孙鲁安 姚乐燕 王国栋

(设计三处)

(摘  要) 本文介绍了小浪底工程9套液压自动抓梁的工作条件，技术参数、工作原理和水下密封和防护的措施，并提出在抓梁结构、对位、定位和穿脱轴装置设计等方面的注意事项。液压自动抓梁目前尚无统一的设计标准可遵循，作者希望通过此文与同行们进行交流和探讨。
(关键词) 小浪底工程  自动抓梁  穿轴  脱轴  对位

1 概述

    小浪底工程的移动式启闭机共有9套液压式自动抓梁，是目前国内集中采用液压抓梁较多的工程。其中8套为单吊点抓梁，由4000kN进水塔门机操作，最大工作水深约90m； 1套为双吊点抓梁，由电站尾闸室2x2500kN台车式启闭机操作，最大工作水深约 10m。
    在门机操作的8套自动抓梁中，由门机4000KN主起升小车操作的抓梁有6套：① 发电洞主拦污栅液压自动抓梁；② 发电洞副拦污栅液压自动抓梁；③ 1号明流洞事故检修闸门液压自动抓梁；④ 2、3号明流洞事故检修闸门液压自动抓梁；⑤ 孔板洞事故检修闸门液压自动抓梁；⑥ 排沙洞事故检修闸门液压自动抓梁。由门机400KN水平反滚轮小车操作的抓梁有2套：① 灌溉洞拦污栅液压自动抓梁；② 灌溉洞事故检修门液压自动抓梁。前6套抓梁为1、2号门机所共有，其中的任意一套抓梁可根据需要悬挂在任意一台门机上，而后两种抓梁只能悬挂在位置靠近灌溉塔的2号门机上。
    由于闸门止水的布置位置不同，这些抓梁有两种不同的工作条件。孔板洞检修闸门和电站尾水管检修闸门的止水布置在闸门迎水面，因而这些闸门的自动抓梁受水流、污物和泥沙影响较小，甚至可以实现在无水条件下进行穿轴动作，其工作条件和安全性相对较好；明流洞、排沙洞和灌溉洞检修闸门的止水布置在闸门背水面，操作这类闸门的抓梁常需在水下进行穿、脱轴，可能会遇到水中污物的阻塞以及门前泥沙淤积的影响，而操作拦污栅的抓梁还可能遭受水流对抓梁的扰动。因而这些抓梁对安全可靠性的要求更高，除布置上要采取一些措施(如闸门吊耳布置在泥沙最大淤积高程以上)外，抓梁上还需要设置高精度的信号监控装置。
    2台门机最多可以同时悬挂共3套抓梁，其余由门机操作的抓梁存放在相应的闸门槽内，并锁定在进水塔顶层以下，以保持塔面的整洁和美观。

2 主要技术参数

    小浪底工程的液压自动抓梁主要技术参数见表1。

表1 小浪底工程液压自动抓梁主要技术参数

3 设备组成及工作原理

    液压自动抓梁主要由抓梁体、泵站系统、液压穿轴装置、定位装置、导向滚轮装置、信号装置以及电缆防水接线盒和防水密封插头等部件组成(见图1)。抓梁的液压系统原理见图2。
液压抓梁的工作原理如下：

3.1 对位
    抓梁对位是指抓梁销轴中心与闸门吊耳孔中心对准的过程。抓梁对位由设在抓梁两侧底板上的定位销和设在下吊耳上方的对位信号装置来完成。对位信号装置能将信号发送到操作室，直观显示出销轴位置。
    当抓梁下降接近闸门时，定位销首先进入闸门上的定位孔，固定住抓梁的前后左右位置。然后随着抓梁的进一步下放，对位信号装置的铁芯头部与闸门吊耳顶板接触，并将铁芯上推，对位信号装置的下降感应器中产生感应电流。当抓梁继续下降使铁芯全部进入感应器中时，感应电流达到量程的最小值。这时抓梁正好落在闸门上，抓梁上的液压穿轴装置的中心也正好对准闸门吊耳孔的中心。同时设在起升机构上的高度传感器动作，起升机构断电停机。对位过程完成，可以进行穿轴动作。
    这种对位方式由定位销、对位信号装置以及高度指示器三个环节共同进行约束，因此一般不会出现对位错误。另外，通过荷载限制器也能对是否准确对位辅助加以判断：当抓梁坐在闸门上时，荷载限制器的显示值达到最小值。如果此时对位信号装置也同时达到最小位置，则可判定已准确对位。

（b）双吊点液压抓梁示例
1—抓梁体 2—泵组 3—密封插头与接线盒 4—液压穿轴装置 
5—对位信号装置 6—定位销 7—导向装置
图1 液压抓梁的构成

3.2 穿轴 
    按“泵站启动按钮”启动油泵组，液压油经三位四通电磁阀中位卸荷口(滑阀机能为M型)回至油箱，电动机空载启动。至电机运行平稳后，再按下“穿轴”按钮，三位四通换向阀动作，阀芯换位，穿轴油路系统接通，液压油经三位四通阀进入销轴无杆腔，销轴前移穿轴。穿轴到位后，位置发信器发出信号。按下“停止”按钮，电动机停止运转，三位四通换向阀复位，油路系统锁死。油路系统闭锁后，销轴不会在水压作用下自动回退。

