機(jī)電液一體化卷揚(yáng)啟閉機(jī)系統(tǒng)研究概述

陳 勇，李 旭，王智琨

（水發(fā)機(jī)電集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

目前，國內(nèi)外水利工程啟閉機(jī)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(yáng)啟閉機(jī)、螺桿式啟閉機(jī)、齒桿式啟閉機(jī)、液壓啟閉機(jī)，但型式相對固定，且各具特色和應(yīng)用范圍。隨著科技進(jìn)步及使用功能需求變化，啟閉機(jī)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(jī)對比分析

1.1 開（閉）式卷揚(yáng)啟閉機(jī)

開（閉）式卷揚(yáng)啟閉機(jī)是應(yīng)用較早的啟閉機(jī)序列產(chǎn)品，卷揚(yáng)式啟閉機(jī)主要由電機(jī)、制動器、減速裝置（開式齒輪副、減速機(jī)）、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(yīng)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(yáng)啟閉機(jī)同時還存在自重高、養(yǎng)護(hù)繁瑣、對混凝土建筑要求高等缺點。

1.2 螺桿式啟閉機(jī)

大多數(shù)螺桿機(jī)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(jī)雖采用齒輪機(jī)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(jī)型。主要缺點是依靠摩擦傳動，發(fā)熱嚴(yán)重，仍然存在機(jī)型落后、螺紋傳動限制、整機(jī)效率低下（小于25%）、傳動部件磨損大、控制系統(tǒng)落后、技術(shù)含量不高，自動控制技術(shù)不高，缺少信息傳輸功能等特點。螺桿式啟閉機(jī)的揚(yáng)程范圍一般為10 m以下，高揚(yáng)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(jī)

齒桿式啟閉機(jī)是近年來新應(yīng)用的啟閉機(jī)型式，主要由中間主機(jī)集中驅(qū)動、左右副機(jī)對稱布置，主機(jī)由電動機(jī)、行星齒輪減速器、電磁離合器、手搖機(jī)構(gòu)和機(jī)架等組成；副機(jī)由齒輪-齒桿系、齒桿導(dǎo)向裝置和機(jī)架組成；主機(jī)和左右副機(jī)通過聯(lián)軸器和中間傳動軸連接。啟閉機(jī)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(hù)裝置；系統(tǒng)效率可達(dá)75%，成本適中，可全面替代螺桿式啟閉機(jī)的應(yīng)用。但齒桿提升閘門揚(yáng)程范圍一般為10 m以下，高揚(yáng)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(jī)房建筑物頂部需要開頂孔，需增加防雨裝置，保護(hù)啟閉機(jī)。

1.4 液壓式啟閉機(jī)

液壓式啟閉機(jī)是主要使用液壓泵站作為動力源，液壓油缸作為執(zhí)行機(jī)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(yīng)用廣泛。液壓啟閉機(jī)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(jìn)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(jìn)口品牌，成本為其他結(jié)構(gòu)形式啟閉機(jī)的數(shù)倍。由于工藝限制，液壓式啟閉機(jī)使用場景多為低揚(yáng)程工況，不能滿足高揚(yáng)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(fù)雜、繁瑣。

2 機(jī)電液一體化卷揚(yáng)啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)原理

2.1 幾何建模

機(jī)電液一體化啟閉機(jī)使用三維軟件Solid－Works對啟閉機(jī)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)各裝置部件進(jìn)行三維建模，見圖1，并整機(jī)裝配調(diào)校。

