白鹤滩水电站坝顶超大型斜拉门机制造探析

何 运

（中国水利水电夹江水工机械有限公司，四川 乐山 614100）

1 概述

白鹤滩水电站是仅次于三峡工程的第二大型水电站，坝顶双向斜拉门式启闭机为目前世界水电行业单钩起重量最大的门机，起升小车采用双液压驱动，门机大车行走为弧形轨道，该门机主要用于深孔事故闸门动水关闭及静水启门。斜拉门机见图1。

图1 双向斜拉门机

门机单钩起重容量1 000 t，整机重1 045.7 t，结构复杂，涉及起升、大小车行走、回转等多机构，起升为双卷筒四驱动对称抬吊布置，由两组双联单层缠绕卷筒、四套驱动装置及滑轮组等组成，制造过程中焊接变形控制、外形尺寸控制、双卷筒四驱动组装、液压驱动小车、运行机构组装、门架结构预拼装及厂内组装调试等技术质量要求高。主要受力结构和机构布置与常规大型门机区别明显，需要策划制造控制重点，重要零部件和结构的工艺技术方案和制造质量控制[1]，确保制造质量符合设计要求，制造是质量控制第一环节[2]，重点控制部件为小车、大车行走机构、主梁、门腿及门架预拼装等。

2 结构制造

2.1 斜拉小车

斜拉小车主要由小车机架及斜拉起升机构、小车行走等组成。起升机构采用双联卷筒四驱动的布置方式，门机有斜拉工况，小车行走机构采用两同步液压驱动，以满足斜拉工况并承受水平分力。

起升机构采用多点协同的双联卷筒四驱动，对称抬吊的布置、钢丝绳单层对绕方式，定滑轮轴线与两卷筒轴线平行。每组卷筒设置两套驱动，两端各设置一套减速机，减速机与卷筒采用DC 挠性联轴器连接，起升机构见图2。

图2 起升机构

2.1.1 小车架结构制造

小车架由行走梁、定滑轮梁、卷筒梁、平衡滑轮梁、平台及连接梁等组成。该小车架承受斜拉分力，门机在7°斜拉工况下，产生122.7 t 超大水平分力，该水平分力经小车液压缸支座传递给门架，门架主梁与门腿连接的弯角处以及小车液压驱动与主梁上部的连接部位将产生较大应力。对关键部件进行可靠性试验验证[3]，通过设计多次优化在定滑轮梁与边梁之间布置连接梁，将斜拉水平力传递至两端梁，有效控制定滑轮梁水平应力及刚度，优化方案的应力小于常规设计方案。

小车架结构复杂,分段由高强度螺栓连接而成。小车架的制造重点在于焊缝质量要求高，多受力梁系结构、梁系位置精度要求严格，满足斜拉和双卷筒布置要求，结构布置紧凑，拼装尺寸精度要求高。重要焊缝全熔透，焊接变形控制严格，机架节间孔位精度，机架平面垫板焊接变形将影响整体平面度。梁体的单件小拼焊尺寸、直线度、垂直度及对角线等精度误差控制。在梁体拼装时将腹板与翼板的组合焊缝坡口朝梁体内侧，内腔采用气保焊封底，外侧采用埋弧自动焊，充分利用埋弧焊熔深大的特点，既降低了焊接工作量，又减小了焊接后翼板的角变形。小车架拼装焊接的控制，焊接收缩量的预留及控制需充分考虑箱梁焊接收缩以及修校的余量。根据计算及经验估计，确定小车架端梁中心跨距按经验留余量拼装。严格控制组合处坡口质量，小车架焊接完钻孔，最后检测水平再次拼装，确保加工余量。焊接工艺评定[4]完成后，确定焊接工艺顺序，控制焊接变形，焊前加固各处连接焊逢，焊接过程中严格控制焊接参数，焊接完成后对需UT 探伤部位进行无损检测。

