董 杰，黃海楊，鄔海軍

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江?杭州?310002)

1 概 述

快速閘門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)是水利水電工程上專門用于操作快速閘門的一種啟閉設(shè)備，用于機(jī)組需要停機(jī)或遇到事故時(shí)，驅(qū)動(dòng)快速閘門將流道中的水流迅速斷流，保護(hù)機(jī)組不會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)飛逸而造成損壞。隨著技術(shù)的發(fā)展，電站、泵站等工程中大流量機(jī)組不斷出現(xiàn)，與其配套的快速閘門孔口尺寸和啟閉機(jī)容量越來越大，并對(duì)閉門斷流時(shí)間等相關(guān)快速閘門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)性能的要求也越來越高。

目前常用的快速閘門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)仍采用傳統(tǒng)仿蘇聯(lián)樣式，電動(dòng)機(jī)經(jīng)過減速器減速后驅(qū)動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，使鋼絲繩繞進(jìn)或繞出卷筒，從而使吊鉤升降，達(dá)到啟閉閘門的目的[1]。該樣式的啟閉機(jī)在使用過程中已經(jīng)暴露出諸多弊端：結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、整體效率較低，減速機(jī)維護(hù)復(fù)雜、潤滑油容易滲漏污染，限速器難以調(diào)節(jié)、發(fā)熱嚴(yán)重、壽命短。

鑒于目前快速閘門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)在使用中存在的不足，結(jié)合浙江省紹興市馬山閘強(qiáng)排及配套河道工程，通過對(duì)永磁驅(qū)動(dòng)、雙吊點(diǎn)同步、安全保護(hù)、斷電快速閉門等成熟的工業(yè)起重機(jī)技術(shù)研究，開發(fā)一款新型快速閘門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)；利用永磁同步電機(jī)代替異步電動(dòng)機(jī)加減速器，利用直流可控緩放制動(dòng)器進(jìn)行限速，并進(jìn)行樣機(jī)試制與試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了快速閘門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)的無齒輪高效傳動(dòng)、雙吊點(diǎn)同步、安全保護(hù)、可調(diào)可靠事故閉門速度。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)

最近幾年，隨著永磁材料開發(fā)技術(shù)的日益成熟，利用該技術(shù)的永磁同步電動(dòng)機(jī)得到了廣泛應(yīng)用。將表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)和啟閉機(jī)的起升卷筒裝置結(jié)合，即將卷筒作為永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子，將永磁同步電機(jī)的定子鐵心和定子繞組置于卷筒軸上[2]；將編碼器安裝在卷筒軸上，用于檢測(cè)卷筒轉(zhuǎn)子的磁極位置，可實(shí)現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制。

本次研究利用了永磁同步電機(jī)取代了傳統(tǒng)啟閉機(jī)上異步電動(dòng)機(jī)加減速器的驅(qū)動(dòng)方式，簡(jiǎn)化了啟閉機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)，解決了減速器潤滑油容易滲漏造成機(jī)房地面、水源等污染的難題；也使啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)接近對(duì)稱，兩側(cè)基礎(chǔ)載荷接近。更重要的是使啟閉機(jī)具備了永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，能做到速度調(diào)節(jié)范圍廣、帶載啟動(dòng)不下滑、柔性啟動(dòng)、零速制動(dòng)、輕載快速、啟動(dòng)電流無沖擊等；其中啟動(dòng)電流不超過額定工作電流，既省電又避免了對(duì)電氣系統(tǒng)的頻繁沖擊，延長電氣壽命，節(jié)省母線投資。

2.2 雙吊點(diǎn)同步技術(shù)

雙吊點(diǎn)的閘門在啟閉時(shí)一般要求雙吊點(diǎn)同步，以避免閘門傾斜卡阻。目前常用的做法是在兩套起升機(jī)構(gòu)間設(shè)置剛性同步軸，同步軸的存在增大了啟閉機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，隔斷了兩機(jī)架之間的通道；且同步軸為旋轉(zhuǎn)部件，需要設(shè)置防護(hù)裝置；當(dāng)啟閉機(jī)的吊點(diǎn)距較大時(shí)，這些弊端就更為明顯。因此，本次研究采用雙吊點(diǎn)同步技術(shù)來替代傳統(tǒng)的同步軸。

雙吊點(diǎn)同步技術(shù)通過在兩套起升機(jī)構(gòu)的起升卷筒上分別安裝絕對(duì)值編碼器，PLC實(shí)時(shí)采集絕對(duì)值編碼器的編碼值，計(jì)算吊鉤實(shí)時(shí)高度；從而通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制兩吊鉤的高度差，實(shí)現(xiàn)雙吊點(diǎn)同步運(yùn)行。

