自動(dòng)抓梁設(shè)計(jì)的探討

趙瑞花

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，太原 030024）

在水利水電工程中，閘門自動(dòng)抓梁的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。當(dāng)采用移動(dòng)式啟閉機(jī)操作多孔口閘門或者是采用疊梁式檢修閘門，閘門起吊頻繁時(shí)，為保證水下工作的準(zhǔn)確性，采用自動(dòng)抓梁尤為適宜。

自動(dòng)抓梁的形式有很多種，但掛、脫鉤的原理基本相同。如何選擇合適的自動(dòng)抓梁形式，需要根據(jù)閘門的大小及自動(dòng)抓梁的起吊容量來(lái)決定。適用于小型閘門的自動(dòng)抓梁形式有：重錘吊鉤式、重錘轉(zhuǎn)鉤式、自動(dòng)掛鉤式、自動(dòng)吊環(huán)式、手動(dòng)穿銷式等。適用于大、中型閘門的自動(dòng)抓梁形式有：夾鉗式、掛脫自如式、液壓式等。

自動(dòng)抓梁要圓滿地完成掛、脫鉤操作，吊鉤設(shè)計(jì)是否合理最為關(guān)鍵，然而，在現(xiàn)有的資料中均找不到對(duì)自動(dòng)抓梁設(shè)計(jì)的分析及計(jì)算。下面具體就對(duì)我院在十里河水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中采用的自動(dòng)抓梁主要部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)剖析，以供同行參考。

1 自動(dòng)抓梁形式選擇

十里河水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的灌溉輸水洞設(shè)置有1孔疊梁檢修門槽，孔口尺寸為1.2m×5.3m，工作水頭為4.8m，靜水啟閉。該疊梁檢修閘門共分為4節(jié)，每節(jié)1.3m，采用50kN移動(dòng)式電動(dòng)葫蘆配自動(dòng)抓梁起吊。由于該閘門屬于小型閘門，且起吊容量小，綜合適用于小型閘門的各種自動(dòng)抓梁形式的優(yōu)、缺點(diǎn)，最終選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的重錘吊鉤式（重錘采用加重塊）自動(dòng)抓梁。

自動(dòng)抓梁掛住閘門時(shí)的位置示意圖如圖1。圖中用雙點(diǎn)劃線表示閘門部件的相對(duì)位置。

2 自動(dòng)抓梁掛、脫鉤原理

自動(dòng)抓梁掛、脫鉤原理圖如圖2所示。圖中用雙點(diǎn)劃線表示吊鉤掛、脫鉤完成時(shí)的狀態(tài)。原理如下：

圖1 自動(dòng)抓梁掛住閘門的位置示意圖

1）掛鉤時(shí)：把擋板鎖定在擋板銷所在位置，抓梁下落過(guò)程中，吊鉤靠自重及重錘作用處于垂直狀態(tài)。當(dāng)自動(dòng)抓梁下放到吊鉤與閘門吊耳軸碰接時(shí)，在吊耳軸的阻擋作用下，吊鉤的外緣圓弧面滑過(guò)閘門吊耳軸，吊鉤處于傾斜狀態(tài)。自動(dòng)抓梁繼續(xù)下落，等到抓梁限位板接觸疊梁閘門主梁腹板后，這時(shí)提升抓梁，吊鉤緊靠吊耳軸向上滑動(dòng)使吊耳軸滑入吊鉤內(nèi)，繼續(xù)提升抓梁，吊鉤在閘門重力作用下又恢復(fù)到垂直狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)掛鉤。

2）脫鉤時(shí)：把擋板解鎖，使其處于自然下落狀態(tài)，自動(dòng)抓梁隨同閘門一起下落，當(dāng)閘門下落到底檻或下節(jié)疊梁門的頂梁以后，抓梁繼續(xù)下落，吊鉤沿閘門吊耳軸下滑，同時(shí)吊耳軸推動(dòng)擋板向上轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)擋板脫離吊耳軸后，擋板靠自重下落復(fù)位。等到抓梁限位板接觸到閘門頂主梁腹板，無(wú)法再繼續(xù)下落，這時(shí)提升抓梁，吊鉤在擋板作用下越過(guò)吊耳軸，實(shí)現(xiàn)脫鉤。

3 自動(dòng)抓梁設(shè)計(jì)

圖2 自動(dòng)抓梁掛、脫鉤原理圖

3.1 吊鉤設(shè)計(jì)

現(xiàn)在我國(guó)的吊鉤業(yè)已標(biāo)準(zhǔn)化，為簡(jiǎn)化計(jì)算，該吊鉤的外形尺寸基本采用50kN吊鉤標(biāo)準(zhǔn)尺寸。吊鉤材料采用GB10051.2-5《起重吊鉤》中DG20吊鉤專用鋼。

