帶精準對位雙向移動式啟閉機研究與應用*

鄭 偉，陳佛生※

（1.廣東省建筑機械廠有限公司，廣州 510500；2.廣東江海機電工程有限公司，廣州 510500）

0 引言

水利水電工程中的設備大多面臨山風等復雜的使用環境，傳統移動式啟閉機[1-2]的大車行走機構大多沒有設置自動對位裝置，存在自動化程度低、操作不方便等問題[3]，特別是用移動式啟閉機來啟閉垂直水流方向上的多孔閘門（或攔污柵），或在水流方向上用其來啟閉閘門、攔污柵和清污[4]，由于啟閉機行走速度較大、自身高度較大（門式）以及吊具通過柔性的鋼絲繩與起升機構連接，在慣性等因素的作用下，需要人工反復點動行走電機來對位，對位時間較長，且效率低，這些問題在依賴駕駛室操作的門式啟閉機的使用過程中特別明顯，往往需要人輔助吊具或吊物入槽，人工成本高，同時存在一定的安全隱患。

在一些水利水電工程中，水流方向上的閘門與攔污柵之間、攔污柵與清污耙斗槽之間距離小，通過功能多樣化設計的啟閉機往往要兼顧啟閉閘門、提柵和清污，通常不同功能之間的起吊中心距較小，移動式啟閉機或其小車所需要行走的距離較小，一般在500～2 500 mm之間。短距離適合慢速行走，傳統的慢速行走一般通過減速機減速或變頻調速來實現，這些減速方式存在成本高等一系列問題。

針對水利水電工程中清污機的孔口對位的問題，劉曉蓉[5]開展了全自動清污機孔口定位研究，采用接近開關檢測感應塊與變頻多速段相結合的控制的方法來實現清污機精準定位，但同時指明定位精度受接近開關檢測距離和外界因素影響，并且未涉及雙向移動式啟閉機或雙向移動式清污機的對位問題，其研究還未全面解決不同行走機構的精準對位問題。

本文研究了適合長距離快速行走的大車行走機構的精準對位方法和適合短距離行走的新型小車行走機構，可系統性全面解決雙向移動式啟閉機的大小車精確對位方法，且與傳統的方法與裝置相比，具有作業更加安全可靠、制造成本更低等優點，可提高移動式啟閉機對位自動化、智能化[6]水平，促進智慧水利[7]建設。

1 兩種不同行走機構的結構及工作原理

1.1 適合長距離快速行走的大車行走機構

（1）具有精準對位的大車行走機構的組成

具有精準對位[8]的大車行走機構（泛指適合長距離行走的快速行走機構）由行走電機（含減速機、制動器）、十字限位開關[9]（雙輸出行程開關）、停位觸發裝置、減速觸發裝置、路軌和帶變頻器的PLC[10]控制系統等組成，其中的行走電機為變頻電機。路軌安裝在排架、閘墩或門架上；減速觸發裝置和停位觸發裝置安裝在各個孔口對應的排架或閘墩上，如圖1所示。

圖1 具有精準對位的大車行走機構的組成

（2）大車行走機構的精準對位原理

根據布置，在排架或閘墩上設置各孔閘門或攔污柵啟閉時控制移動式啟閉機行走的減速和停位觸發裝置。當移動式啟閉機沿軌道行走時，安裝在其上的十字限位開關會先觸碰對應孔口的減速觸發裝置，觸碰后，十字限位開關旋轉90°，并向PLC 發出減速指令，PLC 將指令發送至變頻器，變頻器控制行走電機以最低穩定運行頻率（國產電機通常為5 Hz∕min）低速繼續前行，運行至停位觸發裝置后，觸發同一十字限位開關再次旋轉90°，這時PLC 將停位指令反饋給變頻器，變頻器將0 Hz 運行頻率反饋給行走電機，使行走電機無轉速輸出；與此同時，PLC 將制動指令反饋給制動器并對行走電機制動，行走電機無轉速輸出和制動的共同作用使啟閉機實現自動精準對位，其工作原理如圖2所示。

