泄洪隧洞閘門鎖定梁電動化改造

高則宇，許靜雅

（宣城市港口灣水庫管理處，安徽 宣城 242000）

1 引言

港口灣水庫泄洪洞進口閘門形式為平板鋼閘門，尺寸8.1 m×8.2 m，采用雙吊點液壓啟閉機起閉。泄洪洞進口底板高程81.0 m，檢修平臺高程135.0 m，啟閉機安裝高程147.0 m。作為緊急事故門，正常時閘門為開啟狀態，工作門由出口弧型門承擔。

泄洪洞進口閘門開啟后，油缸下腔承受閘門及吊桿的重量，為了避免油缸密封長期受壓而破壞，在閘門各吊桿底部設有鎖定板（吊桿拆卸及安裝時都需要鎖定板作支撐），兩邊長度各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）上，此時閘門的所有重量由4 根鎖定梁承擔。

此前關閉閘門前或開啟閘門后，都需要多人沿垂直爬梯從147.0 m 平臺下到135.0 m 平臺，用撬棍人工將4 根鎖定梁移動，以完成閘門關閉前或閘門開啟后的解鎖或鎖定。每根梁重約1 000 kg，不但費力，且花費時間較長。操作人員頻繁上下高度12 m 的垂直爬梯也有一定的風險。由于上述原因，對鎖定梁操作進行改造成為實際的需求。

2 方案選擇

控制鎖定梁移動，常用的方法有：電機驅動與液壓驅動二種。電機方式通過齒輪驅動螺桿改變鎖定梁位置；液壓方式通過油泵產生油壓驅動閥桿完成鎖定梁的移動[1]。功能上二種方法都可行，比較配件采購、部件加工的難易程度，電機驅動方式更容易實現，所以本次改造選擇電機驅動方式。

3 改造過程

3.1 基本原理

原理見圖1 機械原理圖（鎖定梁共有4 根，圖中只畫了一側的，另一側完全相同）。2 根鎖定梁通過1 臺電機與3 臺齒輪轉向器（電機相聯的T 型齒輪轉向器直軸旋轉方向是相反的，另2 臺90°齒輪轉向器直軸旋轉為同向）同步驅動4 臺蝸桿驅動裝置來推（拉）動，使鎖定梁向左或向右移動。也曾考慮每根鎖定梁由1 臺電機控制，但控制電路變得復雜。通過增加齒輪轉向器可用1 臺電機控制2 根鎖定梁，以簡化控制回路。

圖1 機械原理圖

3.2 電機選擇

根據現場實際情況，粗細計算如下，部分參數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3 500 mm 寬200 mm 厚30 mm，直筋尺寸：長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 鎖定梁運動時單邊軌道上的摩擦阻力計算

最大靜摩擦系數取0.3；

3.2.3 蝸桿驅動器選擇

速比：3∶1；

絲桿直徑：40 mm；

螺距[P導程]：7 mm；

行程：500 mm；

推拉力：500 kg~2 000 kg；

機械效率（η）：40%；

速比與螺距的大小將影響鎖定梁操作的時間，總時長約60 s 左右。

3.2.4 正常移動時單邊軌道的功率

運動速度（電機驅動情況下）：

機械功率：F×V=1 187.37×0.056 38=66.94 （W）

3.2.5 蝸桿機械輸入功率

蝸輪蝸桿裝置的機械效率取40 %；

機械輸入功率：66.94/0.4=167.35（W）

3.2.6 90°齒輪轉向器的輸入功率

齒輪轉向器機械效率取88 % ；

功率：（167.35×2）/0.88=380.34（W）

3.2.7 T 型齒輪轉向器的輸入功率

T 型齒輪轉向器的機械效率取88 %；

功率:380.34/0.88=432.20（W）

3.2.8 電機功率及力矩

電機驅動T 型齒輪轉向器，推動2 根鋼梁，由以上計算可知其功率為：

蝸桿驅動器推力為：1 187.37（N）；

螺桿驅動器轉矩：

經過減速后（3∶1）：M'=3.3/3=1.1（N·m）

整套裝置：M合=1.1×4=4.4（N·m）

經過90°轉向器和T 型轉向器后的機械效率：

電機選擇1.5 kW，1 450 r/min，三相異步電機。

此電機的轉矩為：

通過以上計算，1.5 kW 電機滿足要求。

3.3 控制回路

控制回路是通過開關、按鈕、繼電器、指示燈等器件控制電機啟停，完成鎖定梁的鎖定與解鎖動作。針對實地情況，控制部分需要滿足以下要求：

(1)閘門落在鎖定梁上后，不允許電機啟動，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（超過鎖定梁10 cm 以上），才允許鎖定，以防止在使用過程中，出現鎖定板位于鎖定梁以下時，鎖定梁處于鎖定狀態，閘門提升碰撞鋼梁，造成整個機構損壞。控制回路見圖2 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行鎖定操作和解鎖操作。繼電器輔助觸點提供互鎖、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：

