水利工程開閉式啟閉機(jī)的研究與應(yīng)用

孫承祥，錢邦永，羅 震

（江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223005）

1 引言

啟閉機(jī)關(guān)系到水工建筑物的正常運(yùn)行，除應(yīng)滿足一般起重機(jī)械的設(shè)計(jì)要求外，對(duì)啟閉機(jī)的主要要求為：工作安全可靠、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、造價(jià)及維護(hù)費(fèi)用低、操作方便、外觀整潔、體積小、占地少等。長(zhǎng)期以來(lái)，水利工程采用的卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)為傳統(tǒng)開式傳動(dòng)，傳統(tǒng)開式傳動(dòng)有以下問題：

（1）啟閉機(jī)露天放置，比如農(nóng)村水閘、偏遠(yuǎn)地區(qū)，風(fēng)沙易進(jìn)入，開式齒輪易磨損，腐蝕嚴(yán)重。

（2）啟閉機(jī)開啟頻繁，開式齒輪采用油脂潤(rùn)滑，潤(rùn)滑不足，磨損嚴(yán)重，使用壽命短。

（3）制動(dòng)器調(diào)試復(fù)雜，摩擦片易磨損，維護(hù)時(shí)易粘油打滑。啟閉機(jī)開式齒輪保養(yǎng)維護(hù)工作量大，成本高且存在安全隱患，易夾傷手。維護(hù)時(shí)易污染環(huán)境，特別是水庫(kù)、養(yǎng)殖場(chǎng)、水源地。

隨著社會(huì)的發(fā)展，啟閉機(jī)除滿足基本的功能外，人們?cè)絹?lái)越重視啟閉機(jī)的自動(dòng)化程度、景觀效果以及它的運(yùn)行管理是否方便等，出現(xiàn)了一種閉式傳動(dòng)啟閉機(jī)，閉式啟閉機(jī)減速機(jī)輸出軸直接驅(qū)動(dòng)卷筒，使得啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，但它的造價(jià)高，造價(jià)約為開式啟閉機(jī)的1.5倍，不便于在全國(guó)范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。研制出一種既能達(dá)到閉式啟閉機(jī)的效果又能降低造價(jià)的一種新型啟閉機(jī)，是運(yùn)行管理中最直接和最迫切的現(xiàn)實(shí)問題。

2 研究思路

對(duì)開式啟閉機(jī)的經(jīng)典傳動(dòng)方式進(jìn)行創(chuàng)新，提出了開式齒輪閉式改進(jìn)的設(shè)計(jì)思路。開閉式啟閉機(jī)采用將電機(jī)、制動(dòng)器及減速機(jī)集成一體的擺線針輪減速機(jī)，減速機(jī)與末級(jí)的大小齒輪箱體進(jìn)行對(duì)接，采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)合理緊湊，且外形美觀。由于閉式啟閉機(jī)對(duì)減速機(jī)的選型不僅要考慮所傳遞的扭矩與功率，還要考慮到減速機(jī)末級(jí)所能承受的最大徑向力，通過(guò)校核，徑向力按所傳遞相應(yīng)功率來(lái)選的減速機(jī)都是不夠的，必須放大減速機(jī)型號(hào)，才能滿足要求，造成造價(jià)上升。由此可見，開式啟閉機(jī)運(yùn)行至今，不愧為一種經(jīng)典設(shè)計(jì)，但隨著社會(huì)的發(fā)展，人們已不滿足于它原有的功能。比如開式齒輪壽命短、不美觀、維護(hù)保養(yǎng)成本高，這些缺點(diǎn)日漸顯現(xiàn)。采用開式齒輪閉式裝配的方式，有效解決原啟閉機(jī)壽命短和安全運(yùn)行的問題，也方便管理單位維護(hù)保養(yǎng)，使得環(huán)境整潔美觀，性價(jià)比高。

