轴销荷载保护在螺杆式启闭机中的研究与应用

官国焱

（福建省九龙江北溪管理局，福建 龙海 363107）

0 引言

福建省九龙江北溪水闸工程位于漳州市境内，主要由南、北港各 2 座拦河闸，船闸，左干渠和中干渠组成。其主要任务是拦河蓄水，引水至漳州、龙海和厦门市等地，解决这些地区的农田灌溉，并兼顾城乡供水及下游地区防洪及航运等。南、北港水闸和船闸为液压启闭机，左干渠隧洞进出口为卷扬式启闭机，中干渠进水闸及左干渠沿线部分站点水闸为螺杆式启闭机。

九龙江北溪水闸在自动化控制系统改造后，南、北港水闸已实现了系统集中控制，极大地提高了运行管理水平和效率，减轻了运行人员的工作强度，左干渠引水改造工程二期后的各个站点也朝着无人值班少人值守的自动化控制目标实施。中干渠进水闸闸门控制系统虽然也经过了自动化改造，但是由于没有进一步有效预防闸门顶闸事故保护措施，以致由于人为或非人为因素引发的顶闸或螺杆被顶弯等事故时有发生[1]。在启闭机运行过程中如果运行人员操作不当或监管不到位，极易发生顶闸事故，导致螺杆压弯、启闭机端盖被顶碎、启闭机梁被顶断，混凝土梁上缘开裂，严重时启闭机台发生移位、倾覆，甚至造成人员伤亡[2]。现场螺杆已被顶弯严重，发生塑性变形而无法恢复。同时，在运行管理上也无法实现远程集中控制，必须要 2 个以上运行人员到现场运行操作，以保障运行的安全。因此，深入开展螺杆式启闭机预防顶闸事故的研究保护，具有现实的指导意义。

1 轴销荷载保护原理

1.1 螺杆式启闭机预防顶闸事故现有主要措施

目前，螺杆式启闭机预防顶闸事故的措施主要有：加大启闭机连杆与闸门门叶的连接间隙；在电动机与电机皮带轮间加装超载安全装置[3]；在启闭机与启闭机台安装处加装弹簧；利用直流电机的机电特性，加装电流保护器[4]等。不过，这些措施或多或少都存在一些不足，自动化程度不高，受使用环境影响较大，无法全面推广使用。

北溪水闸中干渠进水闸经过综合自动化改造后，主要保护只有限位开关及 PLC 程序控制，通过闸位仪采集开度数据进行运行控制，远程集控和现地程控只能按设定开度运行，启门上行时可精准运行，但在闭门下行时却无法判断水下状况，无法有效预防顶闸事故的发生。

1.2 轴销荷载保护原理

轴销荷载保护的思路来源于固定卷扬式启闭机的荷载保护，北溪引水左干渠改造二期进水口和出水口的启闭机均为固定卷扬式启闭机，其保护中含有荷载保护一项。受此启发，通过分析螺杆启闭机在无闭门力的运行过程中，螺杆与闸门吊点处轴销的荷载受力情况可知，闸门在运行过程中，轴销受力随阻力的变化而变化，具体公式如下：

式中：Fa为闸门启门上行时螺杆轴销处的拉力；Fb为闸门闭门下移时螺杆轴销处的拉力；G为闸门自重；Ff为运行过程中水压及摩擦等的综合阻力。

具体受力分析如图1 所示。

图1 闸门运行时轴销受力图

在下行过程中，轴销受到的拉力与阻力之和小于等于闸门自重，闸门堵卡时阻力增大，拉力减小，当堵卡到一定程度，拉力值将减小到某一数值时，保护动作，切断电源，从而达到保护目的。

2 轴销荷载保护实验

2.1 实验方法

轴销荷载保护实验方法为采用一台轴销式称重传感器代替原螺杆和闸门间的连接轴，并模拟螺杆启闭机正常的启闭运行及顶闸状况，通过实验仪表记录轴销的实时受力情况，最后分析数据，看是否符合保护原理。

2.2 实验设备

轴销荷载保护实验主要设备为 1 台轴销式称重传感器及监测仪表。

2.2.1 轴销式称重传感器

轴销式称重传感器综合了多种测力机构，直接将轴上的力变送成 4～20 mA 或者其他多种工业信号，以适应不同工况的需求，体积小巧，安装方便。适用于港口和码头货物的计量及启闭机、起吊设备的安全检测及保护。轴销式称重传感器是 1 根承受剪力作用圆轴，应变计嵌在中心孔内凹槽中心，通过组桥测量方式，即 2 个凹槽处的应变计共同组成 1 个惠斯通电桥，或分别组成惠斯通电桥再并联进行测量[5]，其具有以下特点：

