新型齒桿式啟閉機(jī)在引黃濟(jì)青改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用

孫 羽中，王肖肖，莊志鳳

（1.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心，山東濟(jì)南250100；2.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心博興管理站，山東博興256500）

1 工程概述

引黃濟(jì)青工程是國家“七五”期間重點(diǎn)工程，是建國后最早建成的大型長距離多梯級泵站調(diào)水工程之一。工程始建于1986年，1989年建成通水，西起濱州市博興縣打漁張引黃閘，東至青島白沙水廠，全長290.00km。其中，輸水明渠長253.24km，沿線穿越大小河流36條，各類建筑物450余座，帶節(jié)制閘建筑物60余座，大型平原水庫1座。各類水閘共安裝螺桿式啟閉機(jī)183臺，工程運(yùn)行30余年，已累計(jì)引水94.09億m3，為解決青島市用水危機(jī)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

2 工程改造原因及過程

引黃濟(jì)青工程運(yùn)行至今，閘站工程設(shè)施已進(jìn)入老化期，輸水能力已不能滿足設(shè)計(jì)輸水要求，機(jī)電及金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備均為20世紀(jì)80年代產(chǎn)品，運(yùn)行效率和安全性低。啟閉機(jī)作為重要調(diào)水控制設(shè)備，原螺桿啟閉機(jī)缺少自動控制系統(tǒng)，老化嚴(yán)重，啟閉閘門不靈活，閘門開度控制困難，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與閘門運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。因此，在引黃濟(jì)青改擴(kuò)建工程中對原螺桿式啟閉機(jī)進(jìn)行了更新改造，采用新型齒桿式啟閉機(jī)共計(jì)174臺套。

引黃濟(jì)青改擴(kuò)建工程于2020年底完成通水驗(yàn)收。工程運(yùn)行表明：該啟閉機(jī)運(yùn)行靈活可靠，達(dá)到了控制運(yùn)行安全可靠、智能化操控、高效運(yùn)行的目的。實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和信息傳輸，為引黃濟(jì)青工程安全調(diào)度運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

3 齒桿式啟閉機(jī)機(jī)構(gòu)組成及工作原理

3.1 機(jī)構(gòu)組成

山東省引黃濟(jì)青改擴(kuò)建工程齒桿式啟閉機(jī)為雙吊點(diǎn)、中間主機(jī)集中驅(qū)動、左右副機(jī)對稱布置結(jié)構(gòu)。主機(jī)由電動機(jī)、行星齒輪減速器、電磁離合器、手搖機(jī)構(gòu)和機(jī)架等組成；副機(jī)由齒輪-齒桿傳動系統(tǒng)、齒桿導(dǎo)向裝置和機(jī)架等組成；主機(jī)和左右副機(jī)通過聯(lián)軸器和中間傳動軸聯(lián)接。啟閉機(jī)還配有電氣控制、閘門開度儀、閘門極限限位、閘門自重閉門速度調(diào)節(jié)等安全保護(hù)裝置。

3.2 工作原理

1）電動操作

接通電源。此時(shí)，（電機(jī)）電磁離合器通電接合，（手動）失電電磁離合器通電斷開，（自重）失電電磁離合器斷電接合；動力由電動機(jī)經(jīng)齒輪傳動，通過驅(qū)動一、二級減速，再通過行星齒輪減速器減速，經(jīng)輸出齒輪傳動，達(dá)到工作要求的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，使齒桿上下運(yùn)動，啟閉閘門。

2）手搖機(jī)構(gòu)操作

停電狀態(tài)。此時(shí)，電磁離合器斷電斷開（電機(jī)驅(qū)動斷開），失電電磁離合器斷電接合。動力由手輪經(jīng)齒輪傳動，通過驅(qū)動一、二級減速，再通過行星齒輪減速器減速，經(jīng)輸出齒輪傳動，達(dá)到工作要求的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，使齒桿上下運(yùn)動，啟閉閘門。

3）自重閉門

市電停電時(shí)，（自重）失電電磁離合器通過UPS通電斷開，閘門依靠自重實(shí)現(xiàn)閉門。

4）電氣控制與自動化

齒桿式啟閉機(jī)配帶控制柜，柜內(nèi)設(shè)有自動空氣開關(guān)、交流接觸器、電流互感器、電機(jī)智能保護(hù)器、PLC、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)等?？刂乒衩嬖O(shè)有觸摸屏、自動/手動切換開關(guān)及開停機(jī)按鈕和信號燈等，可就地控制啟閉機(jī)的開停，也可通過觸摸屏控制開停，還可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)開停等。電機(jī)智能保護(hù)器具有過流、堵轉(zhuǎn)、三相電流不平衡、斷相、過壓、欠壓、漏電、短路等故障保護(hù)，并能顯示B相電流及輸出4～20mA的信號至PLC進(jìn)行顯示。閘門開度傳感器也可輸出4～20mA的信號至PLC。PLC通過以太網(wǎng)交換機(jī)與管理級工控機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

