单向门式启闭机弧形轨道运行新设计

司健伟

（华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州　450015）

单向门式启闭机弧形轨道运行新设计

司健伟

（华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州450015）

针对善泥坡水电站单向门式启闭机大车运行机构原设计方案存在的铰接装置维护及保养比较繁琐、车轮易啃轨等问题，提出了新的设计方案：门机运行于整段弧形轨道时采用新的结构设计代替铰接装置，取消冗余的导向轮，车轮踏面宽取标准车轮宽与脱轨尺寸之和。有限元计算表明，门架主梁及门腿的强度和刚度满足要求。门机设备投入使用后，整机运行情况良好。

单向门式启闭机；弧形轨道；铰接装置；啃轨；踏面宽；有限元分析

0　引言

堤坝式水电站中的混凝土坝分为重力坝、拱坝和支墩坝3种类型。对应于不同的堤坝形式，水电站门式启闭机大车轨道布置可采用直线轨道、整段圆弧轨道或直线与圆弧相互连接的轨道形式。门机在以上几种形式的轨道运行时，都要保证大车运行精度，防止车轮出现啃轨现象。

善泥坡水电站位于北盘江干流中游河段的贵州省六盘水市水城县境内，电站装机容量（2×90+ 5.5）MW，工程枢纽拦河大坝为抛物线双曲拱坝。坝顶溢流坝段上布置1台带单回转吊的单向门式启闭机，该门机2×800kN主钩主要用于启闭溢流坝检修闸门，利用250kN的回转吊进行溢流坝弧门液压机油缸的检修工作。

1　门机主要技术参数

（1）起升机构。额定启门力，2×800kN；起升高度，20.2m，其中轨上7.0m（不包括抓梁），轨下13.2m；起升速度，0.25～2.50/2.50～5.00m/min（额定起升速度为2.50m/min）［1-2］。

（2）大车运行机构。携带载荷，2×400kN；速度，2.0～20.0m/min；大车轨距，5.5m；大车轨道型号，QU80；外缘大车轨道半径，127931mm；内缘大车轨道半径，122431mm。

（3）回转吊。额定载荷，250kN；起升高度，20.2m，其中轨上7.0m，轨下13.2m；起升速度，0.2～2.0/2.0～4.0m/min（额定起升速度为2.0m/min）；回转半径，8m；回转速度，0.4r/min；回转角度，180°。

2　大车运行机构原设计方案

门架下横梁与大车运行台车架之间为铰接结构，采用4组动载荷不低于600kN的推力球轴承；每组车轮在轨道两侧均设置有导向轮装置；车轮踏面宽度采用标准车轮宽100mm。原大车运行机构台车如图1所示。

原方案的不足之处：（1）铰接装置的维护及保养比较繁琐，更换成本较高；（2）内外缘轨道两侧均布置导向轮，属于冗余设置；（3）标准踏面宽度的车轮易啃轨。

3　大车运行机构新设计方案

大车车轮在整段圆弧轨道上运行时，为保证车轮运行精度，防止啃轨，车轮必须运行于大车轨道的切线方向上。将台车架整体相对于门架下横梁旋转一个角度，外缘轨道处旋转2.128°，内缘轨道处旋转2.224°，台车架与下横梁之间采用螺栓刚性连接形式，新大车运行机构如图2所示。将冗余的导向轮取消，仅在外缘轨道内侧和内缘轨道外侧布置导向轮，导向轮轮缘与轨道侧面间隙为10mm，新大车运行机构台车如图3所示。

为保证内外缘车轮同步运行，内外缘车轮应有相同的角速度ω，由此得

内外缘车轮直径之比等于内外缘轨道半径之比

式中：D1为外缘车轮直径；D2为内缘车轮直径；R1为外缘轨道半径；R2为内缘轨道半径；n为减速器输出转速；i为减速器速比。

图1　原大车运行机构台车

图2　新大车运行机构示意

根据以上计算结果，选外缘车轮直径D1为660 mm，内缘车轮直径D2为630mm，进行脱轨尺寸计算。

（1）内轨定位时，脱轨尺寸为

式中：L为门机轨距，5.5m；K为门机基距，9.5m；φ2为内轨定位角。

代入后得到内轨脱轨尺寸d2=3.96mm。

（2）外轨定位时，脱轨尺寸为

式中：φ1为外轨定位角。

代入后得到外轨脱轨尺寸d1=3.96mm。

选择车轮踏面宽度为标准宽与脱轨尺寸之和，考虑一定的裕量并圆整后，最终确定为110mm。

4　门架有限元计算与分析［3］

4.1单元剖分

以整个启闭机为分析对象，建立计算模型，并通过通用有限元软件进行计算分析。启闭机结构有限元计算采用线弹性有限元法，把启闭机离散为板单元三维弹性结构，所有的钢板构件采用板单元模拟。门机有限元模型如图4所示。

