水电站卷扬式启闭机结构设计说明

水电站卷扬式启闭机结构设计1 绪论1.1 论文写作的目的、现实意义“水电站卷扬式启闭机结构设计”论文写作的主要目的是培养自己综合运用所学的基础理论课、技术基础课和专业课知识和技能去分析解决有关卷扬式启闭机结构的技术问题的能力；培养自己建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和方法；进一步巩固、扩展和深化自己所学的基本理论、基本知识和基本技能，提高自己设计计算、数据处理，编写技术文件，正确使用技术资料、文献标准、手册等工具书的独立工作能力；培养自己严肃认真、一丝不苟和实事求是的工作作风，树立正确的生产观点、经济观点和全局观点，从而为自己走向社会适应工程技术工作打下一个坚实的基础。

并能具体掌握有关卷扬式启闭机的理论知识。

随着国民经济的飞速发展，国家各行各业及百姓生活对电力的需求量都大大增加。

为了解决电力不足、缓解用电压力，国家充分利用水资源，大力发展水利电力事业，各种大大小小的水电站星罗密布、遍布全国。

在工农业生产和日常生活中，水电站在水利发电、防洪排涝、农田灌溉及生产生活供水等方面都发挥着重要作用。

而启闭机是水电站中用来调节闸门开度、起吊拦污栅，实现调节水流、拦泄洪峰、排沙冲沙等目的的重要的起重机械，也是完成其他金属结构与机电设备安装和检修的辅助机械。

因此，启闭机的生产质量和工作性能的好坏，对水利水电工程的正常运行、充分发挥其效益，乃至对人民的生命财产安全都至关重要。

水电站的启闭机种类繁多。

其中，卷扬式启闭机结构简单，操作方便，运行速度较快，能保证严格的传动比，对外界工作条件要求较低，适用于多种工作环境，性能可靠，并且维护方便，价格便宜，是大、中型水利水电工程广泛采用的一种闸门启闭机。

因此，卷扬式启闭机的设计与制造在水电站启闭机事业研究中占有重要地位。

卷扬机式启闭机一般由起升机构、机架及电气控制系统组成。

水电站卷扬式启闭机结构设计主要是指机架的设计。

机架在使用过程中承受很大的力，机架的设计包括对机架在外载荷作用下的应力、变形及挠度的校核计算和分析。

在设计过程中，需要利用SolidWorks软件进行三维模型建模，并利用其“有限元分析”功能对机架进行强度、刚度、应力、应变和位移分析，还可进行结构的动力学分析。

从不同角度确保机架设计合格、安全、经济，机架的可靠设计是保证启闭机正常运行的前提。

1.2 国内外启闭机的研究与应用现状1.2.1 国内外启闭机的研究现状很多年来，在国外的一些发达国家尤其是美、英国家，在工业革命后都对水电站启闭机进行了大量的分析和研究，采用先进的技术方法相继研制出了一批高质量、高性能的启闭机。

由于他们研制工作开始较早，积累了很多的经验，已经有了设计和制造启闭机的一套完整的理论体系。

他们已经摒弃了采用平面结构进行设计计算的方法，开始运用先进的相关软件，例如，solidworks、autoCAD、Pro/E、ANSYS等对启闭机进行三维建模或者是有限元分析。

通过这些软件，他们设计和制造出来的启闭机性能好、工作安全可靠、事故率低、价格也相对便宜。

这些水电站启闭机无论是在他们国内还是国外都有很好的竞争力。

而在中国，由于工业起步较晚，远远落后于其他发达国家，现如今大部分设计和制造启闭机的方法均采用平面设计计算。

采用二维设计计算不但耗时长而且安全可靠性低，很难在国内外有较高的竞争力。

随着中国经济的日益发展，尤其是改革开放以来，国内设计人员已经意识到了手工绘图和计算的不足，已经有很多研究者运用高科技软件进行启闭机的设计与制造。

例如：武汉水利电力大学的李纯教授面向方案的启闭机优化建模、优化方法、启闭机CAD；原电力部中南勘测设计院薛瑞宝教授等对启闭机的体系进行了研究确定；中国矿业大学孙幼兰教授研究了启闭机的优化结构设计[1]；国家电力公司郑州机械研究所采用变频器来控制启闭机，以免启闭机在制动时因受冲击而损坏。

