一種新型蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門(mén)的設(shè)計(jì)

李 蕊，邸國(guó)平

(1.山西水投防護(hù)技術(shù)有限公司，山西 太原 030006；2.山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

在國(guó)家“水利發(fā)展和水生態(tài)建設(shè)”的“十三五”規(guī)劃下，城市生態(tài)水利工程和農(nóng)村渠道水閘項(xiàng)目越來(lái)越多，不但需要滿足防洪、興利、灌溉水資源調(diào)配等基礎(chǔ)性功能，還需要符合水資源可持續(xù)利用、水生態(tài)環(huán)境優(yōu)美[2]等多重要求，這使得對(duì)閘門(mén)類型的選擇也越來(lái)越高。近年來(lái)，在城市河道治理和農(nóng)村灌溉渠道中運(yùn)用較多的壩型有橡膠壩、自動(dòng)翻板閘門(mén)、液壓控制翻板閘門(mén)等，但各類閘門(mén)的缺點(diǎn)也在運(yùn)行過(guò)程中逐一顯露出來(lái)，導(dǎo)致閘門(mén)實(shí)際功能受限，后期維修養(yǎng)護(hù)難度增加、成本高，甚至?xí)廴舅w環(huán)境。因此，利用清潔能源作為閘門(mén)啟閉動(dòng)力，是水利閘門(mén)更新?lián)Q代的趨勢(shì)，文章對(duì)一種新型蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門(mén)進(jìn)行設(shè)計(jì)討論。

1 傳統(tǒng)閘門(mén)類型的缺點(diǎn)

1.1 橡膠壩閘門(mén)運(yùn)行缺點(diǎn)

橡膠壩是通過(guò)向壩袋充排管路用水(氣)將其充脹形成的袋式擋水壩，多用于城市河道，可形成景觀。在運(yùn)行過(guò)程中，易受河中漂浮物和推移質(zhì)(石頭)劃傷以及人為破壞，壩袋使用壽命較短，升降壩體時(shí)間長(zhǎng)，泄洪后庫(kù)區(qū)淤積嚴(yán)重[3]。

1.2 自動(dòng)翻板閘門(mén)運(yùn)行缺點(diǎn)

自動(dòng)翻版閘門(mén)的工作原理是當(dāng)閘頂過(guò)流水深達(dá)到一定深度后，翻板閘門(mén)受到的上游迎水壓力大于擋水時(shí)的平衡彎矩值，使得翻板閘門(mén)向下推倒，從而控制行洪及攔水效果[4]。在運(yùn)行過(guò)程中，門(mén)對(duì)閘墩撞擊力很大，可能會(huì)導(dǎo)致閘門(mén)裂縫甚至斷裂；水面波浪及閘門(mén)底部不穩(wěn)定狀態(tài)的水流，造成閘門(mén)周期性拍打門(mén)墩的現(xiàn)象；當(dāng)河底發(fā)生淤積時(shí)，將大大阻礙自動(dòng)翻板閘門(mén)的自動(dòng)翻起[5- 6]。

1.3 液壓控制翻板閘門(mén)運(yùn)行缺點(diǎn)

液壓控制翻板閘門(mén)是一種采用自卸汽車(chē)力學(xué)原理，結(jié)合支墩壩水工結(jié)構(gòu)型式的新型活動(dòng)壩，具備擋水和泄水雙重功能。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是工作平穩(wěn)，采用液壓驅(qū)動(dòng)，可多角度鎖定，滿足多水位控制調(diào)節(jié)需求[4]。但實(shí)際運(yùn)行中常常遇到泥沙雜質(zhì)磨損、液壓油缸密封圈造成液壓油泄露問(wèn)題，嚴(yán)重污染水質(zhì)；單獨(dú)的液壓支撐桿易受河道泥沙淤積導(dǎo)致卡死現(xiàn)象的發(fā)生，影響閘門(mén)正常啟閉；液壓系統(tǒng)的維修工作較復(fù)雜、成本高。

