自动抓梁设计的探讨

赵瑞花

（山西省水利水电勘测设计研究院，太原 030024）

在水利水电工程中，闸门自动抓梁的应用相当广泛。当采用移动式启闭机操作多孔口闸门或者是采用叠梁式检修闸门，闸门起吊频繁时，为保证水下工作的准确性，采用自动抓梁尤为适宜。

自动抓梁的形式有很多种，但挂、脱钩的原理基本相同。如何选择合适的自动抓梁形式，需要根据闸门的大小及自动抓梁的起吊容量来决定。适用于小型闸门的自动抓梁形式有：重锤吊钩式、重锤转钩式、自动挂钩式、自动吊环式、手动穿销式等。适用于大、中型闸门的自动抓梁形式有：夹钳式、挂脱自如式、液压式等。

自动抓梁要圆满地完成挂、脱钩操作，吊钩设计是否合理最为关键，然而，在现有的资料中均找不到对自动抓梁设计的分析及计算。下面具体就对我院在十里河水库除险加固工程中采用的自动抓梁主要部件的设计进行详细剖析，以供同行参考。

1 自动抓梁形式选择

十里河水库除险加固工程的灌溉输水洞设置有1孔叠梁检修门槽，孔口尺寸为1.2m×5.3m，工作水头为4.8m，静水启闭。该叠梁检修闸门共分为4节，每节1.3m，采用50kN移动式电动葫芦配自动抓梁起吊。由于该闸门属于小型闸门，且起吊容量小，综合适用于小型闸门的各种自动抓梁形式的优、缺点，最终选用结构简单、操作方便的重锤吊钩式（重锤采用加重块）自动抓梁。

自动抓梁挂住闸门时的位置示意图如图1。图中用双点划线表示闸门部件的相对位置。

2 自动抓梁挂、脱钩原理

自动抓梁挂、脱钩原理图如图2所示。图中用双点划线表示吊钩挂、脱钩完成时的状态。原理如下：

图1 自动抓梁挂住闸门的位置示意图

1）挂钩时：把挡板锁定在挡板销所在位置，抓梁下落过程中，吊钩靠自重及重锤作用处于垂直状态。当自动抓梁下放到吊钩与闸门吊耳轴碰接时，在吊耳轴的阻挡作用下，吊钩的外缘圆弧面滑过闸门吊耳轴，吊钩处于倾斜状态。自动抓梁继续下落，等到抓梁限位板接触叠梁闸门主梁腹板后，这时提升抓梁，吊钩紧靠吊耳轴向上滑动使吊耳轴滑入吊钩内，继续提升抓梁，吊钩在闸门重力作用下又恢复到垂直状态，实现挂钩。

2）脱钩时：把挡板解锁，使其处于自然下落状态，自动抓梁随同闸门一起下落，当闸门下落到底槛或下节叠梁门的顶梁以后，抓梁继续下落，吊钩沿闸门吊耳轴下滑，同时吊耳轴推动挡板向上转动，当挡板脱离吊耳轴后，挡板靠自重下落复位。等到抓梁限位板接触到闸门顶主梁腹板，无法再继续下落，这时提升抓梁，吊钩在挡板作用下越过吊耳轴，实现脱钩。

3 自动抓梁设计

图2 自动抓梁挂、脱钩原理图

3.1 吊钩设计

现在我国的吊钩业已标准化，为简化计算，该吊钩的外形尺寸基本采用50kN吊钩标准尺寸。吊钩材料采用GB10051.2-5《起重吊钩》中DG20吊钩专用钢。

为保证自动抓梁在起吊闸门时挂、脱钩自如，吊钩下落的距离是设计的关键。从自动抓梁挂、脱钩原理图中可以看出，吊钩需要下落的距离在脱钩时比挂钩时长，因此，吊钩下落距离以脱钩极限位置为计算依据。

自动抓梁起吊的叠梁检修闸门，根据门体结构的具体情况，设计单节闸门吊耳轴中心距顶主梁腹板的距离为275mm。查50kN电动葫芦样本可知，吊耳轴轴径为φ60mm。由50kN标准吊钩的尺寸可知，吊钩内圆弧面直径为φ85mm，吊钩吊杆的宽度为82mm，吊钩钩心距吊钩钩底的最大垂直距离为125mm。设定挡板螺栓中心距挡板端部的距离为110mm，距吊钩钩心所在位置纵、横坐标轴的垂直距离分别为15mm和55mm。吊钩转动轴距吊钩钩心的距离为L，吊钩脱钩时下落的最小距离为Δ，吊钩脱钩时与垂直方向的夹角为θ。

吊钩脱钩时的极限位置为挡板正好滑到与吊耳轴半径成一直线的位置，此时，图2（b）中以吊钩两个状态的中心线及相应的坐标轴和挡板中心线及一些辅助线组成的三角形计算简图如图3，三角形各对应点用图中相应字母表示（注：图中O1、O3点分别代表吊钩挂住闸门吊耳轴时的吊钩转动轴中心和吊钩钩心；O2、O4点分别代表吊钩在脱钩极限位置时的吊钩转动轴中心和吊钩钩心；O5点代表闸门吊耳轴中心；O6、E点分别代表吊钩脱钩极限位置时的挡板螺栓中心和吊钩钩底最低点），方程中有关尺寸参照图1。

