新型齒桿式啟閉機在引黃濟青改擴建工程中的應用

孫 羽中，王肖肖，莊志鳳

（1.山東省調水工程運行維護中心，山東濟南250100；2.山東省調水工程運行維護中心博興管理站，山東博興256500）

1 工程概述

引黃濟青工程是國家“七五”期間重點工程，是建國后最早建成的大型長距離多梯級泵站調水工程之一。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183臺，工程運行30余年，已累計引水94.09億m3，為解決青島市用水危機，促進經濟社會高速發展發揮了重要作用。

2 工程改造原因及過程

引黃濟青工程運行至今，閘站工程設施已進入老化期，輸水能力已不能滿足設計輸水要求，機電及金屬結構設備均為20世紀80年代產品，運行效率和安全性低。啟閉機作為重要調水控制設備，原螺桿啟閉機缺少自動控制系統，老化嚴重，啟閉閘門不靈活，閘門開度控制困難，無法實現遠程控制與閘門運行數據的采集。因此，在引黃濟青改擴建工程中對原螺桿式啟閉機進行了更新改造，采用新型齒桿式啟閉機共計174臺套。

引黃濟青改擴建工程于2020年底完成通水驗收。工程運行表明：該啟閉機運行靈活可靠，達到了控制運行安全可靠、智能化操控、高效運行的目的。實現了遠程控制和信息傳輸，為引黃濟青工程安全調度運行奠定了基礎。

3 齒桿式啟閉機機構組成及工作原理

3.1 機構組成

山東省引黃濟青改擴建工程齒桿式啟閉機為雙吊點、中間主機集中驅動、左右副機對稱布置結構。主機由電動機、行星齒輪減速器、電磁離合器、手搖機構和機架等組成；副機由齒輪-齒桿傳動系統、齒桿導向裝置和機架等組成；主機和左右副機通過聯軸器和中間傳動軸聯接。啟閉機還配有電氣控制、閘門開度儀、閘門極限限位、閘門自重閉門速度調節等安全保護裝置。

3.2 工作原理

1）電動操作

接通電源。此時，（電機）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；動力由電動機經齒輪傳動，通過驅動一、二級減速，再通過行星齒輪減速器減速，經輸出齒輪傳動，達到工作要求的轉矩、轉速，使齒桿上下運動，啟閉閘門。

2）手搖機構操作

停電狀態。此時，電磁離合器斷電斷開（電機驅動斷開），失電電磁離合器斷電接合。動力由手輪經齒輪傳動，通過驅動一、二級減速，再通過行星齒輪減速器減速，經輸出齒輪傳動，達到工作要求的轉矩、轉速，使齒桿上下運動，啟閉閘門。

3）自重閉門

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

4）電氣控制與自動化

齒桿式啟閉機配帶控制柜，柜內設有自動空氣開關、交流接觸器、電流互感器、電機智能保護器、PLC、工業以太網交換機等。控制柜面設有觸摸屏、自動/手動切換開關及開停機按鈕和信號燈等，可就地控制啟閉機的開停，也可通過觸摸屏控制開停，還可以遠程實現開停等。電機智能保護器具有過流、堵轉、三相電流不平衡、斷相、過壓、欠壓、漏電、短路等故障保護，并能顯示B相電流及輸出4～20mA的信號至PLC進行顯示。閘門開度傳感器也可輸出4～20mA的信號至PLC。PLC通過以太網交換機與管理級工控機相連，實現遠程控制。

4 安裝控制技術要點

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

2）啟閉機安裝應根據起吊中心線找正，確定啟閉機的位置。其縱橫向中心線偏差應不大于3mm；高程偏差不應超過±5mm；水平偏差不應大于0.05%。

3）齒桿安裝前應將齒內污物清掃干凈，穿齒桿時打開側蓋注意觀察，應用手搖機構操作緩緩裝入，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無誤，所有電氣保護動作應靈活可靠。

5 啟閉機試運轉和調試

5.1 啟閉機的試運轉

1）啟閉機試運轉前檢查：所有電氣及動力回路的接線應正確、整齊，有良好的絕緣性和可靠的接地。檢查所有機械部件、連接部件、各種保護裝置及潤滑系統等的安裝、注油情況應符合要求。用手搖機構提升齒桿不得有卡阻現象。調試檢查高度指示以及設置零位。

