軸銷荷載保護(hù)在螺桿式啟閉機(jī)中的研究與應(yīng)用

官國(guó)焱

（福建省九龍江北溪管理局，福建 龍海 363107）

0 引言

福建省九龍江北溪水閘工程位于漳州市境內(nèi)，主要由南、北港各 2 座攔河閘，船閘，左干渠和中干渠組成。其主要任務(wù)是攔河蓄水，引水至漳州、龍海和廈門市等地，解決這些地區(qū)的農(nóng)田灌溉，并兼顧城鄉(xiāng)供水及下游地區(qū)防洪及航運(yùn)等。南、北港水閘和船閘為液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，左干渠隧洞進(jìn)出口為卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，中干渠進(jìn)水閘及左干渠沿線部分站點(diǎn)水閘為螺桿式啟閉機(jī)。

九龍江北溪水閘在自動(dòng)化控制系統(tǒng)改造后，南、北港水閘已實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集中控制，極大地提高了運(yùn)行管理水平和效率，減輕了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，左干渠引水改造工程二期后的各個(gè)站點(diǎn)也朝著無人值班少人值守的自動(dòng)化控制目標(biāo)實(shí)施。中干渠進(jìn)水閘閘門控制系統(tǒng)雖然也經(jīng)過了自動(dòng)化改造，但是由于沒有進(jìn)一步有效預(yù)防閘門頂閘事故保護(hù)措施，以致由于人為或非人為因素引發(fā)的頂閘或螺桿被頂彎等事故時(shí)有發(fā)生[1]。在啟閉機(jī)運(yùn)行過程中如果運(yùn)行人員操作不當(dāng)或監(jiān)管不到位，極易發(fā)生頂閘事故，導(dǎo)致螺桿壓彎、啟閉機(jī)端蓋被頂碎、啟閉機(jī)梁被頂斷，混凝土梁上緣開裂，嚴(yán)重時(shí)啟閉機(jī)臺(tái)發(fā)生移位、傾覆，甚至造成人員傷亡[2]。現(xiàn)場(chǎng)螺桿已被頂彎嚴(yán)重，發(fā)生塑性變形而無法恢復(fù)。同時(shí)，在運(yùn)行管理上也無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，必須要 2 個(gè)以上運(yùn)行人員到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行操作，以保障運(yùn)行的安全。因此，深入開展螺桿式啟閉機(jī)預(yù)防頂閘事故的研究保護(hù)，具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

1 軸銷荷載保護(hù)原理

1.1 螺桿式啟閉機(jī)預(yù)防頂閘事故現(xiàn)有主要措施

目前，螺桿式啟閉機(jī)預(yù)防頂閘事故的措施主要有：加大啟閉機(jī)連桿與閘門門葉的連接間隙；在電動(dòng)機(jī)與電機(jī)皮帶輪間加裝超載安全裝置[3]；在啟閉機(jī)與啟閉機(jī)臺(tái)安裝處加裝彈簧；利用直流電機(jī)的機(jī)電特性，加裝電流保護(hù)器[4]等。不過，這些措施或多或少都存在一些不足，自動(dòng)化程度不高，受使用環(huán)境影響較大，無法全面推廣使用。

北溪水閘中干渠進(jìn)水閘經(jīng)過綜合自動(dòng)化改造后，主要保護(hù)只有限位開關(guān)及 PLC 程序控制，通過閘位儀采集開度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行控制，遠(yuǎn)程集控和現(xiàn)地程控只能按設(shè)定開度運(yùn)行，啟門上行時(shí)可精準(zhǔn)運(yùn)行，但在閉門下行時(shí)卻無法判斷水下狀況，無法有效預(yù)防頂閘事故的發(fā)生。

1.2 軸銷荷載保護(hù)原理

軸銷荷載保護(hù)的思路來源于固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)的荷載保護(hù)，北溪引水左干渠改造二期進(jìn)水口和出水口的啟閉機(jī)均為固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，其保護(hù)中含有荷載保護(hù)一項(xiàng)。受此啟發(fā)，通過分析螺桿啟閉機(jī)在無閉門力的運(yùn)行過程中，螺桿與閘門吊點(diǎn)處軸銷的荷載受力情況可知，閘門在運(yùn)行過程中，軸銷受力隨阻力的變化而變化，具體公式如下：

式中：Fa為閘門啟門上行時(shí)螺桿軸銷處的拉力；Fb為閘門閉門下移時(shí)螺桿軸銷處的拉力；G為閘門自重；Ff為運(yùn)行過程中水壓及摩擦等的綜合阻力。

