移风拦河闸盘香式启闭机的设计

林 驰 陈 军 赵 鑫 尤宽山 陈海峰

一、概述

移风拦河闸根据最后设计标准，设计洪峰流量3380m3/s 为50年一遇，洪峰流量4120m3/s 为100年一遇。移风拦河闸主要由闸室、吸能防冲击的设施、防止渗水和排水设施以及河道两岸的连接建筑物等部分构成，垂直水流宽度为285.8m，顺水流的长度为94.3m。移风拦河闸采用开敞式，根据泄量要求，节制闸净宽225m，共9 孔，单孔净宽25m。移风拦河闸正常蓄水位19.10m，最高允许蓄水位19.60m（即门顶最大溢流水深0.5m）。移风拦河闸选用相对现代的护镜门，闸门平面布置为半圆拱型，其中拱内圆弧的内半径是13.3m，拱外圆弧的半径是14.9m。

护镜门选用盘香式启闭机进行开闭，每扇护镜门需2 台启闭机进行开启。护镜闸门的两侧弧形排架柱的上面启闭机机房内安放着开闭同一扇护镜门的盘香启闭机。启闭机房楼面采用钢筋混凝土悬挑梁的板结构。盘香式启闭机钢丝绳在通过设置在弧形排架柱上的定滑轮与护镜门的吊耳连接。当护镜门打开时，护镜门以其两边弧形最底处的支铰轴作为转动中心进行转动，当转角达到与水平方向夹角55°时停止转动并锁定启闭机，护镜门下方河道过流放水。每个吊点的盘香式卷扬启闭机通过两台变频电机驱动，护镜门两吊点之间的同步是通过行程检测装置测量并计算两吊点间的行程差值后再经过变频器控制变频电机的转速来实现。护镜门两个起吊点都设有检测行程的装置，由PLC 集中处理后控制电动机的变频器工作。

二、启闭机的主要参数

启闭机为固定盘香式，启门的容量2×1250kN，最大扬程15.0m，启闭速度0.6～0.75m/min，双吊点点距为26.80m，电动机型号为YZPF180L-8，FC=40%。

三、盘香式启闭机的结构和工作原理

盘香式启闭机布置在闸门两侧闸墩上部的启闭机机房内，卷绳盘上的钢丝绳经过导向滑轮与护镜门的两个悬臂吊梁相连接，操作护镜闸门的开启、关闭。盘香式启闭机每个吊点从卷绳盘引出来6 根钢丝绳。为了减小启闭机的启闭力，使闸门在其吊点处的受力方向始终保持接近闸门转动的切线方向，导向定滑轮布置在圆弧形排架柱的表面上，每侧圆弧形排架柱上设3 个滑轮。盘香式启闭机的外形尺寸大小控制在3.60m（平行水流方向）×3.0m（垂直水流方向）范围内。每扇闸门上的盘香式启闭机均包括四台电动机、四台减速器、四个联轴器、六个导向定滑轮、四个制动器、十四根钢丝绳、两套卷绳盘装置、两个机架和编码器、荷重仪、主令装置等。电动机的输出轴通过联轴器和减速机的输入轴直接连接，开式齿轮机构的齿轮直接装设在减速机的输出轴上。在局部开启状态下护镜门的锁定通过启闭机的锁定装置实现。同一台盘香式启闭机的双吊点应采用同一盘钢丝绳。采用电气设备同步操作同一扇闸门的两套起升机构。盘香式启闭机的每个吊点通过两台三相异步电动机驱动，经过一个减速机和一个开式齿轮减速，驱动卷绳盘转动，通过钢丝绳在卷绳盘上的收放，带动闸门上升和下降。盘香启闭机上装有护镜闸门开度传感器、编码器，用来控制闸门的预先设定的位置、上极限位置和下极限位置等。为防止盘香式启闭机超负荷运行，在卷绳盘一端轴承座下方装有荷载限制器，当起升护镜门荷载达到额定值的90%时，荷重仪发出预警信号；到达额定值的100%时，会自动控制切断电源主回路并发出警告。

