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水电站大型门机回转吊结构型式比较及稳定性解决方案
发表时间:2011-11-01   |  来源于:  |  编辑:  |  点击数:2639 
水电站大型门机回转吊结构型式比较及稳定性解决方案
 
【前  言】:随着我国水利水电工程事业的不断发展,越来越多的大型门机设置了大起重量、大回转半径的回转吊,其回转机构齿轮的啮合问题也更多受到关注,此外也有部分特殊工作条件的回转吊存在稳定性问题。本文通过三峡工程三期右岸坝顶4500/1200/400/100kN(I、II型)双向门机和广西右江百色水利枢纽工程1000/320kN双向门机回转吊的实例分析,提出了解决回转机构齿轮啮合的结构形式和特殊工作条件回转吊门机稳定性等问题的技术方案。
【关键词】:大型门机、回转吊、转柱式、转盘式、稳定性、液压支承装置
    近年来,随着以三峡、龙滩、小湾、构皮滩、溪洛渡、向家坝和锦屏水电站为代表的超大型水电站的建设,一大批大起重量、大扬程、大跨度、多机构门机也相继出现在水电站的大坝之上,实现着一机多用的目的,特别是回转吊越来越多的配置在门机上,其起重量、回转半径也越来越大。笔者所在单位(中国水电建设集团夹江水工机械有限企业)承担了三峡水电站大坝右岸4500/1200/400/100kN(I、II型)双向门机、南水北调中线工程丹江口水电站大坝5000/250kN双向门机、龙滩水电站坝顶2×2000/1000/400kN双向门机、构皮滩水电站坝顶2×1600/600/100kN双向门机等门机的设计。其中三峡水电站大坝右岸4500/1200/400/100kN(I、II型)双向门机均带有双回转吊,龙滩水电站坝顶2×2000kN/1000/400kN双向门机目前为止是国内水水电站跨度最大的门式启闭机,丹江口5000/250kN双向门机是已使用的起升载荷最大的门式启闭机之一。大型、多机构门机的应用,为大家起重设备的设计制造积累了宝贵的经验。
    在上述门机设计制造过程中多次得到了业主、工程设计单位、监理企业等专家的引导和建议,为上述设备,特别是回转吊的成功设计制造使用起到了很大的作用,笔者在此对两台门机设计中的经验进行分析总结,以期对今后的设计提供借鉴。
    1、三峡工程右岸坝顶4500/1200/400/100kN(I、II型)双向门机回转吊结构设计
    该门机是三峡工程坝顶最大的设备,门机主小车承担着水电站进口检修门、排沙孔进口挡水事故门、排漂孔进口事故门的启闭和吊运,以及快速闸门及液压启闭机的安装、检修吊运。副小车承担着水电站进口拦污栅的启闭和吊运。回转吊承担了水电站进口清洁设备的操作、拦污栅的坝面转运和坝面零星物品的吊运。
    1.1门机主要技术参数(见表1) 

1)主起升机构

3)回转吊回转机构

额定启门力

4500kN

回转载荷

400kN

起升高度(轨上/总)

22/130m

回转半径

15m

起升速度

0.252.5/5m/min

回转角度

185°

2)回转吊起升机构

4)大车行走机构

额定载荷

400kN

行走速度

1.020m/min

起升高度(轨上/总)

