避雷装置和电气设备等组成。该门机的跨度为12.6 m，小车起重量为1 000 kN，放置于门架顶部。清污机构的起重量为2×80 kN，放置于上游侧门架中横梁清污系统平台上，用于清污抓斗的起吊及开闭，其清污倾斜角度为76°，清污行程为55 m。清污滑车的起升机构同样放置于清污系统平台上，用于清污滑车的上下运行。该门机设有固定集污装置，污物通过固定集污装置直接滑进移动式集污车内。

门机的主要技术指标有：1）满足清理倾斜拦污栅（倾斜角度为76°）污物的要求；2）可实现清污装置与拦污栅共用1 个门槽清污，并用清污滑车运送清污抓斗；3）外形尺寸满足清污操作和拦污栅槽尺寸要求；4）小车起升起重量为1 000 kN，额定起升速度为0.6 ～3 m/min（变频调速）；5）清污装置起升系统起重量为2×80 kN，额定起升速度为0.4 ～8 m/min（变频调速）；6）小车行走速度为1.5 ～12 m/min（变频调速）；7）大车行走速度为1.5 ～15 m/min（变频调速）；8）门机跨度为12.6 m。

该门机是电站的关键设备，主要用于电站进水口拦污栅清污，进水口检修闸门启闭和吊运，及进水口快速闸门及其液压启闭机等的安装、检修起吊，其安全可靠关系到电站机组的正常运行。

1 门机的主要特点和难点

门机属于抓斗类清污机，其清污装置与拦污栅共用1 个门槽清污，清污倾斜角度为76°；同时采用了清污滑车运送清污抓斗，污物通过固定集污装置直接滑进移动式集污车内的特殊结构，目前国内外均未见类似结构。与其相近的结构如某坝顶2×1 600 kN 双向门机中清污装置与拦污栅共用1 个门槽清污，清污倾斜角度为90°，为竖直清污，清污抓斗直接在拦污栅叶片上滑动，无专门的清污滑车运送，无集污装置。某进水口2×500 kN 门式清污机中清污装置与拦污栅分别设置门槽轨道，清污倾斜角度为90°，为竖直清污，无专门的清污滑车运送，设置可翻转的集污装置。具体比较如表1 所示。

表1 清污门机结构形式对比分析列表

由对比分析可以看出，当清污装置与拦污栅共用1个门槽清污，且不具备将拦污栅直接铺设至孔口上部条件时，采用清污滑车运送清污抓斗的方式最合理。清污门机的特点鲜明，与同一类型技术比较如表2 所示。新型结构的清污双向门机主要特点和难点有：

表2 清污门机同类技术对比分析

1）门机清污装置与拦污栅共用1 个门槽，清污倾斜角度为76°，并需采用清污滑车运送清污抓斗；

2）设计研发集清污抓斗起升、抓斗开合一体的起升系统及清污滑车起升系统布置，包括钢丝绳缠绕方式研究，确保动滑轮组、清污装置及其外形尺寸应满足清污操作和拦污栅槽尺寸要求；

3）如何确保清污抓斗通过清污滑车在拦污栅与固定集污装置之间往来运输时的同步性及工序衔接的准确性。

2 新型结构清污装置起升系统研制

设计研发集清污抓斗起升、开合一体的起升系统（见图2）以及清污滑车起升系统布置，包括钢丝绳缠绕方式的研究，以确保动滑轮组、清污装置及其外形尺寸应满足清污操作和拦污栅槽尺寸要求。

图2 新型结构清污装置起升系统

清污抓斗起升、抓斗开合用钢丝绳均缠绕在一个卷筒上，既保证了起升时两者的速度一致，同时也简化了起升机构。当抓斗停在合适位置需要开斗时，通过开斗机构中的电动推杆推动前端的钢丝绳导轮沿导轨向前运动，使联接抓斗开斗的钢丝绳向上提升，从而达到抓斗开斗目的。当抓斗需要合斗时，则将电动推杆向回退，即可达到合斗目的。

清污滑车起升机构放置于清污系统平台上，由于清污滑车的起升力、起升速度与清污抓斗的参数都一样，所以钢丝绳、卷筒直径、电动机、减速器型号基本一致，考虑到整个清污起升机构布置的紧凑性，清污抓斗的起升机构减速器为垂直轴形式，而清污滑车起升机构减速器为平行轴形式。

