机械转钩式全自动抓梁的设计及在南水北调中线工程的应用

摘要：机械转钩式全自动抓梁是靠自身重力和电动葫芦的拉力，驱使抓梁吊钩循环转动来实现对叠梁检修闸门挂脱钩一种纯机械机构，具有无需人力干预、满足水下抓取、对水质无潜在污染、节能经济等优点。它在水工启闭抓取设备上，首次实现了机械全自动抓脱闸门，在南水北调中线一期工程中得到了广泛的应用和认可。本文详细介绍此类抓梁的工作原理、技术特点，以供同类工程金属结构设计借鉴。

关键词 ：转钩 ；机械全自动 ；定位装置；抓梁

中图分类号： S611 文献标识码： A

1.概述

在南水北调中线一期工程河南段，涉及金属结构设备的各类建筑物共计近百座。其建筑物进出口，均设有或部分设有检修叠梁门，其孔口宽度为6～9.5m宽，设计检修水头为7～11m，检修叠梁门设2m高左右为一节，一套检修叠梁门为4或5节，启闭设备均为一台MDI2×100kN移动式电动葫芦配合自动抓梁逐节抓取，利用各节门间的互换性，最终叠加至所需门高挡水检修，整个南水北调河南段需设抓梁近百套，针对如此大数量的设备选型，我们经过大量的优化筛选，最终确定选用机械转钩式全自动抓梁。

2.设备组成及设计

机械转钩式全自动抓梁主要由梁架、抓梁吊耳及转钩装置、导向装置、定位装置组成。导向装置跟闸门类似，其又包括主滑块、侧滑块和反轮组成。。

2.1 梁架

梁架是根据叠梁闸门及其门槽和自身机构的特点设计的抓梁载体，一般有两个槽钢、钢板和加固件焊接而成。根据抓梁布置特点，梁架不受起吊荷载，满足构造要求并且有一定的刚度即可，其上可以根据平衡及自重的需要加配重。

2.2 抓梁吊耳和转钩装置

抓梁吊耳和转钩装置往往在一起设计，是机械转钩式全自动抓梁的核心部件。抓梁吊耳与电动葫芦吊头相连，控制抓梁的起降；转钩装置的转钩依靠抓梁的起与落，完成一个行程，使转钩在自身机构的驱动下转动90度，实现与叠梁闸门的吊耳板挂脱。抓梁吊耳和转钩及其转动轴均为主要受力构件，需要核算其强度。

2.3抓梁的导向装置

抓梁的导向装置的主滑块、侧滑块、反轮与闸门的主向、反向、侧向支撑作用相同，用于抓梁相对于闸门的粗定位，抓梁的定位装置工作前，需满足导向装置全部入槽就位。

2.4 抓梁的定位装置

抓梁的定位装置底板入口设计成为喇叭孔，以保证闸门定位轴能顺利导入导向装置的导向钢管，其与叠梁闸门上的销轴相对应；叠梁闸门定位轴的顶部设计成圆锥形，轴径与定位装置钢管的孔径留有一定间隙，以不影响抓梁转钩入叠梁闸门吊槽为准；闸门上的定位轴与定位装置配合随着抓梁继续下落，定位装置继导向装置粗定位后，进入精确定位状态，在抓梁落致预定行程后，其底板面与闸门脚座顶板接触以限位，此时抓梁的转钩运行至下限位，在抓梁自重的推动下转动45°，也可在闸门边梁与抓梁边梁上焊接触板来限位，限位要承受抓梁总重，需要核算相关强度。

3 自动转钩的工作原理

前面提到了抓梁吊耳和转钩装置是机械式全自动抓梁的核心部件，要了解抓梁的工作原理，必须清楚其核心零件―转钩的构造，转钩的构造及工作原理示意图（见附图1）。

3.1 抓梁吊耳、转钩装置及门叶吊耳的构造和作用：

3.1.1自动转钩由吊轴、吊钩、承重螺母构成，是主要承重及能动构件：吊钩与吊轴焊接，在闸门吊耳板的类椭圆孔内转动90度，实现与闸门上吊耳板挂脱；吊轴上开有驱动导向槽，其导槽展开图如图所示（见附图2），与抓梁固结的吊轴导向筒上的导轮配合；吊轴顶部的螺母与吊轴螺栓固结，螺母在抓梁拉起时挂在抓梁吊耳水平承重板上；吊耳轴底部做成圆锥形，其尖端做成球面。自动转钩的吊轴、吊钩、承重螺母为一整体，能相对抓梁轴向运动和绕轴心转动。

