南水北調(diào)中線天津段慢速卷揚(yáng)式閘門啟閉機(jī)設(shè)計

梁姝穎，馮志先

（天津市水利勘測設(shè)計院，天津 300020）

0 引言

南水北調(diào)中線工程天津段干線總長155 km，采用全箱涵無壓接有壓的輸水方案和總干渠定水位運(yùn)行方式。 由于輸水線路長，在輸水調(diào)節(jié)過程中，調(diào)節(jié)池、保水堰、連接井、分流井等局部水位和流量隨時間變化，致使運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)水力振蕩、管道負(fù)壓、水體脫空、壅水溢流等不利情況。 因此，根據(jù)水工建筑物的布置形式和輸水調(diào)度運(yùn)行的要求，需要在沿線各檢修閘處調(diào)節(jié)流量，延長各出口閘的關(guān)門時間。 數(shù)模計算得最佳關(guān)門時間為40 min 左右，即要求啟閉機(jī)的啟閉速度不大于0.1 m/min。這一速度遠(yuǎn)小于普通卷揚(yáng)啟閉機(jī)的啟閉速度（1.0～2.5 m/min），因此，需要采用特殊的固定慢速卷揚(yáng)啟閉機(jī)。

1 慢速卷揚(yáng)啟閉機(jī)布置方案

1.1 啟閉機(jī)的布置形式

常規(guī)卷揚(yáng)啟閉機(jī)一般采用展開式布置，電動機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)減速器和一對開式齒輪帶動卷筒轉(zhuǎn)動，布置形式如圖1 所示。 此種布置方式傳力明確、維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)實用，但是開式齒輪工作條件較差，齒輪潤滑條件不好。 另外，若要減小閉門速度，則需增大減速裝置傳動比，這樣整體布置尺寸和整機(jī)重量較大。 因此，選用傳動比大、承載能力高、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的減速裝置代替常規(guī)減速裝置是本次啟閉機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵。 在本次設(shè)計中，將常規(guī)啟閉機(jī)中的開式齒輪與減速器合二為一，組成一臺大傳動比減速裝置，卷筒直接支撐在減速裝置的低速軸上，這樣就克服了常規(guī)啟閉機(jī)存在的缺點，并且減速裝置結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、重量輕，能大大減小啟閉機(jī)整體的布置尺寸。 慢速卷揚(yáng)啟閉機(jī)布置形式如圖2 所示。

圖1 常規(guī)卷揚(yáng)啟閉機(jī)布置示意圖Fig.1 Layout sketch of common hoist

圖2 慢速卷揚(yáng)啟閉機(jī)布置示意圖Fig.2 Layout sketch of slow hoist

1.2 啟閉機(jī)基本參數(shù)

該工程設(shè)計的慢速卷揚(yáng)啟閉機(jī)的形式為固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)，其基本參數(shù)如表1 所示。

表1 慢速卷揚(yáng)啟閉機(jī)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of slow hoist

2 啟閉機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電動機(jī)的選擇

由于所要求的啟閉機(jī)容量較小、 啟閉次數(shù)不多、調(diào)速要求不高，所以選用YZ 系列鼠籠式電動機(jī)。

機(jī)構(gòu)起升額定起重量時，靜荷載功率的計算式為[1]

式中：Q 為起升載荷，N；v 為起升速度，m/s；η為起升機(jī)構(gòu)總效率，其值η＝ηzηdηtηc。ηz為滑輪組的效率，ηd為導(dǎo)向滑輪的效率，ηt為卷筒的效率，ηt＝ηd，ηc為傳動機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率。

本設(shè)計的起升載荷取257.5 kN，起升速度取0.0017m/s。 起升機(jī)構(gòu)總效率取0.98×0.975×0.975×0.85＝0.79，將各值代入式（1），得Nj＝0.55 kW

由于閘門起升速度較慢，所計算的電機(jī)靜荷載功率較小，按工作方式S2，JC＝15%，選擇電機(jī)YZ112M，功率為1.8kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速為840 r/min。

2.2 減速裝置的選擇

減速裝置傳動比計算式為［1］

式中：n 為電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；nt為卷筒轉(zhuǎn)速，r/min。