1）弹性元件为整体圆轴，结构紧凑，外形简单，可加工出各种尺寸和形位精度；

2）轴截面具有很强的抗弯曲、抗扭转能力，并且轴销中心轴处的应力最大；

3）与相关承力部件安装简便；

4）采用定制化生产，可根据不同客户需求定制专属方案。

本实验根据现场实际情况，定制了 1 个量程为100 kN 的轴销式传感器，材质采用不锈钢，具体技术参数如表 1 所示。

表1 技术参数表

在本实验中采用轴销式称重传感器取代原轴销，工装如图2 所示。

2.2.2 监测仪表

检测仪表采用 TY5D/A 数字式智能仪表，它与各类模拟量输出的传感器、变送器配合，完成压力、温度、液位、流量及力和位移等物理量的测量，变换，显示，传送，记录和控制。它具有以下特点：

1）误差小于 0.05%F·S，同时具备调校、数字滤波等功能，可有效减小传感器、变送器的误差，提高系统的测量和控制精度；

2）适用范围广，可用于电压、电流、热电阻、热电偶、电位器等信号类型；

图2 轴销式称重传感器工装图

3）具有 2 路报警输出，以及 2 种报警方式；

4）高速、高效的网络化通信接口，实现计算机与仪表间完全的数据传送和控制。

本实验主要利用该仪表完成轴承式称重传感器的受力信号的测量、显示、传送、记录和控制功能。

2.3 实验数据分析

通过监测仪表实时监测螺杆式启闭机启、闭门运行过程及模拟发生顶闸事故时的受力情况，得到轴销受力曲线如图3 所示。

图3 轴销受力曲线图

图3 中 ab 段为闸门从全关状态启门上升到设定开度阶段，bc 段为闭门下降到全关位阶段，cd 段为模拟顶闸事故受力情况。

本实验中，钢闸门自重 5 t，从曲线分析可知，轴销受力完全符合受力公式（1）和（2），证明了此保护原理是正确可行的。

同时，从实验监测数据可知，该轴销式称重传感器受力具有方向性，这使其应用范围更为广泛，不仅可应用于无闭门力的运行工况，也可以应用于有闭门力的运行工况，保护中只需设定相应的保护值即可。

3 保护应用及安全性

3.1 保护应用

福建省九龙江北溪水闸中干渠进水闸于 2013 年对螺杆式启闭机进行了改造，在加大螺杆与闸门门叶间隙的同时，采用了轴销式称重传感器替代原螺杆轴销，应用轴销荷载保护作为预防螺杆式启闭机顶闸事故发生的主要保护措施，利用轴销式承重传感器和监测仪表进行实时受力数据监测，并将其报警输出继电器接入启闭机启、闭门控制回路。

根据正常运行时轴销的受力情况，设定相应的保护动作值。在启门上升阶段，如果闸门门槽有异物卡阻导致启门异常，实测数值大于设定的上限值，保护启动；在闭门下行阶段，如果闸门门槽或底部有石块、木头等异物卡阻导致闭门异常时，实测数值小于设定的下限值，保护启动。保护启动时，报警输出继电器动作，控制回路接触器线圈失电，主触头断开，电机停机。

在正式的保护应用中，轴销式称重传感器将轴上的力变送成 4～20 mA 或者其他多种工业信号，直接传送到 PLC 的模拟量信号处理模块，并进行相应程序处理，即可完成闸门自动化控制系统对该保护的实时检测，实现对螺杆式启闭机安全可靠的远程控制。

由于轴销式称重传感器具有方向性，该保护不但对无闭门力露顶式闸门启闭机有效，对于需要一定闭门力的场合同样适用。

3.2 安全性分析

3.2.1 保护动作迅速可靠

轴销式称重传感器具有优良的技术特性，综合精度高，灵敏性好，且作用于螺杆和门叶的连接，荷载变化更能直接反映出闸门的运行状况。相比其他保护，轴销荷载保护能在螺杆还未发生反向受力时即可启动，保护动作迅速可靠，不仅避免闸门发生顶闸事故，还能极大减少螺杆被压弯的情形，大大减小维护工作。

3.2.2 环境适应性强，性能稳定

轴销式称重传感器的一体化圆轴设计，加上采用不锈钢材质制作，在北溪水闸这种沿海高温、高湿、腐蚀性较强的感潮河段，表现出了良好的环境适应性，有效避免了元器件因锈蚀老化导致保护误动或拒动的状况。轴销荷载保护的数据采集、传输、显示正常，保护反应灵敏，动作迅速。

3.3 多措并举，确保安全

通过增加轴销荷载保护，并通过有效及时的维护技术措施，加强运行人员安全操作技术培训[6]，彻底杜绝了螺杆启闭机顶闸事故的发生，大大提高了水闸综合自动化远程控制的安全性、可靠性和时效性。

4 结语

通过对轴销荷载保护在螺杆式启闭机预防顶闸事故中的研究和应用，该保护措施改装经济便捷、安全可靠及可定制化的灵活性，完善了北溪水闸闸门综合自动化监控系统远程控制，彻底杜绝了启闭顶闸事故的发生，对于九龙江北溪引水左干渠沿线闸站的螺杆式启闭机顶闸事故的预防，以及下阶段实现水闸管理的进一步自动化、网络化、智能化具有重要的应用价值。