雙螺桿傳動電動閘門掉落原因分析及維護對策

楊 龍

（上海城投污水處理有限公司，上海 201906）

1 存在的問題

1.1 基本情況

華東地區(qū)某污水處理廠進水頂管工作井1 號電動閘門主要用于控制干線總進水量，2 號電動閘門主要用于控制北側(cè)一體化箱體進水量。由于頂管工作井電動閘門受環(huán)境限制，結(jié)構(gòu)選型均為暗桿式雙螺桿電動閘門，一旦閘板掉落將會造成全廠停產(chǎn)。

1.2 安裝位置受限，容易發(fā)生故障

頂管工作井處于道路中間，電動驅(qū)動裝置及傳動螺桿布置于地下井室內(nèi)，上方敷設(shè)混凝土蓋板。由于蓋板較重，不便于巡查，且電動驅(qū)動裝置長期處于陰濕環(huán)境和硫化氫（H2S）氣體中，電氣元件和設(shè)備本體容易受到腐蝕，造成電動閘門發(fā)生故障。

1.3 結(jié)構(gòu)選型受限，無法滿足使用要求

因為建設(shè)期基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)已定型，2 臺閘門均為后期加裝的控制設(shè)施，所以結(jié)構(gòu)選型只能為暗桿式雙螺桿傳動電動閘門。該閘門主要適用于閘板全開或全閉且不需要經(jīng)常啟閉的工況[1]。

汛期頻繁開啟閘門，容易造成傳動螺母螺紋磨損，導(dǎo)致發(fā)生閘門閘板掉落的事故，此復(fù)雜工況需要因地制宜進行研究改進。

2 原因分析

2.1 閘板自重較大

1 號和2 號電動閘門的運動形式是螺桿傳動，螺母固定在閘板上做直線運動。當電動驅(qū)動裝置帶動螺桿旋轉(zhuǎn)時，螺桿的螺紋斜面會與螺母螺紋斜面產(chǎn)生摩擦力，使螺母沿著螺桿軸向移動，從而實現(xiàn)閘門的啟閉。閘板自重5 ～6 t，所有重量由兩只螺母的梯形螺紋承擔。螺紋的失效形式主要是螺紋表面磨損、螺紋牙根部剪斷或彎斷，以及因磨損產(chǎn)生的過大間隙和變形等造成的傳動不平穩(wěn)現(xiàn)象。

螺桿和螺母一直處于污水介質(zhì)中，直接受污水侵蝕，污水中的雜質(zhì)很容易進入螺桿和螺母的螺紋內(nèi)，無法加油潤滑，容易導(dǎo)致傳動過程中螺桿卡死，引發(fā)過力矩故障，從而加劇了螺母螺紋的磨損，縮短其使用壽命。另外，若閘門一直處于中間位置或調(diào)控狀態(tài)，閘板迎水面水流沖擊較大，閘板的運動方向與水流方向垂直，致使閘板兩面所受壓力不均，容易產(chǎn)生振動，造成傳動螺母的螺紋磨損，甚至疲勞斷裂，出現(xiàn)滑牙的情況，從而導(dǎo)致門板掉落[2]。

2.2 傳動螺母的材質(zhì)選擇不當

根據(jù)《機械設(shè)計手冊》的要求，重載低速的傳動螺母常用材料為鋁青銅或鋁黃銅，而工程中選用的螺母材質(zhì)為普通黃銅，主要適用于低速輕載的傳動螺母，不符合實際工況[3]。同時，螺桿螺母的傳動形式本身就會造成螺紋磨損較快。

2.3 兩側(cè)螺桿傳動存在誤差

兩臺電動閘門啟閉過程均通過雙螺桿傳動實現(xiàn)。由于螺紋間有側(cè)向間隙，反向時有空行程，兩側(cè)螺桿運行時，首先要消除螺紋嚙合部位的間隙值。若兩側(cè)傳動螺母的磨損程度不一致，則間隙值的誤差就會增大，導(dǎo)致兩側(cè)傳動螺母受力不均，發(fā)生單側(cè)傳動螺母受力較大的情況，無法保證同步性。閘門頻繁啟閉，受力較大的傳動螺母有可能超出設(shè)計承載能力，導(dǎo)致螺紋受損，從而出現(xiàn)滑牙現(xiàn)象。而另一側(cè)傳動螺母也隨之受損，導(dǎo)致滑牙，最終造成閘板掉落的事故。

3 維護對策

若要從根本上解決上述問題，需要對電動閘門重新選型或選用其他調(diào)控設(shè)施，以達到完全控制進水量的目的，但由于影響因素較多，缺乏實施條件。經(jīng)過深入分析，可采取以下措施進行維護。

3.1 傳動螺母材料重新選型

傳動螺母材料選用鑄造鋁青銅[4]，確保螺紋強度滿足使用要求。

根據(jù)已知條件，螺桿承受的最大軸向載荷F為50 kN，螺紋外徑d為60 mm，中徑d2為54 mm，工作高度h為6 mm，螺距P為12 mm。螺母為整體式，高度H為140 mm，螺紋旋合圈數(shù)n為11.7。

