泄洪隧洞閘門鎖定梁電動(dòng)化改造

高則宇，許靜雅

（宣城市港口灣水庫(kù)管理處，安徽 宣城 242000）

1 引言

港口灣水庫(kù)泄洪洞進(jìn)口閘門形式為平板鋼閘門，尺寸8.1 m×8.2 m，采用雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)起閉。泄洪洞進(jìn)口底板高程81.0 m，檢修平臺(tái)高程135.0 m，啟閉機(jī)安裝高程147.0 m。作為緊急事故門，正常時(shí)閘門為開啟狀態(tài)，工作門由出口弧型門承擔(dān)。

泄洪洞進(jìn)口閘門開啟后，油缸下腔承受閘門及吊桿的重量，為了避免油缸密封長(zhǎng)期受壓而破壞，在閘門各吊桿底部設(shè)有鎖定板（吊桿拆卸及安裝時(shí)都需要鎖定板作支撐），兩邊長(zhǎng)度各20 cm，鎖定板壓在4 根鎖定梁（鎖定梁垂直于閘門井，放置在檢修平臺(tái)）上，此時(shí)閘門的所有重量由4 根鎖定梁承擔(dān)。

此前關(guān)閉閘門前或開啟閘門后，都需要多人沿垂直爬梯從147.0 m 平臺(tái)下到135.0 m 平臺(tái)，用撬棍人工將4 根鎖定梁移動(dòng)，以完成閘門關(guān)閉前或閘門開啟后的解鎖或鎖定。每根梁重約1 000 kg，不但費(fèi)力，且花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。操作人員頻繁上下高度12 m 的垂直爬梯也有一定的風(fēng)險(xiǎn)。由于上述原因，對(duì)鎖定梁操作進(jìn)行改造成為實(shí)際的需求。

2 方案選擇

控制鎖定梁移動(dòng)，常用的方法有：電機(jī)驅(qū)動(dòng)與液壓驅(qū)動(dòng)二種。電機(jī)方式通過齒輪驅(qū)動(dòng)螺桿改變鎖定梁位置；液壓方式通過油泵產(chǎn)生油壓驅(qū)動(dòng)閥桿完成鎖定梁的移動(dòng)[1]。功能上二種方法都可行，比較配件采購(gòu)、部件加工的難易程度，電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式更容易實(shí)現(xiàn)，所以本次改造選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。

3 改造過程

3.1 基本原理

原理見圖1 機(jī)械原理圖（鎖定梁共有4 根，圖中只畫了一側(cè)的，另一側(cè)完全相同）。2 根鎖定梁通過1 臺(tái)電機(jī)與3 臺(tái)齒輪轉(zhuǎn)向器（電機(jī)相聯(lián)的T 型齒輪轉(zhuǎn)向器直軸旋轉(zhuǎn)方向是相反的，另2 臺(tái)90°齒輪轉(zhuǎn)向器直軸旋轉(zhuǎn)為同向）同步驅(qū)動(dòng)4 臺(tái)蝸桿驅(qū)動(dòng)裝置來推（拉）動(dòng)，使鎖定梁向左或向右移動(dòng)。也曾考慮每根鎖定梁由1 臺(tái)電機(jī)控制，但控制電路變得復(fù)雜。通過增加齒輪轉(zhuǎn)向器可用1 臺(tái)電機(jī)控制2 根鎖定梁，以簡(jiǎn)化控制回路。

圖1 機(jī)械原理圖

3.2 電機(jī)選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，粗細(xì)計(jì)算如下，部分參數(shù)考慮了一定安全余量。

3.2.1 鎖定梁重量

鎖定梁由上下鋼板加3 塊直筋組成，上下鋼板尺寸：長(zhǎng)3 500 mm 寬200 mm 厚30 mm，直筋尺寸：長(zhǎng)3 500 mm寬290 mm厚20 mm，鋼比重：7.85 g/cm3。