2 蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門(mén)

蝸輪絲杠升降機(jī)是一種具有體積小、使用靈活、運(yùn)行平穩(wěn)、控制方便、使用壽命長(zhǎng)、噪聲低、能自鎖以及小動(dòng)力大推力[7]等特點(diǎn)的機(jī)械產(chǎn)品，常用于相錯(cuò)軸間的相錯(cuò)角為90°的傳動(dòng)。它由傳動(dòng)部件、升降部件構(gòu)成，傳動(dòng)部件的工作原理為蝸桿副帶動(dòng)絲桿副上下運(yùn)動(dòng)，其中蝸輪中心為內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于升降絲杠的螺母，與升降絲杠組成升降部件，即絲桿螺母副，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)化輸出為直線升降運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力[8- 9]。

將蝸輪絲杠升降機(jī)作為翻板閘門(mén)的啟閉動(dòng)力方式是一種全新的思路。傳統(tǒng)翻板閘門(mén)多用液壓系統(tǒng)控制，液壓支撐桿的運(yùn)行需要液壓油，但實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)面臨密封不嚴(yán)或風(fēng)化導(dǎo)致的液壓油滲漏問(wèn)題。而利用蝸輪絲杠升降機(jī)則可創(chuàng)造性地解決油脂類介質(zhì)對(duì)水質(zhì)造成的污染問(wèn)題，符合生態(tài)環(huán)保的要求，不影響農(nóng)村灌溉渠道用水。

2.1 基本原理及結(jié)構(gòu)

蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門(mén)的原理是利用氣動(dòng)馬達(dá)把壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能作用于蝸輪絲桿升降機(jī)，蝸輪絲桿升降機(jī)推動(dòng)活動(dòng)壩面升降，活動(dòng)壩面繞著底部轉(zhuǎn)軸的軸芯轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到擋水的目的。

2.1.1基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門(mén)包括水壩基礎(chǔ)、活動(dòng)壩面、底部轉(zhuǎn)軸、基礎(chǔ)預(yù)埋固定座、蝸輪絲桿升降機(jī)、氣動(dòng)馬達(dá)和空壓機(jī)，如圖1所示，通過(guò)澆筑的方式使基礎(chǔ)預(yù)埋固定座鑲嵌安裝在水壩基礎(chǔ)上，蝸輪絲桿升降機(jī)的一端連接活動(dòng)壩面的背水面，另一端活動(dòng)鏈接基礎(chǔ)預(yù)埋固定座，蝸輪絲桿升降機(jī)連接氣動(dòng)馬達(dá)，氣動(dòng)馬達(dá)連接空壓機(jī)。

圖1 蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門(mén)結(jié)構(gòu)示意圖1—水壩基礎(chǔ)；2—活動(dòng)壩面；3—底部轉(zhuǎn)軸；4—基礎(chǔ)預(yù)埋固定座；5—蝸輪絲桿升降機(jī)；6—?dú)鈩?dòng)馬達(dá)；9—止水帶；21—鋼制骨架肋板；22—銷(xiāo)軸；23—鋼制面板；31—軸套；32—軸心

2.1.2動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

空壓機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)能來(lái)源，如圖2所示，氣動(dòng)馬達(dá)安裝在蝸輪絲桿升降機(jī)的箱體上，當(dāng)啟動(dòng)空壓機(jī)后，氣動(dòng)馬達(dá)開(kāi)始工作，帶動(dòng)蝸輪絲桿升降機(jī)的輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸入軸帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪帶動(dòng)絲桿上下運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)活動(dòng)壩面的升降。

圖2 蝸輪絲桿升降機(jī)與氣動(dòng)馬達(dá)連接關(guān)系示意圖6—螺桿密封套筒；51—箱體；52—上法蘭；53—絲桿；54—蝸輪；55—下護(hù)管；56—輸入軸；57—第一軸承；58—第二軸承；59—耳軸；511—注油孔；512—密封件；513—上止水圈；514—下止水圈

