安谷水電站主廠房400 t+400 t/16 t橋式起重機設(shè)計

黃 文 峰， 吳 思 夠

(中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 夾江 614100)

1 工程概述

大渡河安谷水電站位于四川省樂山市境內(nèi)，是大渡河下游最后一個梯級電站，為以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運、灌溉、供水等綜合利用的大(2)型水電工程。安谷水電站主廠房內(nèi)設(shè)置的1臺400 t+400 t/16 t雙小車橋式起重機擔負著電站4臺、單機額定功率為190 MW的水輪發(fā)電機組及其輔助系統(tǒng)設(shè)備的安裝、運行維護和檢修的吊裝任務(wù)。

2 設(shè)備構(gòu)成及工作原理

主廠房400 t+400 t/16 t橋式起重機1臺，其總布置圖見圖1。

1. 小車 2.平衡梁 3.橋架 4.16 t電動葫蘆 5.大車行走機構(gòu) 6.大車軌道裝置 7. 司機室圖1 主廠房400 t+400 t/16 t橋式起重機總布置圖

橋機主要由兩臺小車、大車行走機構(gòu)、橋架、16 t電動葫蘆、梯子平臺欄桿、司機室、電氣設(shè)備、大車軌道裝置等組成。整機配有400 t吊鉤1套、100 t吊鉤1套，可方便地實現(xiàn)小車吊具側(cè)板與主副鉤、平衡梁的裝卸，以達到不同的使用要求。

橋機安裝于主廠房392.836 m高程的軌道上，司機室布置在橋機上游側(cè)的主梁下，16 t電動葫蘆布置在橋機外側(cè)主梁的副腹板下方，在16 t電動葫蘆旁設(shè)有檢修吊籃以方便對16 t電動葫蘆進行維護和檢修。

平時，可根據(jù)重物所處的位置使用橋機的1臺小車吊運起重量為400 t以下的重物。當?shù)踹\起重量大于400 t而又小于800 t時，則需要橋機的2臺小車并車共同吊運，此時，應(yīng)先將2臺小車開到一起，通過設(shè)在小車兩頭上的并車用機械連桿將兩小車連鎖在一起，再在兩小車的主鉤側(cè)板上掛專用平衡梁，通過電氣同步即可實現(xiàn)二小車共同抬吊的操作。

3 設(shè)計特點

3.1 小 車

對于這種起重量達到800 t的大型橋機來說，如果采用單小車結(jié)構(gòu)，小車的結(jié)構(gòu)相當龐大，小車和橋架的主梁承受的力也相對較大，不僅加重了橋機的自重，而且增加了整個橋機的寬度和高度。而采用雙小車加平衡梁的結(jié)構(gòu)形式，小車在單主梁上的輪壓由兩個點分散到四個點上，從而大大降低了起吊重物時對主梁產(chǎn)生的集中負載，有效減小了主梁的外形尺寸。

3.1.1 起升機構(gòu)

起升機構(gòu)由電動機、帶制動盤聯(lián)軸器、制動器、定滑輪裝置、動滑輪組、平衡杠桿裝置、換擋減速器、軸承座和卷筒組成。起升機構(gòu)采用全封閉傳動，主要由一臺變頻電動機通過帶制動盤聯(lián)軸器與減速器高速軸連接，減速器低速端通過軸承座上的軸帶動雙聯(lián)卷筒轉(zhuǎn)動，卷筒上的鋼絲繩又通過動滑輪組和定滑輪裝置帶動吊具的升降，實現(xiàn)物品的吊運。

主要技術(shù)措施：

(1)換擋減速器采用懸浮支撐，增加了電動機側(cè)的空間，使定滑輪能夠布置在電動機的同一側(cè)，起升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，定滑輪裝置放在小車架的定滑輪梁上，以方便對定滑輪的安裝和維護。

(2)卷筒兩端的支撐軸承座固定在行走梁上，使卷筒體下沉到兩行走梁之間，從而使卷筒的最高點與定滑輪最高處的高度基本一致，有效降低了小車的高度。

(3)卷筒輸入端軸承座采用雙軸承形式，雙軸承兩端分別與卷筒和減速器采用花鍵形式連接。由于軸承座采用雙軸承，避免了單軸承時卷筒和減速器兩端受力不平衡而使卷筒產(chǎn)生傾斜。