為保證自動(dòng)抓梁在起吊閘門時(shí)掛、脫鉤自如，吊鉤下落的距離是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。從自動(dòng)抓梁掛、脫鉤原理圖中可以看出，吊鉤需要下落的距離在脫鉤時(shí)比掛鉤時(shí)長(zhǎng)，因此，吊鉤下落距離以脫鉤極限位置為計(jì)算依據(jù)。

自動(dòng)抓梁起吊的疊梁檢修閘門，根據(jù)門體結(jié)構(gòu)的具體情況，設(shè)計(jì)單節(jié)閘門吊耳軸中心距頂主梁腹板的距離為275mm。查50kN電動(dòng)葫蘆樣本可知，吊耳軸軸徑為φ60mm。由50kN標(biāo)準(zhǔn)吊鉤的尺寸可知，吊鉤內(nèi)圓弧面直徑為φ85mm，吊鉤吊桿的寬度為82mm，吊鉤鉤心距吊鉤鉤底的最大垂直距離為125mm。設(shè)定擋板螺栓中心距擋板端部的距離為110mm，距吊鉤鉤心所在位置縱、橫坐標(biāo)軸的垂直距離分別為15mm和55mm。吊鉤轉(zhuǎn)動(dòng)軸距吊鉤鉤心的距離為L(zhǎng)，吊鉤脫鉤時(shí)下落的最小距離為Δ，吊鉤脫鉤時(shí)與垂直方向的夾角為θ。

吊鉤脫鉤時(shí)的極限位置為擋板正好滑到與吊耳軸半徑成一直線的位置，此時(shí)，圖2（b）中以吊鉤兩個(gè)狀態(tài)的中心線及相應(yīng)的坐標(biāo)軸和擋板中心線及一些輔助線組成的三角形計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3，三角形各對(duì)應(yīng)點(diǎn)用圖中相應(yīng)字母表示（注：圖中O1、O3點(diǎn)分別代表吊鉤掛住閘門吊耳軸時(shí)的吊鉤轉(zhuǎn)動(dòng)軸中心和吊鉤鉤心；O2、O4點(diǎn)分別代表吊鉤在脫鉤極限位置時(shí)的吊鉤轉(zhuǎn)動(dòng)軸中心和吊鉤鉤心；O5點(diǎn)代表閘門吊耳軸中心；O6、E點(diǎn)分別代表吊鉤脫鉤極限位置時(shí)的擋板螺栓中心和吊鉤鉤底最低點(diǎn)），方程中有關(guān)尺寸參照?qǐng)D1。

根據(jù)三角形相互間的關(guān)系，可列出以下方程式：

在ΔO2O5A中，

圖3 吊鉤脫鉤極限位置計(jì)算簡(jiǎn)圖

將①、②、③關(guān)系式代入方程④中，最終得出Δ與L的關(guān)系方程式：

再根據(jù)吊鉤在脫鉤極限位置時(shí)應(yīng)滿足吊耳軸中心距吊鉤鉤底縱向的垂直距離小于吊耳軸中心距閘門頂主梁腹板的距離，即滿足不等式：

吊鉤能夠脫鉤下落的距離最小為上述吊鉤脫鉤極限位置，下落的距離最大應(yīng)為自動(dòng)抓梁梁底與吊耳軸碰接的位置。即吊鉤下落的實(shí)際距離Δ實(shí)滿足不等式：

根據(jù)方程⑤得知：當(dāng)（L-Δ實(shí)）=117.5mm時(shí)，L值為最小。即求得L=274.4mm。取L實(shí)=380mm，將其代入方程⑤中，算出滿足方程的Δ=166.5mm；將其代入不等式⑥中，可知，Δ＜197mm。

由不等式⑦知，166.5mm≤Δ實(shí)≤262.5mm。

因此，能夠使自動(dòng)抓梁順利脫鉤的Δ實(shí)的取值范圍應(yīng)為：166.5mm≤Δ 實(shí)＜197mm。

3.2 限位板設(shè)計(jì)

自動(dòng)抓梁限位板是焊接在抓梁梁體結(jié)構(gòu)上的，目的是使抓梁在掛、脫鉤時(shí)的操作有一個(gè)尺度，明確其提升時(shí)間，提高其水下工作的準(zhǔn)確性。由于限位板是隨自動(dòng)抓梁一同下落實(shí)現(xiàn)掛、脫鉤操作的，因此，限位板長(zhǎng)度也應(yīng)以吊鉤脫鉤時(shí)下落的實(shí)際距離為計(jì)算依據(jù)。

