鑒江高嶺攔河閘2×250 kN固定卷揚式啟閉機設(shè)計

雷海，史田明，徐宜楨

(1.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，杭州 310012;2.鄭州水工機械有限公司，鄭州 450042;3.鄭州華潤燃?xì)夤煞萦邢薰?，鄭?450000)

1 工程簡介

高嶺攔河閘位于廣東省化州市楊梅鎮(zhèn)高嶺村東面、鑒江河下游、化州水文站以下8 km處，屬鑒江第4級攔河工程。工程是以灌溉、供水為主，結(jié)合航運的大型攔河水閘工程，工程等級為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型。主要建筑物有攔河水閘、兩岸連接土壩、左右岸水輪泵站、船閘等。其中2×250 kN固定卷揚啟閉機布置在攔河閘工作閘門上部排架上，啟閉機安裝高程16.50 m，用于啟閉攔河閘升臥式工作閘門，共16臺。

2 啟閉機組成及主要技術(shù)參數(shù)

2.1 啟閉機的組成

2×250 kN固定卷揚式啟閉機主要由傳動機構(gòu)、應(yīng)急操作裝置、機架、電氣控制設(shè)備和安全保護系統(tǒng)等組成［1－2］。傳動機構(gòu)由電動機、聯(lián)軸器、制動器、減速器、卷筒裝配、導(dǎo)向滑輪和同步軸等組成;安全保護系統(tǒng)包括高度指示保護、荷載限制保護和其他必要的電氣保護等。

2×250kN固定卷揚啟閉機采用分別驅(qū)動方式，2套傳動機構(gòu)通過同步軸進(jìn)行同步［3－4］。整機無定滑輪組，鋼絲繩由卷筒近乎水平引出，經(jīng)導(dǎo)向滑輪90°轉(zhuǎn)彎后與閘門吊耳連接，吊點設(shè)在閘門下部靠近底緣處。門槽主軌由頂部水平段、轉(zhuǎn)彎弧形段和門槽直立段3段組成。起升閘門時，電動機正向運轉(zhuǎn)，鋼絲繩收進(jìn)卷筒，閘門在門槽直立段向上運動，當(dāng)升至軌道轉(zhuǎn)彎段時，由于吊頭的偏心作用，閘門逐漸翻轉(zhuǎn)，直至完全平臥，即起升時閘門的動作狀態(tài)由直立運行翻轉(zhuǎn)到平臥。關(guān)閉閘門時，電動機反向運轉(zhuǎn)，鋼絲繩放出卷筒，閘門的動作狀態(tài)與起升時相反，即由平臥翻轉(zhuǎn)到直立。

2.2 啟閉機主要技術(shù)參數(shù)

額定啟門力，2 ×250 kN;起升高度，15.00 m;啟門速度，1.49 m/min;吊點距，14.72 m;卷筒直徑，0.88 m;倍率，1;鋼絲繩型號，44ZAA6 ×K36WS+IWR1870;工作制動器型號，TSS－L250/E30;減速器型號，JCHC500;傳動比，1 406;電動機型號，HK160 L－8;電機功率，7.5 kW;荷載限制器，ZX －50t;高度指示裝置，BGD400;應(yīng)急操作裝置型號，HGTD－20;整機工作級別，Q3－中。

3 主要設(shè)計特點

3.1 方案的確定

根據(jù)招標(biāo)文件規(guī)定，啟閉機需采用閉式齒輪傳動機構(gòu)和機械軸同步方式，并需配置應(yīng)急操作裝置和雙工作制動器。為此，對啟閉機進(jìn)行了多方案的比較與分析，在符合SL 41—2018《水利水電工程啟閉機設(shè)計規(guī)范》［5］(以下簡稱 SL 41—2018)及招標(biāo)文件的情況下，盡可能降低設(shè)備制造成本，以求得到最優(yōu)方案。經(jīng)初步篩選，共擬出4個方案進(jìn)行了比選。

方案1采用1臺電動機驅(qū)動1臺減速器的集中驅(qū)動方式。電動機和減速器均設(shè)在同一側(cè)機架上，在減速器輸入端，每側(cè)各布置1臺工作制動器;在減速器中間低速端設(shè)置雙側(cè)軸伸，一側(cè)通過卷筒聯(lián)軸器與卷筒直接連接，另一側(cè)則通過傳動軸與另一吊點的卷筒連接(如圖1所示)。應(yīng)急操作裝置安裝在電動機尾端［6］。