由于提升滑车的钢丝绳位于集污口下方，为防止钢丝绳对污物倾卸的干扰，采用图3 的导轮排绳方式，使钢丝绳避开固定集污装置的集污口，既满足了钢丝绳在卷筒上的偏角要求，又不影响污物的倾卸。

图3 清污滑车起升机构排绳方式

3 新型清污装置清污滑车研制

为适应门机清污装置与拦污栅共用1 个门槽，设置专门清污滑车，清污抓斗通过清污滑车在拦污栅与固定集污装置之间往来，并通过钢丝绳牵引起升及开合。

坝面到拦污栅间没有专门的抓斗运行轨道，需先将抓斗运行到清污滑车上，再通过清污滑车将抓斗运送到拦污栅上方，抓斗支承导向轮以拦污栅栅条作为导向轨道，在拦污栅面进行清污工作（见图4）。抓斗抓取污物后经过清污滑车运送到坝面上，再通过卸污斗将污物卸到集污车上。清污滑车与拦污栅共用同一个门槽，主支承导向轮以拦污栅正反轨埋件作为导向轨道及定位，表面布置有与拦污栅间距相同的栅条，且栅条与拦污栅上平面齐平，使抓斗从小车到拦污栅间实现无障碍自由运动。清污抓斗可通过清污滑车实现拦污栅与固定集污装置之间往来。

图4 清污抓斗运行过程

门槽上部出口处设置固定集污装置，清污抓斗通过清污滑车运送至固定集污装置，清污抓斗继续运行至污物倾倒区，污物通过固定集污装置直接滑进移动式集污车内。

4 新型结构清污双向门机门架结构仿真分析

清污抓斗和清污滑车的起升系统放置于上游侧门架中横梁清污系统平台，固定集污装置也设置于上游侧门架下横梁，均对门架结构产生不利影响，需要研制特殊的门架结构。该门架由主梁、端梁、门腿、中横梁、下横梁及清污系统平台等组成。

清污系统平台与门架中横梁采用一体化结构设计，取消清污系统平台与中横梁连接处的下翼板，使其与中横梁融为一体，有效保证受力结构明确。由有限元仿真分析计算可以看出，在工作状态下门架的最大复合应力为173.08 MPa，且分布范围仅限于清污系统平台与中横梁连接的变截面局部区域内，该处板材料为Q355B，许用复合应力为230 MPa；最大变形位于清污系统平台前部，为5.43 mm，其悬臂长为3 995 mm，比值为1/735，远小于规范要求的1/350，如图5 所示。通过有限仿真分析可以看出，该特殊门架的设计在强度、刚度各方面均满足有关规范要求。

图5 门架有限元模型及分析结果

5 新型结构清污双向门机智能定位系统和电控系统

1）智能定位系统

设置定位标识点对孔口位置进行定位标识或定位标定，设置大车行走行程检测传感器和孔口定位开关，通过行程检测传感器和孔口定位开关结合运用，可实现清污双向门机的孔口定位。清污抓斗卷扬机构及清污滑车设置定位检测传感器和行程检测传感器，以完成抓斗的位置精确检测，完成抓斗起升和清污滑车的不间断配合控制。

2）电控系统

清污抓斗在拦污栅上抓集污物后，通过清污滑车运送至固定集污装置，清污抓斗继续运行至污物倾倒区，污物通过固定集污装置直接滑进移动式集污车内。这种工序需要精确控制，在抓斗未到达清污滑车时，抓斗单独运行；当抓斗到达清污滑车时，抓斗和清污滑车即同步运行。为了安全可靠，设置了行程开关和位置编码器来检测抓斗、清污滑车位置。抓斗起升和清污滑车均采用速度闭环变频控制，以达到平稳和高精度控制。抓斗起升和清污滑车机构设置荷重传感器、防止超载和机械卡阻等。清污门机采用PLC 控制，可实现清污门机的复杂控制，保证各机构运行工序的连续。

6 结语

我国的水电开发业务还有较大的需求空间，马来西亚、巴基斯坦、尼泊尔、老挝、哥斯达黎加、赞比亚等国的水电开发正处于发展期。新型结构清污双向门机的成功研制，进一步提升了该技术的研发能力，进一步拓展了清污门机的结构形式，并在水电行业内首次设计采用清污装置与拦污栅共用1 个门槽清污、清污倾斜角度为76°、并用清污滑车运送清污抓斗的特殊结构，填补了行业空白，对今后此类清污门机的设计制造起到了一定的借鉴作用。