水库溢流坝闸门启闭机联轴器故障分析与处理

程麒安，杨甜

（1.海河水利委员会引滦工程管理局，河北 唐山 063000；2.海河流域北海海域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心，天津 300000）

1 概述

潘家口水库主坝位于河北省迁西县境内的滦河干流上，设计总库容29.3亿m3，1975年开工，1980年开始蓄水，1985年竣工。潘家口水库主坝为混凝土低宽缝重力坝，1 000 a一遇洪水设计，5 000 a一遇洪水校核，最大坝高107.5 m，坝顶长1 039.11 m，坝顶高程230.5 m（大沽高程），最大泄洪能力56 200 m3/s。主坝共分56个坝段，设18孔溢洪道，采用18扇15 m×15 m弧形闸门和18台双吊点卷扬式启闭机控制。其中，溢流坝弧形闸门启闭机设置于▽234.5 m的启闭机室内，总装机容量2×80 t，吊距9 m，扬程20 m，起门速度1.36 m/min。

2 水库溢流坝弧形闸门启闭机组成及运行原理简介

卷扬式启闭机是专门用于操作溢流道闸门的一种启闭设备。水库大坝溢流坝弧形闸门启闭机主要由电机、制动器、齿轮减速器、输出动力联轴器、卷筒组成，如图1所示。启闭机所用电机为2台JZ2-51-8型电机，功率为22 kW。电机旋转带动齿轮减速器，通过联轴器把动力传递到卷筒，启闭闸门。2套动力及传动机构通过联轴器5连接，保证2个卷筒同步运转，进而保证闸门两侧吊点平衡。

图1 启闭机组成

联轴器是指联接两轴或轴与回转件，在传递运动和动力过程中一同回转，在正常情况下不脱开的一种装置。联轴器被安装在动力传动的驱动侧和被动侧之间，起到传递旋转扭力、补偿轴间安装偏差、吸收设备振动和缓冲荷载冲击等作用。联轴器的功能之一是通过自身形变来吸收和补偿轴与轴之间偏差，柔性越大则表示其吸收偏差的能力越强，柔性越小则表示吸收偏差的能力越弱。水库大坝溢流坝弧形闸门启闭机选用的联轴器为鼓形齿式联轴器，这种联轴器为刚性联轴器，其齿侧的间隙比一般形式的联轴器稍大，可以传递较大的扭矩和允许较大的角位移，性能优异且寿命更加长久。其特点如下[1]。

（1）承载能力强。在相同的内齿套外径和联轴器最大外径下，鼓形齿式联轴器的承载能力平均比直齿式联轴器提高15%～20%。本联轴器内外齿均采用48齿，能够传递较大的输出扭矩。

（2）角位移补偿量大。在相同的模数、齿数、齿宽下，鼓形齿比直齿允许的角位移大。当径向位移等于零时，直齿式联轴器的许用角位移为1°，而鼓形齿式联轴器的许用角位移为1°30′。

（3）鼓形齿面使内、外齿的接触条件得到改善，避免了在角位移条件下直齿齿端棱边挤压、应力集中的弊端，同时改善了齿面摩擦、磨损状况，降低了噪声，维修周期长。

（4）传动效率高，最高达99.7%。

3 输出动力联轴器故障发现和处理

3.1 联轴器故障发现

2022年5 月，溢流坝弧形闸门启闭机联轴器进行拆检维护时，发现5#闸门启闭机低速动力输出联轴器（图1中编号为3的联轴器）内腔出现铁屑、铁卷及铁片。铁卷尺寸约15 mm×5 mm，铁片尺寸约5 mm×5 mm。同时，联轴器部分齿面磨损严重，有不同程度坑洼出现，具体情况如图2—4所示。

图2 联轴节端面铁屑

图3 联轴节齿面铁屑

图4 铁卷及铁片

3.2 故障原因分析

3.2.1 联轴器常见故障原因

一般而言，鼓形齿式联轴器常见故障原因如下[2]：①联轴器中心偏差过大，齿面相对位移大；②齿轮材质不合格，齿面硬度过低；③齿面润滑不充分或者干磨；④油质不合格，油中含有酸或硫化物等造成润滑效果变差；⑤制造及安装误差；⑥齿轮承载后的变形或齿面温度变化。

3.2.2 检测及故障原因分析

2022年6月23 日，委托检测单位对5#闸门启闭机低速联轴器进行拆解检测，检测情况及分析如下。

（1）同轴度检测。对低速联轴器和启闭机传动轴同轴度进行检测，实测径向补偿量为3.5 mm。联轴器的许用径向补偿量Δy按下式计算：

式中：A为联轴器长度（mm），实测联轴器长度为1 100 mm，如图5所示；Δα为许用角向补偿量，一般取1°30′，如图6所示。

图5 联轴器的许用径向补偿量

图6 联轴器的许用角向补偿量

经计算，5#闸门启闭机低速联轴器同轴度偏差在许用范围内，这就排除了由于启闭机系统同轴度偏差较大引起齿轮轴向窜动的可能。

（2）齿轮表面磨损严重。联轴器内外齿面多处磨损严重，齿面硬度减弱，硬度实测值为HB146-191，齿轮硬度值正常范围为HB250-285。由于此联轴器是用于传递转矩的，且闸门重量为89.83 t，因此工作时受力较大，齿轮易发生疲劳等现象。

