淺談低溫狀態下門式啟閉機設計原則

劉 鵬 劉長亮 韓遠征

（1.杭州江河機電裝備工程有限公司，浙江 杭州 310000；2.水利部產品質量標準研究所，浙江 杭州 310000；3.杭州江河機電裝備工程有限公司，浙江 杭州 310000）

在高緯度地區冬季的嚴寒天氣中，為了保證水電站能夠正常工作，門式啟閉機的設計、制造、使用維護應考慮低溫環境的影響。

圖爾古松水電站位于哈薩克斯坦、東哈薩克斯坦州、濟良諾夫斯克市西北30公里處。電站為日調節型，河床式，電站廠房及安裝間作為擋水壩段的一部分，布置在圖爾古松河左岸，工程任務為發電，電站裝機總容量為24.9MW。冬季設計室外空氣溫度在-40℃左右。

門式啟閉機主要由產生運動的機構、承受載荷的金屬結構、提供動力和起控制作用的機電設備及各種電氣保護裝置等組成。

要保證門式啟閉機在低溫情況下正常工作，需要解決以下幾個問題。

一、保證傳動機構的安全可靠

門式啟閉機的傳動機構主要是起升機構和運行機構，起升機構由電動機通過聯軸器經減速器（開式齒輪）驅動卷筒旋轉，從而使繞在卷筒上的鋼絲繩帶動吊鉤裝置上升或下降；運行機構采用有軌式運行，分散驅動的方式，采用結構緊湊的“三合一”集成形式驅動車輪組，使啟閉機或小車做水平運動。

主要解決措施：（1）滿足低溫條件下重要外購件正常運行，例如低溫工況下電動機的選型；減速器增加加熱裝置；制動器的低溫適用；緩沖器選用耐低溫材料。

（2）通過選材、熱處理等步驟保證重要機械加工件的低溫抗脆性，例如開式齒輪、聯軸器等選擇低溫材料并進行熱處理；卷筒使用焊接構件，不得鑄造；車輪、吊鉤、滑輪和傳動軸等選用鍛造構件并進行熱處理。

（3）對裸露的重要部件加防護保溫裝置，例如大、小車三合一減速器增加電機罩阻隔冰雪、雨水侵入以防止結冰；超載限制器、編碼器等置于電氣柜外的電氣元件設置，防塵防雨罩、防止灰塵和潮濕；為起升機構增設帶有保溫隔層的機房[1]。

（4）設計傳動機構時應減少沖擊和降低傳動過程，例如電動機采用軟啟動、PLC+變頻器的控制方式。

（5）其他防寒措施等，例如大小車端部設置清軌裝置對冬季軌道積雪進行清理；各機構潤滑油脂和液壓油等油料采用低溫適用或者根據冬夏季進行更換；啟閉機軌道應采用特殊設計配備自動調溫器。

二、低溫環境下的結構主材性能變化

門式啟閉機鋼結構主要由門架和小車架組成，包括主梁、上橫梁、中橫梁、下橫梁、門腿、臺車架等，梁體為箱型結構。鋼結構的抗脆性受溫度影響較大，其變化隨溫度的降低而迅速下降，因此在低溫環境下，鋼結構的抗脆性設計和強度設計同樣重要。

針對低溫情況下的鋼材特點，我們做出以下解決措施。

（1）合理選材，提高鋼材質量等級，并不得采用沸騰鋼，在零下40℃的情況下通常選用Q345E低合金高強度結構鋼。對于一些有條件的企業或者非常重要的機械設備，可以進行低溫環境下力學性能的檢驗檢測，同時進行焊接工藝的評定。

（2）啟閉機鋼結構在低溫環境下的抗脆能力主要與結構的應力集中程度、鋼材的厚度及低溫環境的溫度有關系。因此結構設計應避免應力集中，注意焊縫交匯處、尖角、開孔、截面突變的位置，否則局部應力過大會造成鋼材脆裂，結構失效。焊縫的布置不宜重疊交錯，應適當分散；減少約束，要盡量保證焊縫能自由變形；不采用單邊搭接焊縫，盡量采用對接焊縫，減少應力集中。結構件上不宜有尖銳角或曲率很大的孔，尖角改為圓角過渡的方式，避免應力集中，必須開孔時應采取措施加強孔的周邊，即貼板“鑲圈”[2]。

