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摘要: 水布埡水利樞紐放空洞事故閘門啟閉機(jī)最大揚(yáng)程達(dá)159m，啟門力達(dá)3200kN，在國(guó)內(nèi)同類機(jī)型中揚(yáng)程最高。結(jié)合該閘門啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)探討了高揚(yáng)程、大容量卷揚(yáng)式啟閉機(jī)的特點(diǎn)，如多層纏繞、折線繩槽卷筒、鋼絲繩偏角等問題。該啟閉機(jī)經(jīng)試運(yùn)行達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。水布埡放空洞高揚(yáng)程、大容量啟閉機(jī)的工程運(yùn)用實(shí)例，為將來在其它水電站上使用同類機(jī)型，提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān) 鍵 詞: 高揚(yáng)程;大容量;啟閉機(jī);設(shè)計(jì);水布埡水利樞紐

中圖分類號(hào): TV664 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A

　　水布埡水利樞紐工程位于湖北清江上游，是我國(guó)目前設(shè)計(jì)水頭最高的混凝土面板堆石壩，為了保證大壩運(yùn)行安全，設(shè)置了放空洞建筑物。放空洞事故閘門設(shè)計(jì)擋水水頭152.0m，閘門啟閉機(jī)最大揚(yáng)程達(dá)159m，啟門力3200kN，為國(guó)內(nèi)同類機(jī)型中揚(yáng)程最高的。以下就放空洞檢修門啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)作簡(jiǎn)要介紹。

1 啟閉機(jī)的組成與主要參數(shù)

　　該設(shè)備為多層纏繞固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，整機(jī)由兩套對(duì)稱布置的起升機(jī)構(gòu)、固定機(jī)架、電氣控制3部分組成。起升機(jī)構(gòu)由鋼絲繩、卷筒裝置、動(dòng)滑輪組、定滑輪組、平衡滑輪及過載保護(hù)裝置、行程限位裝置、閉式減速器、電動(dòng)機(jī)等組成，并在減速器的高速軸兩端分別設(shè)置了工作制動(dòng)器安全制動(dòng)器，安全制動(dòng)器延時(shí)上閘。兩套起升機(jī)構(gòu)的動(dòng)滑輪組通過平衡梁與閘門的吊軸相聯(lián)接，在兩套起升機(jī)構(gòu)中某一套的動(dòng)滑輪組與另一套動(dòng)滑輪組在高度差達(dá)最大時(shí)（由卷筒直徑加工誤差引起），平衡梁將發(fā)生小于4°的傾斜，但閘門與平衡梁相聯(lián)的吊點(diǎn)為單吊點(diǎn)，閘門將始終保持垂直，不會(huì)卡阻在門槽內(nèi)。

啟閉機(jī)的主要參數(shù):

額定啟門力 3200kN

總起升高度/壩面以上 159/13.85m

起升速度 2.64m/min

減速器總傳動(dòng)比 200.3

水平中心距 1760mm

電機(jī)功率 2×110kW（S2.60min）

卷筒底直徑 1650mm

鋼絲繩直徑 36mm

纏繞層數(shù) 3

制動(dòng)器 YWZ-500/E201

行程開關(guān) 180HGE553SIROMAG

開度儀 AVM58N P+F

壓力傳感器 CC系列60t級(jí)SIEMENS

2 啟閉的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 起升機(jī)構(gòu)布置

　　在起升機(jī)構(gòu)的布置上，比較了兩個(gè)方案:①采用一套雙聯(lián)卷筒的起升機(jī)構(gòu)，滑輪組軸線與卷筒軸線平行布置，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)滑輪組倍率m=8時(shí)，鋼絲繩直徑d=46mm，卷筒直徑D=2.4m，要完成159m的總揚(yáng)程，需要4層纏繞;②采用兩套雙聯(lián)卷筒的起升機(jī)構(gòu)，滑輪組軸線與卷筒軸線垂直布置，當(dāng)滑輪組倍率m=6時(shí)，計(jì)算得出鋼絲繩直徑d=36mm，卷筒直徑D=1.65m，3層纏繞可滿足159.0m揚(yáng)程。