2.2 氣動(dòng)馬達(dá)工作原理及特點(diǎn)

氣動(dòng)馬達(dá)是一種作連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)執(zhí)行元件，是一種把壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，其作用相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)，它輸出轉(zhuǎn)矩并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

將氣動(dòng)馬達(dá)用作翻板閘門(mén)的動(dòng)力系統(tǒng)，具有以下實(shí)用性特點(diǎn)：第一，可以無(wú)級(jí)調(diào)速。通過(guò)控制進(jìn)氣閥或排氣閥的開(kāi)度來(lái)控制壓縮空氣的流量，以達(dá)到調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速和輸出功率的目的。第二，實(shí)現(xiàn)換向工作。利用操縱閥改變馬達(dá)進(jìn)、排氣方向，即能實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)馬達(dá)輸出軸的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以瞬時(shí)換向，速度快、沖擊性小，不需卸負(fù)荷。第三，具有過(guò)載保護(hù)作用。當(dāng)發(fā)生過(guò)載時(shí)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速降低或停止，當(dāng)過(guò)載解除時(shí)，即可重新正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并不產(chǎn)生機(jī)件損壞等故障，可長(zhǎng)時(shí)間滿載連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，溫升較小。第四，具有較高的起動(dòng)力矩。可以直接帶載荷起動(dòng)，起動(dòng)、停止均迅速。第五，使用空氣介質(zhì)。壓縮空氣供應(yīng)簡(jiǎn)單，對(duì)大氣及水體均無(wú)污染。第六，工作安全。不受振動(dòng)、高溫、電磁、輻射等影響，適用于惡劣的工作環(huán)境，在易燃、易爆、高溫、振動(dòng)、水下、泥沙等不利條件下均能正常工作。

2.3 推桿傳動(dòng)方式及特點(diǎn)

采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)+絲杠螺母結(jié)構(gòu)，即氣動(dòng)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)蝸輪蝸桿傳遞給絲杠并作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再帶動(dòng)螺母作直線運(yùn)動(dòng)，使螺母帶動(dòng)推桿作直線運(yùn)動(dòng)，推桿伸出和縮回，通過(guò)氣動(dòng)馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

空氣能氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)閘門(mén)的特點(diǎn)：第一，采用一體成型的外部構(gòu)造和二級(jí)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置，使推桿在傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)中能承受更大負(fù)荷。第二，絲杠螺桿的推桿做活塞運(yùn)動(dòng)，每秒進(jìn)行的往復(fù)運(yùn)動(dòng)較傳統(tǒng)而言，其效率提升30%。第三，絲杠螺桿的推桿中加入內(nèi)置電子位置控制電路，可操控性強(qiáng)。第四，絲杠螺桿的推桿驅(qū)動(dòng)力是經(jīng)過(guò)氣動(dòng)馬達(dá)+減速機(jī)驅(qū)動(dòng)而成的，其升降速度更快，穩(wěn)定性更高。第五，構(gòu)造簡(jiǎn)單，安裝、維修方便，安全環(huán)保。

3 技術(shù)要求

3.1 同步控制

蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門(mén)的每單扇閘門(mén)由兩套蝸輪絲桿共同作用實(shí)現(xiàn)閘門(mén)升降，為保證閘門(mén)在升降過(guò)程中不產(chǎn)生傾斜、擠壓變形等應(yīng)力破壞現(xiàn)象，首先應(yīng)嚴(yán)格控制其同步運(yùn)行。在氣動(dòng)馬達(dá)絲杠螺桿的推桿中加裝霍爾傳感器，通過(guò)信號(hào)反饋，可定位推桿的行程，即能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)推桿同步運(yùn)行。

