新型高效“電動-手動”卷揚啟閉機研制及應(yīng)用

曾 文，楊 芳，夏 理

（中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 夾江614100）

1 概述

卷揚啟閉機是閘門啟/閉的主要操作機械設(shè)備之一，也是水利水電工程流量、水位調(diào)節(jié)及防洪泄洪的主要關(guān)鍵設(shè)備。

目前，重要的水利水電工程均配備有備用電源，當(dāng)發(fā)生停電事故時，改由備用電源供電。這種方式能夠在正常供電發(fā)生停電事故時，啟閉機可以正常運行，避免出現(xiàn)事故，但無法在備用供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或電動機出現(xiàn)故障的情況下，操作閘門啟閉，所以一些安全要求高，尤其在供電無法保證的地區(qū)以及地震多發(fā)地區(qū)的水利水電工程的啟閉機，提出采用“備用電源+人工操作”安全保障要求，確保可以在無電或驅(qū)動電機故障情況下安全可靠啟閉閘門，保證水利水電工程安全運行。

在巴基斯坦、尼泊爾等南亞國家的水利水電工程，閘門啟閉設(shè)備多數(shù)都有手、電兩用功能的要求，“電動-手動”兩用卷揚啟閉機尤其適用。針對國內(nèi)、外對啟閉機“人工操作”的需求和卷揚起升機構(gòu)的負(fù)載特點，我們研制了一種操作方便、可靠性高的新型高效“電動-手動”卷揚啟閉機，下面對相關(guān)研制及應(yīng)用作簡要介紹。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 卷揚起升機構(gòu)負(fù)載特點

卷揚起升機構(gòu)是通過電動機、減速器、卷筒、鋼絲繩、滑輪組及吊具提供下放關(guān)閉、提升開啟或持住閘門，具有典型的位能負(fù)載特性（其中，卷揚起升機構(gòu)無法提供部分閘門要求強制閉門需要的下壓力，所以卷揚啟閉機不適用于有強制閉門工況要求的閘門設(shè)備）。

由于卷揚啟閉機提升的負(fù)載為位勢能性負(fù)載，不管閘門是起升或下降或持住狀態(tài)，傳動系統(tǒng)中的力或力矩的方向始終不會變化，即起升時負(fù)載方向與驅(qū)動方向相反，下降時負(fù)載方向和驅(qū)動方向相同。

2.2 總體方案比較

在位能負(fù)載特性機械設(shè)備運行過程中，當(dāng)出現(xiàn)停電事故或電動機故障轉(zhuǎn)到手動或應(yīng)急操作時，手動或應(yīng)急操作裝置必須具有持住位能負(fù)載力或力矩的自鎖或持住功能，以確保安全。考慮應(yīng)急操作裝置自鎖或持住方式，提出了4種技術(shù)方案：①雙向超越離合自鎖方案；②具有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動方案；③棘輪機構(gòu)鎖定方案；④“人工持住＋銷軸鎖定”方案。各方案比較情況見表1。

經(jīng)分析比較，最終確定采用“雙向超越離合”自鎖方案，其中，超越離合器是利用主、從動部分的速度變化或旋轉(zhuǎn)方向的變換，可視為具有自行離合功能的離合器。用于超越或傳遞轉(zhuǎn)矩、精確定位、防止逆轉(zhuǎn)，應(yīng)用到位能負(fù)載特性機械設(shè)備的輸入轉(zhuǎn)換裝置中，使得整個輸入轉(zhuǎn)換裝置具有自鎖可靠，主動輸入端解脫輕便，傳動效率高，承載能力大的特點。

表1 應(yīng)急操作方案比較表

2.3 高效輸入轉(zhuǎn)換裝置的研發(fā)

