高揚(yáng)程小吊點(diǎn)距卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬山玉 侯燕

摘 要：通過(guò)列舉對(duì)比卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)設(shè)計(jì)方案，分析比較優(yōu)選出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)布置形式，探討高揚(yáng)程小吊點(diǎn)距卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)；高揚(yáng)程；雙吊點(diǎn)；折線卷筒；設(shè)計(jì)方法

1 啟閉機(jī)設(shè)計(jì)概況

某小型水庫(kù)以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪和小水電，右岸壩肩設(shè)有灌溉輸水洞，洞口設(shè)工作閘門(mén)和檢修閘門(mén)，閘門(mén)孔口尺寸（寬×高）1.6×2.0m，設(shè)計(jì)水頭26m。該水庫(kù)興建于1975年，閘門(mén)為無(wú)門(mén)槽側(cè)止水混凝土平板鋼閘門(mén)。閘門(mén)雖多次更換止水橡皮，仍漏水嚴(yán)重，原卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)為單倍率螺旋卷筒，鋼絲繩也不滿(mǎn)足5倍安全系數(shù)，同時(shí)達(dá)到報(bào)廢年限，需要對(duì)該水閘進(jìn)行出險(xiǎn)加固，更新更換閘門(mén)及啟閉設(shè)備。根據(jù)除險(xiǎn)加固方案，增設(shè)閘門(mén)門(mén)槽，更換混凝土閘門(mén)為潛孔式前止水平板鋼閘門(mén)，更換卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，啟閉室僅重做內(nèi)部裝飾。原啟閉機(jī)室樓板開(kāi)設(shè)有兩個(gè)1.0×0.6m吊點(diǎn)孔，吊點(diǎn)距為1.62m。因此，更新平板閘門(mén)必須為雙吊點(diǎn)，將吊耳設(shè)置在平板閘門(mén)邊梁上，最大吊點(diǎn)距為1.5m，啟門(mén)力為2×160kN。該工程啟門(mén)力雖然不大，卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于雙吊點(diǎn)的吊點(diǎn)距僅為1.5m，且需要與原有的啟閉機(jī)層樓板吊點(diǎn)孔口相匹配。為滿(mǎn)足更新啟閉機(jī)布置，啟閉室樓板上兩個(gè)的吊點(diǎn)孔口可根據(jù)需要分別向中部擴(kuò)大約150mm。

2 啟閉機(jī)方案比較

該工作閘門(mén)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)的額定啟閉力為2×160kN，揚(yáng)程為30m，工作級(jí)別為Q2-輕，單側(cè)繞繩段卷筒長(zhǎng)度不大于1.1m。在滿(mǎn)足啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范要求、起升機(jī)構(gòu)布置和安全運(yùn)行的前提下，力求使啟閉機(jī)技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)合理、整機(jī)重量輕、加工制造成本經(jīng)濟(jì)。

對(duì)于高揚(yáng)程卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，主要型式有：減少動(dòng)滑輪倍率，帶排繩裝置的多層卷繞，自由雙層卷繞，雙雙聯(lián)滑輪組雙層卷繞，折線繩槽卷筒的多層卷繞等。按《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》鋼絲最小安全系數(shù)取5.0倍，卷筒和滑輪最小直徑為鋼絲繩直徑的20倍。因此動(dòng)滑輪的倍率決定了鋼絲繩的直徑，鋼絲繩的直徑?jīng)Q定卷筒和滑輪的直徑，卷筒的直徑和繞繩層數(shù)決定卷筒的長(zhǎng)度。無(wú)論采用何種形式，滑輪倍率、鋼絲繩直徑、卷筒直徑和繞繩層數(shù)都是啟閉機(jī)起升機(jī)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)。