板单元选用四节点弹性板壳元，这种板单元是基于薄板理论建立的，模型建立过程中通过不同的实常数来考虑不同规格钢板的厚度和质量，并综合考虑了板的弯曲和剪切变形。

在建立三维有限元模型时，z向取为沿大车轨道方向，x向取为垂直于大车轨道方向，y向按照右手法则取为启闭机的高度方向。

图3　新大车运行机构台车

图4　门机有限元模型

4.2约束处理

启闭机下横梁与大车车轮连接座板的支铰处受到铅垂方向（y向）的位移约束，根据该门架结构及受力特点，取约束使结构成为单侧的一次超静定结构：沿水流下游门腿右侧限制Ux，Uy，Uz，释放Mx，My，Mz；沿水流下游门腿左侧限制Ux，Uy，释放Mx，My，Mz，Uz；沿水流上游右侧门腿铰支限制Uy，Uz，释放Ux，Mx，My，Mz；沿水流上游左侧门腿铰支限制Uy，释放Ux，Uz，Mx，My，Mz。除此以外，所有节点均为自由节点。

4.3计算载荷

本次计算主要分析了5种工况条件下启闭机的应力分布和变形情况，计算分析的工况及其载荷（基本风压为250Pa）如下。

（1）工况1。跨内起升机构起吊额定载荷；门架侧平面风载荷；大车不制动。载荷：跨内起升结构自重+起升载荷，-y向；等效风载荷，-x向；回转吊自重；门架自重；

（2）工况2。跨内起升机构起吊大车携带载荷；门架侧平面风载荷；大车制动。载荷：跨内起升结构自重+起升载荷，-y向；等效风载荷，-x向；回转吊自重；门架自重；

（3）工况3。跨内起升机构起吊1.25倍额定载荷；门架侧平面风载荷；大车不制动。载荷：跨内起升结构自重+1.25倍起升载荷，-y向；等效风载荷，-x向；回转吊自重；门架自重；

（4）工况4。回转吊起吊额定载荷，沿平行大车轨道方向；门架侧平面风载荷；大车不制动。载荷：回转起升结构自重+起升载荷，-y向；等效风载荷，-x向；跨内起升自重；门架自重；

（5）工况5。回转吊起吊额定载荷，垂直大车轨道方向；门架侧平面风载荷；大车不制动。载荷：回转起升结构自重+起升载荷，-y向；等效风载荷，-x向；跨内起升自重；门架自重。

4.4计算结果及分析

计算结果表明，在各种工况条件下，启闭机各主要构件（主要包括主梁、门腿、上中下横梁等）的大部分板件的折算应力计算值在120MPa以下，整个启闭机结构的计算应力均小于钢材的设计许用值，满足强度要求。

在各种工况条件下，主梁主要发生弯曲变形，最大折算应力为80MPa。跨中竖向（y向）挠度最大值为5.2mm，满足刚度要求。门腿主要为受压构件，门腿的多数部位在各种工况下的主压应力一般小于75MPa。中、下横梁为连接构件，各种条件下的应力水平不高。

5　结束语

善泥坡水电站溢流坝2×800/250kN单回转吊门式启闭机弧形轨道运行新设计方案及门机整体设计方案顺利通过了设计审查，认为此方案切实可行。2014年10月该门机设备投入使用，经过近2年的生产运行，整机运行情况良好。

［1］起重机设计规范：GB/T3811—2008［S］.

［2］张质文.起重机设计手册［M］.北京：中国铁道出版社，2013.

［3］水电水利工程启闭机设计规范：DL/T5167—2002［S］.

（本文责编：刘芳）

TV664；TB115

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1674-1951（2016）09-0023-03

2016-06-20；

2016-07-07

司健伟（1967—），男，河南新密人，高级工程师，从事水电站启闭机设备设计工作（E-mail：sijw@hdmdi.com）。