圖1 機(jī)電液一體化啟閉機(jī)執(zhí)行單元結(jié)構(gòu)圖

2.2 結(jié)構(gòu)原理分析

1）機(jī)電液一體化啟閉機(jī)使用液壓馬達(dá)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(dá)連接盤安裝于卷筒內(nèi)部，使啟閉機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)極為簡潔。兩卷筒間設(shè)置萬向同步聯(lián)軸器，卷筒同步旋轉(zhuǎn)，機(jī)械式同步機(jī)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(yīng)用降低了啟閉機(jī)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(hù)。液壓與卷揚(yáng)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(jī)構(gòu)，同時可配置燃油液壓應(yīng)急系統(tǒng)，斷電時液壓管路連接即可使用應(yīng)急動力源，保證閘門的動作安全。卷筒及滑輪機(jī)構(gòu)的使用，實現(xiàn)了啟閉機(jī)高揚(yáng)程的要求，不受建筑物高度及機(jī)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(dá)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(jī)液壓泵單元，其中一套預(yù)留為備用動力源。兩臺電機(jī)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(yáng)啟閉機(jī)、螺桿式啟閉機(jī)、齒桿式啟閉機(jī)所不具備。在多孔閘門工況時，機(jī)電液一體化啟閉機(jī)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(shè)備成本。

4）機(jī)電液一體化啟閉機(jī)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(dá)配置液壓制動器，可實現(xiàn)液壓馬達(dá)任意位置的制動功能，系統(tǒng)無需外置專用制動器。

5）機(jī)電液一體化啟閉機(jī)系統(tǒng)高程的測量可由多種方式實現(xiàn)。其中機(jī)械式高程觸發(fā)和指示裝置可設(shè)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(jī)、指示裝置；執(zhí)行機(jī)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(jī)電液一體化卷揚(yáng)啟閉機(jī)設(shè)計

3.1 設(shè)計原理

該啟閉機(jī)的設(shè)計從核心提升功能開發(fā)設(shè)計，結(jié)合了傳統(tǒng)啟閉機(jī)的特點，考慮成本及推廣應(yīng)用因素，集成了機(jī)械傳動、液壓傳動及先導(dǎo)及智能信息化遠(yuǎn)程控制[2]，形成了機(jī)電液一體化啟閉機(jī)系統(tǒng)。機(jī)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(jī)的高功率小體積。倍率滑輪組的使用，實現(xiàn)了機(jī)電液一體化啟閉機(jī)大揚(yáng)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(dá)規(guī)格降低，從而降低了系統(tǒng)成本。

液壓系統(tǒng)設(shè)計采用變量柱塞泵定量星型馬達(dá)的開式液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力25 MPa。運用電磁先導(dǎo)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(yuǎn)程控制[3]。同時系統(tǒng)配置燃油液壓應(yīng)急動力單元，可實現(xiàn)系統(tǒng)斷電情形下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常動作。

3.2 技術(shù)開發(fā)路線

依據(jù)設(shè)計輸入?yún)?shù)，首先概算系統(tǒng)功率及初選滑輪組倍率，進(jìn)行鋼絲繩選型，安全系數(shù)一般為5，設(shè)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(yáng)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(dá)，設(shè)計行星減速機(jī)。進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計及電氣控制系統(tǒng)設(shè)計。電機(jī)選型確定后，復(fù)核系統(tǒng)機(jī)械強(qiáng)度及流量配置。

3.3 關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計

卷筒作為啟閉機(jī)的鋼絲繩的纏繞受力機(jī)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(jī)電液一體化啟閉機(jī)將液壓馬達(dá)通過連接盤內(nèi)置于卷筒中，馬達(dá)連接盤與焊接卷筒通過鉸制孔螺栓連接，將液壓馬達(dá)及減速機(jī)置于卷筒內(nèi)部，整體結(jié)構(gòu)極為緊湊簡潔；液壓馬達(dá)及減速機(jī)通過螺栓與馬達(dá)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(qiáng)度高，撓度小。大吊點距應(yīng)用時，卷筒軸扭矩計算時應(yīng)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(jī)電液智能化控制一體化技術(shù)的啟閉機(jī)，經(jīng)過建模與結(jié)構(gòu)分析以及開發(fā)設(shè)計，驗證了新型啟閉機(jī)的技術(shù)可行性，為行業(yè)啟閉機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)革新探討了一種方案。