限位板下落的距離等于吊鉤在脫鉤時(shí)下落的實(shí)際距離Δ實(shí)。根據(jù)L實(shí)值的大小，可知抓梁梁底距吊鉤鉤心的距離為280mm，抓梁梁底距限位板底端的長(zhǎng)度為L(zhǎng)限。在吊鉤完全脫鉤時(shí)，限位板底端應(yīng)正好落在閘門的頂主梁腹板上，L限應(yīng)滿足方程：L限+Δ實(shí)=（280+12.5+275）mm，即：L限=567.5-Δ實(shí)。根據(jù)Δ實(shí)的取值范圍可推出：370.5mm＜L限＜401mm。取L限=380mm，求得Δ實(shí)=187.5mm?？梢?jiàn)，Δ實(shí)在其取值范圍內(nèi)，能夠滿足自動(dòng)抓梁順利脫鉤的要求。

3.3 重錘設(shè)計(jì)

此工程中所采用的自動(dòng)抓梁形式有別于一般的重錘吊鉤式，優(yōu)點(diǎn)在于該重錘采用的是加重塊，并用重錘連接螺栓固定在吊鉤懸臂段上，掛、脫鉤時(shí)均不需要人力來(lái)搬動(dòng)重錘，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掛、脫鉤。

吊鉤鉤體與重錘之間的吊鉤懸臂段下面設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)螺栓，作為吊鉤與重錘旋轉(zhuǎn)的支點(diǎn)。根據(jù)杠桿原理，列出力矩平衡方程。鑒于吊鉤外形為不規(guī)則形狀，其重量難以準(zhǔn)確計(jì)算，因此，根據(jù)估算的吊鉤重量以及設(shè)定的重錘連接螺栓位置，初步計(jì)算出重錘重量并確定其外形尺寸。設(shè)計(jì)時(shí)可在吊鉤懸臂段上開(kāi)一個(gè)長(zhǎng)螺栓孔，有利于靈活地調(diào)整重錘位置，實(shí)現(xiàn)整體平衡。

4 自動(dòng)抓梁設(shè)計(jì)中的問(wèn)題與解決方法

4.1 無(wú)法準(zhǔn)確起吊閘門

自動(dòng)抓梁與疊梁檢修閘門均設(shè)有側(cè)滑塊，兩邊側(cè)滑塊距門槽的距離均為10mm。起吊過(guò)程中，兩者吊點(diǎn)中心線沿孔口寬度方向產(chǎn)生的最大錯(cuò)距達(dá)到了20mm，此時(shí)，極有可能導(dǎo)致自動(dòng)抓梁吊鉤卡死或反轉(zhuǎn)，最終無(wú)法實(shí)現(xiàn)閘門起吊。

解決方法：

1）將標(biāo)準(zhǔn)吊鉤的鉤底設(shè)計(jì)成偏心，即吊鉤鉤底的最低點(diǎn)遠(yuǎn)離吊鉤鉤尖，并且與吊鉤中心線錯(cuò)開(kāi)20mm以上，保證掛鉤時(shí)始終是吊鉤鉤底最低點(diǎn)到吊鉤鉤尖的這一側(cè)與吊耳軸接觸。對(duì)吊鉤進(jìn)行受力分析得知，吊鉤有向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，有利于實(shí)現(xiàn)掛鉤。

2）合理地調(diào)整重錘的位置，使吊鉤的力矩略大于重錘的力矩，在自然狀態(tài)下，吊鉤將略微向上傾斜。掛鉤時(shí)，受吊耳軸的阻擋作用，吊鉤繼續(xù)向上旋轉(zhuǎn)，順利完成掛鉤操作。

4.2 造成閘門嚴(yán)重漏水

自動(dòng)抓梁和疊梁檢修閘門的反滑塊均與門槽留有間隙，下放閘門時(shí)，自動(dòng)抓梁吊鉤中心與疊梁檢修閘門吊點(diǎn)中心相互偏離的幾率大，不但會(huì)給再次掛鉤造成更大的不確定性，而且疊梁檢修閘門若采用的是下游止水，可能會(huì)使閘門偏向上游，止水不嚴(yán)，發(fā)生嚴(yán)重漏水現(xiàn)象。

解決方法：

1）自動(dòng)抓梁吊鉤設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格滿足與閘門吊耳軸及有關(guān)尺寸的相互配合，并使其吊鉤中心與疊梁檢修閘門的吊點(diǎn)中心保持一致。

2）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少自動(dòng)抓梁反滑塊與門槽的間隙，并適當(dāng)增大閘門吊耳板之間的距離，便于吊鉤中心位置發(fā)生偏離時(shí)仍能掛住閘門。

3）疊梁檢修閘門設(shè)置為上游止水。采用上游止水，閘門上、下游均緊貼門槽，閘門的吊點(diǎn)中心位置將始終保持不變，不但止水效果好，而且掛鉤時(shí)也會(huì)減少操作誤差，增加準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)抓梁的設(shè)計(jì)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的個(gè)體設(shè)計(jì)，它與起吊閘門以及起吊設(shè)備有著非常緊密的聯(lián)系，只有其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理才能順利地完成抓梁的掛、脫鉤操作，成功地實(shí)現(xiàn)閘門啟閉。