新型快速闸门卷扬式启闭机技术研究与开发

董 杰，黄海杨，邬海军

(浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，浙江?杭州?310002)

1 概 述

快速闸门卷扬式启闭机是水利水电工程上专门用于操作快速闸门的一种启闭设备，用于机组需要停机或遇到事故时，驱动快速闸门将流道中的水流迅速断流，保护机组不会出现反转飞逸而造成损坏。随着技术的发展，电站、泵站等工程中大流量机组不断出现，与其配套的快速闸门孔口尺寸和启闭机容量越来越大，并对闭门断流时间等相关快速闸门卷扬式启闭机性能的要求也越来越高。

目前常用的快速闸门卷扬式启闭机仍采用传统仿苏联样式，电动机经过减速器减速后驱动卷筒旋转，使钢丝绳绕进或绕出卷筒，从而使吊钩升降，达到启闭闸门的目的[1]。该样式的启闭机在使用过程中已经暴露出诸多弊端：结构转动惯量大、整体效率较低，减速机维护复杂、润滑油容易渗漏污染，限速器难以调节、发热严重、寿命短。

鉴于目前快速闸门卷扬式启闭机在使用中存在的不足，结合浙江省绍兴市马山闸强排及配套河道工程，通过对永磁驱动、双吊点同步、安全保护、断电快速闭门等成熟的工业起重机技术研究，开发一款新型快速闸门卷扬式启闭机；利用永磁同步电机代替异步电动机加减速器，利用直流可控缓放制动器进行限速，并进行样机试制与试验，实现了快速闸门卷扬式启闭机的无齿轮高效传动、双吊点同步、安全保护、可调可靠事故闭门速度。

2 关键技术研究

2.1 永磁驱动技术

最近几年，随着永磁材料开发技术的日益成熟，利用该技术的永磁同步电动机得到了广泛应用。将表面式转子结构的永磁同步电动机和启闭机的起升卷筒装置结合，即将卷筒作为永磁同步电机的转子，将永磁同步电机的定子铁心和定子绕组置于卷筒轴上[2]；将编码器安装在卷筒轴上，用于检测卷筒转子的磁极位置，可实现起升机构的闭环控制。

本次研究利用了永磁同步电机取代了传统启闭机上异步电动机加减速器的驱动方式，简化了启闭机整机结构，解决了减速器润滑油容易渗漏造成机房地面、水源等污染的难题；也使启闭机结构左右两侧结构接近对称，两侧基础载荷接近。更重要的是使启闭机具备了永磁同步电机的优点，能做到速度调节范围广、带载启动不下滑、柔性启动、零速制动、轻载快速、启动电流无冲击等；其中启动电流不超过额定工作电流，既省电又避免了对电气系统的频繁冲击，延长电气寿命，节省母线投资。

2.2 双吊点同步技术

双吊点的闸门在启闭时一般要求双吊点同步，以避免闸门倾斜卡阻。目前常用的做法是在两套起升机构间设置刚性同步轴，同步轴的存在增大了启闭机的转动惯量，隔断了两机架之间的通道；且同步轴为旋转部件，需要设置防护装置；当启闭机的吊点距较大时，这些弊端就更为明显。因此，本次研究采用双吊点同步技术来替代传统的同步轴。

双吊点同步技术通过在两套起升机构的起升卷筒上分别安装绝对值编码器，PLC实时采集绝对值编码器的编码值，计算吊钩实时高度；从而通过调节电机转速来控制两吊钩的高度差，实现双吊点同步运行。

2.3 安全保护技术

对于在安全保护要求较高场合应用的启闭机，为防止工作制动器失效，需要额外加装安全制动器，其中最可靠的安装方式为在卷筒上加装盘式制动器。传统启闭机安全制动器需要独立的控制系统，整套设备费用高，后期维护保养难度大。永磁同步电机可利用自身形成的电磁涡流进行制动，实现安全保护。