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。

位置信號由位置傳感器提供，傳感器選擇了歐姆龍光電開關，型號為：E3Z-D62。它的工作過程是：由振蕩回路產生的調制脈沖經反射電路后，由發光管GL 輻射出光脈沖。當被測物體進入受光器作用范圍時，被反射回來的光脈沖進入光敏三極管DU，在接收電路中將光脈沖解調為電脈沖信號，再經放大器放大整形，然后用數字積分方式排除干擾，最后經延時觸發驅動器輸出開關信號[2]。重點需要考慮開關的回差特性，即使被檢測物在小范圍內晃動也不會影響驅動器的輸出狀態，從而可使其保持在穩定工作區。

傳感器驅動繼電器J11、J12 等，通過繼電器觸點反映各位置信號如光字牌、聲音信號等，詳見圖3 24 V 控制回路圖。

圖3 24 V 控制回路圖

J99 觸點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，機構都不能進行鎖定操作。J15、J25 繼電器由支撐位置開關驅動，當閘門落在鋼梁上時，J15、J25 繼電器觸點斷開，也無法進行鎖定與解鎖操作。

實際施工圖中還實現了位置錯誤、電機過載等燈光或光字牌，為裝置提供完整的保護以及信息顯示，方便使用。

操作過程如下：

（1） 關閉閘門（落門）：此時閘門落在鋼梁上，“1號鎖定位置”與“2 號鎖定位置”光字牌亮，“1 號支撐狀態”、“2 號支撐狀態”燈亮。先通過主油壓系統提升閘門，當閘門提升到鋼梁以上10 cm 位置時，“1號支撐狀態”、“2 號支撐狀態”燈熄滅，按下解鎖按鈕，鎖定梁移動且聲光指示工作，60 s 左右，聲光停止，“1 號解鎖位置”與“2 號解鎖位置”燈亮，此時解鎖完成，可以在閘門主控制柜上進行關閉操作。

（2） 打開閘門（提門）：此時閘門為關閉狀態，“1號解鎖位置”、“2 號解鎖位置”光字牌亮。先在閘門主控制柜上進行開閘門操作，當閘門提升到鎖定梁以上10 cm位置時，“允許鎖定”燈亮，按下鎖定按鈕，鎖定梁移動且聲光指示工作，60 s 左右后，聲光停止，“1 號鎖定位置”、“2 號鎖定位置”光字牌亮。此時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 號支撐狀態”、“2 號支撐狀態”燈亮，提門操作完成。

4 制作與安裝

電機、轉向器與蝸桿驅動器、繼電器、端子排、位置傳感器等為采購件，聯桿、底座為加工件。控制箱采購后，經過一定的加工，主要是面板按鈕、燈光指示、光字牌的開孔。

為減少布線長度，在135.0 m 檢修平臺旁的邊墻布置一個小的控制箱，安裝位置光電開關控制的部分繼電器，其他器件，都布置在閘門啟閉機室內的主控制箱內，通過線纜聯接。完成后的控制箱外觀見圖4 控制箱外觀。

T 型轉向器與90°轉向器以及蝸桿驅動器增加了底部鋼板（圖中沒有畫出），首先是為了便于固定蝸桿驅動、圓鋼滑軌、齒輪轉向器，其次是保證了轉動聯桿的水平。

允許鎖定位置的實現：閘門提升到最大開度時，此時油缸的活塞桿底部接近于147.0 m 平臺，活塞桿（圓型）通過鐵銷與閘門吊桿（方型）聯接（即從上而下的第一節吊桿），方型吊桿頂部平面上方即是傳感器的檢測位。用鍍鋅管固定于147.0 m 平臺，傳感器線纜穿過鍍鋅管，接近于方型吊桿頂部（將閘門提起，調整至鎖定板超過鎖定梁10 cm 處），允許鎖定燈由滅變亮時，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范圍[3]。

安裝完成后，對位置傳感器進行了少量的調整，以保證位置狀態的準確性。經過多次閘門啟閉操作測試，整個機構工作正常，滿足實際使用要求。

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。關閉閘門用時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。當在事故或緊急情況下，快速關閉閘門可降低事故危害程度，減少事故損失。

5 結語

此次改造，鎖定梁操作與閘門主油壓操作分開，構成二個獨立的部分，操作需要在二個設備上進行。如果將鎖定控制結合到閘門啟閉的主油壓控制系統里，驅動方式也可以改為油壓方式，直接利用主液壓回路的壓力（當然，驅動方式也需要作相應的更改），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潔。這需要對閘門主油壓控制流程重新編寫，當閘門主控制柜整體更新時可以考慮此方案。