刍议水工钢闸门启闭设备选型

代 威

（1、太原理工大学 山西太原 030024；2、山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

水利水电工程上将启闭闸门的各种起重机械通称为闸门启闭机。不同类型的启闭机多数用它的机械结构特征来命名，比如卷扬式启闭机、螺杆式启闭机、液压式启闭机等等。不同类型的启闭机，有着不同的特点及相应的适用范围，本文尝试就启闭机选型方面做一些探讨。

1 常见的启闭机形式及其特点

与闸门配套的启闭机形式一般根据闸门的形式、孔口尺寸、孔口数量和运行条件等因素以及启闭机本身的特点来选择。根据近年来我省大部分闸门启闭设备的选择，此次仅对几种常用的固定式启闭机，结合其自身的主要特点，作以阐述及对比。

1.1 固定卷扬式启闭机

固定卷扬式启闭机一般由起升机构、机架及电气控制机构组成。其工作原理为：电机带动制动轮联轴器和减速器带动齿轮及卷筒转动，卷筒上钢丝绳又用通过动滑轮和平衡轮实现吊头的升降。

固定卷扬式启闭机由于在起重容量和扬程方面有着宽广的适用范围，且结构相对简单，维护方便，因此使用极其广泛。水利工程中的启闭机，常用的QP系列，其启门容量从50 kN到3 200 kN都有样本可以查阅，便于设计选择。随着水利工程的日益复杂，规模不断加大，面对大孔口，高水头，启闭机的容量亦是做的越来越大。例如位于四川省的锦屏二级水电站，选用了一台9 000 kN的固定卷扬式启闭机；在建的向家坝水电站导流底孔封堵闸门孔口尺寸大，水头高，其卷扬式启闭机容量为2×10 000 kN，扬程更是高达70 m。

但是由于卷扬机是柔性钢丝绳提供拉力，因此只适用于依靠自重或加重关闭的闸门。

1.2 螺杆式启闭机

螺杆启闭机，是由蜗轮、承重螺母、起重螺杆、传动机构、机架、安全保护机构等几部分组成。其原理主要是传动机构最终驱动承重螺母转动，从而使螺杆沿轴向做升降运动，螺杆下部与闸门吊耳相连，以达到闸门开启或关闭的目的。螺杆机其中容量一般从5 kN到500 kN，而在我省尊村引黄工程中，进水闸使用的为大容量750 kN螺杆启闭机，已运行30年有余，状况良好。螺杆启闭机扬程设计一般在5 m以内，个别的可达到7～8 m。对于要求提供下压力的闸门，螺杆机的扬程由螺杆的稳定性来最终确定，如果闸门一般只提出孔口即可，亦可以通过在胸墙上增设稳定支架而增加其稳定性。在一些工程设计中，可有意将启闭机规格提高，目的是在选用定型产品的原则下，使用直径较粗的螺杆，这样既增加了螺杆的稳定性，又不会浪费产品规模。

由于螺杆启闭机结构简单，操作方便，可以在任意开度实现自锁，从而实现闸门长时间局部开启，自身占地小，对启闭机机房要求较低，且造价低廉，容易实现自动化等因素，被广泛应用于小型水利水电工程上。此外螺杆启闭机由于起重螺杆在下降过程中能够对闸门施加一定的下压力，帮助闸门降落，因此这种启闭机对于依靠自重不能关闭的闸门特别适用，这一点更是弥补了固定卷扬机的不足。我省目前所有螺杆启闭机全部用于启闭平面闸门，但在外省的一些小型闸门启闭设备选型中，启闭弧形闸门的螺杆机实例亦不少，此时仅需要设置可以摆动的支撑，或设置导轨、滑块以及铰接吊杆与闸门连接即可。

螺杆启闭机也有自身的缺点，比如其不能实现快速启闭闸门，无法启闭事故闸门；机械效率很低，总传动效率大致为0.25左右；另外实际使用时格外需要注意行程控制问题。在众多实际工程中，螺杆机在使用中常因操作不当，导致螺杆弯曲，所以螺杆启闭机，尤其是电动螺杆启闭机必须设置行程限位开关，以保护螺杆不会变形。

1.3 液压式启闭机

液压式启闭机是利用液体的压力，来进行能量传递的一种方式。其一般由液压系统和液压缸组成。在液压系统的控制下，液压缸内的活塞沿缸体内壁做轴向往复运动，从而带动连接在活塞上的吊杆和闸门作直线运动，以达到开启及关闭闸门的目的。液压系统一般包括动力装置、控制调节装置、辅助装置等，多套活塞缸可共用一套液压系统。

