新型高效“电动-手动”卷扬启闭机研制及应用

曾 文，杨 芳，夏 理

（中国水利水电夹江水工机械有限公司，四川 夹江614100）

1 概述

卷扬启闭机是闸门启/闭的主要操作机械设备之一，也是水利水电工程流量、水位调节及防洪泄洪的主要关键设备。

目前，重要的水利水电工程均配备有备用电源，当发生停电事故时，改由备用电源供电。这种方式能够在正常供电发生停电事故时，启闭机可以正常运行，避免出现事故，但无法在备用供电系统出现故障或电动机出现故障的情况下，操作闸门启闭，所以一些安全要求高，尤其在供电无法保证的地区以及地震多发地区的水利水电工程的启闭机，提出采用“备用电源+人工操作”安全保障要求，确保可以在无电或驱动电机故障情况下安全可靠启闭闸门，保证水利水电工程安全运行。

在巴基斯坦、尼泊尔等南亚国家的水利水电工程，闸门启闭设备多数都有手、电两用功能的要求，“电动-手动”两用卷扬启闭机尤其适用。针对国内、外对启闭机“人工操作”的需求和卷扬起升机构的负载特点，我们研制了一种操作方便、可靠性高的新型高效“电动-手动”卷扬启闭机，下面对相关研制及应用作简要介绍。

2 关键技术研究

2.1 卷扬起升机构负载特点

卷扬起升机构是通过电动机、减速器、卷筒、钢丝绳、滑轮组及吊具提供下放关闭、提升开启或持住闸门，具有典型的位能负载特性（其中，卷扬起升机构无法提供部分闸门要求强制闭门需要的下压力，所以卷扬启闭机不适用于有强制闭门工况要求的闸门设备）。

由于卷扬启闭机提升的负载为位势能性负载，不管闸门是起升或下降或持住状态，传动系统中的力或力矩的方向始终不会变化，即起升时负载方向与驱动方向相反，下降时负载方向和驱动方向相同。

2.2 总体方案比较

在位能负载特性机械设备运行过程中，当出现停电事故或电动机故障转到手动或应急操作时，手动或应急操作装置必须具有持住位能负载力或力矩的自锁或持住功能，以确保安全。考虑应急操作装置自锁或持住方式，提出了4种技术方案：①双向超越离合自锁方案；②具有自锁功能的蜗轮蜗杆传动方案；③棘轮机构锁定方案；④“人工持住＋销轴锁定”方案。各方案比较情况见表1。

经分析比较，最终确定采用“双向超越离合”自锁方案，其中，超越离合器是利用主、从动部分的速度变化或旋转方向的变换，可视为具有自行离合功能的离合器。用于超越或传递转矩、精确定位、防止逆转，应用到位能负载特性机械设备的输入转换装置中，使得整个输入转换装置具有自锁可靠，主动输入端解脱轻便，传动效率高，承载能力大的特点。

表1 应急操作方案比较表

2.3 高效输入转换装置的研发

2.3.1 原理

（1）输入转换

主传动输入轴（电动）中间采用两个轴承支承在箱体上，两端分别悬臂于箱体外和箱体内，箱体内部分同时作为输出轴一端的支撑和手、电离合的一部分；输出轴一端支撑于主动轴箱体内的端部轴承上，另一端由箱体上的轴承支承，主传动输入轴和输出轴之间设置有齿轮离合器和辅助输入轴等的相关零件，详见图1；工作时拨叉左右拨动齿轮离合器使主传动输入轴和输出轴连接或断开，同时实现与手动辅助输入的断开或连接，工作状态见表2。

表2 输入转换工作状态表

（2）双向超越离合器特性

图1 高效输入转换装置结构示意图

双向超越离合器由主动端、从动端、外环（固定环）及楔形块等组成，详见图2。当双向超越离合器外环（固定环）不动时，从动端受外力矩的作用，有顺时针和逆时针转动的趋势，则均会被楔形锁紧系统锁死不能转动；主动端受外力矩的作用，顺时针或逆时针转动时，锁死的楔形锁紧系统块均能顺利解脱，从动端也同步转动。应用在位能负载特性机械中，当双向超越离合器外环（固定环）固定时，具有从动轴双向自锁和主动轴双向解锁功能。

