高則宇,許靜雅
(宣城市港口灣水庫(kù)管理處,安徽 宣城 242000)
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。