螺紋工作面上的耐磨條件為

根據(jù)已知條件，將相關(guān)數(shù)值代入式（1）可得，p為4.2 MPa。

由于螺桿的傳動速度為0.1 ～0.2 m·s-1，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》取Pp為7 MPa，可見p＜Pp。

螺母的剪切應(yīng)力為

式中：b為螺紋牙根部寬度；D4為內(nèi)螺紋大徑。

將b為7.8 mm、D4為60 mm 代入式（2）可得，τ為2.91 MPa。

螺母螺紋的彎曲應(yīng)力為

根據(jù)已知條件，將相關(guān)數(shù)值代入式（3）可得，σ為6.71 MPa。

根據(jù)螺母的材料及《機械設(shè)計手冊》查表可知：τP取值范圍為30 ～40 MPa；σbp取值范圍為40 ～60 MPa。由式（2）、式（3）可知，τ=2.91 MPa ＜τP，σ=6.71 MPa ＜σbp。由此可見，傳動螺母材料選用鑄造鋁青銅能夠滿足實際使用要求。

3.2 加強巡查和維護保養(yǎng)

提前準備好閘門的電動驅(qū)動裝置，每半年進行一次保養(yǎng)（一拆一裝），拆除后運回車間進行全面保養(yǎng)。將電動驅(qū)動裝置解體，檢查齒輪的磨損情況及各接線端子的腐蝕情況，視檢查情況進行更換。清洗設(shè)備外殼，并做好防腐處理。每年對螺桿進行一次檢查、保養(yǎng)，并檢查傳動螺母與傳動螺桿螺紋的嚙合間隙，更換有問題的傳動螺母[5]。

3.3 加裝防水罩殼及封堵檢修人孔

由于2 臺電動閘門設(shè)置于道路中央的地下井室內(nèi)，雖然上方設(shè)置有混凝土蓋板，但是蓋板之間存在縫隙，道路積水容易從縫隙流入閘門的電動驅(qū)動裝置，對其造成沖擊和腐蝕，并可能進入接線盒造成電氣短路故障。為此，在電動驅(qū)動裝置上方設(shè)計加裝了可拆卸式三角形防水罩殼，保證其表面不會存水，也為后續(xù)的更換和維修提供了方便。同時，對于兩側(cè)螺桿檢修人孔，采用可拆卸結(jié)構(gòu)形式的鋼板進行封堵，四周用橡膠墊進行密封，保證密封性能，防止相關(guān)腐蝕性氣體從檢修人孔外溢，對閘門的電動驅(qū)動裝置造成腐蝕。

3.4 加裝糾偏位置傳感器

對電動閘門兩側(cè)螺桿加裝位置傳感器，并選用拉繩式位置傳感器[6]。安裝時，使閘門處于全開位置，在閘門槽頂部安裝不銹鋼支架，并將編碼器固定于支架上，拉繩另一端固定于閘板平面，并保證垂直安裝[7]。放下拉繩并收緊，編碼器加裝防水罩。完全關(guān)閉閘門，利用儀表設(shè)置零位，兩邊允許誤差設(shè)置為10 mm。將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街锌厥?，隨時掌握閘門的位置狀態(tài)，一旦超過允許值，及時報警并阻斷電動驅(qū)動裝置繼續(xù)運行，便于故障的診斷，同時起到保護作用[8]。

3.5 精準調(diào)控，加強應(yīng)急演練

為確保發(fā)生事故后能夠及時、有效進行處置，持續(xù)修訂并完善《地下污水處理廠頂管工作井閘門故障應(yīng)急處置預(yù)案》，定期開展應(yīng)急處置預(yù)案演練（桌面推演等），確保每位員工都能熟練掌握處置流程和處理方法，并常態(tài)化推進下去。

4 自主設(shè)計制作移動式龍門架

一旦閘門發(fā)生故障，應(yīng)立即派人到現(xiàn)場開蓋進行檢查確認。由于蓋板重量較大，靠人力無法打開，必須借助起重設(shè)備。若申請汽車起重機，一般需2 ～3 h才能到達現(xiàn)場，響應(yīng)時間較長，嚴重影響應(yīng)急搶修工作的開展[9]。為此，自行設(shè)計并制作了一套移動式龍門架（見圖1），其優(yōu)勢在于可拆卸、可多向移動[10]。雙滑車、雙葫蘆設(shè)計適用于蓋板的提升及地下污水廠潛水泵的檢修，解決了大型起重設(shè)備無法及時到場的難題，提高了工作效率，確保了維修的及時性。

圖1 移動式龍門架設(shè)計圖（單位：mm）

5 結(jié)語

通過對頂管工作井雙螺桿傳動電動閘門維護對策的實施，不僅保證了電動閘門運行的安全性和可靠性，而且降低了運行風(fēng)險，提高了對突發(fā)事件的應(yīng)急處置能力，為污水廠的正常生產(chǎn)運行提供了技術(shù)保障。通過分析故障原因，從中找到最優(yōu)的解決方案，確保設(shè)備的正常運行，為以后相關(guān)項目的開展奠定了基礎(chǔ)。