水庫溢流壩閘門啟閉機聯軸器故障分析與處理

程麒安，楊甜

（1.海河水利委員會引灤工程管理局，河北 唐山 063000；2.海河流域北海海域生態環境監督管理局生態環境監測與科學研究中心，天津 300000）

1 概述

潘家口水庫主壩位于河北省遷西縣境內的灤河干流上，設計總庫容29.3億m3，1975年開工，1980年開始蓄水，1985年竣工。潘家口水庫主壩為混凝土低寬縫重力壩，1 000 a一遇洪水設計，5 000 a一遇洪水校核，最大壩高107.5 m，壩頂長1 039.11 m，壩頂高程230.5 m（大沽高程），最大泄洪能力56 200 m3/s。主壩共分56個壩段，設18孔溢洪道，采用18扇15 m×15 m弧形閘門和18臺雙吊點卷揚式啟閉機控制。其中，溢流壩弧形閘門啟閉機設置于▽234.5 m的啟閉機室內，總裝機容量2×80 t，吊距9 m，揚程20 m，起門速度1.36 m/min。

2 水庫溢流壩弧形閘門啟閉機組成及運行原理簡介

卷揚式啟閉機是專門用于操作溢流道閘門的一種啟閉設備。水庫大壩溢流壩弧形閘門啟閉機主要由電機、制動器、齒輪減速器、輸出動力聯軸器、卷筒組成，如圖1所示。啟閉機所用電機為2臺JZ2-51-8型電機，功率為22 kW。電機旋轉帶動齒輪減速器，通過聯軸器把動力傳遞到卷筒，啟閉閘門。2套動力及傳動機構通過聯軸器5連接，保證2個卷筒同步運轉，進而保證閘門兩側吊點平衡。

圖1 啟閉機組成

聯軸器是指聯接兩軸或軸與回轉件，在傳遞運動和動力過程中一同回轉，在正常情況下不脫開的一種裝置。聯軸器被安裝在動力傳動的驅動側和被動側之間，起到傳遞旋轉扭力、補償軸間安裝偏差、吸收設備振動和緩沖荷載沖擊等作用。聯軸器的功能之一是通過自身形變來吸收和補償軸與軸之間偏差，柔性越大則表示其吸收偏差的能力越強，柔性越小則表示吸收偏差的能力越弱。水庫大壩溢流壩弧形閘門啟閉機選用的聯軸器為鼓形齒式聯軸器，這種聯軸器為剛性聯軸器，其齒側的間隙比一般形式的聯軸器稍大，可以傳遞較大的扭矩和允許較大的角位移，性能優異且壽命更加長久。其特點如下[1]。

（1）承載能力強。在相同的內齒套外徑和聯軸器最大外徑下，鼓形齒式聯軸器的承載能力平均比直齒式聯軸器提高15%～20%。本聯軸器內外齒均采用48齒，能夠傳遞較大的輸出扭矩。

（2）角位移補償量大。在相同的模數、齒數、齒寬下，鼓形齒比直齒允許的角位移大。當徑向位移等于零時，直齒式聯軸器的許用角位移為1°，而鼓形齒式聯軸器的許用角位移為1°30′。

（3）鼓形齒面使內、外齒的接觸條件得到改善，避免了在角位移條件下直齒齒端棱邊擠壓、應力集中的弊端，同時改善了齒面摩擦、磨損狀況，降低了噪聲，維修周期長。

（4）傳動效率高，最高達99.7%。

3 輸出動力聯軸器故障發現和處理

3.1 聯軸器故障發現

2022年5 月，溢流壩弧形閘門啟閉機聯軸器進行拆檢維護時，發現5#閘門啟閉機低速動力輸出聯軸器（圖1中編號為3的聯軸器）內腔出現鐵屑、鐵卷及鐵片。鐵卷尺寸約15 mm×5 mm，鐵片尺寸約5 mm×5 mm。同時，聯軸器部分齒面磨損嚴重，有不同程度坑洼出現，具體情況如圖2—4所示。