圖2 具有精準對位的大車行走機構的控制原理圖

（3）大車行走機構的精準對位的優點

大車行走機構通常為露天工作，安裝定位感應塊的平臺經常有人員走動，感應塊容易被人或物體擾動或遮擋，如果采用接近開關作為傳感器，感應塊擾動或高度變化均會影響檢測的精度，從而影響定位精度。而采用十字限位開關，其觸發方式為機械式，除非故意為之，發生擾動的概率較小，方便日常維護和使用。

1.2 適合短距離慢速行走的新型小車行走機構

（1）新型小車行走機構

如圖3所示，新型小車行走機構[11]主要由路軌、行走滑塊、行走滑塊壓板、側導向輪、連接耳板、驅動裝置和行程控制裝置等組成。路軌通過壓板固定在大車架（大車架可以是臺車架，也可以是門架）上；行走滑塊通過滑塊壓板與小車架連接，固定在小車架底部，滑塊支撐在路軌上；側導向輪安裝在小車架上，與路軌間隙為2～3 mm，防止小車行走過程中發生側向偏移或啃軌；連接耳板焊接在小車架上，連接耳板設有與驅動裝置連接的軸孔；驅動裝置為電液推桿及其相關連接件，電液推桿的缸體端通過推桿底座固定在大車架上。

圖3 新型小車行走機構組成

（2）驅動裝置

如圖4所示，驅動裝置由電液推桿、手搖機構、推桿座、推桿底座、調節底座、調節座、調節螺栓螺母、縮回傳感器、伸出傳感器、定位桿和銷軸等組成。電液推桿的缸體端與推桿座通過銷軸連接；推桿座通過螺栓固定在推桿底座上；推桿底座焊接在大車架上。裝配完成后，通過電液推桿的伸出與縮回使小車行走。電液推桿的活塞桿為截面較小的細長構件，長期處在水平狀態的電液推桿，如果行程較大且處于伸出狀態，在自重等作用下，容易造成活塞桿變形，影響推桿的正常使用。為了解決此問題，在電液推桿的油缸外殼底部增設一套推桿調節座，以使活塞桿基本不承受電液推桿缸體端的重力。裝配時，先將電液推桿固定在推桿座上，并將活塞桿與連接耳板連接，使其呈水平狀態，然后將調節底座放置在不影響小車運行的位置，并將其焊接在大車架上，配裝好調節座使其與電液推桿的油缸底部接觸，但不產生除支撐推桿重力以外的向上的附加支撐力，然后通過調節螺栓螺母固定好調節座。為限制小車的運動范圍，在電液推桿上設置了伸出和縮回的位置傳感器，傳感器安裝在電液推桿的油缸外殼上，定位桿安裝在活塞桿上，活塞桿帶動定位桿一起運動，可通過調節定位桿上的感應塊的位置來控制活塞桿的伸出長度。

圖4 驅動裝置（電液推桿）組成

（3）新型小車行走機構精準定位原理及優點

電液推桿是一種機、電、液一體化的新型柔性傳動機構[12-14]，通過液壓傳動實現機械運動，具有調速性能好、運行速度慢、沖擊性小等特點。因為其推拉速度可選擇在1.5 m∕min 以內，且不像傳統行走電機啟動或制動時沖擊大，一般不需要像大車行走一樣先減速后停位便可實現精準對位。

如圖3所示，通過安裝在小車架上的導向輪導向作用，使得小車只能沿小車路軌方向上運動。工作時，通過電液推桿的伸出和縮回可實現小車的往復運動，同時可通過伸出和縮回位置傳感器來控制小車的行走范圍，如圖5所示的小車分別處于啟閉攔污柵和清污工作時的位置。

圖5 新型小車行走機構運行狀態圖

小車通過滑塊支撐在大車架上，且通過電液推桿與大車架一直保持連接，因電液推桿可施加推力和拉力，在行走滑塊壓板、側導向輪和電液推桿的共同作用下，可克服來自任何方向上的風力，可等效于傳統行走機構需要配置的錨定、行程限位（因電液推桿已配置）、夾軌等安全保護裝置的作用。由于小車的行走是通過電液推桿的伸出與縮回來實現，并不需要像傳統行走方式一樣將小車錨定在大車架上，不需要人工解錨便可操作小車行走，有利于實現自動化控制，并且制造成本低。

