機電液一體化卷揚啟閉機系統(tǒng)研究概述

陳 勇，李 旭，王智琨

（水發(fā)機電集團有限公司，山東 濟南 250100）

目前，國內(nèi)外水利工程啟閉機型式相對成熟，產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)序列上可劃分為：開（閉）卷揚啟閉機、螺桿式啟閉機、齒桿式啟閉機、液壓啟閉機，但型式相對固定，且各具特色和應用范圍。隨著科技進步及使用功能需求變化，啟閉機產(chǎn)品也將迎來結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化、信息化集成化等發(fā)展。

1 幾種啟閉機對比分析

1.1 開（閉）式卷揚啟閉機

開（閉）式卷揚啟閉機是應用較早的啟閉機序列產(chǎn)品，卷揚式啟閉機主要由電機、制動器、減速裝置（開式齒輪副、減速機）、卷筒、滑輪組、鋼絲繩等組成，具有結(jié)構(gòu)成熟、維修便捷等特點，應用廣泛。但受其結(jié)構(gòu)限制，在大的受力條件下，僅可通過增大齒輪模數(shù)實現(xiàn)，造成齒輪直徑增大，減速系統(tǒng)體積龐大，開（閉）式卷揚啟閉機同時還存在自重高、養(yǎng)護繁瑣、對混凝土建筑要求高等缺點。

1.2 螺桿式啟閉機

大多數(shù)螺桿機仍采用螺紋+蝸輪蝸桿+皮帶傳動形式，易出現(xiàn)打滑和使用壽命短等問題。部分螺桿啟閉機雖采用齒輪機械式取代了蝸輪蝸桿+皮帶傳動，結(jié)構(gòu)簡單，多為小起門力機型。主要缺點是依靠摩擦傳動，發(fā)熱嚴重，仍然存在機型落后、螺紋傳動限制、整機效率低下（小于25%）、傳動部件磨損大、控制系統(tǒng)落后、技術含量不高，自動控制技術不高，缺少信息傳輸功能等特點。螺桿式啟閉機的揚程范圍一般為10 m以下，高揚程需求時不能滿足要求，由于螺桿失穩(wěn)彎曲造成工程事故，是普遍存在的問題。

1.3 齒桿式啟閉機

齒桿式啟閉機是近年來新應用的啟閉機型式，主要由中間主機集中驅(qū)動、左右副機對稱布置，主機由電動機、行星齒輪減速器、電磁離合器、手搖機構(gòu)和機架等組成；副機由齒輪-齒桿系、齒桿導向裝置和機架組成；主機和左右副機通過聯(lián)軸器和中間傳動軸連接。啟閉機還配有電器控制、閘門開度儀、閘門極限限位、閘門自重閉門速度調(diào)節(jié)等安全保護裝置；系統(tǒng)效率可達75%，成本適中，可全面替代螺桿式啟閉機的應用。但齒桿提升閘門揚程范圍一般為10 m以下，高揚程需求時不能滿足要求；齒桿裸露易生銹，存在保養(yǎng)工作量大、易污染水體的問題；齒桿垂直運動，機房建筑物頂部需要開頂孔，需增加防雨裝置，保護啟閉機。

1.4 液壓式啟閉機

液壓式啟閉機是主要使用液壓泵站作為動力源，液壓油缸作為執(zhí)行機構(gòu)的系統(tǒng)。具有起重容量大，結(jié)構(gòu)緊湊，運行平穩(wěn)，易實現(xiàn)自動化控制等特點，在大型平面閘門、弧型閘門工程中應用廣泛。液壓啟閉機缺點為工作油缸行程對加工工藝要求高，鹽霧工況下要求液壓油缸活塞桿進行鍍陶處理。為保證液壓系統(tǒng)可靠性，液壓元器件及電氣件多要求使用進口品牌，成本為其他結(jié)構(gòu)形式啟閉機的數(shù)倍。由于工藝限制，液壓式啟閉機使用場景多為低揚程工況，不能滿足高揚程工況需求。同時油缸動作時要求同步性能，對液壓原理配置要求高，價格昂貴控制復雜、繁瑣。

2 機電液一體化卷揚啟閉機結(jié)構(gòu)原理

2.1 幾何建模

機電液一體化啟閉機使用三維軟件Solid－Works對啟閉機機械執(zhí)行機構(gòu)各裝置部件進行三維建模，見圖1，并整機裝配調(diào)校。

圖1 機電液一體化啟閉機執(zhí)行單元結(jié)構(gòu)圖

2.2 結(jié)構(gòu)原理分析

1）機電液一體化啟閉機使用液壓馬達與行星減速器集成的動力單元，結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度大，使用馬達連接盤安裝于卷筒內(nèi)部，使啟閉機執(zhí)行機構(gòu)極為簡潔。兩卷筒間設置萬向同步聯(lián)軸器，卷筒同步旋轉(zhuǎn)，機械式同步機構(gòu)可降低液壓系統(tǒng)同步配置要求，可大幅降低系統(tǒng)成本，萬向同步聯(lián)軸器的應用降低了啟閉機安裝難度。

