史田明，雷海，張小輝，仝巖峰

(1.鄭州水工機(jī)械有限公司，鄭州 450042； 2.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，杭州 310012； 3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450003； 4.三門峽新華水工機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472000)

0 引言

河口村水庫工程位于沁河干流最后一段峽谷出口(五龍口)以上約9 km處,距河南省濟(jì)源市約20 km。工程由攔河大壩、泄洪洞、溢洪道、灌溉引水洞及電站等建筑物組成。工程規(guī)模為大(Ⅱ)型，由大、小2個(gè)電站組成，大電站裝機(jī)容量為2×5.0 MW，小電站裝機(jī)為2×0.8 MW。

按照國(guó)家環(huán)保部門的要求，電站進(jìn)口要求分3層取水，從上游依次設(shè)清污機(jī)槽、攔污柵以及底層/中層/上層取水門等，啟閉設(shè)備為1臺(tái)沿順?biāo)鞣较蜻\(yùn)行的2 000 kN門式啟閉機(jī)。門式啟閉機(jī)共設(shè)置2套液壓自動(dòng)抓梁，1套用于啟閉攔污柵，1套用于啟閉3套取水門。為防止污物堵塞攔污柵，門式啟閉機(jī)下掛1套液壓清污抓斗。

1 門式啟閉機(jī)主要組成及技術(shù)參數(shù)

壩頂門式啟閉機(jī)主要由起升機(jī)構(gòu)、門架、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、夾軌器、電纜卷筒、司機(jī)室和電氣設(shè)備等組成(如圖1所示)，液壓自動(dòng)抓梁、清污抓斗、軌道及附件等為門式啟閉機(jī)的附屬設(shè)備。門式啟閉機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 門式啟閉機(jī)主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

起升機(jī)構(gòu)為單吊點(diǎn)，啟閉容量為2 000 kN，采用閉式齒輪傳動(dòng)集中驅(qū)動(dòng)布置方式。減速器選用大功率、大傳動(dòng)比、大輸出扭矩硬齒面減速器，裝配形式為底腳安裝式(G)。減速器高速軸一端通過帶制動(dòng)盤的聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)相連接，另一端安裝1個(gè)制動(dòng)盤；低速軸其中一端通過卷筒聯(lián)軸器與卷筒相連接。

圖1 門式啟閉機(jī)主要結(jié)構(gòu)

機(jī)構(gòu)項(xiàng)目參數(shù)主起升機(jī)構(gòu)額定啟門力/kN2000起升高度/軌上揚(yáng)程/m75.00/9.85啟閉速度/(m·min-1)0.25～5.00工作級(jí)別Q2-中大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行載荷/kN1000運(yùn)行速度/(m·min-1)2.00～20.00軌距/m7.00基距/m7.00工作級(jí)別Q2-中

電動(dòng)機(jī)以額定啟閉力(2 000 kN)、額定啟閉速度(2.50 m/min)計(jì)算靜功率，工作制為S3-40%(斷續(xù)周期,負(fù)載持續(xù)率為40%)，選用型號(hào)為YZP315M2-8的冶金及起重用變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)。2套制動(dòng)器分別安裝在減速器高速軸兩端，均為工作制動(dòng)器，并按總制動(dòng)力矩的1.25倍進(jìn)行選擇計(jì)算，選用型號(hào)為USB3-1-EB500/60的盤式制動(dòng)器。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的功率、卷筒扭矩和傳動(dòng)比的要求選用減速器，減速器型號(hào)為DL4SH21-250/G。

卷筒采用折線繩槽雙聯(lián)卷筒，名義直徑為1 500 mm，采用4層折線纏繞，鋼絲繩直徑40 mm，繩槽節(jié)距43 mm。卷筒左、中、右方各設(shè)一個(gè)階梯形擋環(huán)，鋼絲繩通過螺栓固定在卷筒兩端，安全圈2圈。為保證鋼絲繩在卷筒上纏繞均勻，嚴(yán)格按照SL 41—2011《水利水電啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》控制各層鋼絲繩的返回角：第1層至第2層返回角0.30°；第2層至第3層返回角1.22°；第3層至第4層返回角1.43°。

荷重控制儀采用壓式荷載限制器，型號(hào)為PR6201/34-30 t，共2套，分別位于平衡滑輪軸的兩側(cè)。在門式啟閉機(jī)司機(jī)室的控制屏和荷載限制屏上實(shí)時(shí)顯示吊點(diǎn)所承受的拉力。