22/40m

轨距

16m

起升速度

0.707.0m/min

基距

14m

    1.2三峡工程三期右岸坝顶4500/1200/400/100kN(I、II型)双向门机回转吊结构的确定
    三峡工程举世瞩目,对设备性能的要求也是一流的,设计是保证整个设备是否满足合同要求的前提条件。从技术参数大家可以看出三峡大坝坝顶门机有双回转吊,而且回转吊起重量达到了400kN,回转半径达到了15m。
    在三峡大坝二期左岸两台同样规格的门机回转吊采用了转柱方式,回转吊安装难度较大、调试周期较长而且回转驱动开式齿轮啮合效果不理想。针对这些问题,在进行右岸坝顶门机初步设计时,对回转吊结构形式的特点进行了详细分析。具体如下:
    1.2.1 回转吊结构形式分析
    (1)转柱式回转吊结构
    转柱式回转吊结构的回转中心设置有一根立柱,一端固定于回转平台上,另一端采用滚动轴承支承在门架上悬臂梁上,臂架的一端铰接在立柱的下部,另一端与拉杆铰接,拉杆另一端与门架上悬臂梁铰接。起升机构设置在起升平台上,回转机构驱动装置设置在专门的回转平台上,大开式齿轮固定安装在门架的下悬臂梁上并与装设在驱动装置轴端的小开式齿轮啮合,在驱动装置的带动下,小开式齿轮围绕大开式齿轮转动,从而带动回转平台、立柱及臂架转动,实现回转吊的回转。 (见图1)
    转柱式结构的特点是:结构比较稳定,受力分析明确,设计计算比较简单,但回转机构的大齿轮设置在悬臂梁上,而小齿轮装设在回转平台上,起吊较大荷载时悬臂梁及门架结构的变形会导致大、小齿轮啮合不好,按规范要求齿轮啮合技术指标难以通过安装验收,而且使用中也会造成齿轮的磨损不均匀。2000年以前的水电站门机回转吊一般均采用转柱式结构。但如果有两套起升机构需布置在同一转柱式回转平台上,布置非常困难,而且转柱式回转吊上各润滑点不能全部实现自动注润滑脂。
    (2)转盘式回转吊结构
    转盘式回转吊结构是采用专用的回转支承,起升机构和回转驱动机构设置在一个回转平台上,臂架的一端与回转平台铰接,另一端与拉杆铰接,拉杆的另一端铰接在门架上悬臂梁上。回转驱动大开式齿轮安装在门架下悬臂梁上,同样与装设在驱动装置轴端的小开式齿轮啮合,在驱动装置的带动下,小开式齿轮围绕大开式齿轮转动,从而带动回转平台及臂架转动,实现回转吊的回转。该结构取消了回转立柱,减少了一个平台,使回转吊的结构得到了简化。(见图2) 
    转盘式结构的特点是:转盘式结构取消了回转立柱,减少了一个平台,因而结构简单,受力明确,但回转支承将承受较大的倾覆力矩。回转机构的大齿轮设置在悬臂梁,小齿轮和驱动机构装设在回转平台上,悬臂梁及门架结构的变形不会影响回转开式齿轮的啮合状态,同时拉杆、回转机构及回转平台结构等设计需要有较丰富的设计经验。
    1.2.2回转吊结构的确定
    在三峡大坝三期右岸坝顶4500/1200/400/100kN(I、II型)双向门机设计时,大家根据二期出现的一些问题并结合当前的技术发展,用有限元分析了该门机悬臂梁及门架的变形,结合两种回转结构的特点,最后确定采用转盘式回转吊结构。2004年由我企业设计制作的该门机在三峡大坝成功安装使用,获得了相关单位和专家的一致好评。
    构皮滩2×1600/600/100kN双向门机也是大吨位、多机构水电站起重设备的典型,其最主要的特点是回转吊起升载荷大,达到了600kN,为避免悬臂梁的变形导致大、小齿轮啮合不好,与三峡门机一样采用转盘式,实践证明,转盘式回转吊结构在水电工程门机上的应用是成功的,工地的安装、调试和使用情况良好。
    2、特殊工作条件下,回转吊引起的门机倾覆稳定性解决方案
    水利水电工程中,由于水工布置的限制,回转吊工作时可能造成门机整机稳定性不能满足规范要求,甚至出现失稳。下面以广西右江百色水利枢纽工程1000/320kN双向门机的设计为例,对特殊工作条件下解决门机倾覆稳定性的方案进行说明。
    广西右江百色水利枢纽工程1000/320kN双向门机装设于厂房和溢流坝段的坝顶上,主要用于溢流坝检修闸门、厂房进水口拦污栅、检修闸门、事故闸门、船闸上闸首挡洪检修闸门,上闸首输水廊道上游检修闸门,冲砂闸检修闸门等的启闭和吊运;用于溢流坝工作闸门、左右冲砂孔事故闸门、冲砂闸工作闸门及部分启闭机的安装和吊运等。其主要技术参数(见表2): 

主起升机构

 

回转吊起升机构

 

1) 额定启门力

1000kN

1) 额定启门力

320kN

2) 起升高度(轨上/总)

12/60m

2) 起升高度(轨上/总)

10.5/68m

3)轨距

11m

3)回转半径

10.5m

4)基距

6m

 

 

