禹门河水库工程金属结构设备设计（孙鲁安,杨丽娟,李卫莉,侯庆宏）

［关键词］金属结构 闸门 启闭机 禹门河水库

1 主要设备布置概况

禹门河水库工程金属结构设备主要分布在电站、排沙和施工导流的建筑物。全部金属结构设备包括平面闸门10扇、拦污栅3扇、门机1台、固定卷扬启闭机5台和单轨移动式启闭机1台。

1.1 发电系统

3个发电孔从头至尾依次设拦污栅、检修闸门、事故闸门和尾水检修闸门。

拦污栅为潜孔式平面滑动直栅，孔口尺寸4 m×4.5m，设计水头4.0m，按1孔1栅设置，采用坝顶800kN门机操作。当前后水压差达到1.0m时，水位计发出信号，提栅进行人工清污。

检修闸门孔口尺寸2.5 m×3.4m，设计水头9.5m，按3孔1门设置，采用坝顶800.0kN门机操作，运行方式为静水启闭，采用门顶充水阀充水平压。当事故闸门槽需要检修时下闸挡水，平时锁定在坝顶平台上。

事故闸门孔口尺寸2.5m×2.8m，设计水头16.51m，按1孔1门1机设置，采用400kN固定卷扬式启闭机现地或远程操作。机组发电时事故闸门悬挂在孔口上方，当机组出现事故时可在2分钟内动水闭门。当导水机构或隧洞检修时，静水闭门提供检修条件。在机组长期停止发电时，静水闭门挡水挡沙。

尾水检修闸门孔口尺寸5.02m×2.42m，设计水头11.23m，按3孔2门设置，采用2×100.0kN单轨移动式启闭机操作，按静水启闭运用。平时锁定在394.2尾水平台上，当机组需检修时，静水闭门，利用机组尾水盘阀排空尾水管内积水。检修完毕后，再利用机组尾水盘阀向尾水门后冲水平压，静水条件下开启尾水闸门。

1.2 排沙孔

2个排沙孔进口依次设事故检修闸门和工作闸门，承担水库正常排沙和汛期泄洪任务，排沙孔的闸门均为潜孔式平面定轮钢闸门。事故检修闸门孔口尺寸4.5m×6.0m，设计水头22.51m，按2孔1门设置，采用坝顶800.0kN门机操作。利用门顶充水阀充水平压静水启门，靠门重和水柱动水闭门。当工作闸门槽需要检修时下闸挡水，平时锁定在坝顶平台上；工作闸门孔口尺寸4.5m×6.0m，设计水头22.51m，按1孔1门设置，采用1 250kN卷扬式启闭机操作。闸门按全开全关、动水启闭运行。为了避免闸门门体、滑轮组、钢丝绳长期浸泡在水中，止水设置在上游面。需要检修时，可放下事故检修门挡上游来水，将工作闸门提出坝面检修。

1.3 导流洞

一条导流洞进口设1扇潜孔式平面滑动叠梁钢闸门，用于在施工导流时封闭导流洞的进水口。导流洞封堵闸门孔口尺寸6.0m×6.0m，闸门由上下两节叠梁组成，设计水头18.5m。因封堵闸门不是永久设备，故采用临时设备起吊，运行方式为动水闭门。

2 新材料的应用

为减小启闭机容量，降低设备投资和工程造价以及工程投运后的运行维护工作量及费用，闸门的支承主滑块、支承定轮以及滑轮的轴承轴套均采用了耐磨、承压能力强且摩擦系数较低的新材料。其中闸门的主滑块采用了TS-70A型增强四氟滑道新材料，闸门定轮的轴套采用了FZ-5(2)钢基铜塑复合材料，启闭机滑轮轴套采用了TSG-150型钢基铜塑复合材料自润滑轴承。虽然采用新材料价格要比老材料贵，但与采用老材料导致的设备重量增加的费用相比，采用新材料仍是相当经济的。

2.1 增强四氟乙烯钉板复合材料

电站拦污栅、检修闸门等的主滑块均采用了TS-70A钉板复合材料滑块。与传统的铜套等材料相比，采用这种材料后闸门的启闭力大约可减小30%～50%。

TS-70A钉板复合材料是近些年来针对水工闸门而研制开发的滑道新材料之一。它由钉板和填充料组成，填充料填充于钉板中钉柱旁的空穴中，基体是硬度适中的高强度耐磨铝青铜ZQAL9-4，填充料为摩擦系数很小（时效摩擦系数≤0.1）的增强聚四氟乙烯塑料。由于金属和塑料的面积比始终保持不变，可以确保摩擦系数不会随磨损深度加大而变大。同时由于钉板的这种结构特点，消除了孔口应力集中对固体润滑剂的影响。卸载后，塑料的回弹比铜钉回弹量稍大，塑料面总是略高于铜钉面，从而不必依靠热胀就能保持用之不竭的自润滑补给功能，特别适合应用在检修闸门，事故闸门，非常溢洪道工作闸门等不经常使用的闸门上。这种材料的滑块要求钢轨弧面的粗糙度Ra<1.6，钢轨的接头按1∶100磨平。滑道在负荷运行时，可以靠自身的摩擦力保持平衡，滑道的紧固组件实际受到剪切力很少，所以滑道可以从背面用不锈钢螺钉与闸门门叶直接相联，两端再加两块剪切板即可。若采用螺栓和楔形压块将滑块压入燕尾形铸钢夹槽的安装方式，可使滑块预先产生侧应力，提高滑块的承载力。