2）試運轉要求全揚程內運行上、下3次并檢查：電動機運行平穩，電氣設備控制可靠，無異常發熱現象；機械部分運轉平穩，無異常現象；閘門升降無卡阻現象；所有電氣保護裝置、過負荷保護裝置等動作準確可靠；所有操作界面、信號指示正確無誤。試運轉完成并且正常后，啟閉機可進行閘門的啟閉。

5.2 電氣操作系統的調試

齒桿式啟閉機的電氣系統，采用性能先進的PLC控制、觸摸屏操作、編碼器定位及電機變頻調速等；具有質量可靠，控制先進，操作簡便，報警完善，定位精確等優點。電氣系統包括主回路、控制原理圖、PLC智能控制等。

上電前必須確認三相交流電源接入無誤，設備外殼保護符合供電系統標準。合上電源開關，“電源指示”燈亮。選擇“手動”方式，啟動電機，確認運行方向正確后，方可進行設備操作。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置于“手動”位置，人機界面窗口畫面上的“手動”指示燈閃爍。按下“上升”按鈕，啟閉機向上運行，同時“上升指示”燈亮。按下紅色“停止”按鈕，啟閉機運行停止。

按下“下降”按鈕，啟閉機向下運行，同時“下降指示”燈亮。按下紅色“停止”按鈕，啟閉機運行停止。

5.2.2 自動操作

將操作面板上的選擇開關置于“自動”位置，人機界面窗口畫面上的“自動”指示燈閃爍。在“自動”狀態下，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】，可進入相應的窗口畫面。

2）“定位運行”位置設定：在【閘門操作】畫面中，觸擊【開度預設】數字窗口，可彈出數字鍵盤，輸入正確的數碼后，觸擊【確認】鍵即可。

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

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

5）故障報警。當設備發生故障時，操作面板上的故障報警燈亮并發出報警聲，同時【故障報警】界面中相應故障部位燈閃爍。觸擊【報警】頁面中的【報警復位】鍵，只能消除聲光，故障需人工排除后，方可繼續操作。

6）遠程監控。在【顯示】頁面中，設有兩種模式選擇：“就地”模式，遠方處于監視狀態，操作無效。“遠控”模式，遠方處于控制狀態，操作有效。只有在“自動”狀態下，“遠程控制”才有效。

7）“自重下降”操作。轉動操作面板上的“自重下降”鑰匙旋鈕，閘門在自身重力的作用下，做自由下落運動。在網電停送的情況下，可用UPS電源作為備用電源繼續保持控制器件的電源供應。務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，以免設備動作異常。

6 性能特點

與傳統的雙吊點螺桿式啟閉機相比，由中間驅動的雙吊點齒桿式啟閉機具有以下性能特點：

1）在調水系統事故停電狀態下，各節制閘具有閘門快速自重閉門功能，分段截斷水流，避免下游明渠出現漫堤和淹沒泵站事故，確保工程運行安全。

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

3）起重機構采用齒桿-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%），使工程運行更經濟、節能、環保。

4）應用電磁離合器組成電動和手動邏輯互鎖系統，手動電動可自動切換，工作更可靠、穩定。

5）啟閉機設計有閘門卡阻自動保護功能，防止齒桿超負荷受力彎曲。

6）具有電控（遠控）及停電時手動操作功能，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，通過電控系統可實現預先設定的閘門位置啟閉。同時，具備閘門上、下極限位置保護功能。

8）將PLC智能控制技術和遠端通訊技術應用在啟閉機上，達到了控制運行安全可靠、智能化操控、高效運行的目的，實現了遠程控制和信息傳輸。

7 結語

在長距離梯級輸水明渠工程運行中，尤其是冬季輸水、分水運行中，為實現流量和水位的運行匹配，閘門開度的控制與變化極為頻繁，閘站的啟閉設備是控制閘門開度的核心，其電氣自動化控制系統是閘門控制的中樞，新型齒桿式啟閉機具有用時可靠，備時可信的優點。引黃濟青改擴建工程通水驗收以來，齒桿式啟閉機相較于傳統的螺桿式啟閉機安全平穩、靈敏可靠，尤其實現了遠程智能操控和停電自重落門等，表現出了良好的性能。該型啟閉機在引黃濟青改擴建中的成功應用為同類工程改造提供了借鑒。