    2.1.回转吊工作最不利工况门机稳定性校核
    设计时需对门机各类工况按规范进行稳定性校核。从技术参数可以看出,回转半径10.5米,因回转机构布置需要,回转轴距离门腿距离为3.1米,由于该门机布置的特殊性,在进行门机稳定性计算时,发现最不利工况是:回转吊平行于大车运行机构轨道起升额定载荷(320kN) ,风平行于轨道吹,该工况下门机将失稳。
    对最不利工况稳定性采用力矩法进行初步校核计算 (主小车在上游极限位置)如下:
    按《起重机设计规范(GB3811)》:
    M稳- M倾≥0
    式中:M稳-门机稳定力矩
    M稳= G3×L2×0.90
    式中:G3–除回转吊之外的门机重量 1325kN
    L2–除回转吊之外的门机重量的力臂 3m
    则:  M稳=1325×3×0.90=3577.5 kN.m
    M倾-门机的倾覆力矩
    M倾=M1倾+ M2倾+ M3倾+ M惯倾
    M1倾-回转吊起升载荷产生的倾覆力矩
    M1倾=1.2×320×13.6=5222.4 kN.m
    M2倾-回转吊自重产生的倾覆力矩
    M2倾=1.2×(200×3.1+150×6.8)=1468 kN.m
    M3倾-工作风压产生的倾覆力矩
    M3倾=H0×FW
    式中:H0-门机的风力计算高度,按作用于门架上平面
    计算 14.5m
    FW-工作风载荷
    FW=C×A×q×Kh
    式中:C – 风力系数 1.2
    A–受风面积 180 m2
    qⅢ– 计算风压 250 N/m2 
    Kh– 高度系数 1.0
    则:F W=1.2×180×250×1.0= 54kN
    则:M3倾=14.5×54=783 kN.m
    M倾=M1倾+ M2倾+ M3倾=5222.4++1468+783=7475 kN.m
    M稳- M倾=3577.5-7475=-3897.5kN.m≥0 通不过
    由于从水工布置和门机功能调整(如取消回转吊改设副小车)等方面无法解决门机的倾覆稳定性问题,而稳定性是该门机设计需要解决的关键问题。在国内水电站曾出现过在回转吊起吊重物回转时车轮踏面离轨的情况,其安全性受到很大的影响。
    2.2. 液压辅助支撑装置技术方案及稳定性校核
    大家经过分析和比较,提出了液压辅助支承装置(已获国家专利,专利号:ZL200320114748.1)的解决方案。该方案的主要措施是在回转吊支座处正下方的下横梁下装设液压支承装置,该液压支承装置作为门机新的支点使回转吊工作时产生的倾覆力矩减小,而门机自重产生的抗倾覆力矩增加。液压支承装置采用液压系统控制,平时回缩,脱离轨道,门机行走正常;当回转吊需要工作时,液压缸伸出,支承在轨道上发挥作用。为防止误操作,液压支承装置的控制系统与回转吊的控制系统进行互锁。增加液压辅助支承装置后稳定性校核计算如下:
    最不利工况稳定性校核计算 (主小车在上游极限位置)具体如下:
    按《起重机设计规范(GB3811)》:
    M稳- M倾≥0
    式中:M稳-门机稳定力矩
    M稳= G3×L2×0.90
    式中:G3–除回转吊之外的门机重量 1325kN
    L2–除回转吊之外的门机重量的力臂 6.1m
    则:M稳=1325×6.1×0.90=7274 kN.m
    M倾-门机的倾覆力矩
    M倾=M1倾+ M2倾+ M3倾+ M惯倾
    M1倾-回转吊起升载荷产生的倾覆力矩
    M1倾=1.2×320×10.5=4032 kN.m
    M2倾-回转吊自重产生的倾覆力矩
    M2倾=1.2×150×5=900 kN.m
    M3倾-工作风压产生的倾覆力矩
    M3倾=H0×FW
    式中:H0-门机的风力计算高度,按作用于门架上平面
    计算 14.5m
    FW-工作风载荷
    FW=C×A×q×Kh
    式中:C – 风力系数 1.2
    A–受风面积 180 m2
    qⅢ– 计算风压 250 N/m2
    Kh– 高度系数 1.0
    则:F W=1.2×180×250×1.0= 54kN
    则:M3倾=14.5×54=783 kN.m
    M倾=M1倾+ M2倾+ M3倾=4032+900+783=5715 kN.m
    M稳- M倾=7274-5715=1559kN.m≥0 通过
     3、 结束语
    鉴于转柱式回转吊与转盘式回转吊各自的特点,可以说多数条件下采用转盘式回转吊结构是合理的,但这也并不是说转柱式就被淘汰了,比如回转起升轨上扬程比主起升轨上扬程大得较多时,采用转柱式可能更合理。2004年以后,随着三峡工程右岸坝顶4500kN(I、II型)双向门机回转吊转盘式结构的成功应用,已成为水电站大型门机回转吊设计的主要结构形式之一。
    对于大型门机来讲,其倾覆稳定性是很重要的一个安全指标。如果水工布置和机构设置不能很好的解决,可以设置适当的辅助支撑装置(液压或电动)来解决特殊工作条件下,门机的倾覆稳定性问题,从而保证门机的使用安全。
 
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