啟閉機(jī)底座安裝鋼絲繩開合裝置，開機(jī)時(shí)自動(dòng)打開，關(guān)機(jī)時(shí)自動(dòng)閉合，可以防止灰塵與昆蟲進(jìn)入機(jī)房，保證了運(yùn)行環(huán)境的整潔、衛(wèi)生。它的產(chǎn)業(yè)化與推廣應(yīng)用，將會(huì)大大節(jié)省水利工程投資。

3 開閉式啟閉機(jī)的性能特點(diǎn)

（1）保留了開式齒輪組的經(jīng)典傳動(dòng)方式，選用集成化的擺線針輪減速機(jī)，該減速機(jī)具有高速比、結(jié)構(gòu)緊湊、噪音低、壽命長(zhǎng)、過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。減少了累計(jì)裝配誤差，裝配工藝簡(jiǎn)化。

（2）采用密封箱體，實(shí)現(xiàn)了開式齒輪油浴潤(rùn)滑，齒輪壽命顯著提高，采用密封箱體，防止雜物（如沙粒）的進(jìn)入，降低磨損，同時(shí)提高了安全性。

（3）鋼絲繩封孔裝置的設(shè)計(jì)需考慮裝置的可操作性、可靠性、美觀性，故采用電動(dòng)推桿經(jīng)過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開合。

（4）整機(jī)布置緊湊、線條流暢、外形美觀，且整機(jī)造價(jià)合理，性價(jià)比高。

4 開閉式啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)

為了對(duì)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行驗(yàn)證，需進(jìn)行樣機(jī)試制，選用2×160 kN規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，該規(guī)格為常用噸位，便于推廣應(yīng)用。

4.1 材料的選定

啟閉機(jī)采用集中驅(qū)動(dòng)方式，選用合適型號(hào)的三合一減速機(jī)，減速器兩側(cè)通過(guò)開式齒輪組，帶動(dòng)左右起升機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)閘門上升或下降。卷筒采用螺旋繩槽，單層纏繞方式，鋼絲繩最大偏角滿足規(guī)范規(guī)定，卷筒采用鑄鐵卷筒，材料HT200。鋼絲繩采用交互捻、線接觸、鍍鋅鋼絲繩，開式齒輪中大齒輪材料采用ZG340-640，小齒輪材料采用40 Cr。

4.2 電動(dòng)機(jī)選擇與計(jì)算

選用冶金及起重用三相異步電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)采用錐形制動(dòng)，具有制動(dòng)迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

4.2.1 電動(dòng)機(jī)靜功率的計(jì)算

電動(dòng)機(jī)靜功率的計(jì)算式為：

式中：

Q起—起升載荷，為350 kN；

v—起升速度，為1.8 m/min；

η0—機(jī)構(gòu)總效率，η0=η滑η齒η筒η機(jī)=0.9。

4.2.2 電動(dòng)機(jī)功率的確定

為了滿足電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間與不過(guò)熱要求，對(duì)起升機(jī)構(gòu)，按式（2）初選電動(dòng)機(jī)功率:

該啟閉機(jī)一次連續(xù)運(yùn)行約為10 min，可按30 min短時(shí)工作制定額選擇電動(dòng)機(jī)功率。查產(chǎn)品目錄，選取YZE型電動(dòng)機(jī)，其在該工作制下為11 kW 1500 r/min，滿足要求。

4.2.3 電動(dòng)機(jī)過(guò)載校驗(yàn)

按《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄進(jìn)行電動(dòng)機(jī)過(guò)載校驗(yàn)，校驗(yàn)公式如下：

式中：

pn—基準(zhǔn)工作制時(shí)電動(dòng)機(jī)額定功率，為11 kW；

H—系數(shù)，籠型異步電動(dòng)機(jī)取2.2；

m—電動(dòng)機(jī)個(gè)數(shù)，此處為1個(gè)；

λm—基準(zhǔn)工作制時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩允許過(guò)載倍數(shù)，為2.7。

