高揚程小吊點距卷揚式啟閉機方案優(yōu)化設計

馬山玉 侯燕

摘 要：通過列舉對比卷揚式啟閉機設計方案，分析比較優(yōu)選出技術可行、經(jīng)濟合理的卷揚式啟閉機布置形式，探討高揚程小吊點距卷揚啟閉機優(yōu)化設計方法。

關鍵詞：卷揚式啟閉機；高揚程；雙吊點；折線卷筒；設計方法

1 啟閉機設計概況

某小型水庫以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪和小水電，右岸壩肩設有灌溉輸水洞，洞口設工作閘門和檢修閘門，閘門孔口尺寸（寬×高）1.6×2.0m，設計水頭26m。該水庫興建于1975年，閘門為無門槽側(cè)止水混凝土平板鋼閘門。閘門雖多次更換止水橡皮，仍漏水嚴重，原卷揚啟閉機為單倍率螺旋卷筒，鋼絲繩也不滿足5倍安全系數(shù)，同時達到報廢年限，需要對該水閘進行出險加固，更新更換閘門及啟閉設備。根據(jù)除險加固方案，增設閘門門槽，更換混凝土閘門為潛孔式前止水平板鋼閘門，更換卷揚式啟閉機，啟閉室僅重做內(nèi)部裝飾。原啟閉機室樓板開設有兩個1.0×0.6m吊點孔，吊點距為1.62m。因此，更新平板閘門必須為雙吊點，將吊耳設置在平板閘門邊梁上，最大吊點距為1.5m，啟門力為2×160kN。該工程啟門力雖然不大，卷揚式啟閉機設計難點在于雙吊點的吊點距僅為1.5m，且需要與原有的啟閉機層樓板吊點孔口相匹配。為滿足更新啟閉機布置，啟閉室樓板上兩個的吊點孔口可根據(jù)需要分別向中部擴大約150mm。

2 啟閉機方案比較

該工作閘門卷揚式啟閉機的額定啟閉力為2×160kN，揚程為30m，工作級別為Q2-輕，單側(cè)繞繩段卷筒長度不大于1.1m。在滿足啟閉機設計規(guī)范要求、起升機構(gòu)布置和安全運行的前提下，力求使啟閉機技術先進、結(jié)構(gòu)合理、整機重量輕、加工制造成本經(jīng)濟。

對于高揚程卷揚式啟閉機，主要型式有：減少動滑輪倍率，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設計規(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)決定卷筒的長度。無論采用何種形式，滑輪倍率、鋼絲繩直徑、卷筒直徑和繞繩層數(shù)都是啟閉機起升機構(gòu)優(yōu)化的關鍵參數(shù)。

2.1 起升機構(gòu)可行方案

該工程啟閉機額定啟門力較小，起升機構(gòu)設計時，動滑輪的倍率可選擇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)組合出四種起升機構(gòu)布置方案，各種方案控制繞繩段卷筒長度不大于1.1m，繩槽布置及卷筒布置滿足規(guī)范要求，繩尾最小安全圈數(shù)為3圈，單層繞繩時從兩側(cè)向吊點中部繞繩，壓板圈數(shù)不計入有效繞繩段卷筒長度，雙層繞繩時從中部向兩側(cè)繞繩，并經(jīng)過計算各方案參數(shù)如表1：

2.2 驅(qū)動方案選擇

對于啟門力小于2×400kN的卷揚式啟閉機，一般采用集中驅(qū)動形式。集中驅(qū)動僅設一臺電機和一臺減速器，集中驅(qū)動重量輕、經(jīng)濟指標較好。分別驅(qū)動采用兩臺電機和減速機，分別驅(qū)動具有容易布置、安裝和維修方便，結(jié)構(gòu)變形對驅(qū)動裝置影響小的優(yōu)點。