四、主要部件设计

1．电动机

移风拦河闸工作闸门前水位19.6m，门后水位比门前水位低0.5m，根据实际工况得到最大升门启闭力为2×1250kN。每套启闭机提升系统的提升高度15m，提升速度为0.6m/min，每次提升需要25min，属于间歇周期工作制。根据《水利水电工程启闭机设计规范》中相关要求计算，每台启闭机实际电机功率计算值为42.8kW，实际选用4 台11kW的电动机。因为电机的功率相对比较大，如果采用直接启动，启动的电流就会很大，所以选用了变频器启动变频电机，不仅可很好地降低电机启动电流对电网的冲击，而且又能获得较大的启动转矩。采用变频电动机能很大程度上保证电机起动和制动时的安全，并且实现了无极调速。

2．减速器

减速机构选用开式齿轮和减速器组合的减速传动方案，满足盘香启闭机的机构布置需要和传动速比要求。经过分析计算，起升机构总传动比为3069，传动比分配如下：减速器传动比为550，开式齿轮传动比为5.58。减速器选用硬齿面圆柱齿轮减速器，齿面接触强度较高，有效地减少了减速器齿轮点蚀、胶合破坏，增加了设备的使用寿命。电机功率为11kW，选用减速机型号为DFY500-550，高速轴许用功率为18kW，满足使用要求，减速器输出轴和输入轴采用垂直布置方式，满足齿轮和电机布置尺寸要求。

3．制动器

制动器选用鼓式制动器，制动器布置在减速器高速轴两侧。每一套独立的驱动装置安装两套常闭式制动器，一套为工作制动，一套为安全制动。每一套鼓式制动器的安全系数按总制动力矩计算大于1.25。

4．机架

机架主要是由梁结构组成，各梁之间通过焊接构成具有一定刚性的空间构架。机架主要由工字梁和钢板组成，主要材料采用Q345，各梁的最大挠度均小于0.001L（L 为跨度）。

五、电气设计

控制柜通过“现地/远控”来控制闸门的升、降、停，并显示闸门开度、启闭状态、过载报警信号、荷载、设备故障报警信号及有关电气量信息；现地控制柜可以与计算机监控系统连接，实时上传现地控制柜和护镜门的实际运行状况，实时观测闸门的运行状态。

自动控制是通过PLC 控制器的控制逻辑，自动控制闸门的升降和停止，并且接受计算机监控系统对护镜门的升降和停止控制信号，实现远程控制。手动控制就是通过现地控制柜上控制护镜门的升降和停止。盘香启闭机为两个吊点，采用速度闭环控制的原理控制两套主提升机构间的同步，驱动系统选用了由变频器控制的变频电机和传动机构，变频器则选用闭环矢量控制方式。双吊点的不同步设定值控制在2.0cm 以内。

电气设计上主要采取了以下措施，保证了相对独立的两套盘香式提升机构所吊起的护镜门能够在允许的偏差范围内移动。

（1）四台电动机轴上均安装了编码器，其收集的电动机的转速数据反馈给变频器，形成了闭环矢量控制，实现了变频器对电机速度的精准调节，确保电动机在运行过程中运行速度的真实准确性。

（2）由于启闭机每个吊点同时采用了双电机提升，一个吊点的两台电机如果不能够同步也会在卷绳盘装置上产生扭曲应力，影响其使用寿命。因此需要通过变频同步控制同一个吊点上的两台电动机的转速，使其达到允许的转速偏差。

（3）在两个吊点卷绳盘轴上分别装设两个编码器，用于检测护镜门两吊点的实际开度值。编码器获得的数值经过PLC 的计算后，得出两个起吊点开度的偏差。如果偏差值累积达到预设值时，PLC 就会发出指令响应，其中一个吊点上的两台电动机的转动速度会作出响应，这一护镜门两个起吊点的高度就可在偏差范围内保持一致。

六、结语

本文通过对盘香式启闭机的设计等整个流程进行分析和总结，简述了变频调速同步的控制技术在盘香式启闭机中的应用，解决了实际工程中因为吊点距太大无法安装中间轴的双吊点启闭机的同步问题。这项技术的推广，可以使盘香式启闭机布置不受吊点距的限制，对于优化闸门工作桥的结构具有一定参考价值