傳統(tǒng)螺桿式啟閉機(jī)傳動(dòng)方式的改造

洪榮華

(杭州市城郊河道管理處，浙江杭州 310014)

0 引言

閘門是水利工程建筑物的重要組成部分之一，它的作用是封閉水利工程建筑物的孔口，并能夠按需要局部、全部開啟或者關(guān)閉這些孔口，用于調(diào)節(jié)上、下游水位，防洪泄流，排水灌溉，引水發(fā)電，排除泥沙以及通航、過(guò)木、冰塊或者其他漂浮物等.閘門一般由以下三大部分組成:(1)為活動(dòng)部分，一般稱為門葉結(jié)構(gòu)，它是用來(lái)啟閉孔口的活動(dòng)擋水結(jié)構(gòu);(2)為埋件部分，系埋固在土建結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件，如滑槽或者支承行走軌道等，通過(guò)這些構(gòu)件將活動(dòng)部分所承受的荷載傳給土建結(jié)構(gòu);(3)啟閉機(jī)械部分，它是控制活動(dòng)部分位置的操作結(jié)構(gòu)，它的運(yùn)行穩(wěn)定直接關(guān)系到水利工程的安全，選擇性能可靠、運(yùn)行平穩(wěn)的啟閉機(jī)械尤為重要.對(duì)于中小型閘門而言，啟閉機(jī)械部分常采用螺桿式啟閉機(jī)，其具有結(jié)構(gòu)緊湊﹑操作安全﹑啟閉靈活(螺桿和螺母有自鎖作用)﹑造價(jià)低廉﹑安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)［1］.

1 傳統(tǒng)螺桿式啟閉存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)螺桿式啟閉機(jī)的傳動(dòng)方式是由蝸輪蝸桿帶動(dòng)承重螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿做上下軸向運(yùn)動(dòng)以帶動(dòng)閘門啟閉.由于螺桿是剛性結(jié)構(gòu)，不但能提供啟門力，而且能施加閉門力(能夠在動(dòng)水中關(guān)閉)［2］.但是這種傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式卻存在著如下幾個(gè)問(wèn)題:

(1)傳統(tǒng)螺桿式啟閉機(jī)的機(jī)座安裝在鋼筋混凝土框架上或者安裝在鋼結(jié)構(gòu)龍門上，由于橫梁上所受承載力的限制，閘門的自重不能太重且跨度不能過(guò)大，因此只適用于中小型閘門.

(2)單臺(tái)啟閉機(jī)螺桿與閘門吊耳是孔銷連接，接觸面只有幾個(gè)小點(diǎn)再加上螺桿的長(zhǎng)度和中心的偏移等因素，造成重心不穩(wěn)，閘門在開啟、關(guān)閉運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生晃動(dòng).

(3)閘門兩邊的滑塊與滑槽之間及止水橡膠與門槽之間接觸面不同，兩邊摩擦系數(shù)和產(chǎn)生的摩擦力也不同，以及閘門兩端滑槽內(nèi)受雜物的影響等，都會(huì)影響到閘門運(yùn)行的穩(wěn)定性，使閘門產(chǎn)生一頭高一頭低的卡阻現(xiàn)象，重者造成銷子拉斷吊耳脫落以及螺桿頂彎等重大事故.

(4)受到流道影響，閘門在運(yùn)行時(shí)兩邊水推力和水流的流速不同，及水位高低偏差等，水流在不規(guī)則運(yùn)動(dòng)下對(duì)閘門產(chǎn)生沖擊，特別是上下游水位差較大時(shí)，閘門受到水流沖擊產(chǎn)生強(qiáng)力振動(dòng)，并且與螺桿和啟閉機(jī)的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生共振，造成閘門和閘槽損壞等事故.

(5)啟閉機(jī)承重框架和啟閉機(jī)螺桿超長(zhǎng)，螺桿的上部分因日曬雨淋無(wú)法保養(yǎng)生銹及腐蝕嚴(yán)重，造成螺桿損壞.如上塘河的施家橋閘門寬4 300 mm，高3 500 mm，用一臺(tái)20 t螺桿式啟閉機(jī)開閉閘門，已存在此類問(wèn)題.