2.3 減速方案比選

卷揚式啟閉機常用的減速傳動方案有閉式傳動和開式傳動。閉式傳動卷揚式啟閉機主要由機架、電機、制動器、減速器、卷筒、軸承座、鋼絲繩、滑輪組等零部件組成，電機驅(qū)動力矩通過減速機的高速軸輸入后，經(jīng)減速機減速后從低速軸輸出驅(qū)動卷筒。與閉式傳動相比，開式齒輪傳動卷揚機的減速器與卷筒之間多了一對嚙合齒輪幅，減速機的輸出軸帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，小齒輪帶動與卷筒相連的大齒輪轉(zhuǎn)動。開式傳動雖然多一對齒輪幅，但開式傳動卷揚機的減速機規(guī)格相對較小。

隨著設計和制造技術的提高，一種新型CHC系列少齒差減速器在礦山和水利工程廣泛應用。該減速機從高速部分輸入、分流、減速到低速多齒同時嚙合部分，功率合成輸出，從而達到大速比、大扭矩輸出的目的。同時采用少齒差減速器可取消開式齒輪，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕的優(yōu)點，本項目優(yōu)先選擇該新技術減速機產(chǎn)品，初步擬定采用閉式傳動。通過計算卷筒轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)速和輸入輸出功率，各方案減速機及電機如下表2：

2.4 可行方案比選

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

以技術方案可行，經(jīng)濟合理的原則進行方案比選。技術方面，減速機和卷筒布置需要滿足吊點距要求，同時需要兼顧整機重量較小的要求。通過綜合對比表三各項參數(shù)，主要結(jié)論為：方案一和方案三為單層繞繩方案，無論是集中驅(qū)動還是分別驅(qū)動，卷筒和減速機的重量都比較大，經(jīng)濟性較差，首先排除。方案二和方案四為雙層繞繩方案，方案二無論是集中驅(qū)動還是分別驅(qū)動，吊點均能滿足要求，但不如方案四經(jīng)濟，并且方案二動滑輪倍率為1，鋼絲繩一端固定在機架，另一端固定在卷筒，動滑輪隨著卷筒側(cè)鋼絲繩的移動而相對轉(zhuǎn)動，容易引起閘門震動，不利于閘門平穩(wěn)啟閉。方案四雙層繞繩、動滑輪倍率為2，是比較經(jīng)濟的方案。分別驅(qū)動雖然需要兩臺電機、兩臺制動器、兩臺減速器，重量與集中驅(qū)動相差不大，且能滿足吊點距要求，應該是最經(jīng)濟方案。方案四集中驅(qū)動不滿足吊點距要求，雖然可通過優(yōu)化卷筒直徑解決，但優(yōu)化后的方案設備自重將介于方案二集中驅(qū)動與方案四集中驅(qū)動之間，設備自重與方案四分別驅(qū)動相當，且一臺電機不能形成對稱布置，不如分別驅(qū)動美觀，因此選用方案四的分別驅(qū)動方案。

3 啟閉機方案優(yōu)化設計

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，因此鋼絲繩的兩個端頭應固定在卷筒中部，鋼絲繩從卷筒的中部向兩側(cè)繞繩，第一層繞滿達到卷筒兩側(cè)端部后通過返回凸緣纏繞第二層，返回到中部時達到全關極限位置，這樣既能保證鋼絲繩在全開和全關狀態(tài)下的鋼絲繩最大偏角，還可以采用較為簡潔和方便的壓板法固定鋼絲繩尾。在卷筒中部預留一個繩槽鉆壓板螺栓孔，通過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數(shù)來決定，適當增加安全圈數(shù)、壓板和螺栓數(shù)量即可滿足繩尾固定所需要的摩擦力。壓板法固定繩尾，僅需占用一個繩槽，相關規(guī)范要求安全圈數(shù)不少于2圈，按3圈設計。