2.1 起升機(jī)構(gòu)可行方案

該工程啟閉機(jī)額定啟門(mén)力較小，起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，動(dòng)滑輪的倍率可選擇1倍和2倍兩種方案，卷筒可選單層螺旋繩槽和兩層折線繩槽兩種方案，將滑輪倍率和卷筒繞繩層數(shù)組合出四種起升機(jī)構(gòu)布置方案，各種方案控制繞繩段卷筒長(zhǎng)度不大于1.1m，繩槽布置及卷筒布置滿(mǎn)足規(guī)范要求，繩尾最小安全圈數(shù)為3圈，單層繞繩時(shí)從兩側(cè)向吊點(diǎn)中部繞繩，壓板圈數(shù)不計(jì)入有效繞繩段卷筒長(zhǎng)度，雙層繞繩時(shí)從中部向兩側(cè)繞繩，并經(jīng)過(guò)計(jì)算各方案參數(shù)如表1：

2.2 驅(qū)動(dòng)方案選擇

對(duì)于啟門(mén)力小于2×400kN的卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，一般采用集中驅(qū)動(dòng)形式。集中驅(qū)動(dòng)僅設(shè)一臺(tái)電機(jī)和一臺(tái)減速器，集中驅(qū)動(dòng)重量輕、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。分別驅(qū)動(dòng)采用兩臺(tái)電機(jī)和減速機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)具有容易布置、安裝和維修方便，結(jié)構(gòu)變形對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置影響小的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 減速方案比選

卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)常用的減速傳動(dòng)方案有閉式傳動(dòng)和開(kāi)式傳動(dòng)。閉式傳動(dòng)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)主要由機(jī)架、電機(jī)、制動(dòng)器、減速器、卷筒、軸承座、鋼絲繩、滑輪組等零部件組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩通過(guò)減速機(jī)的高速軸輸入后，經(jīng)減速機(jī)減速后從低速軸輸出驅(qū)動(dòng)卷筒。與閉式傳動(dòng)相比，開(kāi)式齒輪傳動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)的減速器與卷筒之間多了一對(duì)嚙合齒輪幅，減速機(jī)的輸出軸帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)與卷筒相連的大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。開(kāi)式傳動(dòng)雖然多一對(duì)齒輪幅，但開(kāi)式傳動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)的減速機(jī)規(guī)格相對(duì)較小。

隨著設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的提高，一種新型CHC系列少齒差減速器在礦山和水利工程廣泛應(yīng)用。該減速機(jī)從高速部分輸入、分流、減速到低速多齒同時(shí)嚙合部分，功率合成輸出，從而達(dá)到大速比、大扭矩輸出的目的。同時(shí)采用少齒差減速器可取消開(kāi)式齒輪，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，本項(xiàng)目?jī)?yōu)先選擇該新技術(shù)減速機(jī)產(chǎn)品，初步擬定采用閉式傳動(dòng)。通過(guò)計(jì)算卷筒轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入輸出功率，各方案減速機(jī)及電機(jī)如下表2：

2.4 可行方案比選

各方案的機(jī)架、制動(dòng)器、軸承座、鋼絲繩和滑輪組等所占經(jīng)濟(jì)比重較小，并且各種方案相差不大。電機(jī)、減速器和卷筒在整機(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)所占比重較大，因此將電機(jī)、減速器和卷筒作為經(jīng)濟(jì)比選的參數(shù)，各種方案的主要參數(shù)如表3。