高度指示裝置由行程限位開關(guān)、編碼器和顯示儀組成，型號(hào)為JHGD-1。高度指示裝置安裝在卷筒軸上，并在門式啟閉機(jī)司機(jī)室的控制屏和高度顯示屏上實(shí)時(shí)顯示閘門的開度。

2.2 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)由支承座、平衡梁、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、緩沖器裝置和清軌板裝置等組成。支承座上座板通過螺栓與門架下橫梁連接，下部通過鉸軸與平衡梁相連接。平衡梁上部與支承座連接，下部分別與主動(dòng)輪和從動(dòng)輪連接。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由帶有制動(dòng)器的電動(dòng)機(jī)通過減速器將扭矩傳遞到主動(dòng)輪，封閉傳動(dòng)。該種布置形式受力明確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)荷載為1 000 kN，電動(dòng)機(jī)的靜功率按克服運(yùn)行阻力、坡道阻力和風(fēng)阻力進(jìn)行計(jì)算，電動(dòng)機(jī)工作制為S3-40%。再根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率、主動(dòng)輪承受的扭矩、車輪直徑等，選用型號(hào)為L(zhǎng)HYM15-4E185、傳動(dòng)比為179、輸出轉(zhuǎn)速為8.12 r/min的空心軸減速器。車輪主動(dòng)軸直接插入減速器，通過脹緊套相連接，實(shí)現(xiàn)扭矩輸出。大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)共設(shè)4組臺(tái)車，每組設(shè)一主一從2個(gè)車輪。

為防止門式啟閉機(jī)停放時(shí)被大風(fēng)吹移，在門式啟閉機(jī)的2個(gè)下橫梁的中部設(shè)置了自鎖式夾軌器。當(dāng)門式啟閉機(jī)在大風(fēng)等外力作用下移動(dòng)時(shí)，夾軌鉗在偏心軸的作用下扭轉(zhuǎn)一定角度，將軌道卡死，確保門式啟閉機(jī)不再移動(dòng)。為防止夾軌器失靈或受非常規(guī)荷載的影響，在門式啟閉機(jī)2個(gè)下橫梁的中部設(shè)置了螺栓式錨定裝置。

3 起升機(jī)構(gòu)布置特點(diǎn)

門式啟閉機(jī)布置在進(jìn)水口壩頂，順?biāo)鞣较蜻\(yùn)行，從上游依次布置有清污抓斗槽、攔污柵槽、下層取水門槽、中層取水門槽、上層取水門槽、檢修孔、#1門庫、#2門庫等。清污抓斗槽中心線距大壩上游端可利用距離為6 425 mm，#2門庫中心線距大壩下游端可利用距離為5 486 mm，門式啟閉機(jī)上、下游兩緩沖器間距為9 080 mm。為保證門式啟閉機(jī)的運(yùn)行安全，軌道端部須設(shè)置車擋和限位開關(guān)等，約需占用1 200 mm左右。若將其起升機(jī)構(gòu)吊點(diǎn)中心與門式啟閉機(jī)上、下游緩沖器的中心重合布置，當(dāng)門式啟閉機(jī)吊點(diǎn)中心運(yùn)行至下游#2門庫上方時(shí)，端部空間尺寸約需9 080/2+1 200=5 740 (mm)，比#2門庫中心線距大壩下游端可利用距離超出了254 mm。為解決該難題，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了以下3種布置方案的比較分析。

(1)大壩加長(zhǎng)方案。當(dāng)起吊閘門，大壩下游空間不足時(shí)，最直接、最有效的辦法就是將#2門庫中心至大壩下游端可利用距離至加大至6 000 mm。

(2)同心布置方案。在其他條件不變的情況下，起升機(jī)構(gòu)吊點(diǎn)中心與門式啟閉機(jī)中心重合，將門機(jī)基距由7 000 mm減少到6 000 mm以內(nèi)，此時(shí)門式啟閉機(jī)上、下游兩個(gè)緩沖器間距為8 080 mm，當(dāng)門式啟閉機(jī)運(yùn)行至下游#2門庫上方起吊閘門時(shí)，端部尺寸約為8 080/2+1 200=5 240 (mm)，小于#2門庫中心線距大壩下游端可利用距離。

(3)偏心布置方案。門式啟閉機(jī)在順?biāo)鞣较?，吊點(diǎn)中心相對(duì)于門式啟閉機(jī)中心向下游移動(dòng)600 mm。該方案充分利用了門式啟閉機(jī)上游空間尺寸較下游空間尺寸大的特點(diǎn)。在門式啟閉機(jī)基距等條件不變的情況下，當(dāng)門式啟閉機(jī)運(yùn)行至下游#2門庫上方起吊閘門時(shí)，門機(jī)下游緩沖器距大壩端部的距離為1 546 mm，當(dāng)門機(jī)運(yùn)行至上游、起吊清污抓斗時(shí)，門機(jī)上游緩沖器距大壩端部距離1 285 mm。在該布置方案中，上下游均設(shè)有欄桿、車擋及限位開關(guān)撞尺的空間，大壩空間可滿足門機(jī)的運(yùn)行要求。