2.2 铜基镶嵌自润滑轴承

排沙孔的事故检修闸门和工作闸门均为定轮闸门，其定轮装置的轴承均采用了FZ-5(2)型铜基镶嵌自润滑轴承。该材料是以高强度铜合金为基体，并在铜合金面上开出排列有序大小适当的孔穴，再镶嵌固体润滑剂而成的轴承，是近年来针对水工闸门而研制开发和推广的另一新型滑道材料。

FZ-5(2)型铜基镶嵌自润滑轴承的优点是承载能力高、使用寿命长，耐磨性能好，摩擦系数小（0.08～0.12），不需要加油润滑．特别是在低速重载工况下具有其它轴承不可比拟的优点。比较适合用在水工钢闸门的定轮滑动轴承、弧门支铰轴承，球形关节轴承以及水轮机导叶轮轴承等。作为闸门定轮的轴套使用时，为防止泥沙进入轴套，可在轮子、轮架间设置密封圈。由于摩擦系数远小于传统的铜套、油泥龙、胶木等材料，因而可大幅度降低闸门的启闭力，从而减轻启闭设备的自重。

2.3 钢基铜塑复合材料自润滑轴承

TSG-150型钢基铜塑复合材料自润滑轴承是早期研发的SF-2型钢基铜塑复合材料的改进型，它的复合层厚度比SF-2加厚许多，承载能力和耐磨性能要比SF-2好得多，是近些年来较受欢迎的几种轴承新材料之一。本工程所有启闭机的滑轮轴套全部采用了这种材料，滑轮装配后，用手均可轻松转动。

TSG-150型钢基铜塑复合材料自润滑轴承在结构上分为基层和复合层，其中基层为钢板，复合层为铜材和塑料。由于复合层的露铜面积只占总面积约10%，这样钢板主要承力，铜层主要抗磨，而嵌入铜球间隙的塑料则主要起润滑作用。因此，该材料具有接近于钢的机械强度，铜的抗磨能力和塑料的低摩性能的独特优点。由于较低的摩擦系数，大大提高了滑轮传动系统的效率，减小了传动阻力，降低了传动系统机械零件的磨损，从而延长启闭机的使用寿命。

3 新技术、新方法的应用

3.1 折线绳槽卷筒技术的应用

禹门河水库工程的5台卷扬式启闭机和1台门机的起升机构全部采用了折线绳槽卷筒多层缠绕新技术，这是一项从美国引进的技术。虽然近些年来在我国的起重行业特别是水电行业应用逐渐增多，但目前仍无统一的设计标准可循，总体来看仍属于一项新技术。由于这种卷筒的绳槽有80%是平行的，因此上层钢丝绳可落在下层钢丝绳形成的槽内，减少了钢丝绳交叉过渡引起的挤压，钢丝绳可在不设置机械排绳机构的情况下在卷筒上均匀缠绕，特别适合钢丝绳在卷筒上进行多层缠绕，有效减小卷筒的直径和长度，从而大幅度减小启闭机的总体重量。根据初步计算，采用此项新技术后，6台启闭机的总重约减轻60t，按当时的设备价格计算，可节省设备投资约100万元，经济效益十分明显。

3.2 挡环设计新方法的应用

折线绳槽卷筒多层缠绕技术虽然有很多优点，但与折线绳槽卷筒配套的挡环设计比较麻烦，制造也较困难。原因是折线绳槽卷筒挡环的阶梯垫面钢丝绳的接触点的变化较为复杂。设计时，必须通过反复计算或作图求出一系列坐标点，然后再连接起来才能绘制到图上，设计过程比较繁琐。因此，设计和制造者常有抱怨。为解决这一问题，笔者对钢丝绳在折线绳槽卷筒挡环上的缠绕爬升规律进行了分析研究，对折线绳槽卷筒的挡环结构进行了探讨，提出一种挡环设计新方法（参见 “禹门河水库工程启闭机折线绳槽卷筒挡环设计新方法”一文 ），并用这一新方法设计了禹门河水库工程的6台启闭机的折线绳槽卷筒挡环，取得了良好效果，明显缩短设计、制造周期并减少了制造成本。经制造、安装和运行，按新方法设计的挡环完全满足使用要求。此设计方法目前已得到推广，并取得了明显的经济效益。

4 总体设计评价

目前，禹门河水库工程金属结构设备已全部安装完毕，并投入运行。根据初步验收结果，设备运行良好。各种技术性能指标完全达到了预期的设计目标，满足技术先进、运行安全可靠、操作维护方便和便于标准化管理的设计原则。设计中采用的各种新技术、新材料、新方法以及有关设备安全控制的各种技术措施在设备运行中发挥了积极作用。