3.3 脱轴 
    按“泵站启动按钮”启动油泵组，液压油经三位四通电磁阀中位卸荷口回至油箱，电动机空载启动。至电机运行平稳后，再按下“脱轴”按钮，三位四通换向阀动作，阀芯换位至另一位置，脱轴油路系统接通，液压油经三位四通阀进入销轴有杆腔，销轴后撤脱轴。脱轴到位后，位置发信器发出信号。按下“停止”按钮，电动机停止运转，三位四通换向阀复位，油路系统锁死。

4 液压系统和结构、零部件设计

4.1 泵站系统及液压穿轴装置设计
4.1.1 销轴的推力
    销轴的最大推力按式(1)计算。
                                 P_t =P₀×A (1)
式中 P₀ — 为销轴最大工作压力，一般不小于2MPa；
     A — 为销轴的内腔横断面面积。
4.1.2 销轴的工作阻力
    销轴的工作阻力可按式(2)计算。
                            P_z=P_s+P_h+P_a+P_m+P_f      (2)
式中: P_s-销轴的轴向水压差，P_s=h×γ×△F(h为作用水头，γ为水的比重，△F为销轴两端面积差)；
      P_h — 回油阻力，直接回入油箱时P_h≈0；
      Pa — 穿脱轴启、制动时的惯性力，一般较小，可忽略不计；
      P_m — 销轴密封摩擦阻力，采用 “O”型密封圈时，P_m≈0.3P_t；
      P_f — 销轴自重摩擦阻力，P_f ≈ G×μ(G为销轴自重，μ为滑动摩擦系数，水对销轴的浮力忽略不计)。
      一般来讲，根据上式计算的阻力数值较小，考虑到水下穿轴可能会发生不可预测的复杂情况，故销轴的推力应至少比计算的工作阻力大2至5倍。
4.1.3 油泵、电机选择
    (1) 油泵选择
    销轴的工作压力一般应为所选油泵额定压力P的80%左右，以便留有充分的裕度抵偿油缸密封摩阻力、油压管道、液压元件的各项压力损失。油泵的额定工作压力P可按式(3)计算：
                              P=(1.1～1.3)P₀         (3)
式中：P₀ — 销轴内液压油的计算最大工作压力。
    (2) 流量计算：
    可按式(4)计算。

(4)

式中：D_内 — 销轴内径；
      V — 销轴穿轴速度；
      ？_v — 油缸的容积效率。
    脱轴时的工作压力及流量小于穿轴时的工作压力及流量，以穿轴时为控制流量。一般来说，计算的额定压力及流量都很小。因此，选用构造简单、价格便宜、工作可靠的齿轮泵既可满足要求。一般选用电机、油泵等组合成一体的齿轮泵组。本工程的液压抓梁采用的是WBZ-25型齿轮泵组，其主要参数见表1。
4.1.4 液压穿轴装置
    抓梁的液压穿轴装置主要由销轴、活塞杆、导向套筒、端盖等部件组成。液压穿轴装置通过螺栓固定在抓梁下吊板上。液压穿轴装置相当于一个小型油缸，只不过是移动伸缩的不是活塞杆，而是油缸的缸体。液压穿轴装置的活塞杆是固定在抓梁体上的。液压油不是通过缸体（销轴）进入活塞的两侧腔，而是通过装在活塞杆固定端部的两个二通铰接头进入活塞杆内部油路，再分别进入活塞的两侧腔。销轴和活塞杆之间的密封采用O型密封圈。销轴通过设置在穿轴装置上的穿、脱信号装置进行限位。销轴行程到位时，信号装置能发出相应信号，并传送到操作台直观显示出来。
    液压穿轴装置的销轴直接承受启闭荷载，强度和刚度要有足够的裕度，以避免产生较大的变形而影响穿脱轴的正常工作。以门机主钩抓梁为例，销轴必须满足4000kN启闭容量的强度要求。同时，由于销轴为空心轴且与导向套间为动配合关系，因此，要求销轴受力后绝对不能产生永久变形和局部挤压破坏。另一方面销轴的直径还要与闸门吊耳孔相协调，当对销轴直径尺寸有限制时，应适当调整销轴的材料。启闭容量4000kN的抓梁销轴的外径为Φ360mm，内径为Φ150mm，材料为45钢，承受工作压力为2.0MPa。
    导向套的内表面、销轴外表面及活塞杆表面要求整体镀铬，先镀乳白铬再镀硬铬，镀层总厚度为0.08mm。活塞杆内的油路、油管组装前必须彻底清洗干净，不得留有任何杂物。