以上3套方案，均可滿足大壩空間布置要求。但方案1的土建工程量最大，較方案2、方案3的高出30 m3左右，工程投資約高出1萬元；方案2減小了門式啟閉機(jī)的基距，其防風(fēng)抗滑穩(wěn)定性較方案3降低了約15%。設(shè)計(jì)人員經(jīng)過研究，確定選用投資少、防風(fēng)抗滑穩(wěn)定性好的方案3作為最終施工方案。

4 景觀機(jī)房

常規(guī)門式啟閉機(jī)的機(jī)房布置主要從功能、防護(hù)和安全上考慮：首先考慮機(jī)房的密封防雨、防雷和通風(fēng)等；其次，需考慮機(jī)房的平面尺寸是否滿足起升機(jī)構(gòu)、電控柜及人行通道的布置要求。機(jī)房的高度還

應(yīng)滿足起升機(jī)構(gòu)小件物品檢修的要求：如電動(dòng)機(jī)維修時(shí)檢修起吊裝置應(yīng)能夠利用機(jī)房?jī)?nèi)的吊物孔將電動(dòng)機(jī)吊置于大壩平臺(tái)；機(jī)房的強(qiáng)度與剛度除應(yīng)滿足檢修起吊裝置起吊額定荷載安全外，還應(yīng)承受非工作風(fēng)壓的要求。

常規(guī)門式啟閉機(jī)機(jī)房一般多考慮功能要求，而較少考慮與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)與美觀。對(duì)于河口村水庫壩頂門式啟閉機(jī)的機(jī)房，用戶明確要求其外形設(shè)計(jì)必須與周圍環(huán)境及建筑物的協(xié)調(diào)。為此，設(shè)備設(shè)計(jì)人員與建筑景觀設(shè)計(jì)人員共同進(jìn)行研究，并進(jìn)行了多個(gè)外觀設(shè)計(jì)方案的比較分析。

(1)常規(guī)外形機(jī)房及外刷混凝土顏色漆方案。機(jī)房為常規(guī)機(jī)房，內(nèi)側(cè)鋼架，外側(cè)鋼板，四面墻壁呈平行四邊形布置，相鄰面相互垂直，頂部?jī)蓚€(gè)平面呈一定角度交叉布置，方便排水。為與周圍環(huán)境及建筑物協(xié)調(diào)，機(jī)房外側(cè)鋼板涂混凝土顏色面漆。

(2)常規(guī)外形機(jī)房及彩板外鋪鋅板方案。機(jī)房結(jié)構(gòu)同第1方案，外側(cè)的鋼板改為彩板外鋪鋅板。

(3)藝術(shù)機(jī)房及外刷混凝土顏色漆方案。機(jī)房在常規(guī)機(jī)房的前提下，將四面墻壁相交的直角升華為圓弧造型，其圓弧護(hù)板高度與機(jī)房頂平齊。藝術(shù)機(jī)房?jī)?nèi)側(cè)鋼架，外側(cè)鋼板，為增加其使用壽命，采用厚度為4 mm的鋼板。

以上3種方案均可滿足與周圍環(huán)境顏色相協(xié)調(diào)的要求，但第3種方案，除顏色與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)外，機(jī)房四角圓弧形造型與壩頂固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)機(jī)房建筑藝術(shù)造型一致，更好地滿足了用戶的景觀需求(如圖2所示)。

圖2 河口村門機(jī)景觀機(jī)房

5 結(jié)束語

河口村水庫工程壩頂2 000 kN門式啟閉機(jī)已通過型式試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，目前設(shè)備運(yùn)行良好。對(duì)順?biāo)鞣较蜻\(yùn)行的單向門式啟閉機(jī)，采用起升機(jī)構(gòu)吊點(diǎn)中心與門式啟閉機(jī)基距中心偏心布置形式，可有效減小吊點(diǎn)中心至一端建筑平臺(tái)邊緣的尺寸，從而減少土建工程量和投資。采用景觀機(jī)房，可保持與周圍建筑物的景觀協(xié)調(diào)，達(dá)到設(shè)備、建筑物與周圍環(huán)境的和諧，為今后水利工程同類門式啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)提供借鑒。