后河水库溢流坝启闭机及检修吊车的设计

1 概述 目前国内采用卷扬启闭机操作弧形闸门，有两种形式可供选择，即前拉式弧门启闭机与后拉式普通卷扬启闭机。前者的起吊位置位于弧门面板的前下方，启门时随着钢丝绳带动闸门吊耳上升，弧门绕支铰转动，从而开启闸门。该启闭机不设动滑轮装置，钢丝绳与闸门吊耳直接连接，结构简单，适用于启闭容量较小的情况。采用普通卷扬启闭机操作弧门时，起吊位置则位于弧门主梁上方，即后拉式。该类启闭机启闭容量较大，但受弧门转动角度的制约，启闭机房位于闸室的后上方，水工布置较为复杂。 后河水库溢流坝六扇工作门采用弧形闸门，孔口尺寸10x5.3m，设计水头5.3m，经综合比较，采用前拉式弧门启闭机，启闭容量为2x125KN，起升高度10m(图一)。 六台启闭机各设单独的机旁控制箱，并配备有共用的现场集中控制台，可在机旁进行单机操作，也可在集控台实行单机或多机同时操作。 2 启闭机布置 2.1 驱动形式的选择 双吊点启闭机可采用分别和集中两种驱动形式。分别驱动，即两个吊点分别有一套传动机构和一套起升机构，适用于大、中容量的启闭机；集中驱动则是采用一套传动机构，两套起升机构。根据传动机构的位置不同，集中驱动又分为中间和单边两种驱动形式。单边驱动，适用于小容量启闭机；中间驱动，则适用于吊点距较大的启闭机。后河水库溢流坝弧门吊点距5.64m，启闭机采用中间集中驱动形式。(图二) 2.2 构造及工作原理 本启闭机由传动机构、起升机构、保护装置、机架和电气控制装置等组成。其中传动机构包括电动机、制动器、减速器、中间轴等。起升机构由开式齿轮、卷筒、卷筒轴等组成。保护装置则包括荷重限制器和高度指示器等。 该机设有两套起升和一套传动机构，由一台电动机带动减速器、开式齿轮变速后，驱动卷筒旋转。通过缠绕在卷筒与平衡滑轮上钢丝绳的收放，带动闸门上升或下降。在减速器高速轴上，设置一套常闭式电力液压块式制动器；减速器低速轴为双轴伸结构，两吊点的开式小齿轮通过联轴器、中间轴与之相连，保证两吊点在运行过程中始终同步。 2.3 主要技术参数 启闭容量 2x125 KN 扬 程 10 m 速 度 1.56 m/min 吊 距 5.64 m 工作级别 Q2-轻 倍 率 1 钢丝绳 26ZAA6X19W+FC-1670 ZS 制动器 型号：YWZ400/45 电动机 型号：YZ160L 功率：N=9 KW 转速：n=694 rpm 减速器 型号：QJS-D450 卷筒直径 Φ700 mm 主令控制器 LK4-048/2 荷重限制器 QCX型 3 主要部件设计特点 3.1 起升机构 3.1.1 卷筒 卷筒采用双联卷筒，单层缠绕，材料为HT200，卷筒直径Φ700 mm，卷筒支承采用双列向心调心滚子轴承，与传统的钢板固定支承相比，可有效的减小机构的运行摩阻力，提高启闭机的工作效率。 3.1.2 开式齿轮 开式齿轮为低速运行，但其润滑条件较差，这就要求开式齿轮齿面应有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合及抗塑性变形的能力，齿根要求有较高的抗折断能力。本启闭机开式小齿轮材料采用40Cr，调质处理，齿面硬度HB241286；大齿轮材料采用ZG310-570，正火处理，齿面硬度HB180230。进一步提高齿轮的强度、硬度，延长设备的使用寿命。 3.1.3 平衡滑轮 前拉式弧门启闭机的吊具，传统方法是钢丝绳与吊头采用锌或铅合金热浇连接，制作工艺复杂，且每一吊具都必须经过拉力试验。如果两个吊点均采用单根钢丝绳，当起重吨位较大时，钢丝绳直径较粗，甚至选不到标准的钢丝绳。如果每个吊点采用双根钢丝绳，则双吊点就需要四根钢丝绳，这样在施工现场调整钢丝绳长短时，非常困难，常常达不到预期的效果。在国内已建工程中，出现过由于钢丝绳长短调整不一致，受力不均匀，钢丝绳被拉断事故。后河水库工程的弧门启闭机设计改变了这一传统的作法，采用两个双联卷筒，通过平衡滑轮与弧形闸门吊耳连接。由于平衡滑轮为刚性结构，不能似钢丝绳般紧贴于闸门弧面上，此时进出平衡滑轮的钢丝绳必然与滑轮的中心线存在一偏角a，该连接方法的难点在于如何控制进出平衡滑轮钢丝绳的偏角a。a角偏大时，钢丝绳会碰撞滑轮绳槽侧边，甚至发生跳槽，影响闸门的平稳运行。在实际设计中，采用调整平衡滑轮直径和厚度的方法，控制进出平衡滑轮钢丝绳的偏角，使其不仅满足启闭机设计规范的要求，同时解决了钢丝绳在运行过程中的脱槽问题(如图三)。 