同时，在启闭机的动力学系统建模、分析及数字仿真等方面的研究也在不断地进步。

例如：武汉水利电力大学的林武教授对固定式启闭机进行了数学建模和优化分析，并提出了新的优化设计方案[2]。

随着CAD技术的发展，一些高性能、高技术的软件的开发应用，一些专家教授也开始利用CAD对其进行优化设计。

例如：武汉大学袁策武教授CAD 开发工具开发出了水工闸门启闭机智能CAD系统；太原重型机械学院的陶远芳开发了启闭机起升机构的CAD软件[3]。

然而，国内的这些采用软件进行设计计算的方法大部分还是以二维平面结构进行设计计算的，他仍然有很大的局限性，因此采用solidworks进行启闭机的三维建模和有限元仿真分析是必要的。

近年来，水利工程启闭机有了很大的发展，其工程规模不断地扩大，启闭机的安装工程量也越来越大，启闭力也不断地增加，启闭机的发展特点和发展趋势有以下几点：（1）向大型化和专用启闭机发展；（2）广泛采用液压技术；（3）新材料被广泛应用；（4）结构组成形式也越来越先进；（5）设计计算方法需要采用仿真分析；（6）大力推广标准化工作。

[4]综上所述，根据国内外的启闭机的发展现状，国内设计者需要一套完整的三维建模体系和有限元仿真分析方法。

1.2.2 国内外启闭机的应用现状随着大大小小的水电站不断兴建，各种类型的启闭机得到了广泛的应用，如：卷扬式启闭机、链式启闭机、螺杆启闭机及连杆启闭机，还有液压式启闭机等[15]。

螺杆式启闭机在小型平面闸门和弧形闸门上得到较广泛的应用，如图1.1 所示。

通用的螺杆式启闭机启闭力大都在200KN 以下，已经实行系列标准（QL 系列），由各地方厂家进行定型生产。

图1.1 螺杆式启闭机葛州坝二号船闸人字闸门采用的是连杆式启闭机，启闭机的设计能力(连杆上最大力矩）为2500KN.m，是目前世界上最大的连杆式启闭机，如图1.2 所示。

链式启闭机采用片式关节链，国内上个世纪50 年代建成的佛子岭水库溢洪道的双扉门使用这种启闭机，但至今未能广泛应用。

1、双速鼠笼式电动机2、制动器及带制动轮的联轴器3、减速器4、齿轮联轴器5、立轴圆锥圆柱齿轮联轴器6、小齿轮7、扇形齿轮8、曲柄9、推拉杆 10、门体图1.2 人字闸门连杆式启闭机在国外，苏联伏尔加河水闸上的固定卷扬式启闭机启闭力为2x9000KN。

在我国，东江水电站高扬程启闭机的启闭力为2x4000KN；浙江珊溪水利枢纽水库工程泄洪洞事故检修闸门的启闭设备是一台启闭能力为8000kN 的固定卷扬式启闭机，于2000 年4 月底投入使用，是目前国内启闭能力最大的高扬程固定卷扬式启闭机。

而位于湖北清江上游的水布垭水利枢纽工程中的防空洞事故闸门的最大扬程达159m，在国内同类机型中扬程最高[5] [6] [7] [8]。

液压式启闭机是利用液体压力来传递动力，来驱动液压缸对闸门进行操作的一种启闭设备，如图1.4 所示，液压启闭机的组成部分有液压缸、液压阀组和管道、液压泵站及控制装置等。

一些中小型液压启闭机已经实行系列化，并有专业化制造厂定型生产，大型液压启闭机的系列标准正在拟定之中。

近年来，液压式启闭机在国内外得到了越来越广泛的应用，我国龙羊峡水电厂采用的液压启闭机，其最大启闭力是8000KN/3000KN，扬程为11m。

还有举世瞩目的三峡工程就共用了120 多台液压启闭机，其中最大的启门力矩53100kN·m,最大闭门力矩7800kN·m，相应的启门力为4500kN，闭门力为500 kN，最大工作行程为16m，最大液压缸内径为4800mm，活塞杆直径为400mm。