4.2 抓梁体
    抓梁体的主要作用除在上面设置吊耳、穿轴装置和支撑油泵组外，还有出入闸槽导向作用，一般设计成“工字形”，以方便在梁体两端的竖梁上设置正、反和侧向支撑。本工程的液压抓梁启闭容量较大，故梁体统一采用了箱形梁结构。
    抓梁体应按在水中浮力最小的结构形式设计，尽量避免封闭的舱室结构，以最大限度的减少抓梁在水中被扰动的程度，方便抓梁下沉和与闸门的定位和对位。本工程的抓梁体上都设有排气孔、漏水孔。对开口向上的凹槽开有排水口以防存水。
    抓梁体的端部竖梁中可放置配重块，以便调整抓梁在自由悬吊状态下的静平衡状态。配重块放在端部竖梁的底部，以降低抓梁的质量重心。配重块既要固定牢靠又要可以调整位置。
    尾水检修闸门的抓梁为双吊点抓梁，上下吊耳的吊距不同，因此抓梁承受弯曲应力和剪应力的共同作用，应计算正常工作条件下梁体的强度和刚度。并应按可能出现的最大荷载（如抓梁一端被卡阻）对梁体进行强度校核。

4.3 定位销
    抓梁的定位销应成对设置，其长度应满足：当闸门吊耳顶面尚未进入抓梁下吊耳之间之前，定位销的圆柱段已进入闸门的定位孔中。定位销的大小头直径差值宜控制在60～80mm，锥角10°～20°。定位销和定位孔的配合表面应采取防腐措施以防生锈后影响孔与销的配合。考虑到黄河泥沙较大，对定位孔还要求能够自行漏沙、排沙。

4.4 总电缆密封插座
    小浪底工程的抓梁数量较多，最大的工作水深近百米，且门机主钩操作的6套抓梁在使用中需经常拔插接头才能互相更换。因此，抓梁的动力电缆、信号电缆在水下的防水密封要求较高，这是抓梁能否可靠工作的关键所在。为此，在小浪底工程的9套液压抓梁的总电缆密封插座全部采用了新型防水耐压密封插头和插座。这种产品是一种更新换代产品，工作环境温度－40℃～＋85℃，耐电压2000V，绝缘电阻不小于500MΩ，可在水下400m深的水下长期工作。其插针和插孔表面镀金，动力插接的工作电流不小于20A，信号插接的工作电流可达10A， 插头最多为16针，插接寿命不少于500次。采用这种产品后，抓梁的工作安全和可靠性得到提高。

4.5 总电缆
    抓梁的动力电缆和信号电缆汇集到接线盒后通过总电缆与起升机构的电缆卷筒连接。总电缆为多芯电缆，既要能保证信号电缆与动力电缆之间互不干扰、信号能正常传输，又要有一定的机械强度，以抵抗自重等机械力的作用，还要能反复弯曲以适应卷绕。单吊点抓梁采用12芯，双吊点抓梁采用16芯。这种电缆无标准系列可选，需要与电缆生产厂家技术协商，特殊订货。小浪底工程的抓梁采用的是上海电缆厂的产品。

5 安全保护和防水密封试验

    抓梁的结构、零部件强度保护由启闭机的荷载限制器承担，抓梁的液压系统靠油路系统内设置的安全阀（溢流阀）来实现。抓梁还设有防漏水密封监测保护。漏水检测保护靠在监测点设置一组接点实现。接点一般设置在总电缆密封插座内和油泵站的密封罩内的较低位置（或专门设置的集水槽内），当这些部位有渗水时，水体会集中到最低位置，接点就被水体联通，这一路的指示灯就会点亮，或发声器就会报警。壳体内部积水深度以不威胁电气元件的安全工作而定，一般不大于5mm。
全部抓梁的总电缆密封插座、带密封罩的泵组及各分支电缆的密封部位均进行了防水密封试验。试验压力不小于抓梁工作水压力的两倍，保压时间不少于30分钟，所有密封部位不允许发生渗漏。小浪底工程的9套抓梁工作水压力各不相同，但采用了统一的密封形式，密封试验压力也统一按最大工作水深100m的两倍取值。

6 结束语

    液压抓梁的设计目前国内尚无统一的标准。本工程液压抓梁的设计既有对其他工程同类产品设计经验的借鉴，也有针对小浪底工程的具体条件所采取的措施。从这些抓梁目前的运行情况来看还是比较好的，其安全性和可靠性均达到了预期的设计目标，到目前为止还没有发生提门挂不上钩，闭门脱不掉钩的情况。但根据对以往工程抓梁运行情况的调查，约60%以上的故障是由于抓梁防水密封失效造成的，而这其中又有一部分原因是拔、接电缆插头造成的。因此，从设计的角度来讲，一方面要选用防水性能较高的电缆插座新产品，提高密封效果和延长插座的使用寿命，另一方面应在工程总体布置阶段，在不影响工程正常运行的前提下，尽量减少不同尺寸的孔口的数量，以减少抓梁种类和更换抓梁、拔接电缆插头的次数，提高抓梁的工作可靠性。