2）若無外置減速裝置，結(jié)構(gòu)組成極為簡潔。在土工建筑場景中可有效降低占地使用需求，且便于鋼絲繩檢測等安全性維護。液壓與卷揚裝置的組合融合了兩種系統(tǒng)的優(yōu)點，液壓系統(tǒng)一套動力源可驅(qū)動多臺執(zhí)行機構(gòu)，同時可配置燃油液壓應急系統(tǒng)，斷電時液壓管路連接即可使用應急動力源，保證閘門的動作安全。卷筒及滑輪機構(gòu)的使用，實現(xiàn)了啟閉機高揚程的要求，不受建筑物高度及機械結(jié)構(gòu)布局的影響；同時通過動滑輪組降低了卷筒的驅(qū)動扭矩，從而降低了液壓馬達的壓差，降低了液壓系統(tǒng)成本[1]。

3）液壓動力單元配置了雙套電機液壓泵單元，其中一套預留為備用動力源。兩臺電機同時運轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)雙泵合流，實現(xiàn)增大閘門的提升速度，該特點為開（閉）式卷揚啟閉機、螺桿式啟閉機、齒桿式啟閉機所不具備。在多孔閘門工況時，機電液一體化啟閉機系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢，僅需配置一套液壓動力系統(tǒng)可控制多臺執(zhí)行單元，可降低總體設備成本。

4）機電液一體化啟閉機系統(tǒng)的制動由液壓系統(tǒng)實現(xiàn)。液壓系統(tǒng)配置了梭閥，同時液壓馬達配置液壓制動器，可實現(xiàn)液壓馬達任意位置的制動功能，系統(tǒng)無需外置專用制動器。

5）機電液一體化啟閉機系統(tǒng)高程的測量可由多種方式實現(xiàn)。其中機械式高程觸發(fā)和指示裝置可設置在卷筒聯(lián)軸器處，結(jié)構(gòu)為聯(lián)軸器鏈輪、傘齒輪減速機、指示裝置；執(zhí)行機構(gòu)可配置電子高程傳感器，系統(tǒng)也可通過流量計算高程。

3 機電液一體化卷揚啟閉機設計

3.1 設計原理

該啟閉機的設計從核心提升功能開發(fā)設計，結(jié)合了傳統(tǒng)啟閉機的特點，考慮成本及推廣應用因素，集成了機械傳動、液壓傳動及先導及智能信息化遠程控制[2]，形成了機電液一體化啟閉機系統(tǒng)。機械傳動部分采用行星減速系統(tǒng)+倍率滑輪組減速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，具有高的功率質(zhì)量比，實現(xiàn)了減速機的高功率小體積。倍率滑輪組的使用，實現(xiàn)了機電液一體化啟閉機大揚程，同時降低了減速器的輸出扭矩，使行星減速器及液壓馬達規(guī)格降低，從而降低了系統(tǒng)成本。

液壓系統(tǒng)設計采用變量柱塞泵定量星型馬達的開式液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力25 MPa。運用電磁先導換向閥、電磁溢流閥、壓力繼電器等液壓元件實現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的集成及遠程控制[3]。同時系統(tǒng)配置燃油液壓應急動力單元，可實現(xiàn)系統(tǒng)斷電情形下，執(zhí)行機構(gòu)正常動作。

3.2 技術開發(fā)路線

依據(jù)設計輸入?yún)?shù)，首先概算系統(tǒng)功率及初選滑輪組倍率，進行鋼絲繩選型，安全系數(shù)一般為5，設計卷筒參數(shù)，理論直徑一般為18～20倍鋼絲繩直徑。依據(jù)揚程確定纏繞方式及繩槽長度。計算卷筒驅(qū)動扭矩，選型同步聯(lián)軸器、液壓馬達，設計行星減速機。進行液壓系統(tǒng)設計及電氣控制系統(tǒng)設計。電機選型確定后，復核系統(tǒng)機械強度及流量配置。

3.3 關鍵部件優(yōu)化設計

卷筒作為啟閉機的鋼絲繩的纏繞受力機構(gòu)，內(nèi)部中空，且直徑較大，具有實現(xiàn)內(nèi)部安裝部件的條件。

本機電液一體化啟閉機將液壓馬達通過連接盤內(nèi)置于卷筒中，馬達連接盤與焊接卷筒通過鉸制孔螺栓連接，將液壓馬達及減速機置于卷筒內(nèi)部，整體結(jié)構(gòu)極為緊湊簡潔；液壓馬達及減速機通過螺栓與馬達安裝座連接；卷筒軸采用雙腹板結(jié)構(gòu)與卷筒焊接，結(jié)構(gòu)強度高，撓度小。大吊點距應用時，卷筒軸扭矩計算時應考慮一端卷筒動力失效情形，保證同步部件結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論

基于機電液智能化控制一體化技術的啟閉機，經(jīng)過建模與結(jié)構(gòu)分析以及開發(fā)設計，驗證了新型啟閉機的技術可行性，為行業(yè)啟閉機產(chǎn)品的技術革新探討了一種方案。