以技術(shù)方案可行，經(jīng)濟(jì)合理的原則進(jìn)行方案比選。技術(shù)方面，減速機(jī)和卷筒布置需要滿(mǎn)足吊點(diǎn)距要求，同時(shí)需要兼顧整機(jī)重量較小的要求。通過(guò)綜合對(duì)比表三各項(xiàng)參數(shù)，主要結(jié)論為：方案一和方案三為單層繞繩方案，無(wú)論是集中驅(qū)動(dòng)還是分別驅(qū)動(dòng)，卷筒和減速機(jī)的重量都比較大，經(jīng)濟(jì)性較差，首先排除。方案二和方案四為雙層繞繩方案，方案二無(wú)論是集中驅(qū)動(dòng)還是分別驅(qū)動(dòng)，吊點(diǎn)均能滿(mǎn)足要求，但不如方案四經(jīng)濟(jì)，并且方案二動(dòng)滑輪倍率為1，鋼絲繩一端固定在機(jī)架，另一端固定在卷筒，動(dòng)滑輪隨著卷筒側(cè)鋼絲繩的移動(dòng)而相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，容易引起閘門(mén)震動(dòng)，不利于閘門(mén)平穩(wěn)啟閉。方案四雙層繞繩、動(dòng)滑輪倍率為2，是比較經(jīng)濟(jì)的方案。分別驅(qū)動(dòng)雖然需要兩臺(tái)電機(jī)、兩臺(tái)制動(dòng)器、兩臺(tái)減速器，重量與集中驅(qū)動(dòng)相差不大，且能滿(mǎn)足吊點(diǎn)距要求，應(yīng)該是最經(jīng)濟(jì)方案。方案四集中驅(qū)動(dòng)不滿(mǎn)足吊點(diǎn)距要求，雖然可通過(guò)優(yōu)化卷筒直徑解決，但優(yōu)化后的方案設(shè)備自重將介于方案二集中驅(qū)動(dòng)與方案四集中驅(qū)動(dòng)之間，設(shè)備自重與方案四分別驅(qū)動(dòng)相當(dāng)，且一臺(tái)電機(jī)不能形成對(duì)稱(chēng)布置，不如分別驅(qū)動(dòng)美觀，因此選用方案四的分別驅(qū)動(dòng)方案。

3 啟閉機(jī)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 鋼絲繩尾固定形式優(yōu)化

鋼絲繩尾與卷筒連接主要有壓板式和楔塊式兩種方式，多層繞繩的卷筒多采用楔塊式，壓板式常用于單層繞繩。優(yōu)選方案為2倍率動(dòng)滑輪組雙聯(lián)，鋼絲繩在卷筒上雙層纏繞，因此鋼絲繩的兩個(gè)端頭應(yīng)固定在卷筒中部，鋼絲繩從卷筒的中部向兩側(cè)繞繩，第一層繞滿(mǎn)達(dá)到卷筒兩側(cè)端部后通過(guò)返回凸緣纏繞第二層，返回到中部時(shí)達(dá)到全關(guān)極限位置，這樣既能保證鋼絲繩在全開(kāi)和全關(guān)狀態(tài)下的鋼絲繩最大偏角，還可以采用較為簡(jiǎn)潔和方便的壓板法固定鋼絲繩尾。在卷筒中部預(yù)留一個(gè)繩槽鉆壓板螺栓孔，通過(guò)一組壓板分別壓住左右兩側(cè)的鋼絲繩尾端。鋼絲繩在卷筒尾端的固定其主要是由鋼絲繩的安全圈數(shù)和壓板固定螺栓的個(gè)數(shù)來(lái)決定，適當(dāng)增加安全圈數(shù)、壓板和螺栓數(shù)量即可滿(mǎn)足繩尾固定所需要的摩擦力。壓板法固定繩尾，僅需占用一個(gè)繩槽，相關(guān)規(guī)范要求安全圈數(shù)不少于2圈，按3圈設(shè)計(jì)。

3.2 卷筒優(yōu)化設(shè)計(jì)

高揚(yáng)程卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)常用自由雙層纏繞、雙折線纏繞和單折線纏繞等多種方式。自由繞繩卷筒加工最為簡(jiǎn)單，但第二鋼絲繩在繞繩時(shí)很容易壓入第一層，存在排繩不整齊和磨損鋼絲繩等問(wèn)題。雙折線繩槽在一圈內(nèi)由兩段直線和兩段折線構(gòu)成，鋼絲繩在纏繞時(shí)需要折彎四次。單折線繩槽為雙折線繩槽的變式，分別將兩段折線合為一段折線，將兩段直線合為一段直線，繞繩時(shí)鋼絲繩僅折彎兩次，且返回凸緣和整個(gè)卷筒更容易加工。