初步確定電動機(jī)轉(zhuǎn)速為840 r/min，由此可計算出要滿足0.1m/min 的閉門速度，減速裝置的傳動比需要達(dá)到5 283。

目前常用的減速器有ZQ 型漸開線圓柱齒輪減速器、少齒差行星齒輪減速器、CHC 型齒輪連環(huán)少齒差減速器。 普通固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)通常采用ZQ 型大傳動比減速器，三級傳動，但其最大傳動比只可達(dá)到317.28，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足本次設(shè)計要求。 少齒差行星齒輪減速器傳動比大（在理論上可達(dá)到1 700）、體積較小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、齒形容易加工、裝拆方便，比較適合于大傳動比、小功率的場合[2]。 但當(dāng)傳動比很大時，少齒差行星齒輪減速器傳動效率很低。 因此，單獨使用少齒差行星齒輪減速器也不能滿足設(shè)計要求。CHC 型齒輪連環(huán)少齒差減速器是在少齒差傳動的理論基礎(chǔ)上開發(fā)研制的一種新型減速傳動裝置，它將漸開線圓柱齒輪傳動與少齒差傳動配合使用，克服了兩種傳動方式的缺點，具有傳動比大（最大傳動比可達(dá)到2 500～20 000）、承載能力大、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、傳動效率高、使用壽命長、維修方便的特點。

該項目選用傳動比為5 780 的CHC 型齒輪連環(huán)少齒差減速器作為減速裝置，代替常規(guī)減速裝置，不但能滿足大傳動比的要求，達(dá)到我們要求的0.1m/min 的啟閉速度，而且減小了啟閉機(jī)的體積，節(jié)省了空間。

2.3 制動器的選擇

制動器的選擇與制動器所需的制動力矩有關(guān)。制動器所需的制動力矩計算式為[3]

式中：Kzh為制動器安全系數(shù)，取1.5；u 為制動器個數(shù)；Mj為下降時起升載荷作用在制動輪軸上的靜力矩，N·m，其計算式為

式中：D0為卷筒計算直徑，m；ηQ-zh為起升荷載到制動輪的機(jī)械效率；iQ-zh為起升荷載到制動輪的傳動比；m 為滑輪倍率。 其他符號同前。

將Q＝257 500 N、ηQ－zh＝0.79，m＝2、iQ－zh＝5780，u＝1 代入公式（3）和（4），經(jīng)計算，Mj＝3.52 （N·m），Mzh＝5.28 （N·m）。

在啟閉機(jī)中，選擇制動力矩為8 N·m 的YWZ-160/18 的電力液壓推桿制動器為工作制動器。 為了運(yùn)行安全，在起升機(jī)構(gòu)中，每一套獨立的驅(qū)動裝置安裝兩個常閉式制動器。 一套為工作制動器，另一套為安全制動器。 工作制動器采用液壓推桿制動器，安裝在減速器輸入端；安全制動器采用盤式制動器，安裝在減速器輸出軸與卷筒之間。 若采用帶制動裝置的減速電機(jī)，可作為工作制動器使用。

3 結(jié)語

在固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)設(shè)計中，慢速卷揚(yáng)啟閉機(jī)的設(shè)計還比較少見。 因此，我們經(jīng)過認(rèn)真研究比較，提出選用CHC 型齒輪連環(huán)少齒差減速器作為慢速卷揚(yáng)啟閉機(jī)的減速裝置。 該減速器不但能滿足大傳動比的要求，而且由于設(shè)計中啟閉機(jī)閉門速度較慢，使啟閉機(jī)中選用的電動機(jī)功率可以遠(yuǎn)小于常規(guī)同等起重量的啟閉機(jī)電機(jī)，這樣降低了用電負(fù)荷，并為將來的運(yùn)行節(jié)約了費(fèi)用。 我們在設(shè)計中的認(rèn)識看法可能還有不足，愿同其他同行商榷。

[1] 張質(zhì)文. 起重機(jī)設(shè)計手冊[M]. 北京：中國鐵道出版社,1998：95-96.

[2] 機(jī)械設(shè)計手冊編委會. 機(jī)械設(shè)計手冊:第3 卷[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1991：24－61.

[3] 李谷音. 港口起重機(jī)械[M]. 北京：人民交通出版社,2004：105-111.