圖2 聯軸節端面鐵屑

圖3 聯軸節齒面鐵屑

圖4 鐵卷及鐵片

3.2 故障原因分析

3.2.1 聯軸器常見故障原因

一般而言，鼓形齒式聯軸器常見故障原因如下[2]：①聯軸器中心偏差過大，齒面相對位移大；②齒輪材質不合格，齒面硬度過低；③齒面潤滑不充分或者干磨；④油質不合格，油中含有酸或硫化物等造成潤滑效果變差；⑤制造及安裝誤差；⑥齒輪承載后的變形或齒面溫度變化。

3.2.2 檢測及故障原因分析

2022年6月23 日，委托檢測單位對5#閘門啟閉機低速聯軸器進行拆解檢測，檢測情況及分析如下。

（1）同軸度檢測。對低速聯軸器和啟閉機傳動軸同軸度進行檢測，實測徑向補償量為3.5 mm。聯軸器的許用徑向補償量Δy按下式計算：

式中：A為聯軸器長度（mm），實測聯軸器長度為1 100 mm，如圖5所示；Δα為許用角向補償量，一般取1°30′，如圖6所示。

圖5 聯軸器的許用徑向補償量

圖6 聯軸器的許用角向補償量

經計算，5#閘門啟閉機低速聯軸器同軸度偏差在許用范圍內，這就排除了由于啟閉機系統同軸度偏差較大引起齒輪軸向竄動的可能。

（2）齒輪表面磨損嚴重。聯軸器內外齒面多處磨損嚴重，齒面硬度減弱，硬度實測值為HB146-191，齒輪硬度值正常范圍為HB250-285。由于此聯軸器是用于傳遞轉矩的，且閘門重量為89.83 t，因此工作時受力較大，齒輪易發生疲勞等現象。

3.2.3 聯軸器出現鐵屑原因的確定

水庫溢流壩弧形閘門啟閉機制造于20世紀80年代，啟閉機長期運行、維護保養不及時，造成齒面運行工況變差，引起齒面硬度降低；齒輪嚙合誤差較大，軸向受力不勻，造成齒輪軸向竄動量過大，齒面相對位移大，齒輪端面切削齒廓曲面產生鐵卷，進而齒輪嚙合將鐵卷壓碎產生碎片等，應為鐵屑、鐵卷及鐵片出現的主要原因。

3.3 故障排除

針對本次聯軸器出現的故障，提出兩項解決方案。第一，可通過對聯軸器受損齒面進行修復以提高齒面硬度，改善齒輪嚙合運行工況；第二，可以通過聯軸器整體更新，采用新型聯軸器，提升啟閉機運行穩定性。

3.3.1 齒面修復

常用的齒輪齒面修復方法包括以下4種[3]。

（1）調整換位法。改變磨損齒輪的方向，繼續使用未磨損或磨損較輕的齒輪。

（2）變位切削法。將報廢的大齒輪外徑車去一定值，然后再次滾動齒輪，去除齒面腐蝕的部分。大齒輪為負變位，小齒輪為正變位。加工后成為傳動參數不變的新齒輪副，使大齒輪得以修復并投入使用。

（3）鑲齒修理法。對于負荷小、轉速低的齒輪，在修復過程中，在刨床上刨出壞齒輪根部的梯形槽，壓入與槽形相同的新齒胚，焊接牢固或用螺栓連接加工整形。

（4）堆焊修理法。單個齒輪磨損或齒端兩側磨損超過極限的，可根據齒輪損壞情況在齒輪整個或部分表面堆焊一層或幾層金屬。堆焊修理齒輪操作簡單，修理質量好。

水庫溢流壩弧形閘門啟閉機聯軸器齒輪磨損部位較多且負荷較大，難以通過簡單現場處理排除故障。

3.3.2 聯軸器更新

采用對齒輪修復的方法雖然可行，但由于齒輪聯軸器本體使用年限很長和齒輪本身特性影響，加上溢洪道閘門汛期泄洪的重要作用，通過修復方法不能保證聯軸器的安全使用。通過綜合考慮，決定對聯軸器進行整體更換，選用橡膠柔性聯軸器代替原有鼓形齒式聯軸器。橡膠柔性聯軸器具有以下特點[4]。

