基于固定卷扬式启闭机的设计研究

张新利

【摘要】近年来，随着我国经济高速发展，各行各业都有大量工程需要建设、设备需要制造，设计人员在确保设计产品满足各种规范要求、能够安全可靠运行的前提下，还要千方百计地使产品节省建材，经济合理，节能环保。文章主要对应用于排涝工程2×3200kN-28m 固定卷扬式启闭机的机构布置、部件选型设计、设计计算以及大跨度吊点距同步设计情况等进行了阐述，可为今后固定卷扬式启闭机设计工作提供参考。

【关键词】技术参数；选型设计；电气设计；同步设计

1 工程概况

某排涝工程水闸闸室共设3 孔，每孔设工作闸门一扇。水闸边2 孔单孔宽度为15.5m，设2 扇工作闸门，采用上翻式旋转钢闸门，由液压启闭机启闭；中孔单孔宽度为32m，设1 扇工作闸门，采用直升式平面钢闸门，由1 台2×3200kN 固定卷扬式启闭机（以下简称启闭机）启闭。中孔工作闸门挡水水位按3.55m 设计，水位高于0.8m 时，闸门全关，闸门冲淤运行时允许局部开启。通航时中孔工作闸门全开， 启闭机起升高度28m 满足通航净空要求。该启闭机安装在37.0m 高程塔柱平台上，吊点距32.335m。

2 机构布置及主要部件选型设计

2.1 机构布置

启闭机由两套卷扬提升系统和相关的电气设备组成。卷扬提升系统主要由：电动机、联轴器、工作制动器、减速器、开式齿轮、卷筒装置、动滑轮组、定滑轮组、平衡滑轮组、钢丝绳、闸门开度显示及位置限制器、荷载限制装置、机架、安全制动器等组成。

2.2 主要部件选型设计

2.2.1 电动机

中孔水闸工作闸门按照门前水位3.55m， 门后水位0.5m 工况确定最大提门启闭力为2×3200kN。随着闸门向上提升，闸门前后逐渐平压，启闭力逐渐减少，最后启闭力与闸门自重相等。每套卷扬提升系统的起升速度为1.55m/min，起升高度28m，每提升一次需时约18 分钟，属于断续周期工作制。根据计算， 每台电动机计算静功率值为108kW，实际需选择110kW 电动机2 台。因为电机功率较大，如直接启动，启动电流大，所以使用变频电机配变频器启动，可以降低电机的启动电流，同时获得较大的启动转矩。采用变频电机能确保电动机起、制动安全，而且能保证电机运行平稳，实现无极调速。综合以上各点考虑，起升电机选择ABB 变频起重电动机：QABPZ315L8B ，工作制S3，

FC=40%，功率110kW/台，电机转速741r/min。

2.2.2 减速器

根据启闭机机构布置需要和传动速比要求，传动机构采用一级三级减速器和一级开式齿轮组合的传动方案。经计算，起升机构总传动比626，分配如下：减速器传动比125，开式齿轮传动比5.04。减速器采用中硬齿面起重机用底座式减速器，齿轮齿面接触强度高，能够有效避免减速器齿轮点蚀和胶合破坏的产生。由于电动机功率为110kW，因此选用QJRS-D800-125 减速器，其高速轴许用功率为115kW 满足使用要求， 其中心距1360mm 亦满足电动机和开式齿轮布置尺寸要求。

2.2.3 制动器

制动器采用盘式制动器，工作制动器为电液推桿盘式制动器布置在减速器高速轴两侧，每个吊点设2 套，电动机与减速器通过带制动盘的联轴器相连，安全制动器为液压盘式制动器布置在起升卷筒非大齿轮端，每个吊点设套台，制动盘安装在卷筒上。工作制动器和安全制动器按照额定启闭力选型，每一个制动器安全系数按总制动力矩计算大于1.25。

