甘肃省巴家咀水库泄洪洞1000kN卷扬式启闭机更新设计（耿鹏举,周伟,毛明令）

［摘 要］ 水库除险加固改造中，经常会遇到要求水工基础不变而将带有拉杆的启闭机由低扬程改为高扬程，这会给启闭机的布置设计带来一定的困难。巴家咀水库泄洪洞1000kN卷扬式启闭机在进行这样的更新改造中进行了多方案比较，提出了一种可行的布置方式，可有效的解决启闭机的平面尺寸同水工基础的配合问题，对同类工程的除险加固具有一定参考借鉴作用。

［关键词］ 启闭机 卷筒 折线绳槽 四层缠绕 巴家咀水库

1 概述

巴家咀水库位于甘肃省庆阳地区西峰市后寨附近，金属结构设备主要布置在输水、泄洪和发电三大系统中，其设备种类计有拦污栅、叠梁门、平板门、弧形门、卷扬机、桥机、自动抓梁以及闸槽埋件和压力钢管等，除后期增建的一条泄洪洞外，其余金属结构设备运行已近30年，而压力钢管运行的时间更长。巴家咀水库大坝经历了两次加高，其输水和泄洪洞也进行了改建，并在近期又增建一条泄洪洞，工程改建或增建按100年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核。泄洪洞的进口为塔式结构，塔内依次设置了叠梁门、事故检修门和工作门各一扇。

2 老启闭机布置情况

泄洪洞进口事故检修闸门原来采用BJQ1000-16型平板门启闭机（该启闭机为低扬程启闭机）提升容量为1000kN，扬程为16m，系本溪市重型机器厂定型产品。结构形式和平面尺寸与同容量的QPQ型启闭机相同。

启闭机基础布置见图1

老启闭机采用单层缠绕方案，卷筒为螺旋绳槽卷筒，由于启闭机的基础位置较高，故吊具下设置了多节拉杆与闸门吊耳连接。每次启闭闸门都要把闸门提到高度，锁定后更换拉杆再提升闸门，如此反复多次后才能将闸门提出孔口，在下落闸门时也是如此。这样的操作过程非常繁琐，每次启闭闸门都要很长的时间。这次改建为了解决这个问题将启闭机原来的16m扬程改为40m，采取卷扬式启闭机通过动滑轮直接同闸门的连接形式，这样的启闭方式避免了拉杆拆卸这个环节可以直接将闸门提出孔口，大幅度提高工作效率，降低操作人员的劳动强度，便于用户操作和管理。

3 新启闭机结构布置

3.1 主要设计难点

根据本次工程改建批复情况，泄洪洞进口事故检修闸门只更新启闭机设备，而水工基础不动。启闭机扬程由16m改为40m，如仍按老启闭机的布置方案，则卷筒的尺寸必须加大才能满足扬程要求，使得启闭机的机架尺寸也要加大，这就同水工基础不能改动这一条件相矛盾，这是新启闭机设计布置时需要解决的重要难点。

另外，在设计卷筒时不仅要考虑整机布置问题，还要考虑钢丝绳在卷筒上缠绕时的偏角问题，螺旋绳槽要求钢丝绳的最大偏角不超过3°，折线绳槽要求钢丝绳的最大偏角不超过1.5°，所以在卷筒设计上也受到一定的限制。

同时，新启闭机的钢丝绳还要满足原启闭机基础开孔尺寸，保证不与各层开孔边缘相干扰。因此，新启闭机设计时必须综合考虑以上问题。

3.2 方案的比较与确定

当结构空间受限制时，首先应考虑采用卷筒多层缠绕方案。但缠几层才能满足要求则需要进行方案比较。

由于扬程增高了近4倍，显然采用单层螺旋绳槽缠绕方案将导致卷筒的长度尺寸或直径非常大，使得机架的尺寸加大很多，不能满足水工基础的条件，故单层缠绕的方案基本可以排除。

卷筒采用双层缠绕，钢丝绳在缠绕完一层后通过挡环在第一层钢丝绳形成的绳槽上往回缠绕，这样的设计方案能使卷筒的长度尺寸缩短。但是经过计算40m的扬程即使双层缠绕卷筒尺寸还是过长，机架尺寸还是无法满足水工基础的要求。除了采用双层缠绕可以缩短卷筒长度尺寸外，还可以加大卷筒直径来实现。在启闭机速度一定的条件下，大小齿轮的中心距一定，卷筒直径变大使定滑轮的位置就要靠后，相应的平衡滑轮也要靠后，这样就同电动机干涉。为了避免同电动机干涉，也可以采取将电动机放在减速器另一侧的方案，但这样又加大了整个机架宽度方向的尺寸，而且卷筒直径的加大对钢丝绳的偏角控制也是个难点，故两层缠绕方案也不能满足要求。