鋼梁重量：

（350×20×3×7.85×2）/1 000+（350×29×2×7.85×3）/1 000=807.765 （kg）

3.2.2 鎖定梁運(yùn)動(dòng)時(shí)單邊軌道上的摩擦阻力計(jì)算

最大靜摩擦系數(shù)取0.3；

3.2.3 蝸桿驅(qū)動(dòng)器選擇

速比：3∶1；

絲桿直徑：40 mm；

螺距[P導(dǎo)程]：7 mm；

行程：500 mm；

推拉力：500 kg~2 000 kg；

機(jī)械效率（η）：40%；

速比與螺距的大小將影響鎖定梁操作的時(shí)間，總時(shí)長(zhǎng)約60 s 左右。

3.2.4 正常移動(dòng)時(shí)單邊軌道的功率

運(yùn)動(dòng)速度（電機(jī)驅(qū)動(dòng)情況下）：

機(jī)械功率：F×V=1 187.37×0.056 38=66.94 （W）

3.2.5 蝸桿機(jī)械輸入功率

蝸輪蝸桿裝置的機(jī)械效率取40 %；

機(jī)械輸入功率：66.94/0.4=167.35（W）

3.2.6 90°齒輪轉(zhuǎn)向器的輸入功率

齒輪轉(zhuǎn)向器機(jī)械效率取88 % ；

功率：（167.35×2）/0.88=380.34（W）

3.2.7 T 型齒輪轉(zhuǎn)向器的輸入功率

T 型齒輪轉(zhuǎn)向器的機(jī)械效率取88 %；

功率:380.34/0.88=432.20（W）

3.2.8 電機(jī)功率及力矩

電機(jī)驅(qū)動(dòng)T 型齒輪轉(zhuǎn)向器，推動(dòng)2 根鋼梁，由以上計(jì)算可知其功率為：

蝸桿驅(qū)動(dòng)器推力為：1 187.37（N）；

螺桿驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)矩：

經(jīng)過減速后（3∶1）：M'=3.3/3=1.1（N·m）

整套裝置：M合=1.1×4=4.4（N·m）

經(jīng)過90°轉(zhuǎn)向器和T 型轉(zhuǎn)向器后的機(jī)械效率：

電機(jī)選擇1.5 kW，1 450 r/min，三相異步電機(jī)。

此電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為：

通過以上計(jì)算，1.5 kW 電機(jī)滿足要求。

3.3 控制回路

控制回路是通過開關(guān)、按鈕、繼電器、指示燈等器件控制電機(jī)啟停，完成鎖定梁的鎖定與解鎖動(dòng)作。針對(duì)實(shí)地情況，控制部分需要滿足以下要求：

(1)閘門落在鎖定梁上后，不允許電機(jī)啟動(dòng)，無論是鎖定操作還是解鎖操作；

(2)只有在閘門提升到鎖定梁以上時(shí)（超過鎖定梁10 cm 以上），才允許鎖定，以防止在使用過程中，出現(xiàn)鎖定板位于鎖定梁以下時(shí)，鎖定梁處于鎖定狀態(tài)，閘門提升碰撞鋼梁，造成整個(gè)機(jī)構(gòu)損壞?？刂苹芈芬妶D2 主控制回路（鑒于圖幅只截取了主要的一部分）。

圖2 主控制回路

鎖定按鈕（HA）與解鎖按鈕（FA），分別控制中間繼電器C1（C3）與C2（C4），在操作條件滿足的情況下進(jìn)行鎖定操作和解鎖操作。繼電器輔助觸點(diǎn)提供互鎖、自保持功能。

控制部分正常工作，需要提供閘門的4 種位置信號(hào)：

分別是①鎖定到位；②解鎖到位；③閘門支撐位置（門落在鎖定梁上)；④閘門提升到鎖定梁以上10 cm 位置。

位置信號(hào)由位置傳感器提供，傳感器選擇了歐姆龍光電開關(guān)，型號(hào)為：E3Z-D62。它的工作過程是：由振蕩回路產(chǎn)生的調(diào)制脈沖經(jīng)反射電路后，由發(fā)光管GL 輻射出光脈沖。當(dāng)被測(cè)物體進(jìn)入受光器作用范圍時(shí)，被反射回來的光脈沖進(jìn)入光敏三極管DU，在接收電路中將光脈沖解調(diào)為電脈沖信號(hào)，再經(jīng)放大器放大整形，然后用數(shù)字積分方式排除干擾，最后經(jīng)延時(shí)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器輸出開關(guān)信號(hào)[2]。重點(diǎn)需要考慮開關(guān)的回差特性，即使被檢測(cè)物在小范圍內(nèi)晃動(dòng)也不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器的輸出狀態(tài)，從而可使其保持在穩(wěn)定工作區(qū)。

傳感器驅(qū)動(dòng)繼電器J11、J12 等，通過繼電器觸點(diǎn)反映各位置信號(hào)如光字牌、聲音信號(hào)等，詳見圖3 24 V 控制回路圖。

圖3 24 V 控制回路圖

J99 觸點(diǎn)用于判斷閘門是否提升到鋼梁以上（10 cm），因此，閘門鎖定板在鋼梁以下的任何位置，機(jī)構(gòu)都不能進(jìn)行鎖定操作。J15、J25 繼電器由支撐位置開關(guān)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)閘門落在鋼梁上時(shí)，J15、J25 繼電器觸點(diǎn)斷開，也無法進(jìn)行鎖定與解鎖操作。