(4)減速器抗扭支撐點設(shè)在減速器高速端箱體的下面，從而實現(xiàn)了減速器的固定與力矩的平衡。

(5)減速器采用機械換擋變速結(jié)構(gòu)，換擋的速比范圍為1∶4，重載時起升速度為0.15～1.5 m/min，輕載時起升速度為0.6～6 m/min，實現(xiàn)了橋機重載低速、輕載高速的使用工況，從而大大提高了橋機在輕載時的工作效率。

(6)卷筒為雙聯(lián)卷筒，單層纏繞的鋼絲繩壓在卷筒兩端的制動盤和連接輪轂上，縮短了卷筒的6個鋼絲繩節(jié)距約258 mm，有效減小了卷筒的長度，壓縮了整個橋機的寬度，擴大了橋機的有效工作范圍。

3.1.2 小車行走機構(gòu)

每臺小車的行走機構(gòu)均采用分別驅(qū)動，共設(shè)有8個車輪，每側(cè)各1個主動車輪和3個從動車輪，呈對稱布置。驅(qū)動裝置采用“三合一”結(jié)構(gòu)型式，由帶制動器的變頻電動機與減速器高速軸連接，減速器低速端直接帶動車輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)小車的行走。

小車行走采用分別驅(qū)動方式，各驅(qū)動裝置采用電動機、制動器、減速器“三合一”套裝結(jié)構(gòu)。電動機與車輪組之間實現(xiàn)全封閉傳動，減速器輸出端與主動車輪軸采用花鍵方式連接以便于安裝，小車運行平穩(wěn)，其效率大大提高；車輪組采用新型45°剖分式車輪組，具有方便現(xiàn)場小范圍調(diào)整車輪偏斜的功能，使車輪處于最佳接觸狀態(tài)；臺車與機架之間采用剖分鉸連接以方便現(xiàn)場安裝。小車行走機構(gòu)大大簡化了減速器布置在小車中間位置集中驅(qū)動的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給起升機構(gòu)在小車架上的布置讓出了全部空間，方便了小車的整體布局，使小車整體更簡單化。小車運行機構(gòu)各組成部件與小車之間的連接簡單明了，方便拆裝和維護。

3.2 大車行走機構(gòu)

大車行走機構(gòu)共設(shè)有24組車輪，每組各1個主動車輪和5個從動車輪，呈對稱布置。大車行走機構(gòu)采用分別驅(qū)動，4個主動車輪每套驅(qū)動裝置采用“三合一”的結(jié)構(gòu)型式。

大車行走機構(gòu)采用分別驅(qū)動方式，各驅(qū)動裝置采用電動機、制動器、減速器“三合一”的套裝結(jié)構(gòu)。大車行走簡化了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動裝置集成于一體，直接掛在行走臺車架上，不再布置在橋機梁內(nèi)腔端部，從而給驅(qū)動裝置的安裝和維護帶來了極大的方便。車輪組采用新型45°剖分式車輪組，具有方便現(xiàn)場小范圍調(diào)整車輪偏斜的功能，使車輪處于最佳接觸狀態(tài)。由于大車行走機構(gòu)的主動車輪組與減速器采用花鍵連接，容易造成大車行走機構(gòu)在運行時減速器向外串，為防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，我們在減速器上的扭力盤固定座設(shè)置了可調(diào)節(jié)的螺栓結(jié)構(gòu)，從而使大車行走機構(gòu)在運行時更加平穩(wěn)。

由于橋機跨度較大，為防止大車偏斜運行，產(chǎn)生啃軌現(xiàn)象，在橋機大車運行機構(gòu)的上下游各設(shè)置了一套行走測速反饋編碼器，采用兩套變頻器通過矢量控制，實現(xiàn)電氣同步，設(shè)置了偏斜信號發(fā)生器并自動糾偏。

3.3 橋 架

橋架主要由主梁和聯(lián)接梁構(gòu)成，主梁與聯(lián)接梁采用銷軸柔性連接。

主梁的小車軌道下采用“T”型鋼。由于小車的輪壓很大，導致軌道下翼板和腹板的局部區(qū)域擠壓應(yīng)力較大，為避免焊縫處于高應(yīng)力區(qū)域，在該處采用軋制的“T”型鋼。由于“T”型鋼處于高應(yīng)力區(qū)域，其翼板及腹板厚度可根據(jù)計算選取，而梁體的翼板和腹板遠離了因輪壓造成的高應(yīng)力區(qū)域，其板厚不再受小車輪壓的影響而加大，從而有效降低了梁體的外形截面尺寸。