长期以来，水利工程启闭机多采用铸铝青铜(ZQAl9-4)作为滑轮的轴衬材料，它具有强度高，抗压能力强等优点，但铸铝青铜对钢的摩擦系数较高，需设有完善的润滑系统，否则易造成“烧瓦”、“抱轴”等故障。近年来，自润滑多层复合材料在水利工程上有不同程度的应用，其不仅摩擦系数小，而且具有较高的抗压强度，滑轮轴结构简单，无润滑系统等优点。本启闭机平衡滑轮的轴衬材料采用SF-2型复合材料，它由塑料-青铜-钢背三层复合而成。在钢板上烧一层0.45∽0.50mm厚的锡青铜网，在铜网层上通过辊轧，铜网孔隙中充满耐磨塑料即改性聚甲醛，层厚0.45∽0.50mm。铜网层网格孔隙分布均匀，利于与塑料的结合，粘结强度较高，具有较好的干摩擦与水润滑特性。 3.2 驱动装置 3.2.1 电动机 电动机的选择，主要考虑两个因素，一是按照最大启闭荷载及启闭速度确定电动机的功率；二是按启闭机类型和工作条件选择电动机型式和工况。由于本启闭机吨位较小 ，计算静功率为7.9KW，选择YZ型冶金及起重用三相异步电动机，该鼠笼式电机无需串电阻启动，电气控制设备较为简单。启闭机起升高度10m，启闭一次约6.4min，按10min短时工作制，15%接电持续率选择，电动机型号为YZ160L，功率9KW，转速694rpm。 3.2.2 减速器 水利工程启闭机的运行特点是低速重载，软齿面减速器在长期运行后，易引起齿轮结合面的点蚀和剥落，导致启闭机在运行过程中产生振动和噪音，严重影响闸门的安全运行。在总结国内水电工程减速器运行经验的基础上，本机采用QJRS型中硬齿面减速器，齿轮齿面接触强度进一步提高，在重载运行情况下，可有效地避免齿轮发生点蚀、胶合破坏，提高了设备的安全可靠性。 3.3 保护装置 本机设有荷载限制器和高度指示装置 3.3.1 荷载限制器 为了防止闸门提升过程中启闭机超载，引起电机过载、钢丝绳拉断等事故，启闭机必须设置荷载限制器。荷载限制器分为机械式和压电式两种。机械式荷载限制器的工作原理是利用钢丝绳受力大小的不同，使弹簧产生不同程度的压缩变形，当压缩量超过设定的范围时，触动限位开关，从而切断电动机电源。由于水利工程启闭机工作环境较为潮湿，且工作次数较少，弹簧极易产生锈蚀与变形，从而缺乏弹力，导致荷载保护装置失灵。为确保启闭机运行安全，本启闭机采用压电式荷载限制器。 目前，常用的压电式荷载限制器，具有过载和欠载两种保护功能。设计采用QCX型限制器，直接安装在卷筒轴承座的下方，当钢丝绳受拉时，传感器将承受的压力转换成电信号输出，并通过电器元件将电信号转换成与实际负荷相对应的数值显示于控制柜上，以便操作人员了解启闭机运行情况。运行时，当启闭荷载达到额定荷载的90时，传感器发出声光报警信号；当钢丝绳不受力或拉力超过额定荷载的10时，自动切断电动机电源，启闭机停止工作。 3.3.2 高度指示装置 高度指示装置包括闸门开度仪和主令控制器，用于控制和显示闸门位置。 闸门开度仪采用GD-4型光电编码器，作为数据采集元件，安装于卷筒端部，与卷筒同步旋转并输出与转角对应的数据信号，其接收装置既可安装于现场，也可安装于远方控制中心，通过数码显示和信号输出，可观察或控制闸门的准确位置，便于实现操作自动化。 主令控制器采用LK4系列，为机械式限位保护装置。该装置由卷筒通过链条、链轮驱动旋转，借助主令控制器内装设的凸轮触头，可自动控制闸门的升降位置，当闸门到达预先设定的上、下极限位置时，自动停机。 4 启闭机检修设备 六台启闭机配备一套手动单梁悬挂起重机(如图四)，供设备检修之用。 主要技术参数： 型号 SDXQ-3 起重量 30KN 起升高度 5m 跨度 3m 轨道长度 2x72m 后河水库为重力拱坝，起重机大车须在两条不同半径的悬吊式弧形轨道上行走。上游和下游轨道曲率半径分别为R1=118.91m和R2=115.91m。为使起重机在弧形轨道上行走自如，两条轨道上的行走车轮应有不同的直径(图五)。 大车的行走由链轮控制，导链驱动链轮转动时，两条轨道上两个主动轮作相同的转动，但行走的弧长不同。根据两行走弧长所对应的中心角相等的条件，可确定车轮直径大小： 由 由于吊车行走在曲率半径不同的两条轨道上，除应采用不同的轮径外，还可采用带有旋转立柱的滚轮支承结构，以防止啃轨。但因本机为手动驱动，大车行走速度甚低，采用异径设计应能满足运行要求。 后河水库溢流坝启闭机及其检修设备均已安装调试完毕，投入使用，运行情况良好。 <