具體受力分析如圖1 所示。

圖1 閘門運(yùn)行時(shí)軸銷受力圖

在下行過程中，軸銷受到的拉力與阻力之和小于等于閘門自重，閘門堵卡時(shí)阻力增大，拉力減小，當(dāng)堵卡到一定程度，拉力值將減小到某一數(shù)值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作，切斷電源，從而達(dá)到保護(hù)目的。

2 軸銷荷載保護(hù)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

軸銷荷載保護(hù)實(shí)驗(yàn)方法為采用一臺(tái)軸銷式稱重傳感器代替原螺桿和閘門間的連接軸，并模擬螺桿啟閉機(jī)正常的啟閉運(yùn)行及頂閘狀況，通過實(shí)驗(yàn)儀表記錄軸銷的實(shí)時(shí)受力情況，最后分析數(shù)據(jù)，看是否符合保護(hù)原理。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

軸銷荷載保護(hù)實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備為 1 臺(tái)軸銷式稱重傳感器及監(jiān)測(cè)儀表。

2.2.1 軸銷式稱重傳感器

軸銷式稱重傳感器綜合了多種測(cè)力機(jī)構(gòu)，直接將軸上的力變送成 4～20 mA 或者其他多種工業(yè)信號(hào)，以適應(yīng)不同工況的需求，體積小巧，安裝方便。適用于港口和碼頭貨物的計(jì)量及啟閉機(jī)、起吊設(shè)備的安全檢測(cè)及保護(hù)。軸銷式稱重傳感器是 1 根承受剪力作用圓軸，應(yīng)變計(jì)嵌在中心孔內(nèi)凹槽中心，通過組橋測(cè)量方式，即 2 個(gè)凹槽處的應(yīng)變計(jì)共同組成 1 個(gè)惠斯通電橋，或分別組成惠斯通電橋再并聯(lián)進(jìn)行測(cè)量[5]，其具有以下特點(diǎn)：

1）彈性元件為整體圓軸，結(jié)構(gòu)緊湊，外形簡(jiǎn)單，可加工出各種尺寸和形位精度；

2）軸截面具有很強(qiáng)的抗彎曲、抗扭轉(zhuǎn)能力，并且軸銷中心軸處的應(yīng)力最大；

3）與相關(guān)承力部件安裝簡(jiǎn)便；

4）采用定制化生產(chǎn)，可根據(jù)不同客戶需求定制專屬方案。

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，定制了 1 個(gè)量程為100 kN 的軸銷式傳感器，材質(zhì)采用不銹鋼，具體技術(shù)參數(shù)如表 1 所示。

表1 技術(shù)參數(shù)表

在本實(shí)驗(yàn)中采用軸銷式稱重傳感器取代原軸銷，工裝如圖2 所示。

2.2.2 監(jiān)測(cè)儀表

檢測(cè)儀表采用 TY5D/A 數(shù)字式智能儀表，它與各類模擬量輸出的傳感器、變送器配合，完成壓力、溫度、液位、流量及力和位移等物理量的測(cè)量，變換，顯示，傳送，記錄和控制。它具有以下特點(diǎn)：

1）誤差小于 0.05%F·S，同時(shí)具備調(diào)校、數(shù)字濾波等功能，可有效減小傳感器、變送器的誤差，提高系統(tǒng)的測(cè)量和控制精度；

2）適用范圍廣，可用于電壓、電流、熱電阻、熱電偶、電位器等信號(hào)類型；

圖2 軸銷式稱重傳感器工裝圖

3）具有 2 路報(bào)警輸出，以及 2 種報(bào)警方式；

4）高速、高效的網(wǎng)絡(luò)化通信接口，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與儀表間完全的數(shù)據(jù)傳送和控制。

本實(shí)驗(yàn)主要利用該儀表完成軸承式稱重傳感器的受力信號(hào)的測(cè)量、顯示、傳送、記錄和控制功能。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過監(jiān)測(cè)儀表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)螺桿式啟閉機(jī)啟、閉門運(yùn)行過程及模擬發(fā)生頂閘事故時(shí)的受力情況，得到軸銷受力曲線如圖3 所示。

圖3 軸銷受力曲線圖

圖3 中 ab 段為閘門從全關(guān)狀態(tài)啟門上升到設(shè)定開度階段，bc 段為閉門下降到全關(guān)位階段，cd 段為模擬頂閘事故受力情況。

本實(shí)驗(yàn)中，鋼閘門自重 5 t，從曲線分析可知，軸銷受力完全符合受力公式（1）和（2），證明了此保護(hù)原理是正確可行的。

同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，該軸銷式稱重傳感器受力具有方向性，這使其應(yīng)用范圍更為廣泛，不僅可應(yīng)用于無閉門力的運(yùn)行工況，也可以應(yīng)用于有閉門力的運(yùn)行工況，保護(hù)中只需設(shè)定相應(yīng)的保護(hù)值即可。

