新型高效“電動(dòng)-手動(dòng)”卷揚(yáng)啟閉機(jī)研制及應(yīng)用

曾 文，楊 芳，夏 理

（中國水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川 夾江614100）

1 概述

卷揚(yáng)啟閉機(jī)是閘門啟/閉的主要操作機(jī)械設(shè)備之一，也是水利水電工程流量、水位調(diào)節(jié)及防洪泄洪的主要關(guān)鍵設(shè)備。

目前，重要的水利水電工程均配備有備用電源，當(dāng)發(fā)生停電事故時(shí)，改由備用電源供電。這種方式能夠在正常供電發(fā)生停電事故時(shí)，啟閉機(jī)可以正常運(yùn)行，避免出現(xiàn)事故，但無法在備用供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的情況下，操作閘門啟閉，所以一些安全要求高，尤其在供電無法保證的地區(qū)以及地震多發(fā)地區(qū)的水利水電工程的啟閉機(jī)，提出采用“備用電源+人工操作”安全保障要求，確保可以在無電或驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障情況下安全可靠啟閉閘門，保證水利水電工程安全運(yùn)行。

在巴基斯坦、尼泊爾等南亞國家的水利水電工程，閘門啟閉設(shè)備多數(shù)都有手、電兩用功能的要求，“電動(dòng)-手動(dòng)”兩用卷揚(yáng)啟閉機(jī)尤其適用。針對(duì)國內(nèi)、外對(duì)啟閉機(jī)“人工操作”的需求和卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)的負(fù)載特點(diǎn)，我們研制了一種操作方便、可靠性高的新型高效“電動(dòng)-手動(dòng)”卷揚(yáng)啟閉機(jī)，下面對(duì)相關(guān)研制及應(yīng)用作簡要介紹。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)負(fù)載特點(diǎn)

卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)是通過電動(dòng)機(jī)、減速器、卷筒、鋼絲繩、滑輪組及吊具提供下放關(guān)閉、提升開啟或持住閘門，具有典型的位能負(fù)載特性（其中，卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)無法提供部分閘門要求強(qiáng)制閉門需要的下壓力，所以卷揚(yáng)啟閉機(jī)不適用于有強(qiáng)制閉門工況要求的閘門設(shè)備）。

由于卷揚(yáng)啟閉機(jī)提升的負(fù)載為位勢能性負(fù)載，不管閘門是起升或下降或持住狀態(tài)，傳動(dòng)系統(tǒng)中的力或力矩的方向始終不會(huì)變化，即起升時(shí)負(fù)載方向與驅(qū)動(dòng)方向相反，下降時(shí)負(fù)載方向和驅(qū)動(dòng)方向相同。

2.2 總體方案比較

在位能負(fù)載特性機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中，當(dāng)出現(xiàn)停電事故或電動(dòng)機(jī)故障轉(zhuǎn)到手動(dòng)或應(yīng)急操作時(shí)，手動(dòng)或應(yīng)急操作裝置必須具有持住位能負(fù)載力或力矩的自鎖或持住功能，以確保安全。考慮應(yīng)急操作裝置自鎖或持住方式，提出了4種技術(shù)方案：①雙向超越離合自鎖方案；②具有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動(dòng)方案；③棘輪機(jī)構(gòu)鎖定方案；④“人工持住＋銷軸鎖定”方案。各方案比較情況見表1。

經(jīng)分析比較，最終確定采用“雙向超越離合”自鎖方案，其中，超越離合器是利用主、從動(dòng)部分的速度變化或旋轉(zhuǎn)方向的變換，可視為具有自行離合功能的離合器。用于超越或傳遞轉(zhuǎn)矩、精確定位、防止逆轉(zhuǎn)，應(yīng)用到位能負(fù)載特性機(jī)械設(shè)備的輸入轉(zhuǎn)換裝置中，使得整個(gè)輸入轉(zhuǎn)換裝置具有自鎖可靠，主動(dòng)輸入端解脫輕便，傳動(dòng)效率高，承載能力大的特點(diǎn)。

表1 應(yīng)急操作方案比較表

2.3 高效輸入轉(zhuǎn)換裝置的研發(fā)

