小湾水电站工程进水口双向门机布置.docx

小湾水电站工程进水口3000 kN/700 kN双向门机设计（唐松智 王春 杨立 王国栋）

时间： 2010-08-02 08:54:00
来源：《黄河规划设计》2010年第2期

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［摘要］介绍小湾水电站工程进水口3000 kN/700 kN双向门机的主要技术参数、主要技术特点等。较为详细的论述了如何采用计算机通用分析软件ANSYS对门架的结构进行有限元分析。
［关键词］门架结构 有限元分析 小湾水电站
1 概述
小湾水电站位于云南省西部南涧县与凤庆县交界的澜沧江中游河段，在干流河段与支流黑惠江交汇处下游1.5 km处系澜沧江中下游河段规划八个梯级中的第二级。
小湾水电站工程属大（1）型一等工程，永久性主要水工建筑物为一级建筑物。工程以发电为主兼有防洪、灌溉、养殖和旅游等综合利用效益，水库具有不完全多年调节能力，系澜沧江中下游河段的“龙头水库”。
小湾水电站工程进水口3000 kN/700 kN双向门式启闭机装设于坝顶1 245.0 m高程上，该门机设置有2个起升机构。主起升机构3 000 kN，主要用于起吊电站进口检修闸门，副起升机构700 kN，主要用于起吊电站进口拦污栅。副小车主要运行在门机上游侧的悬臂梁上，吊具距门机上游侧轨道中心最大距离10.98 m，悬臂梁的长度为14 m。这种型式的门机在以往水电站中并不多见。由于悬臂伸长大，且副小车起重量也较大，使门架的结构受力变得较为复杂。为了能够准确的了解门架结构的应力和变形情况，保证门机运行的安全性，除采用传统的平面框架计算外，还采用计算机通用分析软件ANSYS对门架结构进行了有限元分析。门机的总布置图如图1。