　　上述兩個(gè)方案的起升機(jī)構(gòu)均為多層纏繞，設(shè)計(jì)時(shí)均要滿足鋼絲繩的返繩偏角的要求，方案1揚(yáng)程高、容量大的矛盾較明顯。方案2由于兩套起升機(jī)構(gòu)平均分擔(dān)了總?cè)萘浚摾K的直徑較小，布置上對(duì)偏角控制較方案1容易做到，纏繞層數(shù)僅需3層，且返繩墊環(huán)的加工難度較4層纏繞小，進(jìn)一步計(jì)算表明方案2返繩偏角在卷筒兩端可控制在1.5°內(nèi)，這是多層纏繞卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，如果一套起升機(jī)構(gòu)采用3層纏繞，將返繩偏角控制在1.5°有困難，為了滿足返繩偏角要求，卷筒直徑要加大，減速器出軸扭矩隨之增大（或增加開式齒輪，整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸隨之增大），而且對(duì)土建的基礎(chǔ)荷載不對(duì)稱，土建設(shè)計(jì)增加工程量。兩方案比較后，確定采用了方案2。

　　但方案2存在兩套起升機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速上必有差別的問題，解決的方法是將一根鋼絲繩通過平衡滑輪分別繞在兩個(gè)卷筒上（這兩個(gè)卷筒分別由各自電機(jī)驅(qū)動(dòng)）。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速不同時(shí)，鋼絲繩通過平衡滑輪自動(dòng)調(diào)整兩側(cè)的長(zhǎng)度（平衡滑輪兩側(cè)的鋼絲繩分別纏繞到不同電機(jī)驅(qū)動(dòng)的卷筒上），當(dāng)一套起升機(jī)構(gòu)同軸線上的兩卷筒直徑相同時(shí)，兩套起升機(jī)構(gòu)的吊點(diǎn)將在高度上始終保持一致，從設(shè)計(jì)上解決了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差對(duì)吊點(diǎn)高度的影響。

　　方案2的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)一臺(tái)電機(jī)故障，另一臺(tái)單獨(dú)工作仍能啟閉閘門（但速度減半），提高了閘門事故工作的可靠性。該布置方案較好地解決了揚(yáng)程高，容量大的矛盾，使整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸合理，傳給土建的基礎(chǔ)荷載對(duì)稱，利于土建排架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并降低了單個(gè)零部件的尺寸和重量。減小了加工難度，也給運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝提供了條件。

2.2 鋼絲繩偏角的控制

　　在多層纏繞的卷揚(yáng)式啟閉機(jī)設(shè)計(jì)中，鋼絲繩相對(duì)卷筒軸線橫截面的角度稱為“鋼絲繩偏角”。它在鋼絲繩繞入卷筒的過程中是變化的，在卷筒兩端，鋼絲繩的纏繞從低層向高層過渡時(shí)的偏角，稱為“返繩偏角”，是多層纏繞設(shè)計(jì)中主要控制參數(shù)，《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》建議該角度不大于2.0°。

　　該角度大小實(shí)際上反映了鋼絲繩受載時(shí)水平分力的大小、水平分力過大，在返繩時(shí)會(huì)發(fā)生“跳槽”現(xiàn)象（鋼絲繩返繩偏角控制的目的是希望鋼絲繩在返回時(shí)按設(shè)計(jì)整齊排列，每轉(zhuǎn)一圈，鋼絲繩沿卷筒軸線方向前進(jìn)一個(gè)節(jié)距，繩間不擠壓、不跳槽，鋼絲繩在卷筒上整齊排列）。若在第2層發(fā)生跳槽，由于第3層鋼絲繩是將第2層作為繩槽使用的，第3層必然亂繩，這種現(xiàn)象在設(shè)計(jì)上是不允許的。一般認(rèn)為較理想的鋼絲繩返回偏角應(yīng)控制在0.5°～1.5°之間，本設(shè)計(jì)通過合理的布置將鋼絲繩在卷筒兩端返繩偏角控制在1.5°以內(nèi)，其中第1層過渡到第2層返繩偏角為θ1 =1.435°，第2層向第3層鋼絲繩過渡的返繩偏角θ2 =1.394°，并控制第3層鋼絲繩的極限偏角（當(dāng)揚(yáng)程達(dá)到上極限位，鋼絲繩對(duì)卷筒軸橫剖面的偏角）θ3 =1.5°;由于鋼絲繩每根長(zhǎng)度2050m，在受載后有約1‰的彈性伸長(zhǎng)，當(dāng)彈性伸長(zhǎng)部分繞入卷筒上后，偏角θ3 接近2.0°，但仍在規(guī)范允許范圍內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)聯(lián)門調(diào)試中觀察到，鋼絲繩從第1層到第2層（第2層到第3層）過渡時(shí)，返繩平順，鋼絲繩排列整齊，無跳槽;在最終到達(dá)上極限位時(shí)在θ3 接近2°時(shí)，相鄰圈鋼絲繩相互擠壓現(xiàn)象較明顯，但未發(fā)生疊繞，說明本設(shè)計(jì)對(duì)鋼絲繩的返繩偏角控制是合理的。

