高扬程小吊点距卷扬式启闭机方案优化设计

马山玉 侯燕

摘 要：通过列举对比卷扬式启闭机设计方案，分析比较优选出技术可行、经济合理的卷扬式启闭机布置形式，探讨高扬程小吊点距卷扬启闭机优化设计方法。

关键词：卷扬式启闭机；高扬程；双吊点；折线卷筒；设计方法

1 启闭机设计概况

某小型水库以农业灌溉为主，兼顾防洪和小水电，右岸坝肩设有灌溉输水洞，洞口设工作闸门和检修闸门，闸门孔口尺寸（宽×高）1.6×2.0m，设计水头26m。该水库兴建于1975年，闸门为无门槽侧止水混凝土平板钢闸门。闸门虽多次更换止水橡皮，仍漏水严重，原卷扬启闭机为单倍率螺旋卷筒，钢丝绳也不满足5倍安全系数，同时达到报废年限，需要对该水闸进行出险加固，更新更换闸门及启闭设备。根据除险加固方案，增设闸门门槽，更换混凝土闸门为潜孔式前止水平板钢闸门，更换卷扬式启闭机，启闭室仅重做内部装饰。原启闭机室楼板开设有两个1.0×0.6m吊点孔，吊点距为1.62m。因此，更新平板闸门必须为双吊点，将吊耳设置在平板闸门边梁上，最大吊点距为1.5m，启门力为2×160kN。该工程启门力虽然不大，卷扬式启闭机设计难点在于双吊点的吊点距仅为1.5m，且需要与原有的启闭机层楼板吊点孔口相匹配。为满足更新启闭机布置，启闭室楼板上两个的吊点孔口可根据需要分别向中部扩大约150mm。

2 启闭机方案比较

该工作闸门卷扬式启闭机的额定启闭力为2×160kN，扬程为30m，工作级别为Q2-轻，单侧绕绳段卷筒长度不大于1.1m。在满足启闭机设计规范要求、起升机构布置和安全运行的前提下，力求使启闭机技术先进、结构合理、整机重量轻、加工制造成本经济。

对于高扬程卷扬式启闭机，主要型式有：减少动滑轮倍率，带排绳装置的多层卷绕，自由双层卷绕，双双联滑轮组双层卷绕，折线绳槽卷筒的多层卷绕等。按《水利水电工程启闭机设计规范》钢丝最小安全系数取5.0倍，卷筒和滑轮最小直径为钢丝绳直径的20倍。因此动滑轮的倍率决定了钢丝绳的直径，钢丝绳的直径决定卷筒和滑轮的直径，卷筒的直径和绕绳层数决定卷筒的长度。无论采用何种形式，滑轮倍率、钢丝绳直径、卷筒直径和绕绳层数都是启闭机起升机构优化的关键参数。

2.1 起升机构可行方案

该工程启闭机额定启门力较小，起升机构设计时，动滑轮的倍率可选择1倍和2倍两种方案，卷筒可选单层螺旋绳槽和两层折线绳槽两种方案，将滑轮倍率和卷筒绕绳层数组合出四种起升机构布置方案，各种方案控制绕绳段卷筒长度不大于1.1m，绳槽布置及卷筒布置满足规范要求，绳尾最小安全圈数为3圈，单层绕绳时从两侧向吊点中部绕绳，压板圈数不计入有效绕绳段卷筒长度，双层绕绳时从中部向两侧绕绳，并经过计算各方案参数如表1：

2.2 驱动方案选择

对于启门力小于2×400kN的卷扬式启闭机，一般采用集中驱动形式。集中驱动仅设一台电机和一台减速器，集中驱动重量轻、经济指标较好。分别驱动采用两台电机和减速机，分别驱动具有容易布置、安装和维修方便，结构变形对驱动装置影响小的优点。

2.3 减速方案比选

卷扬式启闭机常用的减速传动方案有闭式传动和开式传动。闭式传动卷扬式启闭机主要由机架、电机、制动器、减速器、卷筒、轴承座、钢丝绳、滑轮组等零部件组成，电机驱动力矩通过减速机的高速轴输入后，经减速机减速后从低速轴输出驱动卷筒。与闭式传动相比，开式齿轮传动卷扬机的减速器与卷筒之间多了一对啮合齿轮幅，减速机的输出轴带动小齿轮转动，小齿轮带动与卷筒相连的大齿轮转动。开式传动虽然多一对齿轮幅，但开式传动卷扬机的减速机规格相对较小。

随着设计和制造技术的提高，一种新型CHC系列少齿差减速器在矿山和水利工程广泛应用。该减速机从高速部分输入、分流、减速到低速多齿同时啮合部分，功率合成输出，从而达到大速比、大扭矩输出的目的。同时采用少齿差减速器可取消开式齿轮，具有结构紧凑、体积小、重量轻的优点，本项目优先选择该新技术减速机产品，初步拟定采用闭式传动。通过计算卷筒转速、电机转速和输入输出功率，各方案减速机及电机如下表2：

2.4 可行方案比选

各方案的机架、制动器、轴承座、钢丝绳和滑轮组等所占经济比重较小，并且各种方案相差不大。电机、减速器和卷筒在整机经济性指标所占比重较大，因此将电机、减速器和卷筒作为经济比选的参数，各种方案的主要参数如表3。