方案2采用1臺電動機驅(qū)動3臺減速器的集中驅(qū)動方式，即所謂“三機架方案”。其中2臺大減速器型號相同，分別通過卷筒聯(lián)軸器直接與每個吊點的卷筒連接。小減速器位于傳動軸的中部，通過傳動軸與兩側(cè)的大減速器連接(如圖2所示)。在小減速器的輸入軸端，每側(cè)各安裝一套工作制動器，應(yīng)急操作裝置安裝在電動機尾端。

方案3是在方案2的基礎(chǔ)上，將中間部位的電動機、小減速器、應(yīng)急操作裝置及中部機架等移到一側(cè)吊點，使小減速器的一端輸出軸通過聯(lián)軸器直接與大減速器連接，另一端則通過傳動軸與另一吊點的大減速器連接(如圖3所示)。

方案4為分別驅(qū)動方案，每個吊點都有單獨的電動機、減速器和制動器，且每臺減速器輸入軸端的兩側(cè)各安裝1臺工作制動器，整機共設(shè)4臺制動器。減速器的低速軸端采用單軸伸結(jié)構(gòu)，通過卷筒聯(lián)軸器或齒輪軸端與卷筒相連接。兩套傳動機構(gòu)通過機械同步軸實現(xiàn)同步，同步軸既不在輸入軸上，也不在末級輸出軸上，而是從減速器的中間位置引出［7－8］(如圖4所示)。

圖1 啟閉機平面布置方案1Fig.1 Scheme 1 of hoist layout

圖2 啟閉機平面布置方案2Fig.2 Scheme 2 of hoist layout

圖3 啟閉機平面布置方案3Fig.3 Scheme 3 of hoist layout

圖4 啟閉機布置方案4Fig.4 Scheme 4 of hoist layout

3.2 方案比較和分析

升臥式閘門的啟閉機鋼絲繩與閘門直接相連，滑輪系統(tǒng)僅設(shè)導(dǎo)向輪，按照SL 41—2018的規(guī)定，當(dāng)啟閉機工作級別為Q3時，鋼絲繩的最小安全系數(shù)為5.5。經(jīng)計算，鋼絲繩直徑最小為44 mm，卷筒直徑最小為20×44=880(mm)。

方案1的電機功率為15.0 kW，減速器輸出軸最大扭矩240 kN·m，傳動比約1 400。由于輸出扭矩和傳動比較大，根據(jù)目前已有的標(biāo)準(zhǔn)減速器樣本無法選到合適的減速器。如進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計，其研發(fā)周期較長，無法滿足工程建設(shè)進(jìn)度要求，且成本較高，經(jīng)濟性相對較差。

方案2將減速器分為2大1小，由1臺小減速器驅(qū)動2臺大減速器，每臺大減速器的輸出軸扭矩減小為120 kN·m左右，目前市場上可以供貨，但缺點是需在閘墩之間增設(shè)機架橋，這將增加土建工程量。

方案3克服了方案2的缺點，但由于其中一側(cè)機架上需要并排布置2臺減速器以及電動機等，其平面尺寸較大，需要在這一側(cè)的閘墩設(shè)置較大的平臺，同樣需要增加土建工程量。

方案4為分別驅(qū)動方案(如圖4所示)，即每個吊點都有獨立的驅(qū)動機構(gòu)。2個吊點的啟閉機尺寸完全一致，中間部位不需設(shè)置平臺，機架平面尺寸也較小，水工建筑物布局合理，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計難度較小。該方案最大優(yōu)點是電動機功率可降至7.5 kW，減速器輸出端扭矩亦可降至120 kN·m，當(dāng)減速器傳動比在1 400左右時，選用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品即可，無需開發(fā)研制非標(biāo)準(zhǔn)減速機，便于制造、安裝和維護。

經(jīng)過比較分析，最終確定采用方案4。

3.3 同步軸位置及支承形式的確定

雙吊點卷揚式啟閉機的同步軸通常設(shè)置在減速器的輸出軸端，由于速度較低，一般可不計算軸的臨界轉(zhuǎn)速，缺點是同步軸尺寸和質(zhì)量均較大，制造成本較高，特別對大型或超大型啟閉機來說，這一缺點更加突出。當(dāng)?shù)觞c間距不大時，有時也將同步軸設(shè)置在高速輸入軸端，優(yōu)點是同步軸尺寸和質(zhì)量均較小，制造成本較低。但當(dāng)轉(zhuǎn)速大于400.0 r/min時，除計算強度、剛度外，還需驗算軸的臨界轉(zhuǎn)速，以避免軸發(fā)生較大振動引起共振而引發(fā)安全事故。