2.3 折線繩槽卷筒

　　平行線槽折線型卷筒的特點(diǎn)是繩槽在卷筒的每一周范圍內(nèi)均由直線繩槽和斜線繩槽組成，且每一圈的直線繩槽和斜線繩槽位置完全相同。鋼絲繩在進(jìn)行多層纏繞時(shí)，通過斜線繩槽來固定上層鋼絲繩與下層鋼絲繩交叉過渡點(diǎn)的位置，使上層鋼絲繩的交叉在斜線段完成。在直線繩槽段，上層鋼絲繩完全落入兩根下層鋼絲繩形成的凹槽內(nèi)，繩間形成線接觸，使上下層鋼絲繩之間的接觸穩(wěn)定。在返繩時(shí)，配合卷筒兩端帶有返回凸緣的階梯擋環(huán)，引導(dǎo)鋼絲繩順利爬升并返回，避免鋼絲繩由于相互切入擠壓而造成的亂繩。因此，平行線槽折線型卷筒再配合帶有返回凸緣的階梯擋環(huán)，能較好地使鋼絲繩排列整齊并且及平穩(wěn)地過渡到上一層，是實(shí)現(xiàn)多層纏繞，提高卷揚(yáng)式啟閉機(jī)揚(yáng)程的有效方法之一。

2.3.1 折線卷筒結(jié)構(gòu)

　　折線卷筒結(jié)構(gòu)形式有雙折線繩槽卷筒和單折線繩槽卷筒兩種，水布埡放空洞進(jìn)水口事故閘門卷揚(yáng)啟閉機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)形式為雙折線繩槽卷筒，卷筒繩槽底徑為1650mm。兩斜線繩槽對(duì)應(yīng)圓周角各為52°，兩直線繩槽對(duì)應(yīng)圓周角各為128°，斜線繩槽段相間對(duì)稱布置。斜線繩槽升角為1.355°，有文獻(xiàn)建議，為使鋼絲繩從直線繩槽段順利地進(jìn)入斜線槽段，斜線繩槽升角在1°～1.5°。在本啟閉機(jī)實(shí)際調(diào)試運(yùn)行中，鋼絲繩從直徑繩槽段進(jìn)入斜線繩槽段時(shí)是比較順利的，斜線段鋼絲繩排列整齊、無相互擠壓。對(duì)于多層纏繞，卷筒繩槽的節(jié)距應(yīng)略小于標(biāo)準(zhǔn)繩槽的節(jié)距，水布埡放空洞進(jìn)水事故閘門卷揚(yáng)啟閉機(jī)鋼絲繩直徑36mm，卷筒繩槽節(jié)距為38mm，節(jié)距繩徑比為1.056。

　　雙折線繩槽卷筒的特點(diǎn)是斜線繩槽段與直線繩槽段相間對(duì)稱布置，每一周繩槽通過兩段斜線槽沿軸向繞進(jìn)一個(gè)節(jié)距，即每一段斜線槽前進(jìn)半個(gè)節(jié)距，這種對(duì)稱布置有利于卷筒加工，但也存在不足，就是從第2層開始，鋼絲繩通過交段過渡后的直線繩槽段內(nèi)會(huì)形成一個(gè)寬度為半個(gè)繩徑的空檔，這個(gè)空檔會(huì)對(duì)第3層及以上層的鋼絲繩有所影響，第3層及以上層的鋼絲繩有可能會(huì)落入此空檔，使鋼絲繩產(chǎn)生一定的擠壓、磨損。但在實(shí)際運(yùn)行中，由于高揚(yáng)程卷揚(yáng)式啟閉機(jī)額定荷載一般只在孔口以下的一小段行程內(nèi)，而孔口以上的大部分行程段的荷載為閘門自重，所以，只要保證額定荷載段鋼絲繩纏繞在卷筒的第1層上，雙折線繩槽卷筒的這個(gè)不足就不會(huì)影響到啟閉機(jī)的實(shí)際運(yùn)行。