2.3 安全保護(hù)技術(shù)

對(duì)于在安全保護(hù)要求較高場(chǎng)合應(yīng)用的啟閉機(jī)，為防止工作制動(dòng)器失效，需要額外加裝安全制動(dòng)器，其中最可靠的安裝方式為在卷筒上加裝盤式制動(dòng)器。傳統(tǒng)啟閉機(jī)安全制動(dòng)器需要獨(dú)立的控制系統(tǒng)，整套設(shè)備費(fèi)用高，后期維護(hù)保養(yǎng)難度大。永磁同步電機(jī)可利用自身形成的電磁渦流進(jìn)行制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)。

起升機(jī)構(gòu)采用永磁同步電機(jī)卷筒，控制系統(tǒng)配置封星接觸器[3]。當(dāng)封星接觸器動(dòng)作時(shí)，電機(jī)定子繞組接線端星形連接，此時(shí)轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)將產(chǎn)生電磁作用力，作用力方向與轉(zhuǎn)子動(dòng)作方向相反，從而實(shí)現(xiàn)封星制動(dòng)，以保證在工作制動(dòng)器失效的情況下，吊載不會(huì)快速下滑，而是以較慢的速度落地，避免安全事故發(fā)生。

2.4 斷電快速閉門技術(shù)

根據(jù)《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 41—2018)(簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)，快速閘門接近底檻時(shí)速度不宜過大，不應(yīng)大于5 m/min，以免對(duì)閘門底檻產(chǎn)生沖擊甚至破壞[4]。因此，當(dāng)突發(fā)事故斷電工況時(shí)，快速閘門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)需要有機(jī)構(gòu)能限制閘門下落速度，使其不大于5 m/min。目前常用的做法是在減速器一側(cè)的輸出軸上加裝機(jī)械式離心限速器，但其結(jié)構(gòu)存在摩擦片發(fā)熱磨損甚至燒毀、使用次數(shù)有限、調(diào)速困難等缺陷，因此本次研究將采用斷電快速閉門技術(shù)來替代傳統(tǒng)的限速裝置。

斷電快速閉門技術(shù)主要是利用直流可控緩放制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，其在正常供電的情況下能根據(jù)主令信號(hào)執(zhí)行松閘和抱閘動(dòng)作，當(dāng)事故斷電時(shí)，設(shè)備系統(tǒng)可利用直流電源按照預(yù)設(shè)定的分段運(yùn)行速度完成規(guī)定程序動(dòng)作。原理是在卷筒軸上安裝編碼器來計(jì)算閘門的下降速度，當(dāng)下降速度超過設(shè)定范圍后，PLC發(fā)出步進(jìn)調(diào)寬信號(hào)。下位機(jī)接到該信號(hào)后，即刻調(diào)整輸出脈沖寬度，使制動(dòng)器線圈的電流發(fā)生變化，從而使制動(dòng)器的電磁推動(dòng)器的電磁力發(fā)生變化，改變制動(dòng)器對(duì)制動(dòng)盤的夾緊力，最終控制卷筒的轉(zhuǎn)速，以此達(dá)到控制閘門下落速度的目的。

3 樣機(jī)開發(fā)

3.1 工程實(shí)例

本次研究依托浙江省紹興市馬山閘強(qiáng)排及配套河道工程，該工程設(shè)置4臺(tái)豎井貫流泵，單機(jī)流量50 m3/s。泵站出水口布置快速工作閘門、快速事故閘門各1道。泵組正常停機(jī)時(shí)，快速工作閘門能快速關(guān)閉；當(dāng)快速工作閘門不能正常關(guān)閉時(shí)，備用的快速事故閘門也能快速關(guān)閉，防止造成損失。泵組事故停機(jī)時(shí)，快速工作閘門及快速事故閘門同時(shí)快速關(guān)閉。該兩類閘門均采用啟閉機(jī)室內(nèi)的QPK—500/500—7/8快速閘門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)進(jìn)行啟閉操作。

啟閉機(jī)主要參數(shù)為：額定啟閉力1×500 kN，揚(yáng)程8 m，閉式傳動(dòng)，工作級(jí)別為Q2-輕，正常啟閉速度5.3 m/min，事故閉門速度：距底檻0.2 m以上為5 m/min，距底檻0.2 m以下為4 m/min。