目前，国内液压启闭机最大启闭力可达10000kN，行程超过16m，油缸直径大于1m，活塞杆直径大于0.5m。

液压式启闭机是今后启闭机发展的一个方向[5] [6] [7] [9]。

图1.3 固定式卷扬启闭机1.3 目前存在的主要问题及未来发展趋势1.3.1 目前存在的主要问题由于众多历史原因和技术条件的限制，迄今为止在各式启闭机的设计方面仍大量采用类比法和经验法。

由于这些方法存在着很大的主观性，缺乏细致的理论分析与足够的试验数据，对启闭机在工作时出现的动载荷和疲劳现象考虑不足或重视不够，导致启闭机机座变形、钢丝绳断裂等现象时有发生，严重影响了启闭机的工作性能和产品质量。

另一方面，传统的启闭机设计均为非参数化的二维设计，往往需要反复修改设计方案、调整设计参数，存在着设计任务繁重、设计效率低、设计成本高等问题，给企业造成巨大的经济损失和人力资源浪费[5] [6] [10]。

1.3.2 未来发展趋势液压式启闭机将得到越来越广泛的应用。

由于液压启闭机与其他启闭设备相比具有结构简单紧凑，体积小重量轻但承载能力大，传动平稳且传动效率高，易于防止过载、安全可靠等优点，能很好地满足水电工程规模不断发展的需要，所以液压启闭机在水利水电工程中的应用会越来越普遍[11]。

许多跨学科的现代设计方法和技术将得到更加广泛的应用。

由于二维设计已不能满足现代设计的需要，人们越来越热衷于三维实体化、形体参数化、产品形象化；作为能提高产品设计效率的三维CAD设计，也将成为产品设计的主流，并正在向着设计、分析、优化、装配、仿真、制造等集成化的方向发展[12]。

而模糊优化反映了中介过渡普遍存在的模糊性，反映了定量研究从物理领域进入到事理领域必然遇到的大量的模糊概念，反映了启闭机系统所涉及的种种模糊因素，反映了定量值的模糊属性[13]，因此启闭机的模糊优化设计必将推动启闭机设计进入一个崭新的阶段。

另外还有其他一些设计方法，如：可靠性设计、有限元法、动态仿真设计等。

而这些现代设计方法也必将给启闭机设计注入新的生机和活力。

1.4 关于本课题的研究内容及其意义1.4.1 本课题的研究内容与技术路线鉴于以上分析，本课题选择2×630N固定式卷扬启闭机为研究对象，采用了三维虚拟设计方法进行产品开发，其具体的研究内容是：在广泛调研和方案论证的基础上，确定整机参数；首先，查询和翻阅资料，并利用所学的机械设计理论完成对双吊点固定式卷扬式启闭机的零部件进行设计与计算，主要是对其运动机构进行选择和计算；其次，运用三维设计软件solidworks对其进行三维建模，得到其三维实体模型；再次，利用利用solidworks软件对初步设计好的模型进行力和运动仿真分析，根据结果对初选参数进行校核；最后，利用solidworks软件生成二维工程图。

其技术路线如下所示：确定方案→对机架等主要部件进行初步选择和计算→三维建模设计→装配→干涉检查并修正→对机架部分有限元分析→得出的结果与初选值进行比较并优化设计方法→生成二维工程图→安装、使用、维修、保养→结束。

1.4.2 本课题的关键技术和方法（1）利用solidworks进行三维建模，将机架、滑轮组、卷筒组、驱动装置（包括开式齿轮副、减速器、制动器、电动机等）的三维实体模型建立出来；（2）利用solidworks进行三维建模，将所建立的三维实体装配在一起；（3）利用solidworks生成工程图，将所得到的装配体生成二维平面图，并添加主要尺寸以及配合尺寸；（4）利用solidworks simulation插件对机架进行有限元分析。