以技术方案可行，经济合理的原则进行方案比选。技术方面，减速机和卷筒布置需要满足吊点距要求，同时需要兼顾整机重量较小的要求。通过综合对比表三各项参数，主要结论为：方案一和方案三为单层绕绳方案，无论是集中驱动还是分別驱动，卷筒和减速机的重量都比较大，经济性较差，首先排除。方案二和方案四为双层绕绳方案，方案二无论是集中驱动还是分别驱动，吊点均能满足要求，但不如方案四经济，并且方案二动滑轮倍率为1，钢丝绳一端固定在机架，另一端固定在卷筒，动滑轮随着卷筒侧钢丝绳的移动而相对转动，容易引起闸门震动，不利于闸门平稳启闭。方案四双层绕绳、动滑轮倍率为2，是比较经济的方案。分别驱动虽然需要两台电机、两台制动器、两台减速器，重量与集中驱动相差不大，且能满足吊点距要求，应该是最经济方案。方案四集中驱动不满足吊点距要求，虽然可通过优化卷筒直径解决，但优化后的方案设备自重将介于方案二集中驱动与方案四集中驱动之间，设备自重与方案四分别驱动相当，且一台电机不能形成对称布置，不如分别驱动美观，因此选用方案四的分别驱动方案。

3 启闭机方案优化设计

3.1 钢丝绳尾固定形式优化

钢丝绳尾与卷筒连接主要有压板式和楔块式两种方式，多层绕绳的卷筒多采用楔块式，压板式常用于单层绕绳。优选方案为2倍率动滑轮组双联，钢丝绳在卷筒上双层缠绕，因此钢丝绳的两个端头应固定在卷筒中部，钢丝绳从卷筒的中部向两侧绕绳，第一层绕满达到卷筒两侧端部后通过返回凸缘缠绕第二层，返回到中部时达到全关极限位置，这样既能保证钢丝绳在全开和全关状态下的钢丝绳最大偏角，还可以采用较为简洁和方便的压板法固定钢丝绳尾。在卷筒中部预留一个绳槽钻压板螺栓孔，通过一组压板分别压住左右两侧的钢丝绳尾端。钢丝绳在卷筒尾端的固定其主要是由钢丝绳的安全圈数和压板固定螺栓的个数来决定，适当增加安全圈数、压板和螺栓数量即可满足绳尾固定所需要的摩擦力。压板法固定绳尾，仅需占用一个绳槽，相关规范要求安全圈数不少于2圈，按3圈设计。

3.2 卷筒优化设计

高扬程卷扬式启闭机常用自由双层缠绕、双折线缠绕和单折线缠绕等多种方式。自由绕绳卷筒加工最为简单，但第二钢丝绳在绕绳时很容易压入第一层，存在排绳不整齐和磨损钢丝绳等问题。双折线绳槽在一圈内由两段直线和两段折线构成，钢丝绳在缠绕时需要折弯四次。单折线绳槽为双折线绳槽的变式，分别将两段折线合为一段折线，将两段直线合为一段直线，绕绳时钢丝绳仅折弯两次，且返回凸缘和整个卷筒更容易加工。

本项目卷扬式启闭机优选单折线绳槽卷筒，卷筒端部折线处设置渐变返回凸缘。卷筒直径越小，所需要的启门扭矩也约小。根据规范卷筒直径最小为钢丝绳直径的20倍，取卷筒直径为400mm。卷筒直径与钢丝绳直径比值介于20～35之间，折线对应圆周角取900。绳槽中心距取1.06倍钢丝绳直径为21.2，取整为21mm。卷扬式启闭机扬程为30m，双双联滑轮组，除第一层固定圈和安全圈共9圈外，单个卷筒左右两侧都应再卷绕60m钢丝绳。经过计算，单侧卷筒上左右两侧分别设26个绳槽，中部螺栓孔占一个绳槽，固定圈和安全圈共占用4个绳槽，第一层有效绕绳22圈，第二层有效绕绳25圈，共可有效绕绳61.7m。卷筒两侧返回凸缘分别为10.5mm，连接法兰为40mm，绕绳段卷筒长1134mm，卷筒总长为1214mm。

3.3 卷扬式启闭机布置

本项目2×160kN卷扬式启闭机吊点距为1.5m，单侧卷筒总长1214mm，两卷筒中部剩余距离为286mm，距离较小，因此将两侧的卷筒合并成一個整体，钢丝绳缠绕前通过预拉处理后按设计长度截取成等长的两段，分别绕在箭筒的两侧，并且在动滑轮与闸门连接吊轴处设高度调节装置，保证两吊点等高。减速机布置在两卷筒的外侧，减速机低速轴通过WZL型卷筒联轴器分别与卷筒外侧连接，此种布置没有轴承支座、通轴等零部件，为较合理的布置型式，布置图如图1。

4 结束语

工程应用中对于宽高比不大于1的闸门一般采用单吊点，常用的双吊点卷扬启闭机的最小吊点距约为1.8m，也制约了小孔口闸门采用双吊点的布置型式。双吊点闸门在启闭过程中不会因为闸门左右两侧的自重、止水摩阻力、支撑摩阻力不同而导致闸门在竖直平面内倾斜或晃动，比单吊点启闭平稳可靠。通过方案比选和经济分析，按本文优化布置方法可设计出吊点距为1.25m、扬程为30m的2×160kN卷扬式启闭机，亦可根据工程需要增大钢丝绳和卷筒直径，选择大容量电机、减速机、制动器和卷筒联轴器等零部件，可设计出大容量的高扬程卷扬式启闭机，方法相反时则可设计出小容量的双吊点高扬程卷扬式启闭机。这种优化后的双吊点卷扬式启闭机不仅技术可行、结构合理、整机重量轻、加工制造成本经济，还采用了：一组压板压钢丝绳两个端头、单折线绳槽返回凸缘卷筒结构、WZL卷筒联轴器、CHC闭式传动减速机等先进技术，值得在小孔口双吊点高扬程闸门上推广应用。

参考文献

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作者简介：马山玉（1982.4-），男，汉，工程师，学士学位，主要从事水利水电金属结构及机电设备设计研究，河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州，450016。