大型水斗式转轮翻转吊具的研究及应用
时间：2023-02-17 11:05:15 来源：千叶帆 本文已影响人
杨 超 龙， 伍 超， 何 念 民
(四川川投田湾河开发有限责任公司，四川 成都 610213)
田湾河水电站均为大型立式水斗式[1]水轮发电机组。运行中，转轮在转轮室的空气中运转，无吸水高度[2]，因此，水轮发电机的安装和检修顺序则与混流式、转桨式水轮发电机组存在差别。混流式、转桨式水轮发电机组的安装和检修是按机组从上至下拆卸、从下至上回装的顺序进行，而水斗式水轮发电机组的转轮室位置比尾水高，转轮等水机部件可从机组旁的吊物孔吊入球阀层，再转运至转轮室进行安装，故可以与发电机同时进行安装和检修，不存在先后顺序问题。但是，为了节约电站建设成本，需缩短厂房布置宽度，则厂房各层的转轮吊物孔宽度尺寸不宜过大，所以，水斗式转轮需要垂直吊装，即先将转轮进行翻转操作，由水平调整为垂直，然后穿过狭小的吊物孔到达球阀层或安装间再进行翻回，最后进行转轮的水平安装或放置。水斗式转轮立式吊装见图1。
图1 水斗式转轮立式吊装图
大型水斗式转轮常规吊具一般有转轮专用吊装螺具、钢丝绳、大吨位手拉葫芦等众多工器具，在吊装及翻转过程中，需要大量人力拉动手拉葫芦进行多次操作及调整。这种方式存在较多的弊端：(1)整个过程需要的工器具、人员较多，翻转时间较长；
(2)在转轮翻转过程中，人员高空操作手拉葫芦，坠落的安全风险较大；
(3)水斗式转轮斗叶不规则的外缘不易保护，容易损伤甚至割断钢丝绳，存在高空吊装物坠落的风险。为保证作业安全，提高作业效率，研制一种简单、高效、省力的专用吊具十分必要。
3.1 吊具的特点及要求
因转轮在吊装及翻转过程中需要的常规吊具众多，结构不紧凑，分散的手拉葫芦需要大量人力，且存在较多的安全风险，针对这些问题，须分析转轮翻转吊具的特点，以便有效地解决。
(1)在吊装及翻转过程中，不再使用钢丝绳和手拉葫芦等工器具，以达到简单、高效及节约人力目的；
(2)应具有轻松翻转功能，用少量人力即可翻转转轮；
(3)配合转轮吊装的总体架构应符合顺利穿过厂房各层吊物孔的尺寸要求；
(4)在转轮立式吊装时，应有防转轮倾斜及翻转的措施。
3.2 吊具的设计制造方案
根据转轮翻转专用吊具的特点，分析并设计制造方案：
(1)为使转轮吊装顺利穿过各层吊物孔，吊具与转轮装配后的尺寸应小于吊物孔。按要求，将吊杆设计为“弯月”形，“弯月”的一端在水斗式转轮中心连接受力，另一端伸出转轮外缘与厂房桥机吊钩连接，吊装时“弯月”型的吊杆将水斗式转轮进行半包围。
(2)为使转轮在翻转及吊装过程中不倾斜，吊具的吊点应与水斗式转轮的重心重合。由力矩公式M=F×L可知，转轮重心的力臂L为“0”，故转轮重心的力矩也为“0”。翻转过程中，施加的外力力臂L为水斗式转轮的半径，外力力矩M=F×R。因转轮各部分的形状及质量基本上以重心为中点形成对称，各对称端的重力基本相等(即力矩大小相等，方向相反)。这样，只要在转轮一端施加外力，则施加外力端的力矩便大于对称端。因此，理论上施加较小外力即可使转轮翻转，达到省力的目的。
(3)吊具由两部分构成：一是吊具托板，固定于水斗式转轮上，托板采用凸台形，内嵌于水斗式转轮内部以实现定位功能，将托板采用螺栓夹具固定于转轮螺栓孔；
二是“弯月”型吊杆，为实现水斗式转轮的轻松翻转功能，固定连接部分与吊杆部分采用铰链连接。转轮翻转吊具示意图见图2。
图2 转轮翻转吊具示意图
(4)为实现吊杆的轻巧功能，吊具采用矩形框结构的低合金高强钢材料。
(5)为防止转轮吊装时的翻动，吊装时将吊杆与铰链座用直销锁定。
3.3 转轮翻转吊具主要部件尺寸及核算
3.3.1 吊具的主要尺寸