（3）工作原理

图2 超越离合器结构示意图

输入转换装置的结构原理，见下页图3。

假设输入转换装置“串接”到传动系统中，电动机布置在主传动输入轴侧，输出轴连接主减速器：1）当输入转换齿轮离合器处于主传动输入轴“断开”，辅助输入轴“连接”的状态时，位能负载产生的转矩通过传动齿轮和锥齿轮作用到双向超越离合器的从动轴（孔）上，由于外环（固定环）固定在箱体支架上，从动轴（孔）的顺时针或逆时针转动趋势，均会被楔形块锁死不能转动，即实现了“位能负载的持住”功能。当人力转动手摇柄时，人力产生的力矩驱动主动轴（孔）顺时针或逆时针转动时，锁死的楔形块均能顺利解脱，从动轴（孔）也同步转动，从而驱动辅助输入轴并将力矩传递到主减速器；2）当输入转换齿轮离合器处于主传动输入轴“连接”，辅助输入轴“断开”的状态时，电动机驱动主传动输入轴并将力矩传递到主减速器。

图3 结构原理图

同理，当输入转换装置“并接”到传动系统时，电动机与主减速器一侧输入轴连接，输入转换装置的输出轴与主减速器另一侧输入轴连接，也可以实现“电动-手动”的转换，详见图4、图5。

图5 并联布置方式

图4 串联布置方式

按照上述原理，我们设计了专用的新型高效“电动-手动”输入转换装置，并取得了发明专利。

2.3.2 特点

（1）负载持住

为保证安全，起升机构工作制动器应布置在主减速器的高速轴（即输入轴）上，“电动-手动”输入转换操作就涉及到“输入转换齿轮离合器”与起升机构中的工作制动器配合。

如图5所示，从“电动”转为“手动”时，工作制动器处于常闭状态，拨动“输入转换齿轮离合器”使电机与主传动输入轴“断开”，辅助输入轴“连接”，手动打开工作制动器，此时依靠双向超越离合器持住“位能负载”，即可进行手动启闭操作。反之，首先操作工作制动器使其处于常闭状态，然后拨动“输入转换齿轮离合器”使电机与主传动输入轴“连接”，辅助输入轴“断开”，此时依靠工作制动器持住“位能负载”。两种转换操作过程中始终能可靠持住“位能负载”，可确保安全。

（2）效率

电动时的综合传动效率：

式中ηj-减速器传动比：0.94

ηH- 滑轮组效率： 0.975（2倍率）

ηt-滚动轴承效率： 0.98

ηC-输入转换装置效率： 0.97

ηL-联轴器效率：0.993

手动时的综合传动效率：

式中ηj-减速器传动比：0.94

ηH- 滑轮组效率：0.975（2倍率）

ηt-滚动轴承效率：0.98

ηC-输入转换装置效率：0.90

ηL-联轴器效率：0.992

（3）速比调整

手摇驱动转速的范围相对固定，手动人力操作的出力符合人体工程学的相关要求，综合考虑双向超越离合器承载能力以及主减速器速比等因素，需要重点考虑调整：1）手动摇柄到超越离合器“主动轴”的齿轮传动速比；2）辅助输入轴到超越离合器“从动轴”的齿轮传动速比。具体可根据计算优选确定总速比，然后分配到相关的各级齿轮传动。

3 启闭机的设计实例

3.1 技术参数

启闭力：200kN

扬程：12m

电动启闭速度：2m/min

手动应急操作速度：0.15m/min

滑轮倍率：2

电机功率：9kW

减速器：QY4D315-280

卷筒直径：φ440mm

3.2 启闭机布置图（见图6）。

图6 启闭机布置图

4 应用

高效输入转换装置已研发完成，并应用到了巴基斯坦、尼泊尔、罗塞雷斯等国家的水利水电项目中。

表2

（1）应用于巴基斯坦水利拦河坝项目（见图7）。

图7 启闭机布置图

（2）应用于罗塞雷斯水电站2×320kN门机的起升机构（见图8）。

图8

（3）应用于尼泊尔水电项目（见图9）。

图9

5 结语

水利水电工程的启闭机有较高的安全运行需要，尤其在供电无法保证的地区以及地震多发地区的启闭机，更是要求采用“备用电源+人工操作”的安全保障模式，为此我们主要针对位能负载持住、传动效率、输入转换及速比调整等提出了“双向超越离合器自锁方案”，并针对性研制了新型高效“电动-手动”卷扬启闭机。该型式的卷扬启闭机在位能负载持住原理、传动效率、安全可靠性、操作方便性等方面明显不同于传统的“自锁蜗轮蜗杆”等手动操作方案的启闭机。在水利水电工程应用中，体现了高效率和高可靠性的技术优势，目前已在苏丹、尼泊尔水电站及巴基斯坦等水利工程中大规模使用，截止2017年底，共计安装投运了180余台套，得到多个工程业主的好评，移交顺利并获得业主颁发的无瑕疵证明，具有广泛的推广价值。