2 雙臺(tái)滾珠螺桿式啟閉機(jī)的特點(diǎn)

關(guān)于如何利用螺桿式啟閉機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又能避免螺桿式啟閉機(jī)的不利因素的問(wèn)題，筆者在改造與實(shí)踐過(guò)程中總結(jié)了以下幾個(gè)方面的經(jīng)驗(yàn):

采用雙臺(tái)滾珠螺桿式啟閉機(jī).在閘槽兩邊，標(biāo)高與閘門上沿齊平處留有一個(gè)安裝平臺(tái)，分別安裝兩臺(tái)10 t滾珠螺桿式啟閉機(jī)，并且兩臺(tái)啟閉機(jī)用同步桿連接，蝸輪蝸桿達(dá)到同步旋轉(zhuǎn)，使?jié)L珠螺母上下保持一致，見圖1;也可以在兩根滾珠螺桿上端的中間位置安裝一臺(tái)減速機(jī)，利用同步鏈傳動(dòng)保持滾珠螺母上下一致，見圖2.螺桿下部分安裝軸承座用螺栓固定，底端與壓力傳感器接觸.螺紋部分裝入承重雙滾珠螺母(雙滾珠螺母增加動(dòng)態(tài)荷載)，滾珠螺母外部定制一只鋼套，鋼套兩邊分別焊接兩只耳朵，耳朵中間開兩個(gè)Φ50孔，用銷子與閘門連接件連接，鋼套下端連接自鎖裝置(防止閘門停止因自重而下滑)，螺桿的上部也由軸承座固定，使螺桿保持垂直，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，見圖 3.［3］

螺桿的螺紋部分作為閘門啟閉的最大行程，由承重雙滾珠螺母做上下垂直運(yùn)動(dòng)，并且連接閘門兩端，由此帶動(dòng)閘門平穩(wěn)開啟或者關(guān)閉.雙臺(tái)滾珠螺桿主要在機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模式上有兩個(gè)改變.(1)將傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)承重螺母旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)變成螺桿做軸向直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)把螺母的轉(zhuǎn)矩變成啟閉閘門的啟閉力，改為啟閉機(jī)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)使螺母做軸向直線運(yùn)動(dòng);(2)采用卓越湯姆森滾珠螺桿取代傳統(tǒng)的艾克姆螺桿，使螺桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠滾動(dòng)使得承重滾珠螺母做軸向直線運(yùn)動(dòng)，再由承重滾珠螺母連接閘門做上下運(yùn)動(dòng)，從而起到開啟或者關(guān)閉閘門的作用.

3 改造后區(qū)別

3.1 改造后區(qū)別一

(1)仍然保持現(xiàn)有螺桿式啟閉機(jī)特點(diǎn)，機(jī)體體積小，占地面積小;又增加類似減速機(jī)機(jī)型的選用范圍，只要扭矩相當(dāng)，安裝方便，結(jié)構(gòu)合理;其選擇的機(jī)型更為廣泛.

(2)滾珠螺桿取代滑動(dòng)螺桿:

①滾珠螺桿是螺桿、螺母和滾珠組成，見圖4.它的功能是將旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，是一種低摩擦、效率高的傳動(dòng)結(jié)構(gòu).滾動(dòng)體在螺紋工作面間實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)，滾動(dòng)體通常為滾珠.由于滾珠螺桿軸及螺母均是點(diǎn)接觸之輪動(dòng)運(yùn)動(dòng)，它的機(jī)構(gòu)效率(η=0.92～0.96)比滑動(dòng)螺桿的效率(η=0.2～0.4)高3～4倍，其傳動(dòng)扭矩也小很多只有傳統(tǒng)滑動(dòng)螺桿的1/3，大大降低摩擦損耗.所以滾珠螺桿的機(jī)械效率遠(yuǎn)高于滑動(dòng)螺桿，大大降低了能耗，為節(jié)能減排做貢獻(xiàn).［4］

②是精度高傳動(dòng)平穩(wěn)，可消除軸向間隙，提高軸向剛度，磨損小，使用壽命長(zhǎng)等.

③是動(dòng)態(tài)載荷和靜態(tài)載荷增大以及工作行程增加，如德國(guó)布里斯(BLIS)公司生產(chǎn)滾珠螺桿的最大Φ200 mm，螺紋長(zhǎng)度18 m，滾珠Φ30 mm，動(dòng)荷載3 000 kN;(目前國(guó)內(nèi)最大的滾動(dòng)螺桿有Φ160 mm×32 mm×16 000 mm，動(dòng)荷載Ca1 920 kN);可我們閘門運(yùn)行速度比較慢每分鐘在200 mm左右，螺桿的轉(zhuǎn)速＜10 r/min，接近滾珠螺桿的靜載荷狀態(tài)，即又增加一倍以上的有效載荷.