2.3 机架

机架由定滑轮支承梁、平衡滑轮支承梁、卷筒轴承座支承梁、上下游横梁等构件组成， 各梁之间相互构成各节点为刚性的空间框架。

机架主材采用Q345B， 主要由工字梁和箱形梁组成， 各梁的最大垂直挠度均控制小于L/2000（L 为跨度）。

2.4 电气设计

在现场控制柜上可现地操作控制启闭机，并能监控启闭机的运行状态；通过切换，也可以在远方中控计算机上对启闭机进行监测和操作控制。

2.4.1 控制功能

启闭机的电控部分采用了PLC 控制技术。两卷扬起升机构各由一台变频电机驱动，驱动控制系统采用一台变频器拖动一台电机的控制方式。根据起升机构位能性恒转矩负载和运行的大惯量负载的特点，起升机构调速方案采用能耗制动四象限运行的矢量控制变频调速系统，变频器与电机通过测速编码器实现速度闭环控制。可实现重载情况下平稳或快速的起动、制动，闭环控制还能使起升机构在零转速时输出额定转矩，避免了溜钩现象。

2.4.2 同步控制原理

电气设计上采取了如下措施，保证由相对独立的两套卷扬提升机构所起吊的闸门，在允许的同步偏差范围内移动。

（1）电机轴上都安装了增量型编码器，用于采集电机的转速信号，并将此信号反馈给变频器，形成闭环矢量控制，这样，可以实现变频器对电机速度的精确调节，保证启动过程和运行过程速度的准确性。即使负载发生变化（瞬时的冲击或缓慢的波动），电机也能按的预定的速度曲线平稳运转，为闸门两吊点按的既定的速度平稳运行奠定坚实的基础。

（2）两变频器的目标速度和加速度曲线，均预置了一致的参数，即在闭环矢量控制的方式下，两电机在理论上的运行曲线是一致的。因此不采用通讯控制的方式来启动变频器，而采用了更为可靠、更易于维护的电信号控制方式来同时启动两变频器，也能保证两变频器同步启动、运行。

（3）由于存在机械方面的误差，即使两电机的转速一致，也不能保证两闸门的两侧吊点以相同速度移动，而且电气变频同步控制系统的运行误差会有累积性。为此，在两启闭机卷筒轴上分别设置了两个绝对值编码器，用来检测闸门两吊点的实际开度。编码器数据通过PLC 的处理运算后，得出两吊点的实际开度偏差值。当偏差值累积达到一定程度时，由PLC 发出指令，改变其中一个电机的运行速度，使闸门两吊点回复一致的高度。这就形成了一个位置闭环控制系统。

（4）卷筒轴上的绝对值编码器把信号实时传递给PLC，在PLC 内对该信号进行比率整定，以消除机械传动固定误差。另外，由于绝对值编码器的数据在闸门全行程开度中，具有唯一性，并无积累误差存在，以其得出的开度位置值为基准，对吊点进行纠偏操作，可以纠正速度环控制中的积累误差。由此可保证闸门两吊点在移动过程中，保持在合符要求的偏差范围内。

3 设计特点

启闭机提升水闸通航中孔工作闸门， 为确保通航时的安全性，在启闭机每个吊点减速器高速轴处设置了2 套工作制动器，在每个卷筒装置处设置了1 套安全制动器，以此保证闸门提升到上极限位置时启闭机的制动器安全性。

启闭机为大跨度双吊点启闭机，对同步要求高，由于无法设置刚性同步轴，设计时以机械措施为辅，电气措施为主，保证启闭机双吊点同步运行：

（1）机械上：采用了螺旋绳槽卷筒钢丝绳单层缠绕、控制卷筒底径公差和预拉伸钢丝绳等措施。

（2）电气上：采用了变频器闭环矢量控制方式，确保两侧的起升电机速度一致， 同时采用绝对值编码器对闸门两侧的实际开度进行监测，对各种因素引起的闸门运行高差进行纠偏，最终确保无刚性同步轴的启闭机所控制的闸门同步运行。

【参考文献】

[1]SL 41 水利水电工程启闭机设计规范[S].2011.

[2]GB /T 3811 起重机设计规范[S].2008.

[3]张质文，王金诺，等.起重机设计手册[M].2 版.北京：中国铁道出版社，2013.

[4]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.