新型高效“電動-手動”卷揚啟閉機研制及應用

曾 文，楊 芳，夏 理

（中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 夾江614100）

1 概述

卷揚啟閉機是閘門啟/閉的主要操作機械設備之一，也是水利水電工程流量、水位調節及防洪泄洪的主要關鍵設備。

目前，重要的水利水電工程均配備有備用電源，當發生停電事故時，改由備用電源供電。這種方式能夠在正常供電發生停電事故時，啟閉機可以正常運行，避免出現事故，但無法在備用供電系統出現故障或電動機出現故障的情況下，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以及地震多發地區的水利水電工程的啟閉機，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動電機故障情況下安全可靠啟閉閘門，保證水利水電工程安全運行。

在巴基斯坦、尼泊爾等南亞國家的水利水電工程，閘門啟閉設備多數都有手、電兩用功能的要求，“電動-手動”兩用卷揚啟閉機尤其適用。針對國內、外對啟閉機“人工操作”的需求和卷揚起升機構的負載特點，我們研制了一種操作方便、可靠性高的新型高效“電動-手動”卷揚啟閉機，下面對相關研制及應用作簡要介紹。

2 關鍵技術研究

2.1 卷揚起升機構負載特點

卷揚起升機構是通過電動機、減速器、卷筒、鋼絲繩、滑輪組及吊具提供下放關閉、提升開啟或持住閘門，具有典型的位能負載特性（其中，卷揚起升機構無法提供部分閘門要求強制閉門需要的下壓力，所以卷揚啟閉機不適用于有強制閉門工況要求的閘門設備）。

由于卷揚啟閉機提升的負載為位勢能性負載，不管閘門是起升或下降或持住狀態，傳動系統中的力或力矩的方向始終不會變化，即起升時負載方向與驅動方向相反，下降時負載方向和驅動方向相同。

2.2 總體方案比較

在位能負載特性機械設備運行過程中，當出現停電事故或電動機故障轉到手動或應急操作時，手動或應急操作裝置必須具有持住位能負載力或力矩的自鎖或持住功能，以確保安全?？紤]應急操作裝置自鎖或持住方式，提出了4種技術方案：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方案；③棘輪機構鎖定方案；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、從動部分的速度變化或旋轉方向的變換，可視為具有自行離合功能的離合器。用于超越或傳遞轉矩、精確定位、防止逆轉，應用到位能負載特性機械設備的輸入轉換裝置中，使得整個輸入轉換裝置具有自鎖可靠，主動輸入端解脫輕便，傳動效率高，承載能力大的特點。

表1 應急操作方案比較表

2.3 高效輸入轉換裝置的研發

2.3.1 原理

（1）輸入轉換

主傳動輸入軸（電動）中間采用兩個軸承支承在箱體上，兩端分別懸臂于箱體外和箱體內，箱體內部分同時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軸箱體內的端部軸承上，另一端由箱體上的軸承支承，主傳動輸入軸和輸出軸之間設置有齒輪離合器和輔助輸入軸等的相關零件，詳見圖1；工作時撥叉左右撥動齒輪離合器使主傳動輸入軸和輸出軸連接或斷開，同時實現與手動輔助輸入的斷開或連接，工作狀態見表2。

表2 輸入轉換工作狀態表

（2）雙向超越離合器特性

圖1 高效輸入轉換裝置結構示意圖

雙向超越離合器由主動端、從動端、外環（固定環）及楔形塊等組成，詳見圖2。當雙向超越離合器外環（固定環）不動時，從動端受外力矩的作用，有順時針和逆時針轉動的趨勢，則均會被楔形鎖緊系統鎖死不能轉動；主動端受外力矩的作用，順時針或逆時針轉動時，鎖死的楔形鎖緊系統塊均能順利解脫，從動端也同步轉動。應用在位能負載特性機械中，當雙向超越離合器外環（固定環）固定時，具有從動軸雙向自鎖和主動軸雙向解鎖功能。