小车为斜拉工况，小车驱动采用双缸液压驱动，可以保证小车可靠停止在设置的任何位置。结构制作控制油缸支座的焊接及探伤，特别是油缸支座反复承受液压油缸的推拉力，斜拉分力通过油缸传递到支座上，油缸支座严格控制制造质量。

2.1.2 小车架加工

小车架焊接完成后，打开小车架的节间连接板，释放焊接应力后，复拼、修校，检测小车架整体水平度、扭曲,中部有无下挠现象，再点焊联接板，加工配铰联接板四角铰制孔，完成后配钻剩余联接板螺栓孔，确保小车架连接定位精度。小车架分片制作，在完成连接板配孔后，将小车架连接成整体，布置在工装上，整体调整水平，贴焊各支架支承垫板。焊接后划加工线，小车架整体一次性加工完成。

2.2 卷筒制造控制

卷筒体结构复杂，制造工序多，加工难度大及成本高等问题突出[5]。卷筒体为钢板卷制而成，通过卷板、拼装、焊接、退火等工序，卷板尺寸的控制是重点，形成椭圆或者尺寸偏差，影响卷筒加工后的壁厚，且对卷筒受力产生影响；卷筒体的焊接质量控制严格，环缝、纵缝均为一类全熔透焊缝，需整体焊接后退火，消除焊接应力。

卷筒绳槽的加工是关键，绳槽底径的尺寸精度是重点，卷筒直径误差的控制，使用专用卷筒数控车床，编程控制尺寸精度，使用专用的成型刀车削形成槽体，绳槽的加工精度高。

2.3 小车组装、调试

小车行走按要求铺设工艺轨道，在工艺轨道上组装小车，校核小车行走机构轨距，基距，小车架翻身布置在小车工装轨道上，校核小车架上平面水平度和各部件中心线，组装起升机构，焊牢各支架，组装小车液压驱动装置，试车运行。

小车机械、电气组装完成后，进行各项功能调试，主要包括机械传动、液压制动、电气控制、同步纠偏、挠性联轴器调节、安全监控等，重点调试制动盘跳动及制动间隙的调整，机械及电气同步的调试。小车采用双卷筒四驱动起升，除卷筒制造精度及相对差控制来满足起升高度同步外，单个卷筒采用双电机、双联轴器同步驱动，双联轴器一致性控制是调试的重要细节，主要通过电气多次反复调试达到一致性控制。

起升机构采用两种不同模式控制同步的方式，实现多驱动工况下刚性连接与柔性连接同时精确运行。单组双联卷筒两驱动电机采用主、从力矩均衡控制的方式，主电机和从电机分别采用速度工作模式和转矩工作模式，将主电机的转矩输出作为从电机的初始值，确保从电机的输出转矩与主电机同步，速度始终与主电机相同，从而保证主起升电机的刚性连接同步和出力均衡。两组双联卷筒之间的主电机采用位置同步控制技术实现动态调节，当高度差大于20 mm 时，启动纠偏功能。

2.4 大车运行机构

大车运行为弧形轨道，上游侧轨道弧形半径为R511.0 m，下游侧弧形半径为R497.8 m，上下游车轮采用与弧形轨道相匹配的不同车轮直径。车轮加工确保大小车轮的尺寸精度，严格工序尺寸检验，通过加工精度保证弧线运行。大车行走机构采用大、小平衡梁及回转支承与下横梁铰接连接。该结构不仅能够均衡各行走车轮的轮压，而且能够有效防止主动车轮在启动时打滑，回转支承结构有效控制台车组在弧形轨道上偏摆角度的自由调整。

大车行走机构组装，控制台车组件的装配精度，台车轴孔的精度通过机床加工保证，大车车轮踏面轴线与弧形轨道相接触的弧形中心相切，确保台车中心与轨道中心基本重合。

大车行走组装，模拟弧形轨的布置，放样设置各车轮弧形轨道分布点，将4 组台车单件组装在弧形轨道上，单套台车组装时，通过各调整垫调整小平衡梁和台车架中心线与大平衡梁中心线偏差，同一台车上的中心线偏差方向相反。台车各车轮及台车架的加工基准面朝轨道外侧，车轮外侧只允许下轮缘向内偏斜。