可得Pn=11 kW＞9.51 kW，滿足要求。

4.3 減速機(jī)的選擇與計(jì)算

選用集成化的擺線針輪減速機(jī)，該減速機(jī)具有高速比、結(jié)構(gòu)緊湊、噪音低、壽命長(zhǎng)、過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

4.3.1 驅(qū)動(dòng)裝置傳比的確定

驅(qū)動(dòng)裝置傳比的計(jì)算式為：

式中：

n—電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，1438 r/min；

n筒—卷筒轉(zhuǎn)速

則，分配給減速器為87，則開式齒輪為501.05/87=5.76。

4.3.2 減速器的選擇

減速器速傳比前面已確定，再按允許輸入功率即可確定減速器型號(hào)，即使減速器允許輸入功率[N]≥N靜=11 kW，查產(chǎn)品目錄，選型減速器，i=87可滿足要求。

4.4 開式齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算

根據(jù)所分配的傳動(dòng)比i齒=5.76，取小齒輪齒數(shù) Z1=17，大齒輪齒數(shù)Z2=98，則i齒=Z2/Z1=98/17=5.76。初選模數(shù)mt=10，小齒輪材料為45#鋼，大齒輪材料為ZG340-640。

4.5 密封箱體的設(shè)計(jì)與制造

減速機(jī)大齒輪采用密封箱體，實(shí)現(xiàn)了開式齒輪油浴潤(rùn)滑，其他傳動(dòng)件采用潤(rùn)滑油脂潤(rùn)滑方式，各潤(rùn)滑點(diǎn)設(shè)在檢修人員便于作業(yè)的位置。

密封箱體的設(shè)計(jì)需要考慮開式齒輪的潤(rùn)滑、運(yùn)行時(shí)可觀察、安裝方便等因素，設(shè)計(jì)了一種上下分開的密封箱體，密封箱體上設(shè)有觀察口、放油口，密封箱體采用板材焊接形成，上下部分裝配后一次性加工形成。

4.6 保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

為確保啟閉機(jī)控制準(zhǔn)確，更好地滿足運(yùn)行要求，減速機(jī)設(shè)有荷載限制器、高度指示器與行程限位開關(guān)。

本機(jī)采用安裝在平衡滑輪上的軸銷式荷載傳感器，傳感器測(cè)量準(zhǔn)確，反應(yīng)靈敏。當(dāng)鋼絲繩受拉時(shí)，傳感器承受一定壓力，并隨時(shí)輸出信號(hào)，顯示儀表上顯示出與實(shí)際負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的數(shù)值。當(dāng)鋼絲繩欠載或拉力超過(guò)額定荷載的10%時(shí)，自動(dòng)切斷電源，制動(dòng)器抱閘，起升機(jī)構(gòu)停止工作。

高度指示裝置由行程限位開關(guān)、絕對(duì)值編碼器和顯示儀表組成。通過(guò)安裝于小齒輪軸端的絕對(duì)值編碼器和行程開關(guān)輸出信號(hào)，顯示并控制閘門的任何位置。編碼器具有斷電記憶功能，可有效地控制閘門上、下極限位置和開度預(yù)置，當(dāng)閘門到達(dá)上限、下限和預(yù)置開度到位時(shí)，顯示儀表發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并有相應(yīng)控制觸點(diǎn)輸出，控制啟閉機(jī)停止運(yùn)行。

行程限位開關(guān)僅控制閘門的上、下極限位置，當(dāng)編碼器失靈時(shí)動(dòng)作，起保護(hù)作用。

5 啟閉機(jī)繩孔密封裝置設(shè)計(jì)