2.3.1 原理

（1）輸入轉(zhuǎn)換

主傳動(dòng)輸入軸（電動(dòng)）中間采用兩個(gè)軸承支承在箱體上，兩端分別懸臂于箱體外和箱體內(nèi)，箱體內(nèi)部分同時(shí)作為輸出軸一端的支撐和手、電離合的一部分；輸出軸一端支撐于主動(dòng)軸箱體內(nèi)的端部軸承上，另一端由箱體上的軸承支承，主傳動(dòng)輸入軸和輸出軸之間設(shè)置有齒輪離合器和輔助輸入軸等的相關(guān)零件，詳見圖1；工作時(shí)撥叉左右撥動(dòng)齒輪離合器使主傳動(dòng)輸入軸和輸出軸連接或斷開，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與手動(dòng)輔助輸入的斷開或連接，工作狀態(tài)見表2。

表2 輸入轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)表

（2）雙向超越離合器特性

圖1 高效輸入轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)示意圖

雙向超越離合器由主動(dòng)端、從動(dòng)端、外環(huán)（固定環(huán)）及楔形塊等組成，詳見圖2。當(dāng)雙向超越離合器外環(huán)（固定環(huán)）不動(dòng)時(shí)，從動(dòng)端受外力矩的作用，有順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢，則均會(huì)被楔形鎖緊系統(tǒng)鎖死不能轉(zhuǎn)動(dòng)；主動(dòng)端受外力矩的作用，順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鎖死的楔形鎖緊系統(tǒng)塊均能順利解脫，從動(dòng)端也同步轉(zhuǎn)動(dòng)。應(yīng)用在位能負(fù)載特性機(jī)械中，當(dāng)雙向超越離合器外環(huán)（固定環(huán)）固定時(shí)，具有從動(dòng)軸雙向自鎖和主動(dòng)軸雙向解鎖功能。

（3）工作原理

圖2 超越離合器結(jié)構(gòu)示意圖

輸入轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)原理，見下頁圖3。

假設(shè)輸入轉(zhuǎn)換裝置“串接”到傳動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)布置在主傳動(dòng)輸入軸側(cè)，輸出軸連接主減速器：1）當(dāng)輸入轉(zhuǎn)換齒輪離合器處于主傳動(dòng)輸入軸“斷開”，輔助輸入軸“連接”的狀態(tài)時(shí)，位能負(fù)載產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過傳動(dòng)齒輪和錐齒輪作用到雙向超越離合器的從動(dòng)軸（孔）上，由于外環(huán)（固定環(huán)）固定在箱體支架上，從動(dòng)軸（孔）的順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢，均會(huì)被楔形塊鎖死不能轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了“位能負(fù)載的持住”功能。當(dāng)人力轉(zhuǎn)動(dòng)手搖柄時(shí)，人力產(chǎn)生的力矩驅(qū)動(dòng)主動(dòng)軸（孔）順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鎖死的楔形塊均能順利解脫，從動(dòng)軸（孔）也同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)輔助輸入軸并將力矩傳遞到主減速器；2）當(dāng)輸入轉(zhuǎn)換齒輪離合器處于主傳動(dòng)輸入軸“連接”，輔助輸入軸“斷開”的狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)輸入軸并將力矩傳遞到主減速器。

圖3 結(jié)構(gòu)原理圖

同理，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)換裝置“并接”到傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)與主減速器一側(cè)輸入軸連接，輸入轉(zhuǎn)換裝置的輸出軸與主減速器另一側(cè)輸入軸連接，也可以實(shí)現(xiàn)“電動(dòng)-手動(dòng)”的轉(zhuǎn)換，詳見圖4、圖5。

圖5 并聯(lián)布置方式

圖4 串聯(lián)布置方式

按照上述原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了專用的新型高效“電動(dòng)-手動(dòng)”輸入轉(zhuǎn)換裝置，并取得了發(fā)明專利。

2.3.2 特點(diǎn)

（1）負(fù)載持住

為保證安全，起升機(jī)構(gòu)工作制動(dòng)器應(yīng)布置在主減速器的高速軸（即輸入軸）上，“電動(dòng)-手動(dòng)”輸入轉(zhuǎn)換操作就涉及到“輸入轉(zhuǎn)換齒輪離合器”與起升機(jī)構(gòu)中的工作制動(dòng)器配合。

