鉴江高岭拦河闸2×250 kN固定卷扬式启闭机设计

雷海，史田明，徐宜桢

(1.水利部产品质量标准研究所，杭州 310012;2.郑州水工机械有限公司，郑州 450042;3.郑州华润燃气股份有限公司，郑州 450000)

1 工程简介

高岭拦河闸位于广东省化州市杨梅镇高岭村东面、鉴江河下游、化州水文站以下8 km处，属鉴江第4级拦河工程。工程是以灌溉、供水为主，结合航运的大型拦河水闸工程，工程等级为Ⅰ等，工程规模为大(1)型。主要建筑物有拦河水闸、两岸连接土坝、左右岸水轮泵站、船闸等。其中2×250 kN固定卷扬启闭机布置在拦河闸工作闸门上部排架上，启闭机安装高程16.50 m，用于启闭拦河闸升卧式工作闸门，共16台。

2 启闭机组成及主要技术参数

2.1 启闭机的组成

2×250 kN固定卷扬式启闭机主要由传动机构、应急操作装置、机架、电气控制设备和安全保护系统等组成［1－2］。传动机构由电动机、联轴器、制动器、减速器、卷筒装配、导向滑轮和同步轴等组成;安全保护系统包括高度指示保护、荷载限制保护和其他必要的电气保护等。

2×250kN固定卷扬启闭机采用分别驱动方式，2套传动机构通过同步轴进行同步［3－4］。整机无定滑轮组，钢丝绳由卷筒近乎水平引出，经导向滑轮90°转弯后与闸门吊耳连接，吊点设在闸门下部靠近底缘处。门槽主轨由顶部水平段、转弯弧形段和门槽直立段3段组成。起升闸门时，电动机正向运转，钢丝绳收进卷筒，闸门在门槽直立段向上运动，当升至轨道转弯段时，由于吊头的偏心作用，闸门逐渐翻转，直至完全平卧，即起升时闸门的动作状态由直立运行翻转到平卧。关闭闸门时，电动机反向运转，钢丝绳放出卷筒，闸门的动作状态与起升时相反，即由平卧翻转到直立。

2.2 启闭机主要技术参数

额定启门力，2 ×250 kN;起升高度，15.00 m;启门速度，1.49 m/min;吊点距，14.72 m;卷筒直径，0.88 m;倍率，1;钢丝绳型号，44ZAA6 ×K36WS+IWR1870;工作制动器型号，TSS－L250/E30;减速器型号，JCHC500;传动比，1 406;电动机型号，HK160 L－8;电机功率，7.5 kW;荷载限制器，ZX －50t;高度指示装置，BGD400;应急操作装置型号，HGTD－20;整机工作级别，Q3－中。

3 主要设计特点

3.1 方案的确定

根据招标文件规定，启闭机需采用闭式齿轮传动机构和机械轴同步方式，并需配置应急操作装置和双工作制动器。为此，对启闭机进行了多方案的比较与分析，在符合SL 41—2018《水利水电工程启闭机设计规范》［5］(以下简称 SL 41—2018)及招标文件的情况下，尽可能降低设备制造成本，以求得到最优方案。经初步筛选，共拟出4个方案进行了比选。

方案1采用1台电动机驱动1台减速器的集中驱动方式。电动机和减速器均设在同一侧机架上，在减速器输入端，每侧各布置1台工作制动器;在减速器中间低速端设置双侧轴伸，一侧通过卷筒联轴器与卷筒直接连接，另一侧则通过传动轴与另一吊点的卷筒连接(如图1所示)。应急操作装置安装在电动机尾端［6］。

方案2采用1台电动机驱动3台减速器的集中驱动方式，即所谓“三机架方案”。其中2台大减速器型号相同，分别通过卷筒联轴器直接与每个吊点的卷筒连接。小减速器位于传动轴的中部，通过传动轴与两侧的大减速器连接(如图2所示)。在小减速器的输入轴端，每侧各安装一套工作制动器，应急操作装置安装在电动机尾端。

方案3是在方案2的基础上，将中间部位的电动机、小减速器、应急操作装置及中部机架等移到一侧吊点，使小减速器的一端输出轴通过联轴器直接与大减速器连接，另一端则通过传动轴与另一吊点的大减速器连接(如图3所示)。

方案4为分别驱动方案，每个吊点都有单独的电动机、减速器和制动器，且每台减速器输入轴端的两侧各安装1台工作制动器，整机共设4台制动器。减速器的低速轴端采用单轴伸结构，通过卷筒联轴器或齿轮轴端与卷筒相连接。两套传动机构通过机械同步轴实现同步，同步轴既不在输入轴上，也不在末级输出轴上，而是从减速器的中间位置引出［7－8］(如图4所示)。

图1 启闭机平面布置方案1Fig.1 Scheme 1 of hoist layout

图2 启闭机平面布置方案2Fig.2 Scheme 2 of hoist layout

图3 启闭机平面布置方案3Fig.3 Scheme 3 of hoist layout

图4 启闭机布置方案4Fig.4 Scheme 4 of hoist layout

3.2 方案比较和分析

升卧式闸门的启闭机钢丝绳与闸门直接相连，滑轮系统仅设导向轮，按照SL 41—2018的规定，当启闭机工作级别为Q3时，钢丝绳的最小安全系数为5.5。经计算，钢丝绳直径最小为44 mm，卷筒直径最小为20×44=880(mm)。