（1）吸振效果好。橡膠柔性聯軸器是依靠橡膠實現彈性連接的，可充分吸收因聯軸器對中不好而產生的振動，使設備能夠平穩運轉。

（2）具有保護作用。橡膠柔性聯軸器的橡膠部分是可以更換的，可以根據轉動設備所需扭矩大小而安裝不同的輪胎環。因此，可以根據設備正常工作時的扭矩選擇相應的輪胎環。當設備運轉的實際扭矩超過輪胎環的額定扭矩時，輪胎環就會裂開，從而能夠保護設備的其他部件不受損壞。

（3）軸向找正精度要求低。橡膠柔性聯軸器的軸向和徑向偏差只要不超過1.2 mm，就可以正常工作。對于使用條件要求較高、對中難度較大的場所，宜使用橡膠柔性聯軸器。

（4）減小維護工作量。由于橡膠柔性聯軸器采用橡膠彈性連接，聯軸器空腔內不充油，減少了漏油的風險。

3.3.3 方案比選

通過以上兩個方案的比選，建議采用第二個方案，對聯軸器進行整體更新。采用橡膠柔性聯軸器進行動力傳遞，可以減少啟閉系統震動，從根本上解決聯軸器產生鐵卷、鐵屑、鐵片的問題，提升啟閉機運行和閘門穩定性。

4 運行維護建議

為防止溢流壩弧形閘門啟閉機聯軸器故障的發生，應加強設備維護管理及人員的技術培訓，同時及時更新設備。

4.1 加強維護管理

水庫溢流壩閘門只用于防汛泄洪使用，使用頻率較低，以致對閘門啟閉機的檢查、檢修、大修周期較長，容易造成設備維護人員的疏忽。因此，在日常維修養護過程中，要注重對設備設施的管理。

（1）通過制定檢修規程，明確檢修周期，及時開展維修養護及檢查檢修。

（2）加強人員業務能力培訓，提高作業水平，避免誤操作對設備造成損壞。

（3）加強設備運行過程中的監護，及時發現異常現象并排除故障。

4.2 采用“四新”技術

在工業技術及工藝水平不斷革新、材料技術日趨完善的今天，多種設施設備實現了衍生、迭代。因此，更新設備選型設計時，要采用“四新”技術，充分考慮設備的技術先進性、維修養護便捷性和安全運行可靠性。

4.3 加大投資更新設備

水庫大壩建成于20世紀80年代，工程設備設施普遍趨于老化，運行安全可靠性變差。相關部門應加大水利設備設施投資力度，及時更新改造設備，提高設備技術水平，促進水庫大壩工程安全平穩有序運行。

4.4 閘門鋼絲繩受力均衡度測量

溢流壩弧形閘門啟閉機采用兩臺同型號電機及減速器驅動，應對閘門兩側鋼絲繩受力及電機轉速進行測量，確保閘門兩側受力均衡。若兩臺電機轉速不同，則會造成轉速高的電機過載，進而燒毀電機。

5 結語

啟閉機是操作大壩閘門的重要設備，聯軸器作為啟閉機的主要構成部件，其安全運行事關防汛備汛。橡膠柔性聯軸器作為“四新”產品，可有效提升啟閉機和閘門運行的穩定性。潘家口水庫大壩建成時間較早，受限于當時的制造水平、工藝水平、材料水平，許多設備并不能滿足當下對于水利工程管理標準化、精細化、信息化、智能化的要求。同時，聯軸器產生的故障暴露了人員管理、技術更新、投資力度等多方面的問題，值得引起工程管理人員的思考與改進。