2.5 门架结构

门机的门架由上部主梁结构及门腿结构组成，主梁采用偏轨箱型梁[6]结构形式，不同截面应受力不同，采用厚薄不同的钢板对接的结构方式，制造难度加大。单件主梁的长度20.5 m，腹板下料时要预起拱，预起上拱度[7]依据规范在下料放样时设置上拱值，主梁预拼装起拱值要充分考虑焊接收缩变形及轨道压板焊接产生的形变。最大上拱度为考虑焊接收缩变形，制作时按最大上拱度以上+3~4 mm 预拱。门架结构见图3。

图3 门架结构

2.5.1 主梁制作

主梁结构拼装前，按照拼接工艺对主梁上翼板、主腹板、副腹板依据不同尺寸进行对接，无损检测合格后，修校平整。在拼装工位上，按上拱坐标值放点固定，铺设上翼板，检测上拱值，主、副腹板、隔板放样，T 型梁翼板与主梁上翼板拼接焊接后，复查上拱值，依次拼装隔板、纵向筋板、主梁腹板，重点控制主梁腹板与翼板间隙，是否符合预起拱要求，拼装主梁内腔其余零件，最后拼装主梁下翼板，特别控制两端弧型盖板的尺寸及拼装间隙，检测主梁腹板直线度、垂直度、水平扭曲及上拱度。

焊接方式、规范、顺序对控制主梁的焊接变形至关重要。主梁外部焊缝尽可能采用埋弧焊焊接，内侧采用气体保护焊；焊接顺序为隔板与主梁腹板、T型梁、上翼板连接焊缝；内侧腹板与隔板、筋板、翼板焊接，T 型梁的对接焊缝；焊接梁内其余焊缝。

主梁焊接完检查合格后，主梁上拱度及水平弯曲在许可范围内，如果上拱值超出规范，考虑后期主梁平拼焊接等变形因素 ，待焊接完成后一并修校处理。

上部主梁结构平拼，单件主梁布置在拼装工位上，将端梁与两主梁拼接一起，两主梁中心尺寸依据计算及经验增加焊接收缩余量+5 mm，将主梁与端梁间连接板点焊固定，拼装尺寸交检合格后焊接，同时，悬臂梁同样预先拼装及焊接。

焊接合格后对上部结构焊前的临时连接部位打开释放焊接应力，复拼检测各项尺寸，两主梁中心距符合技术规范要求后，放样安装小车轨道及垫板，采取特别焊接措施，防止焊接变形对主梁上拱的影响。

焊接后检测上部结构尺寸，复核上拱度，再加工主梁与端梁连接处的高强螺栓孔和铰制螺栓孔，划出上部结构上的各种中心线、对位线后，待门机整体大拼。

2.5.2 门腿制作

门腿拼装，门腿腹板、翼板单件接板、探伤、校平后，将门腿翼板置于拼装平台上，按图放样，注意隔板放样为实长，图纸显示为投影值，依次拼装隔板、腹板，腹板不同方向厚度不同，避免拼装错误，控制隔板、内外腹板垂直度，在两端外侧隔板设置腹板直线度检测线，符合规范要求后，拼装翼板封顶，交检后焊接。

H 型门腿平拼，平拼是门机预组装的重要环节，门腿单件焊接检测合格后，设置拼装工装，以门腿结构中心线为基准，调节上、下开口尺寸，控制焊接收缩余量+5 mm，以两主梁腹板中心线为找正基准拼装中横梁，尺寸合格后支撑牢固。同时拼装门腿上端板，控制端板垂直度；焊接连接焊缝及上端板焊缝，采用小电流、交替、对称焊接措施，探伤合格后，将中横梁与门腿连接板打开释放焊接应力，检测修校门腿变形后，重新组拼连接板，点焊连接板，配钻中横梁与门腿的节间连接板螺栓孔。划出中心线、大拼对位线后待门机整体大拼。