根据三角形相互间的关系，可列出以下方程式：

在ΔO2O5A中，

图3 吊钩脱钩极限位置计算简图

将①、②、③关系式代入方程④中，最终得出Δ与L的关系方程式：

再根据吊钩在脱钩极限位置时应满足吊耳轴中心距吊钩钩底纵向的垂直距离小于吊耳轴中心距闸门顶主梁腹板的距离，即满足不等式：

吊钩能够脱钩下落的距离最小为上述吊钩脱钩极限位置，下落的距离最大应为自动抓梁梁底与吊耳轴碰接的位置。即吊钩下落的实际距离Δ实满足不等式：

根据方程⑤得知：当（L-Δ实）=117.5mm时，L值为最小。即求得L=274.4mm。取L实=380mm，将其代入方程⑤中，算出满足方程的Δ=166.5mm；将其代入不等式⑥中，可知，Δ＜197mm。

由不等式⑦知，166.5mm≤Δ实≤262.5mm。

因此，能够使自动抓梁顺利脱钩的Δ实的取值范围应为：166.5mm≤Δ 实＜197mm。

3.2 限位板设计

自动抓梁限位板是焊接在抓梁梁体结构上的，目的是使抓梁在挂、脱钩时的操作有一个尺度，明确其提升时间，提高其水下工作的准确性。由于限位板是随自动抓梁一同下落实现挂、脱钩操作的，因此，限位板长度也应以吊钩脱钩时下落的实际距离为计算依据。

限位板下落的距离等于吊钩在脱钩时下落的实际距离Δ实。根据L实值的大小，可知抓梁梁底距吊钩钩心的距离为280mm，抓梁梁底距限位板底端的长度为L限。在吊钩完全脱钩时，限位板底端应正好落在闸门的顶主梁腹板上，L限应满足方程：L限+Δ实=（280+12.5+275）mm，即：L限=567.5-Δ实。根据Δ实的取值范围可推出：370.5mm＜L限＜401mm。取L限=380mm，求得Δ实=187.5mm。可见，Δ实在其取值范围内，能够满足自动抓梁顺利脱钩的要求。

3.3 重锤设计

此工程中所采用的自动抓梁形式有别于一般的重锤吊钩式，优点在于该重锤采用的是加重块，并用重锤连接螺栓固定在吊钩悬臂段上，挂、脱钩时均不需要人力来搬动重锤，完全实现自动挂、脱钩。

吊钩钩体与重锤之间的吊钩悬臂段下面设置一个长螺栓，作为吊钩与重锤旋转的支点。根据杠杆原理，列出力矩平衡方程。鉴于吊钩外形为不规则形状，其重量难以准确计算，因此，根据估算的吊钩重量以及设定的重锤连接螺栓位置，初步计算出重锤重量并确定其外形尺寸。设计时可在吊钩悬臂段上开一个长螺栓孔，有利于灵活地调整重锤位置，实现整体平衡。

4 自动抓梁设计中的问题与解决方法

4.1 无法准确起吊闸门

自动抓梁与叠梁检修闸门均设有侧滑块，两边侧滑块距门槽的距离均为10mm。起吊过程中，两者吊点中心线沿孔口宽度方向产生的最大错距达到了20mm，此时，极有可能导致自动抓梁吊钩卡死或反转，最终无法实现闸门起吊。

解决方法：

1）将标准吊钩的钩底设计成偏心，即吊钩钩底的最低点远离吊钩钩尖，并且与吊钩中心线错开20mm以上，保证挂钩时始终是吊钩钩底最低点到吊钩钩尖的这一侧与吊耳轴接触。对吊钩进行受力分析得知，吊钩有向下滑动的趋势，有利于实现挂钩。

2）合理地调整重锤的位置，使吊钩的力矩略大于重锤的力矩，在自然状态下，吊钩将略微向上倾斜。挂钩时，受吊耳轴的阻挡作用，吊钩继续向上旋转，顺利完成挂钩操作。

4.2 造成闸门严重漏水

自动抓梁和叠梁检修闸门的反滑块均与门槽留有间隙，下放闸门时，自动抓梁吊钩中心与叠梁检修闸门吊点中心相互偏离的几率大，不但会给再次挂钩造成更大的不确定性，而且叠梁检修闸门若采用的是下游止水，可能会使闸门偏向上游，止水不严，发生严重漏水现象。

解决方法：

1）自动抓梁吊钩设计应严格满足与闸门吊耳轴及有关尺寸的相互配合，并使其吊钩中心与叠梁检修闸门的吊点中心保持一致。

2）设计时应尽量减少自动抓梁反滑块与门槽的间隙，并适当增大闸门吊耳板之间的距离，便于吊钩中心位置发生偏离时仍能挂住闸门。

3）叠梁检修闸门设置为上游止水。采用上游止水，闸门上、下游均紧贴门槽，闸门的吊点中心位置将始终保持不变，不但止水效果好，而且挂钩时也会减少操作误差，增加准确性。

5 结束语

自动抓梁的设计不是一个简单的个体设计，它与起吊闸门以及起吊设备有着非常紧密的联系，只有其结构设计的合理才能顺利地完成抓梁的挂、脱钩操作，成功地实现闸门启闭。