在電液推桿電機的末端設有手搖機構，可實現無電或電氣故障下的小車行走，因此新型小車行走機構可提高小車應急行走能力和安裝調試的便利性。

2 兩種不同行走機構在雙向移動式啟閉機上的應用

下面以甘肅中部生態移民扶貧開發供水工程總干渠前池雙向移動式啟閉機為例來說明兩種不同行走機構的應用。

2.1 工程概況及總干泵站前池的布置

甘肅中部生態移民扶貧開發供水工程項目位于白銀市靖遠縣北部及平川區境內[15]，屬Ⅱ等工程，工程規模為大（2）型，包括1條總干渠、3條干渠、4條分干渠，項目總投資為41.76 億元。總干渠泵站進水口設有引水前池，前池進水口處設有兩孔攔污柵、卸污平臺、啟閉機排架和一臺QT-2×100-20 雙向移動式啟閉機。攔污柵前設有耙斗槽，耙斗可以沿耙斗槽升降以清理攔污柵前的污物，如圖6所示。攔污柵柵槽與耙斗槽之間的中心距為820 mm，攔污柵與耙斗的吊點距為768 mm，小車行走距離小。

圖6 總干泵站前池進水口布置圖

2.2 QT-2×100-20雙向移動式啟閉機

（1）雙向移動式啟閉機

QT-2×100-20 雙向移動式啟閉機額定啟閉容量為2×100 kN，用于清污和啟閉攔污柵，主要由小車及小車上的起升機構、小車架、電纜卷筒、機房、小車行走機構、大車行走機構、臺車架、液壓抓梁、液壓耙斗、保護裝置及控制系統等組成，如圖7所示，大車行走機構設有精準對位裝置，小車行走采用電液推桿作為行走驅動裝置，可實現各孔口清污和啟閉攔污柵時的精準對位。

圖7 QT-2×100-20雙向移動式啟閉機

（2）大車行走機構

大車軌距3 500 mm，行走機構采用變頻調速，最高行走速度為12 m∕min，行走于兩個孔口與卸污平臺之間。在兩個孔口分別設有減速和停位觸發裝置，如圖7所示，用于兩個孔口清污或提柵時在垂直于水流方向上的精準對位，觸發減速后，其行走速度降至1.2 m∕min，以利于觸發停位后的精準對位。

（3）小車行走機構

根據啟閉攔污柵和清污時的吊點中心距為768 mm，選擇集驅動、安全保護等功能于一體的電液推桿作為小車行走的驅動裝置，電液推桿型號為DYTP5000，行走速度為1.08 m∕min （推）、1.38 m∕min（拉），綜合卸污、功能轉換和行程調節需要，選定電液推桿行程為1 100 mm，電液推桿推出時為清污、縮回時為啟閉攔污柵，在清污和啟閉攔污柵吊點中心外側設有不少于50 mm的調節余量。

除甘肅中部生態移民扶貧開發供水工程外，所研究的自動對位方法和新型小車行走機構已同時或獨立應用于廣州市番禺區南順泵站等工程的啟閉機或清污上，自動精準對位效果良好，使用和維護方便，深受業主好評。

3 結束語

（1）大車行走精準對位技術可應用于移動式啟閉機（包括門式啟閉機和臺車式啟閉機）的大車行走機構、運行范圍超過2 500 mm 的雙向移動式啟閉機的小車和橋門式起重機的大小車行走的精準對位。

（2）新型小車行走機構適用于短距離行走，其行走范圍為500～2 500 mm 為宜，因其行走范圍較小，小車行走速度建議小于2 m∕min，有利于運行安全。

（3）新型小車行走機構驅動裝置的數量應根據小車的軌距來選擇，整體剛性較好的小車，適宜采用推拉力較大的電液推桿取代多組驅動裝置，避免因多組驅動裝置推拉不同步發生故障或增加同步控制成本。

（4）帶手搖機構的電液推桿，其電動時，必須將手搖機構拆下。