3.2.3 联轴器出现铁屑原因的确定

水库溢流坝弧形闸门启闭机制造于20世纪80年代，启闭机长期运行、维护保养不及时，造成齿面运行工况变差，引起齿面硬度降低；齿轮啮合误差较大，轴向受力不匀，造成齿轮轴向窜动量过大，齿面相对位移大，齿轮端面切削齿廓曲面产生铁卷，进而齿轮啮合将铁卷压碎产生碎片等，应为铁屑、铁卷及铁片出现的主要原因。

3.3 故障排除

针对本次联轴器出现的故障，提出两项解决方案。第一，可通过对联轴器受损齿面进行修复以提高齿面硬度，改善齿轮啮合运行工况；第二，可以通过联轴器整体更新，采用新型联轴器，提升启闭机运行稳定性。

3.3.1 齿面修复

常用的齿轮齿面修复方法包括以下4种[3]。

（1）调整换位法。改变磨损齿轮的方向，继续使用未磨损或磨损较轻的齿轮。

（2）变位切削法。将报废的大齿轮外径车去一定值，然后再次滚动齿轮，去除齿面腐蚀的部分。大齿轮为负变位，小齿轮为正变位。加工后成为传动参数不变的新齿轮副，使大齿轮得以修复并投入使用。

（3）镶齿修理法。对于负荷小、转速低的齿轮，在修复过程中，在刨床上刨出坏齿轮根部的梯形槽，压入与槽形相同的新齿胚，焊接牢固或用螺栓连接加工整形。

（4）堆焊修理法。单个齿轮磨损或齿端两侧磨损超过极限的，可根据齿轮损坏情况在齿轮整个或部分表面堆焊一层或几层金属。堆焊修理齿轮操作简单，修理质量好。

水库溢流坝弧形闸门启闭机联轴器齿轮磨损部位较多且负荷较大，难以通过简单现场处理排除故障。

3.3.2 联轴器更新

采用对齿轮修复的方法虽然可行，但由于齿轮联轴器本体使用年限很长和齿轮本身特性影响，加上溢洪道闸门汛期泄洪的重要作用，通过修复方法不能保证联轴器的安全使用。通过综合考虑，决定对联轴器进行整体更换，选用橡胶柔性联轴器代替原有鼓形齿式联轴器。橡胶柔性联轴器具有以下特点[4]。

（1）吸振效果好。橡胶柔性联轴器是依靠橡胶实现弹性连接的，可充分吸收因联轴器对中不好而产生的振动，使设备能够平稳运转。

（2）具有保护作用。橡胶柔性联轴器的橡胶部分是可以更换的，可以根据转动设备所需扭矩大小而安装不同的轮胎环。因此，可以根据设备正常工作时的扭矩选择相应的轮胎环。当设备运转的实际扭矩超过轮胎环的额定扭矩时，轮胎环就会裂开，从而能够保护设备的其他部件不受损坏。

（3）轴向找正精度要求低。橡胶柔性联轴器的轴向和径向偏差只要不超过1.2 mm，就可以正常工作。对于使用条件要求较高、对中难度较大的场所，宜使用橡胶柔性联轴器。

（4）减小维护工作量。由于橡胶柔性联轴器采用橡胶弹性连接，联轴器空腔内不充油，减少了漏油的风险。

3.3.3 方案比选

通过以上两个方案的比选，建议采用第二个方案，对联轴器进行整体更新。采用橡胶柔性联轴器进行动力传递，可以减少启闭系统震动，从根本上解决联轴器产生铁卷、铁屑、铁片的问题，提升启闭机运行和闸门稳定性。

4 运行维护建议

为防止溢流坝弧形闸门启闭机联轴器故障的发生，应加强设备维护管理及人员的技术培训，同时及时更新设备。

4.1 加强维护管理

水库溢流坝闸门只用于防汛泄洪使用，使用频率较低，以致对闸门启闭机的检查、检修、大修周期较长，容易造成设备维护人员的疏忽。因此，在日常维修养护过程中，要注重对设备设施的管理。

（1）通过制定检修规程，明确检修周期，及时开展维修养护及检查检修。

（2）加强人员业务能力培训，提高作业水平，避免误操作对设备造成损坏。

（3）加强设备运行过程中的监护，及时发现异常现象并排除故障。

4.2 采用“四新”技术

在工业技术及工艺水平不断革新、材料技术日趋完善的今天，多种设施设备实现了衍生、迭代。因此，更新设备选型设计时，要采用“四新”技术，充分考虑设备的技术先进性、维修养护便捷性和安全运行可靠性。

4.3 加大投资更新设备

水库大坝建成于20世纪80年代，工程设备设施普遍趋于老化，运行安全可靠性变差。相关部门应加大水利设备设施投资力度，及时更新改造设备，提高设备技术水平，促进水库大坝工程安全平稳有序运行。

4.4 闸门钢丝绳受力均衡度测量

溢流坝弧形闸门启闭机采用两台同型号电机及减速器驱动，应对闸门两侧钢丝绳受力及电机转速进行测量，确保闸门两侧受力均衡。若两台电机转速不同，则会造成转速高的电机过载，进而烧毁电机。

5 结语

启闭机是操作大坝闸门的重要设备，联轴器作为启闭机的主要构成部件，其安全运行事关防汛备汛。橡胶柔性联轴器作为“四新”产品，可有效提升启闭机和闸门运行的稳定性。潘家口水库大坝建成时间较早，受限于当时的制造水平、工艺水平、材料水平，许多设备并不能满足当下对于水利工程管理标准化、精细化、信息化、智能化的要求。同时，联轴器产生的故障暴露了人员管理、技术更新、投资力度等多方面的问题，值得引起工程管理人员的思考与改进。