大型水斗式轉輪翻轉吊具的研究及應用

楊 超 龍， 伍 超， 何 念 民

(四川川投田灣河開發有限責任公司，四川 成都 610213)

1 概 述

田灣河水電站均為大型立式水斗式[1]水輪發電機組。運行中，轉輪在轉輪室的空氣中運轉，無吸水高度[2]，因此，水輪發電機的安裝和檢修順序則與混流式、轉槳式水輪發電機組存在差別。混流式、轉槳式水輪發電機組的安裝和檢修是按機組從上至下拆卸、從下至上回裝的順序進行，而水斗式水輪發電機組的轉輪室位置比尾水高，轉輪等水機部件可從機組旁的吊物孔吊入球閥層，再轉運至轉輪室進行安裝，故可以與發電機同時進行安裝和檢修，不存在先后順序問題。但是，為了節約電站建設成本，需縮短廠房布置寬度，則廠房各層的轉輪吊物孔寬度尺寸不宜過大，所以，水斗式轉輪需要垂直吊裝，即先將轉輪進行翻轉操作，由水平調整為垂直，然后穿過狹小的吊物孔到達球閥層或安裝間再進行翻回，最后進行轉輪的水平安裝或放置。水斗式轉輪立式吊裝見圖1。

圖1 水斗式轉輪立式吊裝圖

2 大型水斗式轉輪常規吊具吊裝存在的問題

大型水斗式轉輪常規吊具一般有轉輪專用吊裝螺具、鋼絲繩、大噸位手拉葫蘆等眾多工器具，在吊裝及翻轉過程中，需要大量人力拉動手拉葫蘆進行多次操作及調整。這種方式存在較多的弊端：(1)整個過程需要的工器具、人員較多，翻轉時間較長；(2)在轉輪翻轉過程中，人員高空操作手拉葫蘆，墜落的安全風險較大；(3)水斗式轉輪斗葉不規則的外緣不易保護，容易損傷甚至割斷鋼絲繩，存在高空吊裝物墜落的風險。為保證作業安全，提高作業效率，研制一種簡單、高效、省力的專用吊具十分必要。

3 大型水斗式轉輪翻轉吊具的研制

3.1 吊具的特點及要求

因轉輪在吊裝及翻轉過程中需要的常規吊具眾多，結構不緊湊，分散的手拉葫蘆需要大量人力，且存在較多的安全風險，針對這些問題，須分析轉輪翻轉吊具的特點，以便有效地解決。

(1)在吊裝及翻轉過程中，不再使用鋼絲繩和手拉葫蘆等工器具，以達到簡單、高效及節約人力目的；

(2)應具有輕松翻轉功能，用少量人力即可翻轉轉輪；

(3)配合轉輪吊裝的總體架構應符合順利穿過廠房各層吊物孔的尺寸要求；

(4)在轉輪立式吊裝時，應有防轉輪傾斜及翻轉的措施。

3.2 吊具的設計制造方案

根據轉輪翻轉專用吊具的特點，分析并設計制造方案：

(1)為使轉輪吊裝順利穿過各層吊物孔，吊具與轉輪裝配后的尺寸應小于吊物孔。按要求，將吊桿設計為“彎月”形，“彎月”的一端在水斗式轉輪中心連接受力，另一端伸出轉輪外緣與廠房橋機吊鉤連接，吊裝時“彎月”型的吊桿將水斗式轉輪進行半包圍。

(2)為使轉輪在翻轉及吊裝過程中不傾斜，吊具的吊點應與水斗式轉輪的重心重合。由力矩公式M=F×L可知，轉輪重心的力臂L為“0”，故轉輪重心的力矩也為“0”。翻轉過程中，施加的外力力臂L為水斗式轉輪的半徑，外力力矩M=F×R。因轉輪各部分的形狀及質量基本上以重心為中點形成對稱，各對稱端的重力基本相等(即力矩大小相等，方向相反)。這樣，只要在轉輪一端施加外力，則施加外力端的力矩便大于對稱端。因此，理論上施加較小外力即可使轉輪翻轉，達到省力的目的。

(3)吊具由兩部分構成：一是吊具托板，固定于水斗式轉輪上，托板采用凸臺形，內嵌于水斗式轉輪內部以實現定位功能，將托板采用螺栓夾具固定于轉輪螺栓孔；二是“彎月”型吊桿，為實現水斗式轉輪的輕松翻轉功能，固定連接部分與吊桿部分采用鉸鏈連接。轉輪翻轉吊具示意圖見圖2。