（3）對主要受力構件，例如小車架主梁、端梁，門架主梁、支腿、臺車架等，進行抗脆性計算，且低溫情況下盡量采用較薄的鋼板，不選用超過36mm的鋼板作為承載結構[3]。

三、電氣設備的加熱和保溫措施以及電氣保護裝置的低溫選型

電氣設備包括供電電源，各機構的配電、控制、保護、信號、監控以及照明控制。電氣系統中的各元件要求正常的工作溫度范圍一般為0℃～40℃，過低的溫度會對電氣元件產生較大影響，導致元件性能參數發生變化。因此為使啟閉機在低溫下正常工作，應采取相應的措施。

（1）門機PLC采用低溫產品，在-40℃環境溫度下可正常工作，安全可靠。PLC作為門機的整個控制系統的核心，通過PLC來采集各種信號，運用PLC內部的虛擬觸點來實現整機各機構的時序邏輯控制，屬“軟觸點”控制，可以大大減少控制柜內的中間繼電器和時間繼電器，“軟觸點”不會因為長期使用而損壞，從而可以大大減少電氣系統的硬件故障，提高系統控制的可靠性。門機運行電控系統中的變頻器還具有完善的自診斷系統，實現各種故障自診斷及顯示報警功能。

（2）考慮到環境對門機控制系統的影響，電氣設計中采取了設置獨立的電氣室進行保溫，選用耐低溫元件及各控制柜中加裝除濕裝置等措施，以確保設備能在極低溫環境下長期穩定正常運行。

（3）對于必須暴露在室外的電線電纜、插座、照明設備、限位開關等電氣元件，在設計時應注意其工作溫度范圍，選用符合低溫的電氣元件或向元件供貨商提出溫度要求。大車滑線應采用特殊設計并配有條狀加熱器。

（4）電氣保護裝置包括主隔離開關，總電源的短路保護，瞬時斷電失壓保護，零位保護，超載保護，超頻、超速保護，編碼器異常保護，緊急斷電開關，限位保護，行程保護（起升上下極限、運行極限），聯鎖保護，接地保護，風級風速報警，避雷針等各種保護措施。其中一些暴露在室外的傳感器在選型時要選低溫性能良好、傳感性能靈敏的傳感器。

四、其他低溫注意事項

使用廠家在購置啟閉機設備時，會把環境的絕對最低溫度和設計溫度寫到采購合同中，而啟閉機的設計溫度要高于當地的絕對最低溫度，因此當啟閉機處于絕對最低溫度的環境時，啟閉機不應處于載重工作狀態，尤其是冬天水下條件復雜，閘門容易結冰，會導致嚴重的鋼結構脆性破壞，造成重大事故。因此在低溫工作環境下的啟閉機，應說明啟閉機最低設計溫度，即工作狀態的最低溫度，不得在此溫度以下負載運行。

在低溫環境下，一般冰雪天氣較多，有時甚至會有暴雪天氣，應考慮由暴雪引起的偶然載荷；對于啟閉機易造成積雪的部位，應及時進行清理。門式啟閉機一般工作在露天環境中，考慮到積雪融化后再次結冰可能會使啟閉機車輪、夾軌器、錨定裝置、供電電纜等凝結在地面構件上，故要求土建設計時應使大車軌道高于地面，鋼軌的安裝槽及供電電纜溝應排水通暢，以避免積水。另外，在啟閉機使用維護說明書中要特別強調使用廠家應及時清理積雪及處理融雪積水[4]。

五、主要結論

低溫環境下使用的啟閉機有著特殊的要求，本文通過案例討論了低溫情況在設計時必須注意啟閉機的金屬結構，各機構零部件及電氣設備等三個主要方面，滿足當地的氣候條件以及合同要求。該案例的應用，證明了該設計在低溫高寒工況下時能正常工作并取得了良好的效果。