浅谈低温状态下门式启闭机设计原则

刘 鹏 刘长亮 韩远征

（1.杭州江河机电装备工程有限公司，浙江 杭州 310000；2.水利部产品质量标准研究所，浙江 杭州 310000；3.杭州江河机电装备工程有限公司，浙江 杭州 310000）

在高纬度地区冬季的严寒天气中，为了保证水电站能够正常工作，门式启闭机的设计、制造、使用维护应考虑低温环境的影响。

图尔古松水电站位于哈萨克斯坦、东哈萨克斯坦州、济良诺夫斯克市西北30公里处。电站为日调节型，河床式，电站厂房及安装间作为挡水坝段的一部分，布置在图尔古松河左岸，工程任务为发电，电站装机总容量为24.9MW。冬季设计室外空气温度在-40℃左右。

门式启闭机主要由产生运动的机构、承受载荷的金属结构、提供动力和起控制作用的机电设备及各种电气保护装置等组成。

要保证门式启闭机在低温情况下正常工作，需要解决以下几个问题。

一、保证传动机构的安全可靠

门式启闭机的传动机构主要是起升机构和运行机构，起升机构由电动机通过联轴器经减速器（开式齿轮）驱动卷筒旋转，从而使绕在卷筒上的钢丝绳带动吊钩装置上升或下降；运行机构采用有轨式运行，分散驱动的方式，采用结构紧凑的“三合一”集成形式驱动车轮组，使启闭机或小车做水平运动。

主要解决措施：（1）满足低温条件下重要外购件正常运行，例如低温工况下电动机的选型；减速器增加加热装置；制动器的低温适用；缓冲器选用耐低温材料。

（2）通过选材、热处理等步骤保证重要机械加工件的低温抗脆性，例如开式齿轮、联轴器等选择低温材料并进行热处理；卷筒使用焊接构件，不得铸造；车轮、吊钩、滑轮和传动轴等选用锻造构件并进行热处理。

（3）对裸露的重要部件加防护保温装置，例如大、小车三合一减速器增加电机罩阻隔冰雪、雨水侵入以防止结冰；超载限制器、编码器等置于电气柜外的电气元件设置，防尘防雨罩、防止灰尘和潮湿；为起升机构增设带有保温隔层的机房[1]。

（4）设计传动机构时应减少冲击和降低传动过程，例如电动机采用软启动、PLC+变频器的控制方式。

（5）其他防寒措施等，例如大小车端部设置清轨装置对冬季轨道积雪进行清理；各机构润滑油脂和液压油等油料采用低温适用或者根据冬夏季进行更换；启闭机轨道应采用特殊设计配备自动调温器。

二、低温环境下的结构主材性能变化

门式启闭机钢结构主要由门架和小车架组成，包括主梁、上横梁、中横梁、下横梁、门腿、台车架等，梁体为箱型结构。钢结构的抗脆性受温度影响较大，其变化随温度的降低而迅速下降，因此在低温环境下，钢结构的抗脆性设计和强度设计同样重要。

针对低温情况下的钢材特点，我们做出以下解决措施。

（1）合理选材，提高钢材质量等级，并不得采用沸腾钢，在零下40℃的情况下通常选用Q345E低合金高强度结构钢。对于一些有条件的企业或者非常重要的机械设备，可以进行低温环境下力学性能的检验检测，同时进行焊接工艺的评定。

（2）启闭机钢结构在低温环境下的抗脆能力主要与结构的应力集中程度、钢材的厚度及低温环境的温度有关系。因此结构设计应避免应力集中，注意焊缝交汇处、尖角、开孔、截面突变的位置，否则局部应力过大会造成钢材脆裂，结构失效。焊缝的布置不宜重叠交错，应适当分散；减少约束，要尽量保证焊缝能自由变形；不采用单边搭接焊缝，尽量采用对接焊缝，减少应力集中。结构件上不宜有尖锐角或曲率很大的孔，尖角改为圆角过渡的方式，避免应力集中，必须开孔时应采取措施加强孔的周边，即贴板“镶圈”[2]。

（3）对主要受力构件，例如小车架主梁、端梁，门架主梁、支腿、台车架等，进行抗脆性计算，且低温情况下尽量采用较薄的钢板，不选用超过36mm的钢板作为承载结构[3]。

三、电气设备的加热和保温措施以及电气保护装置的低温选型

电气设备包括供电电源，各机构的配电、控制、保护、信号、监控以及照明控制。电气系统中的各元件要求正常的工作温度范围一般为0℃～40℃，过低的温度会对电气元件产生较大影响，导致元件性能参数发生变化。因此为使启闭机在低温下正常工作，应采取相应的措施。

（1）门机PLC采用低温产品，在-40℃环境温度下可正常工作，安全可靠。PLC作为门机的整个控制系统的核心，通过PLC来采集各种信号，运用PLC内部的虚拟触点来实现整机各机构的时序逻辑控制，属“软触点”控制，可以大大减少控制柜内的中间继电器和时间继电器，“软触点”不会因为长期使用而损坏，从而可以大大减少电气系统的硬件故障，提高系统控制的可靠性。门机运行电控系统中的变频器还具有完善的自诊断系统，实现各种故障自诊断及显示报警功能。

（2）考虑到环境对门机控制系统的影响，电气设计中采取了设置独立的电气室进行保温，选用耐低温元件及各控制柜中加装除湿装置等措施，以确保设备能在极低温环境下长期稳定正常运行。

（3）对于必须暴露在室外的电线电缆、插座、照明设备、限位开关等电气元件，在设计时应注意其工作温度范围，选用符合低温的电气元件或向元件供货商提出温度要求。大车滑线应采用特殊设计并配有条状加热器。

（4）电气保护装置包括主隔离开关，总电源的短路保护，瞬时断电失压保护，零位保护，超载保护，超频、超速保护，编码器异常保护，紧急断电开关，限位保护，行程保护（起升上下极限、运行极限），联锁保护，接地保护，风级风速报警，避雷针等各种保护措施。其中一些暴露在室外的传感器在选型时要选低温性能良好、传感性能灵敏的传感器。

四、其他低温注意事项

使用厂家在购置启闭机设备时，会把环境的绝对最低温度和设计温度写到采购合同中，而启闭机的设计温度要高于当地的绝对最低温度，因此当启闭机处于绝对最低温度的环境时，启闭机不应处于载重工作状态，尤其是冬天水下条件复杂，闸门容易结冰，会导致严重的钢结构脆性破坏，造成重大事故。因此在低温工作环境下的启闭机，应说明启闭机最低设计温度，即工作状态的最低温度，不得在此温度以下负载运行。

在低温环境下，一般冰雪天气较多，有时甚至会有暴雪天气，应考虑由暴雪引起的偶然载荷；对于启闭机易造成积雪的部位，应及时进行清理。门式启闭机一般工作在露天环境中，考虑到积雪融化后再次结冰可能会使启闭机车轮、夹轨器、锚定装置、供电电缆等凝结在地面构件上，故要求土建设计时应使大车轨道高于地面，钢轨的安装槽及供电电缆沟应排水通畅，以避免积水。另外，在启闭机使用维护说明书中要特别强调使用厂家应及时清理积雪及处理融雪积水[4]。

五、主要结论

低温环境下使用的启闭机有着特殊的要求，本文通过案例讨论了低温情况在设计时必须注意启闭机的金属结构，各机构零部件及电气设备等三个主要方面，满足当地的气候条件以及合同要求。该案例的应用，证明了该设计在低温高寒工况下时能正常工作并取得了良好的效果。