起升机构采用永磁同步电机卷筒，控制系统配置封星接触器[3]。当封星接触器动作时，电机定子绕组接线端星形连接，此时转子永磁体产生的磁场与定子绕组产生的磁场将产生电磁作用力，作用力方向与转子动作方向相反，从而实现封星制动，以保证在工作制动器失效的情况下，吊载不会快速下滑，而是以较慢的速度落地，避免安全事故发生。

2.4 断电快速闭门技术

根据《水利水电工程启闭机设计规范》(SL 41—2018)(简称《规范》)，快速闸门接近底槛时速度不宜过大，不应大于5 m/min，以免对闸门底槛产生冲击甚至破坏[4]。因此，当突发事故断电工况时，快速闸门卷扬式启闭机需要有机构能限制闸门下落速度，使其不大于5 m/min。目前常用的做法是在减速器一侧的输出轴上加装机械式离心限速器，但其结构存在摩擦片发热磨损甚至烧毁、使用次数有限、调速困难等缺陷，因此本次研究将采用断电快速闭门技术来替代传统的限速装置。

断电快速闭门技术主要是利用直流可控缓放制动器实现，其在正常供电的情况下能根据主令信号执行松闸和抱闸动作，当事故断电时，设备系统可利用直流电源按照预设定的分段运行速度完成规定程序动作。原理是在卷筒轴上安装编码器来计算闸门的下降速度，当下降速度超过设定范围后，PLC发出步进调宽信号。下位机接到该信号后，即刻调整输出脉冲宽度，使制动器线圈的电流发生变化，从而使制动器的电磁推动器的电磁力发生变化，改变制动器对制动盘的夹紧力，最终控制卷筒的转速，以此达到控制闸门下落速度的目的。

3 样机开发

3.1 工程实例

本次研究依托浙江省绍兴市马山闸强排及配套河道工程，该工程设置4台竖井贯流泵，单机流量50 m3/s。泵站出水口布置快速工作闸门、快速事故闸门各1道。泵组正常停机时，快速工作闸门能快速关闭；当快速工作闸门不能正常关闭时，备用的快速事故闸门也能快速关闭，防止造成损失。泵组事故停机时，快速工作闸门及快速事故闸门同时快速关闭。该两类闸门均采用启闭机室内的QPK—500/500—7/8快速闸门卷扬式启闭机进行启闭操作。

启闭机主要参数为：额定启闭力1×500 kN，扬程8 m，闭式传动，工作级别为Q2-轻，正常启闭速度5.3 m/min，事故闭门速度：距底槛0.2 m以上为5 m/min，距底槛0.2 m以下为4 m/min。

本工程要求启闭机能够实现：一是停电时可利用220 V直流电能达到5.0 m/min的快速闭门速度要求，接近底槛200 mm要求4.0 m/min；两档速度要求可调。二是起升机构在额定载荷情况下，应能实现失速、失电或制动器失效保护，吊物可在控制速度下安全下降。

3.2 新型启闭机设计

根据上述快速闸门卷扬式启闭机的参数，进行新型启闭机设计。

新型启闭机采用转子作为卷筒的永磁同步电机，故在电机功率计算时，无减速器传动效率的损耗。新型启闭机采用直流可控缓放电磁钳盘式制动器，按盘式制动器的型式计算夹紧力进行选型。其余零部件如钢丝绳、滑轮、卷筒直径、绳槽、制动器等的设计和选型方法与传统启闭机相同，按《规范》进行设计，此处不再赘述(见图1)。

为便于对比设计的新型启闭机与传统启闭机在布置结构、设备尺寸等参数上的差异，此处仍以相同启闭机参数要求，设计传统型式启闭机(见图2)。

3.3 对比分析

将设计的新型启闭机和传统启闭机主要参数汇总(见表1)。

从表中的对比项可以发现：

(1)为便于比较，两种启闭机的滑轮倍率按相同设计，两种启闭机的缠绕系统基本一致，所涉及的倍率、钢丝绳、卷筒直径相同。

(2)新型启闭机的电机功率较传统启闭机的小，更高效节能，主要原因是一方面采用永磁同步电机的低速大扭矩电机，具备功率因数高、效率高的优点。另一方面直接驱动系统取消了传统驱动系统中广泛存在的多级齿轮传动装置，简化了传动链，减少了能量损耗，使得系统整体效率提高。