方案1的电机功率为15.0 kW，减速器输出轴最大扭矩240 kN·m，传动比约1 400。由于输出扭矩和传动比较大，根据目前已有的标准减速器样本无法选到合适的减速器。如进行非标设计，其研发周期较长，无法满足工程建设进度要求，且成本较高，经济性相对较差。

方案2将减速器分为2大1小，由1台小减速器驱动2台大减速器，每台大减速器的输出轴扭矩减小为120 kN·m左右，目前市场上可以供货，但缺点是需在闸墩之间增设机架桥，这将增加土建工程量。

方案3克服了方案2的缺点，但由于其中一侧机架上需要并排布置2台减速器以及电动机等，其平面尺寸较大，需要在这一侧的闸墩设置较大的平台，同样需要增加土建工程量。

方案4为分别驱动方案(如图4所示)，即每个吊点都有独立的驱动机构。2个吊点的启闭机尺寸完全一致，中间部位不需设置平台，机架平面尺寸也较小，水工建筑物布局合理，结构简单，设计难度较小。该方案最大优点是电动机功率可降至7.5 kW，减速器输出端扭矩亦可降至120 kN·m，当减速器传动比在1 400左右时，选用现有标准产品即可，无需开发研制非标准减速机，便于制造、安装和维护。

经过比较分析，最终确定采用方案4。

3.3 同步轴位置及支承形式的确定

双吊点卷扬式启闭机的同步轴通常设置在减速器的输出轴端，由于速度较低，一般可不计算轴的临界转速，缺点是同步轴尺寸和质量均较大，制造成本较高，特别对大型或超大型启闭机来说，这一缺点更加突出。当吊点间距不大时，有时也将同步轴设置在高速输入轴端，优点是同步轴尺寸和质量均较小，制造成本较低。但当转速大于400.0 r/min时，除计算强度、刚度外，还需验算轴的临界转速，以避免轴发生较大振动引起共振而引发安全事故。

为使同步轴既满足强度、刚度和防振要求，又不使轴的尺寸过大、过重，设计中对启闭机同步轴的引出位置进行了方案比较和分析。

3.3.1 同步轴位置的确定

该启闭机的减速器为四级传动，除高速输入轴和末级输出轴可供同步轴连接外，还可从1～3级中的任一级传动的低速端引出轴伸连接同步轴。若同步轴从第4级的低速轴端引出，按1倍额定荷载计算，所选联轴器规格及同步轴直径均较大，制造成本较高。若同步轴从高速输入轴引出，尽管所选联轴器的规格与同步轴直径较小，成本较低，但由于轴的转速大于400.0 r/min，轴的临界转速验算通不过，存在安全隐患。为确定最佳同步轴引出位置，设计中分别从1级、2级和3级传动的低速端引出同步轴，并进行技术经济分析对比，发现从一级传动的低速端引出同步轴即可满足同步轴尺寸小、质量小、不产生共振的要求。一级传动的速比为14.6，则该级传动低速轴的转速为 720/14.6=49.3(r/min)，根据SL 41—2018规定，转速不大于400.0 r/min的长轴无需考虑共振问题。从2级和3级传动引出同步轴时，轴的转速更低，运转更加平稳，但轴和联轴器的尺寸、质量和制造成本明显加大。故本启闭机采用从减速器1级传动的低速端引出同步轴［9－10］。

3.3.2 同步轴支撑形式的确定

对于不太长的同步轴，通常两端各设1个联轴器即可，中部无需设置支撑。但对于较长的同步轴，自重引起的挠度较大，中部必须设置支撑。该启闭机的吊点间距接近15 m，属于超长同步轴，经计算，无论轴采用实心还是空心，其挠度均不能满足SL 41—2018的要求。为减小轴的挠度，必须在轴的中部增加支撑。一般采用滚动或滑动轴承座，但由于轴较长，安装和检修均较困难。为解决该问题，设计进行了优化改进，在中间支撑的轴承座内采用“滚动轴承+短轴”的形式，轴承座两端各增设一套联轴器，然后再通过中间轴、联轴器与减速器连接。虽然这种同步轴支承形式需要增加联轴器数量，设备成本略有提高，但安装、维护方便，后期维护费用降低，安全可靠。该启闭机的同步轴中部设2个滚动轴承座，整个同步轴由3段中间轴和2段短轴共5段组成。

3.4 机架基础荷载计算

升卧式闸门启闭机无倍率，钢丝绳由卷筒斜平引出，再通过导向轮与闸门吊耳连接，启闭机承受较大的水平力。为防止启闭机整机水平滑移，需对启闭机的机架、卷筒、减速机等分别设置水平抗剪装置，并将机架上卷筒组、减速器、电动机、制动器、应急启动装置的支架以及导向滑轮支架均与启闭机机架焊接成一整体框架，其中，导向滑轮支架底部通过地脚螺栓固定于地面。启闭机框架结构支承点多达8个，采用手工计算较为困难，且误差较大，为此将框架梁简化为杆件结构(如图5所示)，采用专用结构力学计算软件进行计算，计算的各支点支承反力和水平力见表1。表中竖向力向下为负，向上为正;水平力向左为负，向右为正。

表1 机架基础荷载计算结果Tab.1 Calculation results of the bracket base load

图5 机架基础荷载计算Fig.5 Base load calculation for the bracket

4 结束语

鉴江高岭拦河闸重建工程升卧式工作闸门2×250 kN固定卷扬式启闭机已投入运行，设备各方面运行情况良好，证明设计方案合理，启闭机本质安全可靠，可为今后同类型启闭机的设计布置提供有益借鉴。