3.2 卷筒優(yōu)化設計

高揚程卷揚式啟閉機常用自由雙層纏繞、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單，但第二鋼絲繩在繞繩時很容易壓入第一層，存在排繩不整齊和磨損鋼絲繩等問題。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，繞繩時鋼絲繩僅折彎兩次，且返回凸緣和整個卷筒更容易加工。

本項目卷揚式啟閉機優(yōu)選單折線繩槽卷筒，卷筒端部折線處設置漸變返回凸緣。卷筒直徑越小，所需要的啟門扭矩也約小。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，折線對應圓周角取900。繩槽中心距取1.06倍鋼絲繩直徑為21.2，取整為21mm。卷揚式啟閉機揚程為30m，雙雙聯(lián)滑輪組，除第一層固定圈和安全圈共9圈外，單個卷筒左右兩側(cè)都應再卷繞60m鋼絲繩。經(jīng)過計算，單側(cè)卷筒上左右兩側(cè)分別設26個繩槽，中部螺栓孔占一個繩槽，固定圈和安全圈共占用4個繩槽，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1134mm，卷筒總長為1214mm。

3.3 卷揚式啟閉機布置

本項目2×160kN卷揚式啟閉機吊點距為1.5m，單側(cè)卷筒總長1214mm，兩卷筒中部剩余距離為286mm，距離較小，因此將兩側(cè)的卷筒合并成一個整體，鋼絲繩纏繞前通過預拉處理后按設計長度截取成等長的兩段，分別繞在箭筒的兩側(cè)，并且在動滑輪與閘門連接吊軸處設高度調(diào)節(jié)裝置，保證兩吊點等高。減速機布置在兩卷筒的外側(cè)，減速機低速軸通過WZL型卷筒聯(lián)軸器分別與卷筒外側(cè)連接，此種布置沒有軸承支座、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

工程應用中對于寬高比不大于1的閘門一般采用單吊點，常用的雙吊點卷揚啟閉機的最小吊點距約為1.8m，也制約了小孔口閘門采用雙吊點的布置型式。雙吊點閘門在啟閉過程中不會因為閘門左右兩側(cè)的自重、止水摩阻力、支撐摩阻力不同而導致閘門在豎直平面內(nèi)傾斜或晃動，比單吊點啟閉平穩(wěn)可靠。通過方案比選和經(jīng)濟分析，按本文優(yōu)化布置方法可設計出吊點距為1.25m、揚程為30m的2×160kN卷揚式啟閉機，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、減速機、制動器和卷筒聯(lián)軸器等零部件，可設計出大容量的高揚程卷揚式啟閉機，方法相反時則可設計出小容量的雙吊點高揚程卷揚式啟閉機。這種優(yōu)化后的雙吊點卷揚式啟閉機不僅技術可行、結(jié)構(gòu)合理、整機重量輕、加工制造成本經(jīng)濟，還采用了：一組壓板壓鋼絲繩兩個端頭、單折線繩槽返回凸緣卷筒結(jié)構(gòu)、WZL卷筒聯(lián)軸器、CHC閉式傳動減速機等先進技術，值得在小孔口雙吊點高揚程閘門上推廣應用。

參考文獻

[1]DL/T5167-2002水利水電工程啟閉機設計規(guī)范[S].

[2]GB/T3811-2008.起重機設計規(guī)范[S].

[3]胡水根，利 歌.折線繩槽卷筒 [J]，《起重運輸機械》2001（01）：12-14.

[4]夏蘋.WZL型卷筒聯(lián)軸器在卷揚機構(gòu)中的合理應用[J]，《寧夏機械》2002（04）：17-22.

[5]張義益.淺析壓板法鋼絲繩尾端固定[J]，《科技創(chuàng)新與應用》2012（06）：80.

作者簡介：馬山玉（1982.4-），男，漢，工程師，學士學位，主要從事水利水電金屬結(jié)構(gòu)及機電設備設計研究，河南省水利勘測設計研究有限公司，鄭州，450016。