2.3.2 階梯擋環(huán)

　　階梯擋環(huán)的作用是使鋼絲繩從下層平穩(wěn)地過渡到上一層，并使鋼絲繩順利返回，即對(duì)起鋼絲繩起抬升和返繩導(dǎo)向作用。對(duì)于雙折線繩槽卷筒，配套的階梯擋環(huán)由3段組成，第1段與卷筒第1個(gè)斜繩槽段對(duì)應(yīng)，沿軸向?qū)挾扔梢粋€(gè)繩槽寬度逐漸變?yōu)榘雮€(gè)繩槽寬度，沿徑向的厚度由0逐漸增加為一個(gè)鋼絲繩層高，其作用是當(dāng)鋼絲繩繞至此時(shí)，擋環(huán)將它抬高至上一層鋼絲繩的高度;第2段與卷筒直繩槽段對(duì)應(yīng)，其寬度為半個(gè)繩槽寬，厚度一個(gè)層高，是一個(gè)等厚等寬的環(huán)面，其作用是使被抬高后的鋼絲繩落在由擋環(huán)段和鄰近的下一層鋼絲繩所共同形成的溝槽內(nèi);第3段與卷筒第2個(gè)斜繩槽段對(duì)應(yīng)，其寬度由半個(gè)繩槽寬逐漸變?yōu)?，厚度均為一個(gè)鋼絲繩層高，其作用是使鋼絲繩返回，鋼絲繩在返繩擋環(huán)墊和鋼絲繩水平拉力和共同作用下與下層鋼絲繩交叉，并跨半個(gè)節(jié)距過渡到相鄰的下一層鋼絲繩形成的直線溝槽內(nèi)，從而完成鋼絲繩層與層之間的過渡。

2.4 行程限位、過載保護(hù)裝置

　　本啟閉機(jī)在起升機(jī)構(gòu)上各安裝了一套行程限位裝置（包括旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)與二次儀表兩個(gè)部分）。旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)安裝在卷筒的出軸上，二次儀表安裝在機(jī)房的電控柜上。當(dāng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)同步旋轉(zhuǎn)，并將位置信號(hào)輸出到電氣柜，以控制閘門的位置，根據(jù)閘門的運(yùn)行要求設(shè)置了4個(gè)限位工作點(diǎn)，即閘門全關(guān)閉位，平壓閥開啟位（提門前充水平壓），閘門上極限工作位，啟閉機(jī)上限安全位;但平壓閥開啟位距閘門全關(guān)閉位揚(yáng)程僅為0.5m，距閘門全開位揚(yáng)程145.0m，兩者之比為290，所以對(duì)旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)的位置精度要求較高，特選用了德國(guó)進(jìn)口的位置信號(hào)發(fā)送器，以保證設(shè)定的工作位置準(zhǔn)確發(fā)訊。

　　啟閉機(jī)的過載保護(hù)裝置由壓式荷重傳感器配二次儀表組成，主要功能是在起升、下降過程中閘門卡阻發(fā)出報(bào)警信號(hào)，保護(hù)設(shè)備的安全。壓電式傳感器布置在平衡滑輪支座的正下方，并呈三角形分布，其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)滑輪座發(fā)生微量?jī)A斜時(shí)，稱量的總值不變，提高了稱量的準(zhǔn)確性，以保證其稱量綜合精度控制在3%之內(nèi)，在每個(gè)平衡滑輪下設(shè)3個(gè)600kN級(jí)的壓式稱重傳感器，稱量總荷載為3600kN。

3 結(jié)語

　　本啟閉機(jī)在2005年5月現(xiàn)場(chǎng)安裝后進(jìn)行了調(diào)試，10月份進(jìn)行了階段驗(yàn)收，在試運(yùn)行中，鋼絲繩在卷筒上排列緊湊、整齊，在卷筒兩端鋼絲繩從低層向高層過渡時(shí)平順，無跳槽、纏亂現(xiàn)象。開度顯示，行程限位信號(hào)發(fā)訊正確，調(diào)試達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期要求。