實(shí)際施工圖中還實(shí)現(xiàn)了位置錯(cuò)誤、電機(jī)過載等燈光或光字牌，為裝置提供完整的保護(hù)以及信息顯示，方便使用。

操作過程如下：

（1） 關(guān)閉閘門（落門）：此時(shí)閘門落在鋼梁上，“1號(hào)鎖定位置”與“2 號(hào)鎖定位置”光字牌亮，“1 號(hào)支撐狀態(tài)”、“2 號(hào)支撐狀態(tài)”燈亮。先通過主油壓系統(tǒng)提升閘門，當(dāng)閘門提升到鋼梁以上10 cm 位置時(shí)，“1號(hào)支撐狀態(tài)”、“2 號(hào)支撐狀態(tài)”燈熄滅，按下解鎖按鈕，鎖定梁移動(dòng)且聲光指示工作，60 s 左右，聲光停止，“1 號(hào)解鎖位置”與“2 號(hào)解鎖位置”燈亮，此時(shí)解鎖完成，可以在閘門主控制柜上進(jìn)行關(guān)閉操作。

（2） 打開閘門（提門）：此時(shí)閘門為關(guān)閉狀態(tài)，“1號(hào)解鎖位置”、“2 號(hào)解鎖位置”光字牌亮。先在閘門主控制柜上進(jìn)行開閘門操作，當(dāng)閘門提升到鎖定梁以上10 cm位置時(shí)，“允許鎖定”燈亮，按下鎖定按鈕，鎖定梁移動(dòng)且聲光指示工作，60 s 左右后，聲光停止，“1 號(hào)鎖定位置”、“2 號(hào)鎖定位置”光字牌亮。此時(shí)再通過閘門主控制柜操作閘門下落（10 cm 左右），讓閘門鎖定板落在鋼梁上，“1 號(hào)支撐狀態(tài)”、“2 號(hào)支撐狀態(tài)”燈亮，提門操作完成。

4 制作與安裝

電機(jī)、轉(zhuǎn)向器與蝸桿驅(qū)動(dòng)器、繼電器、端子排、位置傳感器等為采購(gòu)件，聯(lián)桿、底座為加工件?？刂葡洳少?gòu)后，經(jīng)過一定的加工，主要是面板按鈕、燈光指示、光字牌的開孔。

為減少布線長(zhǎng)度，在135.0 m 檢修平臺(tái)旁的邊墻布置一個(gè)小的控制箱，安裝位置光電開關(guān)控制的部分繼電器，其他器件，都布置在閘門啟閉機(jī)室內(nèi)的主控制箱內(nèi)，通過線纜聯(lián)接。完成后的控制箱外觀見圖4 控制箱外觀。

T 型轉(zhuǎn)向器與90°轉(zhuǎn)向器以及蝸桿驅(qū)動(dòng)器增加了底部鋼板（圖中沒有畫出），首先是為了便于固定蝸桿驅(qū)動(dòng)、圓鋼滑軌、齒輪轉(zhuǎn)向器，其次是保證了轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)桿的水平。

允許鎖定位置的實(shí)現(xiàn)：閘門提升到最大開度時(shí)，此時(shí)油缸的活塞桿底部接近于147.0 m 平臺(tái)，活塞桿（圓型）通過鐵銷與閘門吊桿（方型）聯(lián)接（即從上而下的第一節(jié)吊桿），方型吊桿頂部平面上方即是傳感器的檢測(cè)位。用鍍鋅管固定于147.0 m 平臺(tái)，傳感器線纜穿過鍍鋅管，接近于方型吊桿頂部（將閘門提起，調(diào)整至鎖定板超過鎖定梁10 cm 處），允許鎖定燈由滅變亮?xí)r，固定鍍鋅管。

鎖定位置與解鎖位置是將傳感器固定于底部鋼板的限位處，以控制鎖定梁左右移動(dòng)范圍[3]。

安裝完成后，對(duì)位置傳感器進(jìn)行了少量的調(diào)整，以保證位置狀態(tài)的準(zhǔn)確性。經(jīng)過多次閘門啟閉操作測(cè)試，整個(gè)機(jī)構(gòu)工作正常，滿足實(shí)際使用要求。

改造后，閘門啟、閉可以單人完成操作，以前至少需要2~3 人才能完成。關(guān)閉閘門用時(shí)16 min，比改造前減少將近一半，也無需工作人員再去攀爬12 m 的垂直爬梯。當(dāng)在事故或緊急情況下，快速關(guān)閉閘門可降低事故危害程度，減少事故損失。

5 結(jié)語

此次改造，鎖定梁操作與閘門主油壓操作分開，構(gòu)成二個(gè)獨(dú)立的部分，操作需要在二個(gè)設(shè)備上進(jìn)行。如果將鎖定控制結(jié)合到閘門啟閉的主油壓控制系統(tǒng)里，驅(qū)動(dòng)方式也可以改為油壓方式，直接利用主液壓回路的壓力（當(dāng)然，驅(qū)動(dòng)方式也需要作相應(yīng)的更改），控制部分可以合并到閘門控制PLC 流程里，無需再配置控制箱，閘門操作流程也更簡(jiǎn)潔。這需要對(duì)閘門主油壓控制流程重新編寫，當(dāng)閘門主控制柜整體更新時(shí)可以考慮此方案。