2.3.1 原理

（1）輸入轉(zhuǎn)換

主傳動輸入軸（電動）中間采用兩個軸承支承在箱體上，兩端分別懸臂于箱體外和箱體內(nèi)，箱體內(nèi)部分同時作為輸出軸一端的支撐和手、電離合的一部分；輸出軸一端支撐于主動軸箱體內(nèi)的端部軸承上，另一端由箱體上的軸承支承，主傳動輸入軸和輸出軸之間設(shè)置有齒輪離合器和輔助輸入軸等的相關(guān)零件，詳見圖1；工作時撥叉左右撥動齒輪離合器使主傳動輸入軸和輸出軸連接或斷開，同時實現(xiàn)與手動輔助輸入的斷開或連接，工作狀態(tài)見表2。

表2 輸入轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)表

（2）雙向超越離合器特性

圖1 高效輸入轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)示意圖

雙向超越離合器由主動端、從動端、外環(huán)（固定環(huán)）及楔形塊等組成，詳見圖2。當(dāng)雙向超越離合器外環(huán)（固定環(huán)）不動時，從動端受外力矩的作用，有順時針和逆時針轉(zhuǎn)動的趨勢，則均會被楔形鎖緊系統(tǒng)鎖死不能轉(zhuǎn)動；主動端受外力矩的作用，順時針或逆時針轉(zhuǎn)動時，鎖死的楔形鎖緊系統(tǒng)塊均能順利解脫，從動端也同步轉(zhuǎn)動。應(yīng)用在位能負(fù)載特性機械中，當(dāng)雙向超越離合器外環(huán)（固定環(huán)）固定時，具有從動軸雙向自鎖和主動軸雙向解鎖功能。

（3）工作原理

圖2 超越離合器結(jié)構(gòu)示意圖

輸入轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)原理，見下頁圖3。

假設(shè)輸入轉(zhuǎn)換裝置“串接”到傳動系統(tǒng)中，電動機布置在主傳動輸入軸側(cè)，輸出軸連接主減速器：1）當(dāng)輸入轉(zhuǎn)換齒輪離合器處于主傳動輸入軸“斷開”，輔助輸入軸“連接”的狀態(tài)時，位能負(fù)載產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過傳動齒輪和錐齒輪作用到雙向超越離合器的從動軸（孔）上，由于外環(huán)（固定環(huán)）固定在箱體支架上，從動軸（孔）的順時針或逆時針轉(zhuǎn)動趨勢，均會被楔形塊鎖死不能轉(zhuǎn)動，即實現(xiàn)了“位能負(fù)載的持住”功能。當(dāng)人力轉(zhuǎn)動手搖柄時，人力產(chǎn)生的力矩驅(qū)動主動軸（孔）順時針或逆時針轉(zhuǎn)動時，鎖死的楔形塊均能順利解脫，從動軸（孔）也同步轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動輔助輸入軸并將力矩傳遞到主減速器；2）當(dāng)輸入轉(zhuǎn)換齒輪離合器處于主傳動輸入軸“連接”，輔助輸入軸“斷開”的狀態(tài)時，電動機驅(qū)動主傳動輸入軸并將力矩傳遞到主減速器。

圖3 結(jié)構(gòu)原理圖

同理，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)換裝置“并接”到傳動系統(tǒng)時，電動機與主減速器一側(cè)輸入軸連接，輸入轉(zhuǎn)換裝置的輸出軸與主減速器另一側(cè)輸入軸連接，也可以實現(xiàn)“電動-手動”的轉(zhuǎn)換，詳見圖4、圖5。

圖5 并聯(lián)布置方式

圖4 串聯(lián)布置方式

按照上述原理，我們設(shè)計了專用的新型高效“電動-手動”輸入轉(zhuǎn)換裝置，并取得了發(fā)明專利。

2.3.2 特點

（1）負(fù)載持住

為保證安全，起升機構(gòu)工作制動器應(yīng)布置在主減速器的高速軸（即輸入軸）上，“電動-手動”輸入轉(zhuǎn)換操作就涉及到“輸入轉(zhuǎn)換齒輪離合器”與起升機構(gòu)中的工作制動器配合。