3 保護(hù)應(yīng)用及安全性

3.1 保護(hù)應(yīng)用

福建省九龍江北溪水閘中干渠進(jìn)水閘于 2013 年對(duì)螺桿式啟閉機(jī)進(jìn)行了改造，在加大螺桿與閘門門葉間隙的同時(shí)，采用了軸銷式稱重傳感器替代原螺桿軸銷，應(yīng)用軸銷荷載保護(hù)作為預(yù)防螺桿式啟閉機(jī)頂閘事故發(fā)生的主要保護(hù)措施，利用軸銷式承重傳感器和監(jiān)測(cè)儀表進(jìn)行實(shí)時(shí)受力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并將其報(bào)警輸出繼電器接入啟閉機(jī)啟、閉門控制回路。

根據(jù)正常運(yùn)行時(shí)軸銷的受力情況，設(shè)定相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作值。在啟門上升階段，如果閘門門槽有異物卡阻導(dǎo)致啟門異常，實(shí)測(cè)數(shù)值大于設(shè)定的上限值，保護(hù)啟動(dòng)；在閉門下行階段，如果閘門門槽或底部有石塊、木頭等異物卡阻導(dǎo)致閉門異常時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)值小于設(shè)定的下限值，保護(hù)啟動(dòng)。保護(hù)啟動(dòng)時(shí)，報(bào)警輸出繼電器動(dòng)作，控制回路接觸器線圈失電，主觸頭斷開，電機(jī)停機(jī)。

在正式的保護(hù)應(yīng)用中，軸銷式稱重傳感器將軸上的力變送成 4～20 mA 或者其他多種工業(yè)信號(hào)，直接傳送到 PLC 的模擬量信號(hào)處理模塊，并進(jìn)行相應(yīng)程序處理，即可完成閘門自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)該保護(hù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿式啟閉機(jī)安全可靠的遠(yuǎn)程控制。

由于軸銷式稱重傳感器具有方向性，該保護(hù)不但對(duì)無閉門力露頂式閘門啟閉機(jī)有效，對(duì)于需要一定閉門力的場(chǎng)合同樣適用。

3.2 安全性分析

3.2.1 保護(hù)動(dòng)作迅速可靠

軸銷式稱重傳感器具有優(yōu)良的技術(shù)特性，綜合精度高，靈敏性好，且作用于螺桿和門葉的連接，荷載變化更能直接反映出閘門的運(yùn)行狀況。相比其他保護(hù)，軸銷荷載保護(hù)能在螺桿還未發(fā)生反向受力時(shí)即可啟動(dòng)，保護(hù)動(dòng)作迅速可靠，不僅避免閘門發(fā)生頂閘事故，還能極大減少螺桿被壓彎的情形，大大減小維護(hù)工作。

3.2.2 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，性能穩(wěn)定

軸銷式稱重傳感器的一體化圓軸設(shè)計(jì)，加上采用不銹鋼材質(zhì)制作，在北溪水閘這種沿海高溫、高濕、腐蝕性較強(qiáng)的感潮河段，表現(xiàn)出了良好的環(huán)境適應(yīng)性，有效避免了元器件因銹蝕老化導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)的狀況。軸銷荷載保護(hù)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示正常，保護(hù)反應(yīng)靈敏，動(dòng)作迅速。

3.3 多措并舉，確保安全

通過增加軸銷荷載保護(hù)，并通過有效及時(shí)的維護(hù)技術(shù)措施，加強(qiáng)運(yùn)行人員安全操作技術(shù)培訓(xùn)[6]，徹底杜絕了螺桿啟閉機(jī)頂閘事故的發(fā)生，大大提高了水閘綜合自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制的安全性、可靠性和時(shí)效性。

4 結(jié)語

通過對(duì)軸銷荷載保護(hù)在螺桿式啟閉機(jī)預(yù)防頂閘事故中的研究和應(yīng)用，該保護(hù)措施改裝經(jīng)濟(jì)便捷、安全可靠及可定制化的靈活性，完善了北溪水閘閘門綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，徹底杜絕了啟閉頂閘事故的發(fā)生，對(duì)于九龍江北溪引水左干渠沿線閘站的螺桿式啟閉機(jī)頂閘事故的預(yù)防，以及下階段實(shí)現(xiàn)水閘管理的進(jìn)一步自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化具有重要的應(yīng)用價(jià)值。