综合上面两个方案来看，必须进一步增加卷筒上的钢丝绳缠绕层数才能将启闭机控制在一个理想的尺寸，所以考虑采用三层缠绕折线绳槽卷筒的方案。

折线形槽的槽形式有两种，一种是单折线绳槽，一种是双折线绳槽。前者为最初的绳槽形式，后者为改进的绳槽形式，目前应用较多的是后一种形式，双折线绳槽的斜绳槽和直绳槽交替出现，这样折线绳槽在卷筒表面形成了两个斜绳槽区和两个直绳槽区（所谓斜绳槽是指与卷筒母线斜交的绳槽，直绳槽是指与卷筒母线直交或与法兰平行的绳槽），上层钢丝绳的大部分卧在下层钢丝绳所形成的绳槽中，下层的直槽起到了排线装置的作用。它把卷绕钢丝绳交叉的长度减少到卷筒圆周长度的20%左右，而剩下的80%则与内层钢丝绳一样平行于卷筒的法兰。

折线绳槽卷筒的优点在于使各层之间的负荷均匀分布，实践证明大大延长了钢丝绳的寿命。事实上，试验表面可延长钢丝绳寿命500%以上。减少钢绳的损坏就是提高安全性，并且减少了机械的停工时间，折线绳槽卷筒的缺点在于，它的加工比较复杂，成本高。然尔，这额外的费用因节省钢丝绳而得到弥补，因为钢丝绳价格很贵，并且更换新的钢丝绳会占用一定时间。

经计算采用折线绳槽卷筒三层缠绕，可以将机架尺寸控制在水工基础的范围内，但是由于折线绳槽的绳索偏角最好保持在0.25°～1.25°内，最大不超过1. 5°；多次调整始终无法把钢丝绳的偏角控制在上述范围内。因此，三层缠绕方案虽能满足水工基础要求，但不能满足折线卷筒所要求的最佳钢丝绳偏角。

基于上述几个方案的论证，最终确定采用底径为800mm的双折线绳槽卷筒，钢丝绳两端固定缠绕4层。第一层缠绕20圈（不含2圈安全圈），扬程8.671m;第二层缠绕23圈，扬程10.541m;第三层缠绕24圈，扬程11.593m;第四层缠绕19圈，扬程9.649m。总扬程为40.454m，满足40m扬程的规定，而且每一层的钢丝绳最大偏角都能控制在1. 5°的范围内。该方案不但能满足原水工基础布置条件，而且也满足折线卷筒多层缠绕对钢丝绳的最佳偏角要求。

新启闭机布置形式见图2。

如图2所示，此方案最大的优点在于卷筒的长度和直径基本与老启闭机相同，而机架的平面尺寸为2 725mm×2 590mm，也与老启闭机的机架尺寸基本一致，所以此方案完全满足水工基础的要求，而且采用折线绳槽卷筒四层缠绕方案使得启闭机结构非常紧凑，并没有因扬程增大很多而导致启闭机重量的明显加大。

4 结语

巴家咀水库泄洪洞进口事故检修闸门1000kN启闭机正是由于采用了折线绳槽卷筒四层缠绕，才使得启闭机在水工基础不变的情况下实现了扬程由16m加大到40m。目前该启闭机已安装完毕，并经过初步调试和运行。结果表明，该启闭机的更新改造非常成功。新启闭机的地脚螺栓孔位置与原基础的位置吻合，钢丝绳与进水塔建筑物各层孔口边缘无碰擦，钢丝绳在卷筒上缠绕非常均匀，整机运行平稳。特别是启闭闸门的时间比原来缩短了十几倍，由原来的6~7个小时缩短为半个小时，彻底摆脱了反复拆卸拉杆之苦，极大地方便了用户的操作管理，受到业主的好评。巴家咀水库泄洪洞1000kN卷扬式启闭机的更新改造方案较好地解决了用高扬程启闭机替换低扬程启闭机时所遇到的一些技术问题，对同类工程的除险加固改造具有一定的参考作用。

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