4 安裝控制技術(shù)要點(diǎn)

1）檢查該啟閉機(jī)各零部件是否齊全及在運(yùn)輸存放過程中有無損傷和丟失。仔細(xì)清除零部件上的灰塵、油污或鐵屑等雜物，必要時(shí)解體清洗。

2）啟閉機(jī)安裝應(yīng)根據(jù)起吊中心線找正，確定啟閉機(jī)的位置。其縱橫向中心線偏差應(yīng)不大于3mm；高程偏差不應(yīng)超過±5mm；水平偏差不應(yīng)大于0.05%。

3）齒桿安裝前應(yīng)將齒內(nèi)污物清掃干凈，穿齒桿時(shí)打開側(cè)蓋注意觀察，應(yīng)用手搖機(jī)構(gòu)操作緩緩裝入，保證齒桿、齒輪的正確嚙合，直到齒桿完全通過上下齒桿定位孔。

4）電氣部分的安裝及接線應(yīng)無誤，所有電氣保護(hù)動作應(yīng)靈活可靠。

5 啟閉機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)試

5.1 啟閉機(jī)的試運(yùn)轉(zhuǎn)

1）啟閉機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)前檢查：所有電氣及動力回路的接線應(yīng)正確、整齊，有良好的絕緣性和可靠的接地。檢查所有機(jī)械部件、連接部件、各種保護(hù)裝置及潤滑系統(tǒng)等的安裝、注油情況應(yīng)符合要求。用手搖機(jī)構(gòu)提升齒桿不得有卡阻現(xiàn)象。調(diào)試檢查高度指示以及設(shè)置零位。

2）試運(yùn)轉(zhuǎn)要求全揚(yáng)程內(nèi)運(yùn)行上、下3次并檢查：電動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，電氣設(shè)備控制可靠，無異常發(fā)熱現(xiàn)象；機(jī)械部分運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無異常現(xiàn)象；閘門升降無卡阻現(xiàn)象；所有電氣保護(hù)裝置、過負(fù)荷保護(hù)裝置等動作準(zhǔn)確可靠；所有操作界面、信號指示正確無誤。試運(yùn)轉(zhuǎn)完成并且正常后，啟閉機(jī)可進(jìn)行閘門的啟閉。

5.2 電氣操作系統(tǒng)的調(diào)試

齒桿式啟閉機(jī)的電氣系統(tǒng)，采用性能先進(jìn)的PLC控制、觸摸屏操作、編碼器定位及電機(jī)變頻調(diào)速等；具有質(zhì)量可靠，控制先進(jìn)，操作簡便，報(bào)警完善，定位精確等優(yōu)點(diǎn)。電氣系統(tǒng)包括主回路、控制原理圖、PLC智能控制等。

上電前必須確認(rèn)三相交流電源接入無誤，設(shè)備外殼保護(hù)符合供電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。合上電源開關(guān)，“電源指示”燈亮。選擇“手動”方式，啟動電機(jī)，確認(rèn)運(yùn)行方向正確后，方可進(jìn)行設(shè)備操作。電控操作分兩種：

5.2.1 手動操作（僅操作面板上的按鈕有效）

打開“控制電源”，“電源指示”燈亮，將操作面板上的選擇開關(guān)置于“手動”位置，人機(jī)界面窗口畫面上的“手動”指示燈閃爍。按下“上升”按鈕，啟閉機(jī)向上運(yùn)行，同時(shí)“上升指示”燈亮。按下紅色“停止”按鈕，啟閉機(jī)運(yùn)行停止。

按下“下降”按鈕，啟閉機(jī)向下運(yùn)行，同時(shí)“下降指示”燈亮。按下紅色“停止”按鈕，啟閉機(jī)運(yùn)行停止。

5.2.2 自動操作

將操作面板上的選擇開關(guān)置于“自動”位置，人機(jī)界面窗口畫面上的“自動”指示燈閃爍。在“自動”狀態(tài)下，操作面板上的“上升”“下降”“停止”等按（旋）鈕，操作無效。

1）觸擊觸摸屏右下角【菜單】，可進(jìn)入相應(yīng)的窗口畫面。

2）“定位運(yùn)行”位置設(shè)定：在【閘門操作】畫面中，觸擊【開度預(yù)設(shè)】數(shù)字窗口，可彈出數(shù)字鍵盤，輸入正確的數(shù)碼后，觸擊【確認(rèn)】鍵即可。