3 门架预拼装

门架厂内预拼装是验证设计及制造的关键工序，该斜拉门机结构形式特殊，不同门腿及主梁各有区别，由于承载的不同，拼装存在方向的唯一性，组装、接口、拼装基准线及编号是否满足设计要求，必须通过预拼装验证。

3.1 预拼装要求

该门机单片H 型门腿重量为108.7 t,上部主梁结构重量为159 t,整体吊装重量重，工厂预组装不具备整体吊装的条件，需采用单件大拼，单件吊装单元最重达59.4 t，采用空间拼装的方法，必须制定专用安全技术拼装方案，且在安全技术培训后实施操作。

3.2 预拼装特点

门架在厂内预拼装是重点也是难点，门机行走机构及门架结构整体重量818.9 t，拼装场地地基的稳固和安全可靠需按双倍安全系数考虑。上部结构重，单片H 型门腿重量超过起吊能力，采用单件在空间组拼的预组方法，增加拼装施工难度，安全施工风险较大。

3.3 预拼装安全设施

预拼装场地基础的稳固性要求高，大吨位门机拼装地基不结实引起的下沉，将直接影响后续拼装质量。地基选择须经专业计算确定其可靠性；缆风钢丝绳紧固后与地面夹角不大于60°，充分考虑受力不均匀产生的冲击载荷，选取3.5 倍安全系数的钢丝绳；每片H 门腿两侧选用2 个容量足够的手动葫芦固定；组建专业拼装施工队伍，统一现场指挥、完善安全技术交底流程。

3.4 预拼装过程

大拼现场铺设稳固的弧形工艺轨道，按行走机构弧形要求，组装布置4 组行走台车及两组下横梁，采用刚性支撑焊接固定。依次按大拼编号拼装上游侧门腿，采用2 台门座机及汽车吊的组合吊装方式，门座机吊装2 件门腿，汽车吊吊装中横梁，组拼成单片门腿结构，用4 组风绳两侧初步固定，校准对正预先加工后组装在下横梁上的门腿下端板。同时用经纬仪校准门腿的垂直度向外侧倾斜2 mm 后张紧缆风绳，焊接加固门腿与下横梁处连接板。同理吊装下游侧门腿，校核调整上下游门腿间的垂直度、中心距及对角线，两片门腿的对角线差值符合规范要求后，在两片门腿中横梁处用型钢加固，风绳用手链葫芦应有失效保护措施。焊接门腿与下端板连接焊缝，采取避免焊接变形的焊接方式，控制下端板连接焊缝焊接后下端板与下横梁的间隙小于0.3 mm。

上部结构的拼装，将主梁预先放置在有效吊装位置，吊装主梁，两端头的安装中心线与门腿上端板安装中心线重合；检测主梁的垂直度及水平度的符合性后焊接加固；同理吊装另一侧主梁，校核调整两主梁跨距、水平及垂直度后加固。吊装两件端梁在空间组装连接板及连接螺栓。依次安装门机其余辅件，检测大拼数据是否符合技术规范要求。

拼装状态包括门架上部结构、门腿、中横梁以及下横梁，同时应在门架上对回转吊进行预拼装。门架预拼装见图4。

图4 门架预拼装

4 结语

坝顶门机作为水电工程永久性设备，特别是大型重点水电工程，制造及安装质量直接影响工程建设质量，使用功能的可靠性，设计制造是关键控制要素，设计、工艺、构件制作、加工、预拼、组装调试、验收等环节的有效质量控制，才能保证设备制造和安装质量，满足国家工程建设的需要。白鹤滩门机的成功制造，攻克了水电行业单钩容量最大斜拉门机的设计、制造及成套预装的关键技术，为超大型水工金属结构启闭装备国产化发展制造提供宝贵经验与借鉴。