3.1.2抓梁吊耳与启闭机相连；抓梁的吊耳和吊轴导向筒等其他装置都通过螺栓或焊接与抓梁的梁架固结，其上与吊轴接触的滑动轴承1和滑动轴承2上下两个滑动轴承能更好的保证吊轴径向和轴向运动的精度；导向筒上装有左右对称两个小轮，配合吊轴导轨槽驱动吊轴绕轴线转动。

3.1.3 闸门吊耳板孔做成类椭圆形，在抓梁吊钩在长径方向上时，能保证转钩上下自由出入；当转至吊钩在短径方向上时，能保证闸门吊耳板挡住吊钩足够的长度，吊钩出不了吊耳板孔，实现挂钩。闸门吊耳板正下方有闸门制动板，其作用是能顶住吊轴底部尖端，以保证吊轴不能继续向下移动，又由于自动转钩能绕其轴线自由转动，并且相对于抓梁主体能轴向移动，所以转钩能在抓梁导轮的驱使下自由转动，而抓梁本身继续向下移动。

3.2转钩工作原理

挂钩：随着抓梁的整体下移，a抓梁初始状调整为抓梁吊钩与椭圆长径方向一致，吊钩自由下入闸门吊耳板孔；b 抓梁继续下移，吊轴底部椭圆尖端顶住闸门吊耳孔正下方的闸门制动板，既为附图3所示状态，此时抓梁吊轴导向筒上导轮的位置为附图4最左上方①所示的位置；c由于转钩在闸门制动板的的阻力及其自身重力的作用下，只能绕自身轴线转动，所以抓梁继续下移，抓梁上的导向轮随抓梁下移，当移动到②所示的位置时，导向轮在吊轴槽内与下斜轨道沿接触，开始推动吊轴转动。d抓梁继续下移，导轮推动斜轨，转钩吊轴发生转动，直至导轮移动到位置③，由附图4可知，导轮从位置①至位置③随抓梁本体向下移动了距离L，而转钩绕自身轴线在抓梁导向轮的驱使下转动了45°，并且闸门上定位轴脚座顶板和抓梁上的定位装置上的限位地板起作用，抓梁落到极限位置。当闸门提起时抓梁上的导向轮相对吊轴从位置③竖直移动到位置④，然后推动吊轴转动竖直移动到位置⑤，吊轴又转动了45°，闸门从①到⑤吊轴共转动了90°，抓梁吊钩完成了从吊耳的类椭圆孔长经方向转至短径方向，转钩挂钩。而抓梁竖直位移只是是落到底，再提上来，刚好处于提起状态。

脱钩：同理，位置⑤抓梁处于挂钩状态，闸门放到底后闸门静止，抓梁继续下落，至闸门制动板挡住抓梁转钩吊轴，导向轮从位置⑤数值下落到位置⑥，导向轮从位置⑥竖直下落至位置⑦，其推动吊轴转动45°；导向轮从位置⑦至位置⑧再至位置⑨竖直向上移动，推动转钩再转动45°，抓梁落致底再提上来，转钩转动了90°，实现脱钩。

位置⑨和位置①状态、意义完全相同，转钩转动180°为一个挂脱周期，通过抓梁的一个起落，实现抓梁的挂或脱，周而复始，自动转钩挂脱闸门。

闸门的转动能源，下落时靠抓梁自重，吊起时靠启闭机拉力。在南水北调河南段的设计中，此类抓梁被用于叠梁检修闸门的抓取，大都有水下抓取的工况，由于水下浮力作用，抓梁在出厂时抓取自如，而在实际水下抓取时可能会出现自重驱动力不足，所以在闸门下落转动不流畅时可以考虑适当增加抓梁的配重来增加下落驱动力，加配重时需要同时考虑抓梁自身的平衡。

3.3 抓梁的工作过程：

挂门：抓梁主、反、侧向支撑入槽粗定位―定位销精定位―转钩入吊耳板孔―闸门制动板挡住转钩―抓梁继续下移转钩工作行程L，同时吊轴转动45°，抓梁落至下限位―抓梁提高L―吊轴继续转动45°―抓梁继续上移―挂钩启门。

脱门：闸门入槽―抓梁主、反、侧向支撑入槽粗定位―闸门落致预定位置―闸门制动板挡住转钩―抓梁继续下移转钩工作行程L，同时吊轴转动45°，抓梁落至下限位―抓梁提高L―吊轴继续转动45°―抓梁继续上移―闸门脱门。

4 小结 由于抓梁的构造限制，一般不适用于启闭力较大的整体门，尤适用于启闭容量不很大的叠梁门和宽矮闸门。

第一作者姓名：孙传军

性别：男

出生年月：1979年02月28日

职称：工程师

第二作者姓名：宋杰

性别：女

出生年月：1973年05月07日

职称：高级工程师