本項(xiàng)目卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)優(yōu)選單折線繩槽卷筒，卷筒端部折線處設(shè)置漸變返回凸緣。卷筒直徑越小，所需要的啟門(mén)扭矩也約小。根據(jù)規(guī)范卷筒直徑最小為鋼絲繩直徑的20倍，取卷筒直徑為400mm。卷筒直徑與鋼絲繩直徑比值介于20～35之間，折線對(duì)應(yīng)圓周角取900。繩槽中心距取1.06倍鋼絲繩直徑為21.2，取整為21mm。卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)揚(yáng)程為30m，雙雙聯(lián)滑輪組，除第一層固定圈和安全圈共9圈外，單個(gè)卷筒左右兩側(cè)都應(yīng)再卷繞60m鋼絲繩。經(jīng)過(guò)計(jì)算，單側(cè)卷筒上左右兩側(cè)分別設(shè)26個(gè)繩槽，中部螺栓孔占一個(gè)繩槽，固定圈和安全圈共占用4個(gè)繩槽，第一層有效繞繩22圈，第二層有效繞繩25圈，共可有效繞繩61.7m。卷筒兩側(cè)返回凸緣分別為10.5mm，連接法蘭為40mm，繞繩段卷筒長(zhǎng)1134mm，卷筒總長(zhǎng)為1214mm。

3.3 卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)布置

本項(xiàng)目2×160kN卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)吊點(diǎn)距為1.5m，單側(cè)卷筒總長(zhǎng)1214mm，兩卷筒中部剩余距離為286mm，距離較小，因此將兩側(cè)的卷筒合并成一個(gè)整體，鋼絲繩纏繞前通過(guò)預(yù)拉處理后按設(shè)計(jì)長(zhǎng)度截取成等長(zhǎng)的兩段，分別繞在箭筒的兩側(cè)，并且在動(dòng)滑輪與閘門(mén)連接吊軸處設(shè)高度調(diào)節(jié)裝置，保證兩吊點(diǎn)等高。減速機(jī)布置在兩卷筒的外側(cè)，減速機(jī)低速軸通過(guò)WZL型卷筒聯(lián)軸器分別與卷筒外側(cè)連接，此種布置沒(méi)有軸承支座、通軸等零部件，為較合理的布置型式，布置圖如圖1。

4 結(jié)束語(yǔ)

工程應(yīng)用中對(duì)于寬高比不大于1的閘門(mén)一般采用單吊點(diǎn)，常用的雙吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)的最小吊點(diǎn)距約為1.8m，也制約了小孔口閘門(mén)采用雙吊點(diǎn)的布置型式。雙吊點(diǎn)閘門(mén)在啟閉過(guò)程中不會(huì)因?yàn)殚l門(mén)左右兩側(cè)的自重、止水摩阻力、支撐摩阻力不同而導(dǎo)致閘門(mén)在豎直平面內(nèi)傾斜或晃動(dòng)，比單吊點(diǎn)啟閉平穩(wěn)可靠。通過(guò)方案比選和經(jīng)濟(jì)分析，按本文優(yōu)化布置方法可設(shè)計(jì)出吊點(diǎn)距為1.25m、揚(yáng)程為30m的2×160kN卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，亦可根據(jù)工程需要增大鋼絲繩和卷筒直徑，選擇大容量電機(jī)、減速機(jī)、制動(dòng)器和卷筒聯(lián)軸器等零部件，可設(shè)計(jì)出大容量的高揚(yáng)程卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，方法相反時(shí)則可設(shè)計(jì)出小容量的雙吊點(diǎn)高揚(yáng)程卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。這種優(yōu)化后的雙吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)不僅技術(shù)可行、結(jié)構(gòu)合理、整機(jī)重量輕、加工制造成本經(jīng)濟(jì)，還采用了：一組壓板壓鋼絲繩兩個(gè)端頭、單折線繩槽返回凸緣卷筒結(jié)構(gòu)、WZL卷筒聯(lián)軸器、CHC閉式傳動(dòng)減速機(jī)等先進(jìn)技術(shù)，值得在小孔口雙吊點(diǎn)高揚(yáng)程閘門(mén)上推廣應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：馬山玉（1982.4-），男，漢，工程師，學(xué)士學(xué)位，主要從事水利水電金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)研究，河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，鄭州，450016。