一種新型蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門的設計

李 蕊，邸國平

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

在國家“水利發展和水生態建設”的“十三五”規劃下，城市生態水利工程和農村渠道水閘項目越來越多，不但需要滿足防洪、興利、灌溉水資源調配等基礎性功能，還需要符合水資源可持續利用、水生態環境優美[2]等多重要求，這使得對閘門類型的選擇也越來越高。近年來，在城市河道治理和農村灌溉渠道中運用較多的壩型有橡膠壩、自動翻板閘門、液壓控制翻板閘門等，但各類閘門的缺點也在運行過程中逐一顯露出來，導致閘門實際功能受限，后期維修養護難度增加、成本高，甚至會污染水體環境。因此，利用清潔能源作為閘門啟閉動力，是水利閘門更新換代的趨勢，文章對一種新型蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門進行設計討論。

1 傳統閘門類型的缺點

1.1 橡膠壩閘門運行缺點

橡膠壩是通過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。在運行過程中，易受河中漂浮物和推移質(石頭)劃傷以及人為破壞，壩袋使用壽命較短，升降壩體時間長，泄洪后庫區淤積嚴重[3]。

1.2 自動翻板閘門運行缺點

自動翻版閘門的工作原理是當閘頂過流水深達到一定深度后，翻板閘門受到的上游迎水壓力大于擋水時的平衡彎矩值，使得翻板閘門向下推倒，從而控制行洪及攔水效果[4]。在運行過程中，門對閘墩撞擊力很大，可能會導致閘門裂縫甚至斷裂；水面波浪及閘門底部不穩定狀態的水流，造成閘門周期性拍打門墩的現象；當河底發生淤積時，將大大阻礙自動翻板閘門的自動翻起[5- 6]。

1.3 液壓控制翻板閘門運行缺點

液壓控制翻板閘門是一種采用自卸汽車力學原理，結合支墩壩水工結構型式的新型活動壩，具備擋水和泄水雙重功能。液壓傳動系統的主要優點是工作平穩，采用液壓驅動，可多角度鎖定，滿足多水位控制調節需求[4]。但實際運行中常常遇到泥沙雜質磨損、液壓油缸密封圈造成液壓油泄露問題，嚴重污染水質；單獨的液壓支撐桿易受河道泥沙淤積導致卡死現象的發生，影響閘門正常啟閉；液壓系統的維修工作較復雜、成本高。

2 蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門

蝸輪絲杠升降機是一種具有體積小、使用靈活、運行平穩、控制方便、使用壽命長、噪聲低、能自鎖以及小動力大推力[7]等特點的機械產品，常用于相錯軸間的相錯角為90°的傳動。它由傳動部件、升降部件構成，傳動部件的工作原理為蝸桿副帶動絲桿副上下運動，其中蝸輪中心為內螺紋結構，相當于升降絲杠的螺母，與升降絲杠組成升降部件，即絲桿螺母副，將旋轉運動和動力轉化輸出為直線升降運動和動力[8- 9]。

將蝸輪絲杠升降機作為翻板閘門的啟閉動力方式是一種全新的思路。傳統翻板閘門多用液壓系統控制，液壓支撐桿的運行需要液壓油，但實際運行中經常會面臨密封不嚴或風化導致的液壓油滲漏問題。而利用蝸輪絲杠升降機則可創造性地解決油脂類介質對水質造成的污染問題，符合生態環保的要求，不影響農村灌溉渠道用水。

2.1 基本原理及結構

蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門的原理是利用氣動馬達把壓縮空氣的壓力能轉換成旋轉的機械能作用于蝸輪絲桿升降機，蝸輪絲桿升降機推動活動壩面升降，活動壩面繞著底部轉軸的軸芯轉動，從而達到擋水的目的。

2.1.1基礎結構

蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門包括水壩基礎、活動壩面、底部轉軸、基礎預埋固定座、蝸輪絲桿升降機、氣動馬達和空壓機，如圖1所示，通過澆筑的方式使基礎預埋固定座鑲嵌安裝在水壩基礎上，蝸輪絲桿升降機的一端連接活動壩面的背水面，另一端活動鏈接基礎預埋固定座，蝸輪絲桿升降機連接氣動馬達，氣動馬達連接空壓機。

圖1 蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門結構示意圖1—水壩基礎；2—活動壩面；3—底部轉軸；4—基礎預埋固定座；5—蝸輪絲桿升降機；6—氣動馬達；9—止水帶；21—鋼制骨架肋板；22—銷軸；23—鋼制面板；31—軸套；32—軸心

2.1.2動力系統結構

空壓機作為動力系統的動能來源，如圖2所示，氣動馬達安裝在蝸輪絲桿升降機的箱體上，當啟動空壓機后，氣動馬達開始工作，帶動蝸輪絲桿升降機的輸入軸轉動，輸入軸帶動蝸輪轉動，蝸輪帶動絲桿上下運動，從而推動活動壩面的升降。

圖2 蝸輪絲桿升降機與氣動馬達連接關系示意圖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 氣動馬達工作原理及特點

氣動馬達是一種作連續旋轉運動的氣動執行元件，是一種把壓縮空氣的壓力能轉換成回轉機械能的能量轉換裝置，其作用相當于電動機或液壓馬達，它輸出轉矩并驅動執行機構作旋轉運動。