目前，水閘的鋼絲繩繩孔或觀測(cè)孔多是在啟閉機(jī)座相應(yīng)部位采用多塊灰塑板進(jìn)行封堵，為便于觀察，開閘時(shí)人工將封堵的灰塑板挪開，關(guān)閘時(shí)再逐孔蓋上，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。近年來(lái)，通過(guò)不斷改進(jìn)，采用在繩孔處制作兩塊灰塑板或有機(jī)玻璃，在鋼絲繩行走的相應(yīng)直線部位預(yù)留矩形孔，矩形孔內(nèi)固定平板橡皮或柔軟毛刷，閘門開啟過(guò)程中不必挪開封板，鋼絲繩行走擠壓橡皮或柔軟毛刷，起到了省時(shí)省力的效果，但此裝置也會(huì)在運(yùn)行時(shí)常有鋼絲繩上的灰塵或油污脫落，污染地面，不便于觀察閘門運(yùn)行狀況。

針對(duì)運(yùn)行中存在的不足，探索并創(chuàng)新出一套卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)繩孔封閉自動(dòng)裝置。封孔裝置通過(guò)支架固定在啟閉機(jī)機(jī)架內(nèi)，由電動(dòng)推桿、連接桿、鉸接裝置、封板和導(dǎo)軌等部件組成。通過(guò)電動(dòng)推桿推動(dòng)連接桿，使其豎直向下運(yùn)動(dòng)。連接桿兩端的端件與鉸接裝置一起向下，每個(gè)鉸接裝置上面的兩個(gè)桿件對(duì)兩邊封板作用。封板用螺栓固定在滑塊上面，使其在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)封板雙邊打開。這樣就使啟閉機(jī)在工作的時(shí)候，鋼絲繩有行走的空間。當(dāng)啟閉機(jī)停止工作時(shí)，鋼絲繩是不動(dòng)的，由電動(dòng)推桿回縮，使兩邊的封板達(dá)到對(duì)關(guān)的功能，兩片封板邊上固定有一排刷毛，從而起到封閉啟閉機(jī)穿繩孔的功能，達(dá)到防塵、防風(fēng)的效果。封孔裝置在啟閉機(jī)不工作的時(shí)候處于封閉狀態(tài)，當(dāng)啟閉機(jī)要工作的時(shí)候，先給封孔裝置中的電動(dòng)推桿通電，從而打開封口，給鋼絲繩走動(dòng)的空間。當(dāng)啟閉機(jī)一次運(yùn)行結(jié)束后，再給封孔裝置中的電動(dòng)推桿通電，電動(dòng)推桿縮回，從而關(guān)閉封口，起到自動(dòng)打開和關(guān)閉封孔的效果。

該裝置通過(guò)安裝一系列電氣元器件和機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)合啟閉機(jī)、閘門和封閉裝置的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了繩孔封閉裝置的自動(dòng)動(dòng)作，確保啟閉機(jī)正常運(yùn)行和安全操作，同時(shí)較大程度地提高了操作人員的工作效率，減少了高空養(yǎng)護(hù)作業(yè)的隱患。

6 結(jié)語(yǔ)

開閉式啟閉機(jī)具有單吊點(diǎn)、雙吊點(diǎn)或多吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)，形式多樣，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，具有傳統(tǒng)開式啟閉機(jī)及新型閉式啟閉機(jī)雙重優(yōu)點(diǎn)，適用范圍廣，在達(dá)到閉式啟閉機(jī)效果的同時(shí)，開閉式啟閉機(jī)樣機(jī)造價(jià)約為相應(yīng)閉式啟閉機(jī)的70%。開閉式啟閉機(jī)上的齒輪箱采用油浴潤(rùn)滑，鋼絲繩開合裝置可有效防止灰塵與昆蟲進(jìn)入機(jī)房，保證了運(yùn)行環(huán)境的整潔、衛(wèi)生。

開閉式啟閉機(jī)樣機(jī)經(jīng)水利部金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)中心檢測(cè)合格，并在江蘇省沭新退水閘拆建工程中得以應(yīng)用，運(yùn)行效果良好，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

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