水斗式转轮重量约20 T，直径3 700 mm，联轴法兰内孔直径750 mm，联轴螺孔直径105 mm，水斗斗叶宽874 mm，各层转轮吊物孔宽1 260 mm。根据上述参数和设计方案，结合水斗式转轮外形结构和尺寸，设计弯月吊杆中部为一段直杆，与水斗叶平行，两端为相同的圆弧型，两端的吊点结构根据功能要求进行设计，吊杆直线长度约2 560 mm。考虑吊杆在吊装过程中会受到荷载的冲击，为提高吊具的安全系数，选用中空矩形框的低合金高强钢材料Q345，结构截面尺寸为250 mm×250 mm，壁厚16 mm。
3.3.2 吊具受力分析
根据专用吊具设计方案，本吊具主要由托板和弯月吊杆构成，铰链处为约束点，可简化为拉杆进行受力分析[3]，即吊杆受到的拉力为桥机吊钩的拉力，与水斗式转轮和吊具的重力相等，方向相反。由于吊杆为弯月型，起吊过程中，转轮重力及桥机拉力作用于吊杆上，沿吊杆弯月面的中部产生两个相反的力矩，由吊杆内应力克服平衡，故吊杆的应力集中截面为吊杆弯月中部内缘，并向两端减小，使弯月面的垂直面应力较小。
3.3.3 吊具有限元计算
吊杆选用矩形框的低合金高强钢材料Q345，厚度16 mm，由钢材牌号可知其屈服强度σb≥345 MPa，查《GB50017-2003钢结构设计规范》中的表3.4.1-1得其抗拉强度f≥310 MPa。
将吊杆建立起模型和网格划分，根据金属材料弹性和塑性理论进行有限元[4]计算分析，建模网格划分图见图3。
网格数：33330 节点数：143366图3 建模网格划分图
施加15 t、20 t、25 t荷载进行吊杆抗扭承载力模拟数值分析，可计算出吊杆的内应力和总位移。吊杆有限元计算分析结果表见表1。
表1 吊杆有限元计算分析结果
由表1可知，吊杆承受最大荷载25 t后的最大内应力为232.4 MPa，远小于低合金高强钢材料Q345屈服强度345 MPa和抗拉强度310 MPa；
卸载后，吊具恢复原状，只发生弹性变形，故转轮翻转专用吊具承吊20 t荷载其强度是合格的。
4.1 设计效果
(1)采用“弯月”型吊杆替代原众多钢丝绳、重型葫芦和吊环螺栓等工器具，实现了吊具的简单化。
(2)“弯月”型吊杆为单吊点平衡吊，达到了水斗式转轮一次性起吊及翻转的目的，简化了转轮翻转时传统吊具多次倒换吊点的繁琐操作。
(3)将转轮重心与吊杆受力点与铰链处重合，达到水斗式转轮各处重力围绕重心的平衡[5]，在翻转时使各处重力做功相互抵消或不做功，实现转轮轻松悬空翻转，在任意位置均可保持平衡。
(4)“弯月”型吊杆采用Q345低合金高强结构钢和空心矩形截面结构制作，强度高，重量轻，承载弯矩大，安全系数高。同时，还可防止吊具与水斗叶的碰擦，避免了水斗叶的损伤。
(5)整个吊具采用吊杆与托盘组合，结构简单，拆装容易，维护量小，经久耐用，并可在流域梯级电站使用。
4.2 使用效果
(1)专用吊具与常规吊具吊装时可大幅节约投入资源。两种投入资源对比分析见表2。
表2 两种投入资源对比分析表
(2)吊具在使用中达到了轻松翻转及省力的目的，通过表2对两种吊具的投入资源对比，专用吊具投入工器具和工时大幅减少，仅为常规工具吊装时的1/15，同时也缩短了转轮更换的检修工期，减少了发电量的损失。
新型转轮翻转吊具是针对水斗式转轮结构特点及原常规吊具存在的安全风险大、效率低等问题，采用力学和结构理论分析计算进行设计的。新型翻转吊具结构紧凑、操作简单、省力高效、安全耐用、经济适用，解决了水斗式转轮常规吊具吊装时的操作繁琐、投入资源多、费时费事、安全风险高等问题，可在大型水斗式转轮翻转吊装中普遍应用，并以转轮重量、水斗宽度、转轮直径为基本参数，规范水斗式转轮翻转吊装工具，形成系列针对性产品，应用前景十分广泛。
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