如圖5所示，從“電動(dòng)”轉(zhuǎn)為“手動(dòng)”時(shí)，工作制動(dòng)器處于常閉狀態(tài)，撥動(dòng)“輸入轉(zhuǎn)換齒輪離合器”使電機(jī)與主傳動(dòng)輸入軸“斷開”，輔助輸入軸“連接”，手動(dòng)打開工作制動(dòng)器，此時(shí)依靠雙向超越離合器持住“位能負(fù)載”，即可進(jìn)行手動(dòng)啟閉操作。反之，首先操作工作制動(dòng)器使其處于常閉狀態(tài)，然后撥動(dòng)“輸入轉(zhuǎn)換齒輪離合器”使電機(jī)與主傳動(dòng)輸入軸“連接”，輔助輸入軸“斷開”，此時(shí)依靠工作制動(dòng)器持住“位能負(fù)載”。兩種轉(zhuǎn)換操作過程中始終能可靠持住“位能負(fù)載”，可確保安全。

（2）效率

電動(dòng)時(shí)的綜合傳動(dòng)效率：

式中ηj-減速器傳動(dòng)比：0.94

ηH- 滑輪組效率： 0.975（2倍率）

ηt-滾動(dòng)軸承效率： 0.98

ηC-輸入轉(zhuǎn)換裝置效率： 0.97

ηL-聯(lián)軸器效率：0.993

手動(dòng)時(shí)的綜合傳動(dòng)效率：

式中ηj-減速器傳動(dòng)比：0.94

ηH- 滑輪組效率：0.975（2倍率）

ηt-滾動(dòng)軸承效率：0.98

ηC-輸入轉(zhuǎn)換裝置效率：0.90

ηL-聯(lián)軸器效率：0.992

（3）速比調(diào)整

手搖驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的范圍相對(duì)固定，手動(dòng)人力操作的出力符合人體工程學(xué)的相關(guān)要求，綜合考慮雙向超越離合器承載能力以及主減速器速比等因素，需要重點(diǎn)考慮調(diào)整：1）手動(dòng)搖柄到超越離合器“主動(dòng)軸”的齒輪傳動(dòng)速比；2）輔助輸入軸到超越離合器“從動(dòng)軸”的齒輪傳動(dòng)速比。具體可根據(jù)計(jì)算優(yōu)選確定總速比，然后分配到相關(guān)的各級(jí)齒輪傳動(dòng)。

3 啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 技術(shù)參數(shù)

啟閉力：200kN

揚(yáng)程：12m

電動(dòng)啟閉速度：2m/min

手動(dòng)應(yīng)急操作速度：0.15m/min

滑輪倍率：2

電機(jī)功率：9kW

減速器：QY4D315-280

卷筒直徑：φ440mm

3.2 啟閉機(jī)布置圖（見圖6）。

圖6 啟閉機(jī)布置圖

4 應(yīng)用

高效輸入轉(zhuǎn)換裝置已研發(fā)完成，并應(yīng)用到了巴基斯坦、尼泊爾、羅塞雷斯等國家的水利水電項(xiàng)目中。

表2

（1）應(yīng)用于巴基斯坦水利攔河壩項(xiàng)目（見圖7）。

圖7 啟閉機(jī)布置圖

（2）應(yīng)用于羅塞雷斯水電站2×320kN門機(jī)的起升機(jī)構(gòu)（見圖8）。

圖8

（3）應(yīng)用于尼泊爾水電項(xiàng)目（見圖9）。

圖9

5 結(jié)語

水利水電工程的啟閉機(jī)有較高的安全運(yùn)行需要，尤其在供電無法保證的地區(qū)以及地震多發(fā)地區(qū)的啟閉機(jī)，更是要求采用“備用電源+人工操作”的安全保障模式，為此我們主要針對(duì)位能負(fù)載持住、傳動(dòng)效率、輸入轉(zhuǎn)換及速比調(diào)整等提出了“雙向超越離合器自鎖方案”，并針對(duì)性研制了新型高效“電動(dòng)-手動(dòng)”卷揚(yáng)啟閉機(jī)。該型式的卷揚(yáng)啟閉機(jī)在位能負(fù)載持住原理、傳動(dòng)效率、安全可靠性、操作方便性等方面明顯不同于傳統(tǒng)的“自鎖蝸輪蝸桿”等手動(dòng)操作方案的啟閉機(jī)。在水利水電工程應(yīng)用中，體現(xiàn)了高效率和高可靠性的技術(shù)優(yōu)勢，目前已在蘇丹、尼泊爾水電站及巴基斯坦等水利工程中大規(guī)模使用，截止2017年底，共計(jì)安裝投運(yùn)了180余臺(tái)套，得到多個(gè)工程業(yè)主的好評(píng)，移交順利并獲得業(yè)主頒發(fā)的無瑕疵證明，具有廣泛的推廣價(jià)值。