當軌道的軌頂面不在同一平面上時，如果主梁和聯(lián)接梁采用剛性連接，就會造成各個車輪的受力不均；而采用主梁與聯(lián)接梁銷軸柔性連接可以使大車行走的各個車輪的輪壓基本一致。整個橋機采用汽車運輸方式，為控制運輸尺寸，在主梁與聯(lián)接梁之間增加了一個支座，支座與主梁采用螺栓連接，然后再由支座與聯(lián)接梁銷軸連接(圖2)，從而使主梁的運輸單元寬度減少了520 mm，這種結(jié)構(gòu)避免了主梁兩端的兩行走臺車間分段及聯(lián)接板和高強螺栓連接，且安裝更容易，減少了工地安裝的工作量，避免了工地安裝誤差。橋架主梁端部與大車行走機構(gòu)的連接部位采用了如圖3所示的新型結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅能保證梁體具有足夠的強度，同時能有效降低大車軌面至小車軌面的高度差約500 mm，從而大大降低了橋機的整機高度。

1.大車行走機構(gòu) 2.主梁 3.聯(lián)接梁圖2 主梁與大車行走機構(gòu)聯(lián)接結(jié)構(gòu)圖

圖3 主梁端部與大車行走機構(gòu)聯(lián)接處結(jié)構(gòu)圖

由于起升載荷大，導致小車的輪壓過大，一般不采用正軌梁結(jié)構(gòu)，而采用寬偏軌箱型梁結(jié)構(gòu)，主梁采用偏軌箱型梁結(jié)構(gòu)。梁內(nèi)布置橋機電氣控制系統(tǒng)，梁兩端設(shè)隔離門，內(nèi)設(shè)空調(diào)等降溫防潮除濕設(shè)備，可有效防止廠房的潮濕環(huán)境對電氣設(shè)備的不利影響，從而提高橋機的使用可靠性。

對于這種跨度大、載重量大的橋機，我們采用有限元方法對橋機的橋架多工況進行了計算分析，對該橋機的整體力學結(jié)構(gòu)的掌握、結(jié)構(gòu)的改進和進一步優(yōu)化設(shè)計具有十分重要的意義。根據(jù)橋架的受力情況，將其簡化為對單根主梁進行有限元分析。采用了兩種最不利的工況進行有限元分析：小車位于跨中位置，起吊滿載載荷400 t+400 t時(圖4、5)，主梁的最大應(yīng)力為165.6 MPa，最大撓度為30.56 mm；小車位于跨端位置，起吊滿載載荷400 t+400 t時(圖6)主梁的最大應(yīng)力為175.7 MPa。主梁主材均采用Q345B，其應(yīng)力和撓度均符合合同及規(guī)范要求。

圖4 滿載時小車于橋機跨中主梁應(yīng)力分布圖

圖5 滿載時小車于橋機跨中主梁撓度變化圖

圖6 滿載時小車于橋機跨端主梁應(yīng)力分布圖

安谷水電站主廠房橋機大車吊運的載荷及線路比較固定，由預(yù)拼裝工位或檢修區(qū)至發(fā)電機安裝區(qū)位來回吊運，不同于通用橋式起重機，其載荷和路線是隨機的。因此，主廠房橋機大車輪壓也是按載重小車的實際位置計算提供。對于電站投資方來說，降低橋機的大車輪壓，就減小了橋機軌道承重梁的負載。對于長度達上百米的廠房，意味著節(jié)約了巨大的投資成本。

橋機的起升及行走均采用交流變頻，其減小了對整個機構(gòu)的沖擊，提高了機構(gòu)的壽命。我們依托現(xiàn)代計算機設(shè)計平臺，充分利用CAD軟件技術(shù)、鋼結(jié)構(gòu)有限元智能分析虛擬現(xiàn)實和動態(tài)仿真等現(xiàn)代化的設(shè)計方法，避免了大量的手工計算，使計算更準確，從而采用了更合理、經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)。將車輪組、滑輪組等部件進行模塊化設(shè)計，使設(shè)計人員從大量的重復勞動中解放出來，節(jié)約了大量的設(shè)計周期。

4 結(jié) 語

安谷水電站主廠房400 t+400 t/16 t橋式起重機于2013年9月30日通過了特種設(shè)備型式試驗，正式投入使用，現(xiàn)已順利完成電站所有發(fā)電機組及其輔助系統(tǒng)設(shè)備的安裝吊裝任務(wù)。該橋機的成功研發(fā)，對類似大噸位、超低凈空、結(jié)構(gòu)簡單、集成化、工作范圍廣、可調(diào)速度范圍大的橋式起重機設(shè)計具有一定的參考價值。

[1] 通用橋式起重機設(shè)計規(guī)范，GB/T14405[S].