為使同步軸既滿足強度、剛度和防振要求，又不使軸的尺寸過大、過重，設(shè)計中對啟閉機同步軸的引出位置進(jìn)行了方案比較和分析。

3.3.1 同步軸位置的確定

該啟閉機的減速器為四級傳動，除高速輸入軸和末級輸出軸可供同步軸連接外，還可從1～3級中的任一級傳動的低速端引出軸伸連接同步軸。若同步軸從第4級的低速軸端引出，按1倍額定荷載計算，所選聯(lián)軸器規(guī)格及同步軸直徑均較大，制造成本較高。若同步軸從高速輸入軸引出，盡管所選聯(lián)軸器的規(guī)格與同步軸直徑較小，成本較低，但由于軸的轉(zhuǎn)速大于400.0 r/min，軸的臨界轉(zhuǎn)速驗算通不過，存在安全隱患。為確定最佳同步軸引出位置，設(shè)計中分別從1級、2級和3級傳動的低速端引出同步軸，并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟分析對比，發(fā)現(xiàn)從一級傳動的低速端引出同步軸即可滿足同步軸尺寸小、質(zhì)量小、不產(chǎn)生共振的要求。一級傳動的速比為14.6，則該級傳動低速軸的轉(zhuǎn)速為 720/14.6=49.3(r/min)，根據(jù)SL 41—2018規(guī)定，轉(zhuǎn)速不大于400.0 r/min的長軸無需考慮共振問題。從2級和3級傳動引出同步軸時，軸的轉(zhuǎn)速更低，運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，但軸和聯(lián)軸器的尺寸、質(zhì)量和制造成本明顯加大。故本啟閉機采用從減速器1級傳動的低速端引出同步軸［9－10］。

3.3.2 同步軸支撐形式的確定

對于不太長的同步軸，通常兩端各設(shè)1個聯(lián)軸器即可，中部無需設(shè)置支撐。但對于較長的同步軸，自重引起的撓度較大，中部必須設(shè)置支撐。該啟閉機的吊點間距接近15 m，屬于超長同步軸，經(jīng)計算，無論軸采用實心還是空心，其撓度均不能滿足SL 41—2018的要求。為減小軸的撓度，必須在軸的中部增加支撐。一般采用滾動或滑動軸承座，但由于軸較長，安裝和檢修均較困難。為解決該問題，設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，在中間支撐的軸承座內(nèi)采用“滾動軸承+短軸”的形式，軸承座兩端各增設(shè)一套聯(lián)軸器，然后再通過中間軸、聯(lián)軸器與減速器連接。雖然這種同步軸支承形式需要增加聯(lián)軸器數(shù)量，設(shè)備成本略有提高，但安裝、維護方便，后期維護費用降低，安全可靠。該啟閉機的同步軸中部設(shè)2個滾動軸承座，整個同步軸由3段中間軸和2段短軸共5段組成。

3.4 機架基礎(chǔ)荷載計算

升臥式閘門啟閉機無倍率，鋼絲繩由卷筒斜平引出，再通過導(dǎo)向輪與閘門吊耳連接，啟閉機承受較大的水平力。為防止啟閉機整機水平滑移，需對啟閉機的機架、卷筒、減速機等分別設(shè)置水平抗剪裝置，并將機架上卷筒組、減速器、電動機、制動器、應(yīng)急啟動裝置的支架以及導(dǎo)向滑輪支架均與啟閉機機架焊接成一整體框架，其中，導(dǎo)向滑輪支架底部通過地腳螺栓固定于地面。啟閉機框架結(jié)構(gòu)支承點多達(dá)8個，采用手工計算較為困難，且誤差較大，為此將框架梁簡化為桿件結(jié)構(gòu)(如圖5所示)，采用專用結(jié)構(gòu)力學(xué)計算軟件進(jìn)行計算，計算的各支點支承反力和水平力見表1。表中豎向力向下為負(fù)，向上為正;水平力向左為負(fù)，向右為正。

表1 機架基礎(chǔ)荷載計算結(jié)果Tab.1 Calculation results of the bracket base load

圖5 機架基礎(chǔ)荷載計算Fig.5 Base load calculation for the bracket

4 結(jié)束語

鑒江高嶺攔河閘重建工程升臥式工作閘門2×250 kN固定卷揚式啟閉機已投入運行，設(shè)備各方面運行情況良好，證明設(shè)計方案合理，啟閉機本質(zhì)安全可靠，可為今后同類型啟閉機的設(shè)計布置提供有益借鑒。