(3)传统启闭机的异步电动机加减速器的传动系统一般需要3～4级的减速器才能达到低转速，还需要卷筒联轴器、电机联轴器等，整机机构庞大笨重，转动惯量大；新型启闭机则采用低速大扭矩电机直驱系统，无需减速器、联轴器等，结构简洁、紧凑，体积小。

(4)由于取消了大机座号的减速器，新型启闭机的整机重量较传统启闭机减少23%，从三维效果图看，新型启闭机设备布置基本左右两侧对称，使得基础载荷两侧基本接近，便于承载梁系的设计和施工。

表1 传统启闭机和新型启闭机参数对比

4 样机试验

断电快速闭门技术是启闭机作为水利专用起重机械所要求具有的技术特点，本次研究要求快速闸门卷扬式启闭机能够在事故断电工况下按可调整的限制速度进行快速闭门，保证机组及自身结构的安全。为了验证该技术的可行性，进行了样机试样。

4.1 试验设计

由于是启闭机功能验证，所以将应急备用直流电源采用220 V备用电源替代。试验要求启闭机在交流380 V失电、通入220 V直流电后，制动器能将吊重下降速度准确地控制在某一缓降速度范围段，实现重物缓慢下滑不失速。试验的具体方法如下：

(1)在起升机构上安装轴编码器，然后准确计算编码器与吊重运动距离的换算关系。

(2)将重物提升至合适高度后切断380 V的启闭机供电，以模拟事故断电工况。

(3)随即制动器接入220 V直流电，模拟事故断电后，备用直流电源启动制动器，使吊物以设定的下落速度下降。

(4)根据实际需要设定不同的下落速度、采样周期等参数，如此循环试验，吊放重物。

(5)将起升电机短接，记录永磁同步电机自身电磁涡流制动对吊重自由下落速度的影响。

4.2 试验记录

(1)设置1 s/次采样周期，5～6 m/min的控制下落速度，将单绳6.8 t的重物提升至2.5 m，切断380 V交流电、投入220 V直流电，下降用时26.97 s，下落速度为5.56 m/min。

(2)设置0.5 s /次采样周期，7～8 m/min的控制下落速度，将同样单绳6.8 t的重物提升至2.5 m，切断380 V交流电、投入220 V直流电，下降用时20.1 s，下落速度为7.46 m/min。

(3)设置0.5 s/次采样周期，7～8 m/min的控制下落速度，将同样单绳6.8 t的重物提升至2.5 m，切断380 V交流电、投入220 V直流电、短接起升电机，下降用时31.91s，下落速度为4.7 m/min。

试验过程如下所示(见图3)。

4.3 试验结论

(1)在模拟事故断电工况中，采用直流可控缓放制动器的起升机构能在预先设定的速度范围段内可靠实现吊重下降而不失速。

(2)永磁同步电机自身电磁涡流制动能实现吊重的缓慢下滑不失速。可通过电机的参数设计，使其驱动吊重下降速度准确控制在某一缓降速度范围段，满足规范要求。

5 结 语

根据实际工程需要，研究开发了一款应用于水电水利工程的新型快速闸门卷扬式启闭机，并成功进行样机的试制和试验。

(1)利用永磁同步电机代替传统异步电动机加减速器的驱动形式，布置简洁紧凑，各基础载荷相近，且传动效率高，有效解决减速器易漏油、噪声大等弊端。

(2)利用永磁同步电机转速精确可调，实现启闭机双吊点的同步运行。

(3)利用永磁同步电机自身的电磁涡流进行制动，实现多重安全保护，做到制动器、限速器均失效下闸门仍不会失速坠落。

(4)利用直流可控缓放制动器实现断电事故工况下闸门能可控可靠的限制速度快速闭门，既保证了机组要求的闭门时间，又能有效保护底槛不被冲击破坏，尤其适用孔口净高大、闭门时间要求短的工况。