（3）工作原理

圖2 超越離合器結構示意圖

輸入轉換裝置的結構原理，見下頁圖3。

假設輸入轉換裝置“串接”到傳動系統中，電動機布置在主傳動輸入軸側，輸出軸連接主減速器：1）當輸入轉換齒輪離合器處于主傳動輸入軸“斷開”，輔助輸入軸“連接”的狀態時，位能負載產生的轉矩通過傳動齒輪和錐齒輪作用到雙向超越離合器的從動軸（孔）上，由于外環（固定環）固定在箱體支架上，從動軸（孔）的順時針或逆時針轉動趨勢，均會被楔形塊鎖死不能轉動，即實現了“位能負載的持住”功能。當人力轉動手搖柄時，人力產生的力矩驅動主動軸（孔）順時針或逆時針轉動時，鎖死的楔形塊均能順利解脫，從動軸（孔）也同步轉動，從而驅動輔助輸入軸并將力矩傳遞到主減速器；2）當輸入轉換齒輪離合器處于主傳動輸入軸“連接”，輔助輸入軸“斷開”的狀態時，電動機驅動主傳動輸入軸并將力矩傳遞到主減速器。

圖3 結構原理圖

同理，當輸入轉換裝置“并接”到傳動系統時，電動機與主減速器一側輸入軸連接，輸入轉換裝置的輸出軸與主減速器另一側輸入軸連接，也可以實現“電動-手動”的轉換，詳見圖4、圖5。

圖5 并聯布置方式

圖4 串聯布置方式

按照上述原理，我們設計了專用的新型高效“電動-手動”輸入轉換裝置，并取得了發明專利。

2.3.2 特點

（1）負載持住

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

如圖5所示，從“電動”轉為“手動”時，工作制動器處于常閉狀態，撥動“輸入轉換齒輪離合器”使電機與主傳動輸入軸“斷開”，輔助輸入軸“連接”，手動打開工作制動器，此時依靠雙向超越離合器持住“位能負載”，即可進行手動啟閉操作。反之，首先操作工作制動器使其處于常閉狀態，然后撥動“輸入轉換齒輪離合器”使電機與主傳動輸入軸“連接”，輔助輸入軸“斷開”，此時依靠工作制動器持住“位能負載”。兩種轉換操作過程中始終能可靠持住“位能負載”，可確保安全。

（2）效率

電動時的綜合傳動效率：

式中ηj-減速器傳動比：0.94

ηH- 滑輪組效率： 0.975（2倍率）

ηt-滾動軸承效率： 0.98

ηC-輸入轉換裝置效率： 0.97

ηL-聯軸器效率：0.993

手動時的綜合傳動效率：

式中ηj-減速器傳動比：0.94

ηH- 滑輪組效率：0.975（2倍率）

ηt-滾動軸承效率：0.98

ηC-輸入轉換裝置效率：0.90

ηL-聯軸器效率：0.992

（3）速比調整

手搖驅動轉速的范圍相對固定，手動人力操作的出力符合人體工程學的相關要求，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，需要重點考慮調整：1）手動搖柄到超越離合器“主動軸”的齒輪傳動速比；2）輔助輸入軸到超越離合器“從動軸”的齒輪傳動速比。具體可根據計算優選確定總速比，然后分配到相關的各級齒輪傳動。

3 啟閉機的設計實例

3.1 技術參數

啟閉力：200kN

揚程：12m

電動啟閉速度：2m/min

手動應急操作速度：0.15m/min

滑輪倍率：2

電機功率：9kW

減速器：QY4D315-280

卷筒直徑：φ440mm

3.2 啟閉機布置圖（見圖6）。

圖6 啟閉機布置圖

4 應用

高效輸入轉換裝置已研發完成，并應用到了巴基斯坦、尼泊爾、羅塞雷斯等國家的水利水電項目中。

表2

（1）應用于巴基斯坦水利攔河壩項目（見圖7）。

圖7 啟閉機布置圖

（2）應用于羅塞雷斯水電站2×320kN門機的起升機構（見圖8）。

圖8

（3）應用于尼泊爾水電項目（見圖9）。

圖9

5 結語

水利水電工程的啟閉機有較高的安全運行需要，尤其在供電無法保證的地區以及地震多發地區的啟閉機，更是要求采用“備用電源+人工操作”的安全保障模式，為此我們主要針對位能負載持住、傳動效率、輸入轉換及速比調整等提出了“雙向超越離合器自鎖方案”，并針對性研制了新型高效“電動-手動”卷揚啟閉機。該型式的卷揚啟閉機在位能負載持住原理、傳動效率、安全可靠性、操作方便性等方面明顯不同于傳統的“自鎖蝸輪蝸桿”等手動操作方案的啟閉機。在水利水電工程應用中，體現了高效率和高可靠性的技術優勢，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模使用，截止2017年底，共計安裝投運了180余臺套，得到多個工程業主的好評，移交順利并獲得業主頒發的無瑕疵證明，具有廣泛的推廣價值。