3）操作。在【閘門操作】畫面中，觸擊【上升】（或【下降】），設(shè)備自動運(yùn)行，到達(dá)“開度預(yù)設(shè)”設(shè)定的位置后，設(shè)備自動停止。在運(yùn)行過程中，觸擊【停止】鍵，也可使設(shè)備停止運(yùn)行。

4）緊急停止。在操作面板上設(shè)有一個(gè)蘑菇頭急停按鈕，遇有緊急情況，可按下此鈕，設(shè)備立即就地停止。

5）故障報(bào)警。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，操作面板上的故障報(bào)警燈亮并發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)【故障報(bào)警】界面中相應(yīng)故障部位燈閃爍。觸擊【報(bào)警】頁面中的【報(bào)警復(fù)位】鍵，只能消除聲光，故障需人工排除后，方可繼續(xù)操作。

6）遠(yuǎn)程監(jiān)控。在【顯示】頁面中，設(shè)有兩種模式選擇：“就地”模式，遠(yuǎn)方處于監(jiān)視狀態(tài)，操作無效?！斑h(yuǎn)控”模式，遠(yuǎn)方處于控制狀態(tài)，操作有效。只有在“自動”狀態(tài)下，“遠(yuǎn)程控制”才有效。

7）“自重下降”操作。轉(zhuǎn)動操作面板上的“自重下降”鑰匙旋鈕，閘門在自身重力的作用下，做自由下落運(yùn)動。在網(wǎng)電停送的情況下，可用UPS電源作為備用電源繼續(xù)保持控制器件的電源供應(yīng)。務(wù)必注意自重下降完成后，必須將鑰匙旋鈕回位，并將鑰匙拔出，以免設(shè)備動作異常。

6 性能特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的雙吊點(diǎn)螺桿式啟閉機(jī)相比，由中間驅(qū)動的雙吊點(diǎn)齒桿式啟閉機(jī)具有以下性能特點(diǎn)：

1）在調(diào)水系統(tǒng)事故停電狀態(tài)下，各節(jié)制閘具有閘門快速自重閉門功能，分段截?cái)嗨?，避免下游明渠出現(xiàn)漫堤和淹沒泵站事故，確保工程運(yùn)行安全。

2）齒桿式啟閉機(jī)具有閘門自重閉門速度自動調(diào)節(jié)限速裝置，能夠控制閘門接近底檻時(shí)的下降速度，減小撞擊力，避免閘門損壞。

3）起重機(jī)構(gòu)采用齒桿-齒輪傳動取代渦輪-蝸桿及螺旋傳動，提高了傳動效率300%（傳動效率大于70%），使工程運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保。

4）應(yīng)用電磁離合器組成電動和手動邏輯互鎖系統(tǒng)，手動電動可自動切換，工作更可靠、穩(wěn)定。

5）啟閉機(jī)設(shè)計(jì)有閘門卡阻自動保護(hù)功能，防止齒桿超負(fù)荷受力彎曲。

6）具有電控（遠(yuǎn)控）及停電時(shí)手動操作功能，這兩種功能是互鎖的，不致誤動作。

7）閘門啟閉在任何位置均可鎖定，通過電控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的閘門位置啟閉。同時(shí)，具備閘門上、下極限位置保護(hù)功能。

8）將PLC智能控制技術(shù)和遠(yuǎn)端通訊技術(shù)應(yīng)用在啟閉機(jī)上，達(dá)到了控制運(yùn)行安全可靠、智能化操控、高效運(yùn)行的目的，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和信息傳輸。

7 結(jié)語

在長距離梯級輸水明渠工程運(yùn)行中，尤其是冬季輸水、分水運(yùn)行中，為實(shí)現(xiàn)流量和水位的運(yùn)行匹配，閘門開度的控制與變化極為頻繁，閘站的啟閉設(shè)備是控制閘門開度的核心，其電氣自動化控制系統(tǒng)是閘門控制的中樞，新型齒桿式啟閉機(jī)具有用時(shí)可靠，備時(shí)可信的優(yōu)點(diǎn)。引黃濟(jì)青改擴(kuò)建工程通水驗(yàn)收以來，齒桿式啟閉機(jī)相較于傳統(tǒng)的螺桿式啟閉機(jī)安全平穩(wěn)、靈敏可靠，尤其實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能操控和停電自重落門等，表現(xiàn)出了良好的性能。該型啟閉機(jī)在引黃濟(jì)青改擴(kuò)建中的成功應(yīng)用為同類工程改造提供了借鑒。