采用液压传动的启闭机有以下几个优点：1）双作用液压机不但可提供拉力，亦可提供下压力，从而提供闭门力；2）油缸结构相对简单，传动平稳，电传动与电气控制结合便于实现自动化；3）液压机缓冲性能好，调速方便，可以实现快速启闭闸门；4）启闭机结构紧凑体积小，重量轻，但承载能力大；5）容易实现过载保护，部分关键元件可实现自动润滑；6）一套液压站可以控制多台液压缸，实现一站多控。相对于传统卷扬机而言，可以减少启闭机房面积，减少土建部分投资。但液压传动也有缺点，主要如下：1）在液压元件与油缸相对运动的表面，不可避免地会存在泄露，因此对加工面的加工精度要求较高。2）由于闸门开度的要求，油缸行程较大时，启闭机活塞杆比较长，需要专用机床锻造研磨加工，特别是对于大容量长行程的油缸更是如此。3）油缸密封圈属于易损件，更换时需要把油缸整体拆解，工作量大，且专业化要求程度高。4）液压系统自动化程度高，当出现问题时，液压系统几乎瘫痪，维修工作复杂。5）液压泵站机房对消防、通风、防潮及排水等有严格要求。

液压式启闭机起重容量可以很大，目前常见的深孔弧门用液压机，其启门容量可达5 000 kN，但扬程往往受到加工设备的限制，不能太大，常见的液压缸行程一般控制在11.5 m以内。双向作用液压启闭机可提供下压力，故多用于操作深孔平面闸门和深孔弧形闸门。如操作深孔弧形闸门时也应设置铰轴或导轨及配套滑块，并使用铰接吊头与闸门连接。

2 设备选型的设计体会

液压设备，它似乎代表着最先进的生产力，与之配套的则是自动化，无人值守。从事设计工作时，会有业主主动提出，要用高科技，要上自动化，要用液压机。自动化是时代所向，但是正如上文论述的那样，过于高度的自动化带来方便的同时，也带来了弊端，例如当自动化设备失灵时，我们很难手动介入，例如前些日子，晋中某水电站事故闸门钢丝绳断裂，问及当时操作人员是否充水平压过，他说设备是自动化控制的，他也不知道是否平压了，只是感觉这次操作平压好像与过去的不一样，问及钢丝绳是否有上升的过程，回答是没注意，因为是自动化控制的；当暴雨来袭，坝上电力出现问题，甚至发生电力中断时，自动化设备更容易陷入瘫痪，例如，2013年夏，有几日我省大部地区连降暴雨，其中某水库，因为电力系统出现小问题，但是当时并未注意到，结果导致闸门无法正常开启，结果坝顶过水，险些酿成事故。最后连夜将柴油发电机组运至现场正常供电后，问题才解决。而液压设备的检修与日常维护对于一个大型水库来说不是问题，但是如果是未来两年我省即将投入建设的小型水库过多的采用液压设备，维护保养问题，则是真正需要关心的。在我们山西的水库，尤其是小型水库，是否运行会如我国南方城市那样频繁，保养是否能那么到位？那么如何保证闸门在需要启闭时，设备真正能用、好用，这也应该是设备选型时需要考虑的主要问题之一。

业界现在普遍认为手电两用螺杆启闭机诞生的很早，因此它也相对落后，但应该看到，螺杆启闭机价格低廉，结构简单，对加工精度要求不高，维修容易，工作稳定，操作方便这些都是非常重要的优点，尤其适用于我们的水利工程。而且螺杆机也容易实现自动化，容易实现远程控制，更重要的是实现自动化的同时，现地手动操作可以也非常简单方便，对于闸门的开度既可以简单地通过尺子丈量，亦可以通过简单地倍率换算，通过对手摇的圈数的统计，算出闸门的开度，这样虽然会有误差，但是此误差绝对是在可以接受的范围。至于螺杆效率低下，在我们北方城市，这也不是主要问题。因为我们的启闭机使用频率并不高，这对当下倡导的节能减排来说，影响甚微，这一点与水泵、水轮机的效率高低产生的影响截然不同。

在创新型社会的背景下，传统的螺杆机也可以有所创新，比如更改承重螺母的材质，以提高其润滑性能，提高机械效率的同时减少日常保养的工作量。也可以将传统螺杆机与闸门稍加改动，制作出暗杆式螺杆机，即螺杆仅做旋转运动，承重螺母固定于闸门门体之中，如此一来，闸门便可随着承重螺母一同上下运动，实现闸门的启闭，这样设计不仅美观，还可优化启闭机房的部分结构，甚至降低启闭机房的净空高度。

综上所述，在小型闸门启闭设备选型上，相对于液压启闭机笔者更推荐在设备允许的条件下使用这种结构简单，又可以提供下压力的启闭设备——手电两用螺杆启闭机。

设计工作有时很难评判对与错，更大程度上应该是合理与不合理。从事设计工作本身就应该是一个不断优化的过程。一个设计成果通常而言只要是符合规范的，皆可认为是对的，但是不一定是好的。那么如何从“不犯错”的设计变成好的设计，从好的设计优化到最好的设计，这是每一个从事设计的人员应该考虑的，不同的人可能从不同的方面考虑有不同的结果，但是在一定的历史背景下，好的有很多，但是最好的，却只有一个。启闭设备的选型同样是这样，设计是否合理，也许只能通过时间的积淀最后留由后人来评判。