图1 门机总布置图
2 门机主要组成与技术参数
门机由主小车、副小车、门架、大车运行机构、夹轨器、电缆卷筒、司机室、轨道附件和电气设备等组成（见图1）。门机操作在司机室内进行。
2.1 主起升机构
额定启门力为3 000 kN，起升高度：总起升高度110 m，轨上起升高度13 m。
工作级别为M5，起升速度：0.25~2.5/2.5~5.0 m/min
2.2 主小车运行机构
运行荷载为2 000 kN，运行速度：0.45~4.5 m/min，运行距离：10.428 m。
工作级别为M5，轨距：7 m，基距：6.5 m。
2.3 副起升机构
额定启门力为700 kN，起升高度：总起升高度100 m，轨上起升高度15 m。
工作级别为M4，起升速度：0.25~2.5/2.5~5.0 m/min
2.4 副小车运行机构
运行荷载为200 kN，运行速度：0.45~4.5 m/min，运行距离：8.266 m。
工作级别为M4，轨距：7 m，基距：4.0 m。
2.5 大车运行机构
运行荷载为2 000 kN，运行速度：2.0~20.0 m/min，运行距离：160.5 m。
工作级别为M5，轨距：15 m，基距：11.0 m。
3 门机主要技术特点
3.1 主起升机构
主起升机构采用两套双联卷筒对置方案，由两台电动机分别驱动，滑轮组布置于两卷筒之间，其轴线与卷筒轴线垂直，滑轮组倍率为6。主起升机构采用2根钢丝绳缠绕，每一根钢丝绳通过平衡滑轮分别缠绕在两个卷筒上，当电机转速不同时，钢丝绳可通过平衡滑轮自动调整两侧的长度，从而保证两套卷筒的同步，吊点的稳定。
卷筒采用折线绳槽，四层缠绕方式。通过对目前国内、外钢丝绳返回角的研究，返回角控制在0.25~1.5°左右，可保证其均匀缠绕。本设计中第一层至第二层的返回角为0.43°，第二层至第三层的返回角为0.75°，第三层至第四层的返回角为1.5°。
小湾水电站工程进水口3000 kN/700 kN双向门机设计3.2副起升机构副起升机构采用一套双联卷筒布置方案，由一台电动机带动减速器变速后，驱动卷筒旋转，通过缠绕在卷筒上钢丝绳的收放，带动抓梁及其闸门上升或下降。
副起升机构采用折线绳槽卷筒，四层缠绕方式。第一层至第二层的返回角为0.27°，第二层至第三层的返回角为0.97°，第三层至第四层的返回角为1.31°。
4 门架结构
门架有三个互相垂直、各节点假设为刚性连接的框架（即主框架、侧框架和平台框架）所组成。主框架由主梁及支腿组成Π型。侧框架为等腰梯形，为了便于设置司机室等，在侧框架中间设置有上横梁和中横梁。平台框架由主梁及端梁组成矩形框架。
4.1 整体坐标系建立
选用右手整体坐标系，以大车运行轨道面为基准水平面，门架4根支腿的纵向和横向对称面与水平基准面的交点为原点：x坐标轴在门架纵向对称面内，与纵向对称面和水平基准面的交线重合；z坐标轴沿纵向、横向对称面的交线，正方向向上；y坐标轴沿横向对称面和水平基准面的交线，正方向指向左侧（面向下游）。
4.2 模型建立
门架结构为由不同厚度的钢板焊接而成的箱型梁结构所组成的空间结构，并有筋板和用于主、副小车运行的轨道，起重量大，结构复杂。根据结构所承受的荷载，支腿以承受轴向荷载和绕支腿横截面的两个主轴方向的弯曲变形为主。两根主梁以弯曲变形和扭转变形为主，并承受较大的剪切荷载。因此，门架两根主梁的上下翼缘板在不同的工况条件下分别承受压、拉应力，以及扭转产生的应力；腹板沿截面高度应力变化较大，特别是小车轮压作用处。根据一般工程问题有限元分析方法和门架结构的组成特点及预估的应力分布特点，选用壳单元对门架结构中的箱形梁进行单元的离散化，对主梁上的小车行走轨道则采用梁单元进行离散化。门架结构的支承条件：一侧轨道的两个支承为三向铰，另一侧轨道的两个支承为二向铰。
4.3 计算工况
门机承受荷载种类较多，包括：自重、启闭荷载、走行惯性力风荷载、试验荷载和地震等。按标书和规范要求，同时考虑本机的实际可能的工作情况，选择了4种起控制作用的荷载组合进行了有限元分析。
工况1：主小车启吊1.1倍的额定荷载，其启吊中心线位于上游侧轨道的下游侧，距离2 286 mm，副小车空载，启吊中心线位于上游侧轨道的上游侧，距离3 014 mm，工作风压250 N/m2，风向垂直于大车运行轨道，由下游吹向上游。
工况2：副小车启吊1.1倍的额定荷载，其启吊中心线位于上游侧轨道的上游侧，距离10 980 mm，主小车空载，启吊中心线位于上游侧轨道的下游侧，距离2 286 mm，工作风压250 N/m2，风向垂直于大车运行轨道，由下游吹向上游。见图2~3。

图2 应力分布图

图3 变形图
跨中最大应力为97.8 MPa，垂直方向最大挠度为4 mm；
悬臂段最大应力为125.2 MPa，垂直方向最大挠度为27.8 mm。
工况3：主小车启吊1.25倍的额定荷载，其启吊中心线位于跨中，距离上游侧轨道7 500 mm，副小车空载，启吊中心线位于上游侧轨道的上游侧，距离3 014 mm，工作风压250 N/m2，风向垂直于大车运行轨道，由下游吹向上游。
工况4：主小车空载，其启吊中心线位于上游侧轨道的下游侧，距离2 286 mm，副小车空载，启吊中心线位于上游侧轨道的上游侧，距离10 980 mm，工作风压800 N/m2风向垂直于大车运行轨道，由下游吹向上游。
通过对门架机构4种工况的静态分析，工况2应力和变形最大，起控制作用，其计算结果满足规范规定的强度、刚度要求。
5 保护装置
3000 kN/700 kN双向门机作为小湾水电站工程进水口的主要设备，承担着繁重的生产任务，安全尤为重要，因此在设计门机时，考虑并选用了多重的保护措施，主、副起升机构均设置高度指示装置和荷载限制器。门机大车和主、副小车运行机构均设有行程限位开关、车挡、缓冲器及清轨板，以保证其在规定的行程内安全运行。为了防止主、副小车在运行时碰撞，主、副小车相邻边设有红外线测距装置。当主、副小车距离小于500 mm时，测量控制器报警并自动停止小车运行。
6 结语
在云南华能澜沧江水电有限公司的组织下，门机的设计方案通过了由中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院等单位知名专家的审查，特别是门机结构的有限元分析模型的建立得到了全国与会专家们的肯定。现在该门机已通过验收，运行良好。