如圖5所示，從“電動”轉(zhuǎn)為“手動”時，工作制動器處于常閉狀態(tài)，撥動“輸入轉(zhuǎn)換齒輪離合器”使電機與主傳動輸入軸“斷開”，輔助輸入軸“連接”，手動打開工作制動器，此時依靠雙向超越離合器持住“位能負(fù)載”，即可進(jìn)行手動啟閉操作。反之，首先操作工作制動器使其處于常閉狀態(tài)，然后撥動“輸入轉(zhuǎn)換齒輪離合器”使電機與主傳動輸入軸“連接”，輔助輸入軸“斷開”，此時依靠工作制動器持住“位能負(fù)載”。兩種轉(zhuǎn)換操作過程中始終能可靠持住“位能負(fù)載”，可確保安全。

（2）效率

電動時的綜合傳動效率：

式中ηj-減速器傳動比：0.94

ηH- 滑輪組效率： 0.975（2倍率）

ηt-滾動軸承效率： 0.98

ηC-輸入轉(zhuǎn)換裝置效率： 0.97

ηL-聯(lián)軸器效率：0.993

手動時的綜合傳動效率：

式中ηj-減速器傳動比：0.94

ηH- 滑輪組效率：0.975（2倍率）

ηt-滾動軸承效率：0.98

ηC-輸入轉(zhuǎn)換裝置效率：0.90

ηL-聯(lián)軸器效率：0.992

（3）速比調(diào)整

手搖驅(qū)動轉(zhuǎn)速的范圍相對固定，手動人力操作的出力符合人體工程學(xué)的相關(guān)要求，綜合考慮雙向超越離合器承載能力以及主減速器速比等因素，需要重點考慮調(diào)整：1）手動搖柄到超越離合器“主動軸”的齒輪傳動速比；2）輔助輸入軸到超越離合器“從動軸”的齒輪傳動速比。具體可根據(jù)計算優(yōu)選確定總速比，然后分配到相關(guān)的各級齒輪傳動。

3 啟閉機的設(shè)計實例

3.1 技術(shù)參數(shù)

啟閉力：200kN

揚程：12m

電動啟閉速度：2m/min

手動應(yīng)急操作速度：0.15m/min

滑輪倍率：2

電機功率：9kW

減速器：QY4D315-280

卷筒直徑：φ440mm

3.2 啟閉機布置圖（見圖6）。

圖6 啟閉機布置圖

4 應(yīng)用

高效輸入轉(zhuǎn)換裝置已研發(fā)完成，并應(yīng)用到了巴基斯坦、尼泊爾、羅塞雷斯等國家的水利水電項目中。

表2

（1）應(yīng)用于巴基斯坦水利攔河壩項目（見圖7）。

圖7 啟閉機布置圖

（2）應(yīng)用于羅塞雷斯水電站2×320kN門機的起升機構(gòu)（見圖8）。

圖8

（3）應(yīng)用于尼泊爾水電項目（見圖9）。

圖9

5 結(jié)語

水利水電工程的啟閉機有較高的安全運行需要，尤其在供電無法保證的地區(qū)以及地震多發(fā)地區(qū)的啟閉機，更是要求采用“備用電源+人工操作”的安全保障模式，為此我們主要針對位能負(fù)載持住、傳動效率、輸入轉(zhuǎn)換及速比調(diào)整等提出了“雙向超越離合器自鎖方案”，并針對性研制了新型高效“電動-手動”卷揚啟閉機。該型式的卷揚啟閉機在位能負(fù)載持住原理、傳動效率、安全可靠性、操作方便性等方面明顯不同于傳統(tǒng)的“自鎖蝸輪蝸桿”等手動操作方案的啟閉機。在水利水電工程應(yīng)用中，體現(xiàn)了高效率和高可靠性的技術(shù)優(yōu)勢，目前已在蘇丹、尼泊爾水電站及巴基斯坦等水利工程中大規(guī)模使用，截止2017年底，共計安裝投運了180余臺套，得到多個工程業(yè)主的好評，移交順利并獲得業(yè)主頒發(fā)的無瑕疵證明，具有廣泛的推廣價值。