圖2 轉輪翻轉吊具示意圖

(4)為實現吊桿的輕巧功能，吊具采用矩形框結構的低合金高強鋼材料。

(5)為防止轉輪吊裝時的翻動，吊裝時將吊桿與鉸鏈座用直銷鎖定。

3.3 轉輪翻轉吊具主要部件尺寸及核算

3.3.1 吊具的主要尺寸

水斗式轉輪重量約20 T，直徑3 700 mm，聯軸法蘭內孔直徑750 mm，聯軸螺孔直徑105 mm，水斗斗葉寬874 mm，各層轉輪吊物孔寬1 260 mm。根據上述參數和設計方案，結合水斗式轉輪外形結構和尺寸，設計彎月吊桿中部為一段直桿，與水斗葉平行，兩端為相同的圓弧型，兩端的吊點結構根據功能要求進行設計，吊桿直線長度約2 560 mm。考慮吊桿在吊裝過程中會受到荷載的沖擊，為提高吊具的安全系數，選用中空矩形框的低合金高強鋼材料Q345，結構截面尺寸為250 mm×250 mm，壁厚16 mm。

3.3.2 吊具受力分析

根據專用吊具設計方案，本吊具主要由托板和彎月吊桿構成，鉸鏈處為約束點，可簡化為拉桿進行受力分析[3]，即吊桿受到的拉力為橋機吊鉤的拉力，與水斗式轉輪和吊具的重力相等，方向相反。由于吊桿為彎月型，起吊過程中，轉輪重力及橋機拉力作用于吊桿上，沿吊桿彎月面的中部產生兩個相反的力矩，由吊桿內應力克服平衡，故吊桿的應力集中截面為吊桿彎月中部內緣，并向兩端減小，使彎月面的垂直面應力較小。

3.3.3 吊具有限元計算

吊桿選用矩形框的低合金高強鋼材料Q345，厚度16 mm，由鋼材牌號可知其屈服強度σb≥345 MPa，查《GB50017-2003鋼結構設計規范》中的表3.4.1-1得其抗拉強度f≥310 MPa。

將吊桿建立起模型和網格劃分，根據金屬材料彈性和塑性理論進行有限元[4]計算分析，建模網格劃分圖見圖3。

網格數：33330 節點數：143366圖3 建模網格劃分圖

施加15 t、20 t、25 t荷載進行吊桿抗扭承載力模擬數值分析，可計算出吊桿的內應力和總位移。吊桿有限元計算分析結果表見表1。

表1 吊桿有限元計算分析結果

由表1可知，吊桿承受最大荷載25 t后的最大內應力為232.4 MPa，遠小于低合金高強鋼材料Q345屈服強度345 MPa和抗拉強度310 MPa；卸載后，吊具恢復原狀，只發生彈性變形，故轉輪翻轉專用吊具承吊20 t荷載其強度是合格的。

4 轉輪翻轉吊具的應用

4.1 設計效果

(1)采用“彎月”型吊桿替代原眾多鋼絲繩、重型葫蘆和吊環螺栓等工器具，實現了吊具的簡單化。

(2)“彎月”型吊桿為單吊點平衡吊，達到了水斗式轉輪一次性起吊及翻轉的目的，簡化了轉輪翻轉時傳統吊具多次倒換吊點的繁瑣操作。

(3)將轉輪重心與吊桿受力點與鉸鏈處重合，達到水斗式轉輪各處重力圍繞重心的平衡[5]，在翻轉時使各處重力做功相互抵消或不做功，實現轉輪輕松懸空翻轉，在任意位置均可保持平衡。

(4)“彎月”型吊桿采用Q345低合金高強結構鋼和空心矩形截面結構制作，強度高，重量輕，承載彎矩大，安全系數高。同時，還可防止吊具與水斗葉的碰擦，避免了水斗葉的損傷。

(5)整個吊具采用吊桿與托盤組合，結構簡單，拆裝容易，維護量小，經久耐用，并可在流域梯級電站使用。

4.2 使用效果

(1)專用吊具與常規吊具吊裝時可大幅節約投入資源。兩種投入資源對比分析見表2。

表2 兩種投入資源對比分析表

(2)吊具在使用中達到了輕松翻轉及省力的目的，通過表2對兩種吊具的投入資源對比，專用吊具投入工器具和工時大幅減少，僅為常規工具吊裝時的1/15，同時也縮短了轉輪更換的檢修工期，減少了發電量的損失。

5 結 論

新型轉輪翻轉吊具是針對水斗式轉輪結構特點及原常規吊具存在的安全風險大、效率低等問題，采用力學和結構理論分析計算進行設計的。新型翻轉吊具結構緊湊、操作簡單、省力高效、安全耐用、經濟適用，解決了水斗式轉輪常規吊具吊裝時的操作繁瑣、投入資源多、費時費事、安全風險高等問題，可在大型水斗式轉輪翻轉吊裝中普遍應用，并以轉輪重量、水斗寬度、轉輪直徑為基本參數，規范水斗式轉輪翻轉吊裝工具，形成系列針對性產品，應用前景十分廣泛。