④雙臺(tái)啟閉機(jī)同步性能好，并且能克服摩擦力二邊不均等、閘門在開啟或者關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生左右搖擺，同時(shí)也擺脫了一頭高另一頭低不平衡卡死現(xiàn)象，以及在滑槽中受到雜物等影響;同樣在水位差很大的情況下，閘門運(yùn)行時(shí)受到水流沖擊閘門的晃動(dòng)和震動(dòng)也大大減小，更加確保閘門開啟﹑關(guān)閉時(shí)的安全可靠，增加設(shè)備使用壽命.

圖4 滾珠螺桿

通過(guò)這樣的改變，其承載力也大大增加，增幅達(dá)到2～4倍以上，工作行程達(dá)到了2倍以上;也解決了傳統(tǒng)的啟閉機(jī)啟閉容量小工作行程短(最大啟閉力750 kN，閉門力達(dá)400 kN，其工作行程8 m)等問(wèn)題.采用雙啟閉機(jī)，也不會(huì)受到橫梁承載力的制約和跨度的限制.能用于大跨度中大型平板閘門上;使螺桿式啟閉機(jī)使用范圍更加廣泛，又有了新的發(fā)展前景.

3.2 改造后區(qū)別二

通過(guò)這樣的改變，還可以增加控制和保護(hù)裝置.在自動(dòng)化控制方面:電氣控制采用可編程控制器PLC或者用DCS控制系統(tǒng);由測(cè)速傳感器和液位傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算，確定開閉高度.在保護(hù)裝置上，可從壓力上保護(hù)，在螺桿上下兩端分別安裝四只ELC-1型稱重傳感器，閘門開啟時(shí)底部?jī)芍环Q重傳感器受力，當(dāng)啟門力大于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)開閉電源停止運(yùn)行;同樣當(dāng)閘門開閉時(shí)上面兩只稱重傳感器受力，起到保護(hù)作用.也可以是限位保護(hù)，用四只限位開關(guān)對(duì)行程起雙重保護(hù)作用，還可以是電流過(guò)載保護(hù)以及繼電器保護(hù).由于采用多重保護(hù)，不會(huì)對(duì)閘門、啟閉機(jī)、螺桿以及建筑物造成損壞，杜絕事故發(fā)生，無(wú)后顧之憂，做到安全運(yùn)行有保障.

4 結(jié)語(yǔ)

最后在設(shè)計(jì)工藝上要注意的幾點(diǎn)事項(xiàng):(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料的材質(zhì)上，滾珠螺桿選擇時(shí)要考慮撓度和抗彎曲度以及扭矩，材料需要作調(diào)質(zhì)滑槽表面需要熱處理，螺桿直徑選擇列位偏粗一點(diǎn)，導(dǎo)程(螺距)最好是滾珠直徑的1.5～2倍之間［5］;承重滾珠螺母要考慮到重荷載等因素最好選擇雙滾動(dòng)螺母或者重荷載螺母(比如臺(tái)灣上銀CoolTypell滾珠絲杠螺母);(2)幾個(gè)連接部分，如減速機(jī)與螺桿連接部分，減速機(jī)根據(jù)閘門啟門力和閉門力確定扭矩的大小選擇啟閉機(jī)或者減速機(jī)，與螺桿連接部分，要選擇傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(比如鏈輪和鏈條)，安裝維修方便;承重螺母與閘門的連接結(jié)構(gòu)要考慮承重螺母四周受力平均，保持螺桿兩側(cè)受力相等.最后如應(yīng)用于大于閘門時(shí)，可考慮安裝滑輪，閘槽上安裝滑軌，將大大減小水推力的摩擦系數(shù)，同時(shí)也可以減小電機(jī)的功力.

［1］中華人民共和國(guó)水利部，中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部.東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.SL 74-95水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1998.

［2］劉細(xì)龍，陳福榮.閘門與啟閉設(shè)備［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2003.

［3］羅繼偉，羅天宇.滾動(dòng)軸承分析計(jì)算與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手［M］.5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［5］王中正.水工鋼結(jié)構(gòu)［M］.鄭州:黃河水利出版社，2010.