新安江水電廠壩頂門機吊具自動穿銷裝置的研究

(國網新源水電有限公司新安江水力發電廠，浙江 杭州 311608)

新安江水力發電廠是中國第一座自行設計、自制設備、自己施工建造的大型水電站。1960年4月22日第一臺機組投產發電，現有裝機9臺，總容量85萬kW。電廠主要承擔華東電網調峰、調頻和事故備用任務，并發揮防洪、灌溉、航運、養殖、旅游、水上運動和林果業等綜合效益。由于設計較早，新安江電廠壩頂門機吊具與平衡梁之間的連接采用手動穿銷的方式。穿銷安裝在吊具上，重量較大，脫出時掛鉤呈傾斜狀態，穿銷工作通常需要兩名工作人員，在離地面約2.5m臨近大壩邊緣且高于壩頂護欄的操作點上，相互配合工作1h以上才能完成。操作不僅繁瑣費時費力，還存在較大的安全隱患，不利于防汛工作的有序開展。為解決以上問題，亟須研究出一種自動穿銷裝置。相關研究人員對于自動穿銷裝置的研究主要是在啟閉機設計和系統控制方面，老舊設備改造方面的研究較少。通過自制穿銷裝置不僅可以節省成本，還能夠根據工程實際研制出更符合需求的產品。

1 自動穿銷裝置研制過程

2016年1—3月，制定研究計劃，確定研究方向，確定采用電動裝置完成自動穿銷工作，實現壩頂門機與平衡梁之間的自動穿銷。同時根據確定的研究方向編制配合研究的采購文件，并完成采購文件的提報。

2016年4—6月，確定合作單位，與合作單位共同完善研究方案，確定所需設備及材料等，并與合作單位簽訂合同。

2016年7—9月，根據門機的工作環境，完成電動穿銷方式工作原理研究，論證電動穿銷方式工作的可行性，并完成了初步設計方案，確認采用電機驅動加摩擦輪傳動方式進行電動穿銷柔性驅動，繪制初步設計圖紙。在經過現場調試、整改、調整等一系列優化工作后，最終確定電機設置在裝置中部，并初步完成自動穿銷裝置試制。

2016年10—12月，進行現場調試，驗證自動穿銷裝置是否能夠準確安全地進行穿銷工作。根據現場調試結果對自動穿銷裝置再次進行改進。最后對該項目進行總結、評定和驗收。

2 自動穿銷裝置簡介

2.1 主要技術參數

自動穿銷裝置主要技術參數見表1。

2.2 自動穿銷裝置布置

早期計劃在原有手動穿銷裝置基礎上增加齒輪變速、電機動力和驅動絲桿推動穿銷運動。經試驗驗證，此方案不能有效解決吊鉤傾斜問題，穿銷時無法對中吊具孔，無法實現自動穿銷功能。經進一步優化方案后，決定將穿銷裝置安裝在平衡梁上。試制時發現直接采用電動機械傳動容易發生機械損壞和電機過載等故障，可采用摩擦機構柔性驅動方式解決此類問題。為保證摩擦力穩定，設計采用高質量直線軌道安裝穿銷，保證穿銷行走的穩定性。同時，設計摩擦輪合理的運行阻力值，保證穿銷發卡時，通過摩擦輪打滑，防止電機過載和機械損壞等故障，有效保證了裝置的平穩運行。自動穿銷裝置設計圖見圖1。穿銷裝置布置如下所述。

表1 自動穿銷裝置主要技術參數

a.穿銷機座上安裝直線軌道，直線軌道上裝有導向滑塊，保證穿銷工作直線平穩運行、阻力可控。

b.穿銷采用無縫鋼管，前半部為穿銷工作連接部，后半部為穿銷工作輔助運行部。輔助運行部安裝在導向滑塊上，用螺栓固定，隨著滑塊沿直線軌道運行。

c.采用渦輪減速電機驅動橡膠輪，在穿銷工作輔助運行部上方工作面轉動。通過彈簧調節橡膠輪壓力、摩擦推動穿銷進行直線運動，以達到驅動目的。

d.穿銷輔助運行部安裝齒條，側面安裝手輪，通過手輪帶動齒輪推動齒條運行，使穿銷進行直線運動，同樣可以達到驅動目的。在設備斷電時，保證可以手動操作進行穿銷工作。

e.該裝置控制采用安全電壓按鈕與遙控器兩種控制方式。通過接觸器控制電機正反運轉，通過限位開關控制運行長度。

f.自動穿銷裝置為獨立單元設備，直接安裝在平衡梁兩端，可以單獨運行連接。

自動穿銷裝置實物圖見圖2，該裝置動力部分由電機、減速器和摩擦輪組成。穿銷速度為7m/min。采用摩擦輪傳動，可防止穿銷發卡時電機過載、減速器損壞，摩擦輪傳動實物見圖3。為保證在斷電情況下可以較輕松地進行手動穿銷。該裝置還同時設計了一套純手動備用操作裝置，手動備用操作裝置通過齒條帶動穿銷，齒條與摩擦條平行布置，手動備用操作裝置實物見圖4。裝置底座上設有前后兩只行程開關，穿銷伸縮到位觸碰開關后自動停止運行，行程限位布置實物圖見圖5。