將氣動馬達用作翻板閘門的動力系統，具有以下實用性特點：第一，可以無級調速。通過控制進氣閥或排氣閥的開度來控制壓縮空氣的流量，以達到調節馬達轉速和輸出功率的目的。第二，實現換向工作。利用操縱閥改變馬達進、排氣方向，即能實現氣動馬達輸出軸的正轉和反轉，并且可以瞬時換向，速度快、沖擊性小，不需卸負荷。第三，具有過載保護作用。當發生過載時，馬達轉速降低或停止，當過載解除時，即可重新正常運轉，并不產生機件損壞等故障，可長時間滿載連續運轉，溫升較小。第四，具有較高的起動力矩。可以直接帶載荷起動，起動、停止均迅速。第五，使用空氣介質。壓縮空氣供應簡單，對大氣及水體均無污染。第六，工作安全。不受振動、高溫、電磁、輻射等影響，適用于惡劣的工作環境，在易燃、易爆、高溫、振動、水下、泥沙等不利條件下均能正常工作。

2.3 推桿傳動方式及特點

采用蝸輪蝸桿傳動+絲杠螺母結構，即氣動馬達的旋轉運動通過蝸輪蝸桿傳遞給絲杠并作旋轉運動，再帶動螺母作直線運動，使螺母帶動推桿作直線運動，推桿伸出和縮回，通過氣動馬達的正反轉運動來實現。

空氣能氣動馬達驅動閘門的特點：第一，采用一體成型的外部構造和二級減速機構驅動裝置，使推桿在傳動運動中能承受更大負荷。第二，絲杠螺桿的推桿做活塞運動，每秒進行的往復運動較傳統而言，其效率提升30%。第三，絲杠螺桿的推桿中加入內置電子位置控制電路，可操控性強。第四，絲杠螺桿的推桿驅動力是經過氣動馬達+減速機驅動而成的，其升降速度更快，穩定性更高。第五，構造簡單，安裝、維修方便，安全環保。

3 技術要求

3.1 同步控制

蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門的每單扇閘門由兩套蝸輪絲桿共同作用實現閘門升降，為保證閘門在升降過程中不產生傾斜、擠壓變形等應力破壞現象，首先應嚴格控制其同步運行。在氣動馬達絲杠螺桿的推桿中加裝霍爾傳感器，通過信號反饋，可定位推桿的行程，即能實現兩個推桿同步運行。

3.2 定位控制

對于有泄水功能的翻板閘門，需要通過調節閘門開度來控制泄水量，這就對絲杠螺桿的運行距離要求定位準確、精度高。氣動馬達絲杠螺桿的推桿內置霍爾元件，其作用是給接收裝置提供一個輸入信號，用來判斷絲杠螺桿正反轉轉速，計算出絲杠螺桿的運行距離，保證推桿的精確控制。

3.3 蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門受力分析

圖3為蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門的受力分析圖。

圖3 蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門受力分析

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T求極值。

即tanαtanβ=1，此條件即為推桿受力的最佳條件。

當α=75°時，按上述條件，β=15°。

在實際運行中，氣動馬達推桿所承受的力包括水壓力和閘門自重，水壓力受水深(即閘門擋水高度)的影響，閘門自重受閘門大小和水壓力的共同影響。試驗通過控制水深因素不變，得出氣動馬達推桿所需負載不同閘門配重對應的自鎖力，見表1。

表1 防水氣動馬達推桿技術參數

根據表1繪制的散點圖如圖4所示，擬合公式為y=2.0613x-156.16，相關系數R2=0.9779，擬合程度高。工程實際中可根據擋水高度確定閘門配重及氣動馬達推桿自鎖力，以滿足工程要求。

圖4 氣動馬達推桿自鎖力與負載關系圖

氣動馬達推桿的安裝距離見表2。

表2 防水氣動馬達推桿的安裝距離

利用蝸輪絲桿升降機作為水利翻板閘門的支撐結構，壓縮空氣能為其提供動力，與傳統的液壓控制翻板閘門相比，具有以下優點：

(1)利用氣動馬達將壓縮空氣的壓力能轉換為旋轉的機械能作用于蝸輪絲桿升降機，控制活動壩面升降，避免了油脂類介質對水體造成的污染；

(2)傳動平穩，制動位置準確；

(3)單扇閘門的兩個推桿同步運行精準，不會造成扭曲變形而影響其使用功能和壽命；

(4)在較小動力的條件下即可承載很大的推力；

(5)噪音低、振動小；

(6)結構簡單、維修方便、使用壽命長。

4 結 語

蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門結構合理、堅固可靠，在繼承傳統液壓控制翻板閘門諸多優點的基礎上，取消了單獨的支撐桿設置，創造性地解決了液壓系統中支撐桿受河道泥沙淤積無法解鎖、整套系統復雜程度高、系統故障率高等問題，利用氣動馬達和蝸輪絲桿升降機組合成新型動力系統，將壓縮空氣的壓力能轉換成機械能作用于蝸輪絲桿的推桿，實現活動壩面的升降，并數字化精確反饋壩面升降位置。蝸輪絲桿式空氣能翻板閘門結構新穎、易于實施，可廣泛應用于城市景觀河道及農村灌溉渠道中，具有極高的推廣價值。