3.2 定位控制

對(duì)于有泄水功能的翻板閘門(mén)，需要通過(guò)調(diào)節(jié)閘門(mén)開(kāi)度來(lái)控制泄水量，這就對(duì)絲杠螺桿的運(yùn)行距離要求定位準(zhǔn)確、精度高。氣動(dòng)馬達(dá)絲杠螺桿的推桿內(nèi)置霍爾元件，其作用是給接收裝置提供一個(gè)輸入信號(hào)，用來(lái)判斷絲杠螺桿正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，計(jì)算出絲杠螺桿的運(yùn)行距離，保證推桿的精確控制。

3.3 蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門(mén)受力分析

圖3為蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門(mén)的受力分析圖。

圖3 蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門(mén)受力分析

壩面水平水壓力：

(1)

壩面垂直水壓力：

(2)

(3)

T隨著β的變化而變化，為使T最小，對(duì)T求極值。

即tanαtanβ=1，此條件即為推桿受力的最佳條件。

當(dāng)α=75°時(shí)，按上述條件，β=15°。

在實(shí)際運(yùn)行中，氣動(dòng)馬達(dá)推桿所承受的力包括水壓力和閘門(mén)自重，水壓力受水深(即閘門(mén)擋水高度)的影響，閘門(mén)自重受閘門(mén)大小和水壓力的共同影響。試驗(yàn)通過(guò)控制水深因素不變，得出氣動(dòng)馬達(dá)推桿所需負(fù)載不同閘門(mén)配重對(duì)應(yīng)的自鎖力，見(jiàn)表1。

表1 防水氣動(dòng)馬達(dá)推桿技術(shù)參數(shù)

根據(jù)表1繪制的散點(diǎn)圖如圖4所示，擬合公式為y=2.0613x-156.16，相關(guān)系數(shù)R2=0.9779，擬合程度高。工程實(shí)際中可根據(jù)擋水高度確定閘門(mén)配重及氣動(dòng)馬達(dá)推桿自鎖力，以滿足工程要求。

圖4 氣動(dòng)馬達(dá)推桿自鎖力與負(fù)載關(guān)系圖

氣動(dòng)馬達(dá)推桿的安裝距離見(jiàn)表2。

表2 防水氣動(dòng)馬達(dá)推桿的安裝距離

利用蝸輪絲桿升降機(jī)作為水利翻板閘門(mén)的支撐結(jié)構(gòu)，壓縮空氣能為其提供動(dòng)力，與傳統(tǒng)的液壓控制翻板閘門(mén)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)利用氣動(dòng)馬達(dá)將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能作用于蝸輪絲桿升降機(jī)，控制活動(dòng)壩面升降，避免了油脂類介質(zhì)對(duì)水體造成的污染；

(2)傳動(dòng)平穩(wěn)，制動(dòng)位置準(zhǔn)確；

(3)單扇閘門(mén)的兩個(gè)推桿同步運(yùn)行精準(zhǔn)，不會(huì)造成扭曲變形而影響其使用功能和壽命；

(4)在較小動(dòng)力的條件下即可承載很大的推力；

(5)噪音低、振動(dòng)小；

(6)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、使用壽命長(zhǎng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門(mén)結(jié)構(gòu)合理、堅(jiān)固可靠，在繼承傳統(tǒng)液壓控制翻板閘門(mén)諸多優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，取消了單獨(dú)的支撐桿設(shè)置，創(chuàng)造性地解決了液壓系統(tǒng)中支撐桿受河道泥沙淤積無(wú)法解鎖、整套系統(tǒng)復(fù)雜程度高、系統(tǒng)故障率高等問(wèn)題，利用氣動(dòng)馬達(dá)和蝸輪絲桿升降機(jī)組合成新型動(dòng)力系統(tǒng)，將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能作用于蝸輪絲桿的推桿，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)壩面的升降，并數(shù)字化精確反饋壩面升降位置。蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門(mén)結(jié)構(gòu)新穎、易于實(shí)施，可廣泛應(yīng)用于城市景觀河道及農(nóng)村灌溉渠道中，具有極高的推廣價(jià)值。