圖1 自動穿銷裝置設計圖 (單位：mm)注：1—導軌；2—穿銷；3—方軌；4—限位架；5—導軌軸承；6—電控箱；7—齒輪；8—橡膠輪；9—渦輪減速器

圖2 自動穿銷裝置實物

圖3 摩擦輪傳動部分實物

圖4 手動備用操作機構實物

圖5 行程限位裝置實物

3 主要參數驗算

3.1 動力性驗算

設計摩擦輪合理的運行阻力值，可以保證穿銷時，能夠通過摩擦輪打滑來防止電機過載以及機械損壞等故障，有效保證了該裝置平穩可靠地運行。

橡膠與鋼的摩擦系數μ為0.8，正壓力P為300N,鋼與鋼的干摩擦系數μ1為0.2，銷軸重G約為100kg。

驅動力F=μP=0.8×300=240N

穿銷運行阻力Ff=μ1G=0.2×100×9.8=196N

因驅動力F大于穿銷運行阻力Ff，故驅動力滿足要求。

3.2 運動性驗算

電機轉速n為1400r/min，減速機速比i為1/100，橡膠輪直徑D為160mm，運行長度L為650mm。

穿銷實際速度v=niπD=1400×1/100×3.14×160/1000=7m/min

穿銷實際運行時間t=L/v=5.6s

3.3 電動機復核

穿銷運行阻力Ff為196N，運行速度v為7m/min,摩擦傳動效率ηo為0.80

電機靜功率計算公式：Pj=Ffv/(1000ηo)=0.03kW

計算得電機靜功率Pj為0.03kW

考慮電機慣性系數Kd為2

電機功率P=0.03×2=0.06kW

據此選擇GS 712.4電動機，功率0.37kW，轉速1400r/min，可以滿足要求。

3.4 減速器選擇

電動機轉速為1400r/min，穿銷運行阻力為196N，穿銷實際速度7m/min，橡膠輪直徑160mm，所需傳動比為100。

計算所需輸出扭矩M=FfD/2=16N·m

由于計算值小于55N·m，故選擇RV-050蝸輪減速器，傳動比100、功率0.18kW、輸出扭矩55 N·m是合理的，所選減速器能夠滿足輸出扭矩要求。

3.5 手動機構操作力

齒輪模數m為2mm，齒數Z1為30，運行阻力Ff為196N，手輪直徑D輪為150mm。

所需手動機構操作力Ft=FfmZ1/D輪=196×2×30/150=78N

計算所需手動機構操作力為78N，符合人機工程學中“對操作活動受一定限制，作業姿勢坐、立交替時，手動機構操作力應為50N～100N”的要求。因此手動操作結構設置合理，滿足相關要求。

經以上驗算，各參數選擇均能滿足運行驅動和速度要求。裝置加工制作完成后，對新安江水電廠壩頂門機吊具進行了相應改造，安裝調試后正式啟用運行，運行過程中穿脫銷順暢，現已順利運行近兩年時間，運行過程中均未出現卡阻等異常現象。經對實際的手動機構操作力測試，其操作力約為70N，與計算值相近，表明該裝置的自動穿銷及手動穿銷動作的安全性和可靠性均得到了有效驗證。

4 結 語

該裝置實現了新安江水電廠壩頂門機與平衡梁之間穿銷的自動化，消除了作業人員登高作業的風險，大大降低了作業人員的勞動強度，保證了穿銷工作的安全順利進行，并極大地提升了工作效率。設計摩擦力合理的運行阻力值，保證穿銷卡阻時，可以通過摩擦輪打滑來防止電機過載和機械損壞等故障，有效地保證了該裝置平穩可靠地運行。電氣控制箱設置在裝置后部，有效利用了現場空間，優化了裝置的整體結構，且便于安裝，安全可靠，有利于檢修維護工作的順利開展。

目前新安江水電廠壩頂門機與平衡梁自動穿銷裝置的運行情況良好，壩頂門機與平衡梁之間穿脫銷順暢無卡阻,在改造過程中節省了成本，實現了較大的經濟和社會效益，在確保操作人員人身安全的同時，有效降低了作業人員的勞動強度，為防汛工作順利開展提供了安全可靠的保障。該裝置也可以為相關水利水電工程啟閉機械手動穿銷裝置的更新改造提供借鑒。