本工程要求啟閉機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)：一是停電時(shí)可利用220 V直流電能達(dá)到5.0 m/min的快速閉門速度要求，接近底檻200 mm要求4.0 m/min；兩檔速度要求可調(diào)。二是起升機(jī)構(gòu)在額定載荷情況下，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)失速、失電或制動(dòng)器失效保護(hù)，吊物可在控制速度下安全下降。

3.2 新型啟閉機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述快速閘門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)的參數(shù)，進(jìn)行新型啟閉機(jī)設(shè)計(jì)。

新型啟閉機(jī)采用轉(zhuǎn)子作為卷筒的永磁同步電機(jī)，故在電機(jī)功率計(jì)算時(shí)，無減速器傳動(dòng)效率的損耗。新型啟閉機(jī)采用直流可控緩放電磁鉗盤式制動(dòng)器，按盤式制動(dòng)器的型式計(jì)算夾緊力進(jìn)行選型。其余零部件如鋼絲繩、滑輪、卷筒直徑、繩槽、制動(dòng)器等的設(shè)計(jì)和選型方法與傳統(tǒng)啟閉機(jī)相同，按《規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)，此處不再贅述(見圖1)。

為便于對(duì)比設(shè)計(jì)的新型啟閉機(jī)與傳統(tǒng)啟閉機(jī)在布置結(jié)構(gòu)、設(shè)備尺寸等參數(shù)上的差異，此處仍以相同啟閉機(jī)參數(shù)要求，設(shè)計(jì)傳統(tǒng)型式啟閉機(jī)(見圖2)。

3.3 對(duì)比分析

將設(shè)計(jì)的新型啟閉機(jī)和傳統(tǒng)啟閉機(jī)主要參數(shù)匯總(見表1)。

從表中的對(duì)比項(xiàng)可以發(fā)現(xiàn)：

(1)為便于比較，兩種啟閉機(jī)的滑輪倍率按相同設(shè)計(jì)，兩種啟閉機(jī)的纏繞系統(tǒng)基本一致，所涉及的倍率、鋼絲繩、卷筒直徑相同。

(2)新型啟閉機(jī)的電機(jī)功率較傳統(tǒng)啟閉機(jī)的小，更高效節(jié)能，主要原因是一方面采用永磁同步電機(jī)的低速大扭矩電機(jī)，具備功率因數(shù)高、效率高的優(yōu)點(diǎn)。另一方面直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中廣泛存在的多級(jí)齒輪傳動(dòng)裝置，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈，減少了能量損耗，使得系統(tǒng)整體效率提高。

(3)傳統(tǒng)啟閉機(jī)的異步電動(dòng)機(jī)加減速器的傳動(dòng)系統(tǒng)一般需要3～4級(jí)的減速器才能達(dá)到低轉(zhuǎn)速，還需要卷筒聯(lián)軸器、電機(jī)聯(lián)軸器等，整機(jī)機(jī)構(gòu)龐大笨重，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大；新型啟閉機(jī)則采用低速大扭矩電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)，無需減速器、聯(lián)軸器等，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、緊湊，體積小。

(4)由于取消了大機(jī)座號(hào)的減速器，新型啟閉機(jī)的整機(jī)重量較傳統(tǒng)啟閉機(jī)減少23%，從三維效果圖看，新型啟閉機(jī)設(shè)備布置基本左右兩側(cè)對(duì)稱，使得基礎(chǔ)載荷兩側(cè)基本接近，便于承載梁系的設(shè)計(jì)和施工。

表1 傳統(tǒng)啟閉機(jī)和新型啟閉機(jī)參數(shù)對(duì)比

4 樣機(jī)試驗(yàn)

斷電快速閉門技術(shù)是啟閉機(jī)作為水利專用起重機(jī)械所要求具有的技術(shù)特點(diǎn)，本次研究要求快速閘門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)能夠在事故斷電工況下按可調(diào)整的限制速度進(jìn)行快速閉門，保證機(jī)組及自身結(jié)構(gòu)的安全。為了驗(yàn)證該技術(shù)的可行性，進(jìn)行了樣機(jī)試樣。

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于是啟閉機(jī)功能驗(yàn)證，所以將應(yīng)急備用直流電源采用220 V備用電源替代。試驗(yàn)要求啟閉機(jī)在交流380 V失電、通入220 V直流電后，制動(dòng)器能將吊重下降速度準(zhǔn)確地控制在某一緩降速度范圍段，實(shí)現(xiàn)重物緩慢下滑不失速。試驗(yàn)的具體方法如下：

(1)在起升機(jī)構(gòu)上安裝軸編碼器，然后準(zhǔn)確計(jì)算編碼器與吊重運(yùn)動(dòng)距離的換算關(guān)系。

(2)將重物提升至合適高度后切斷380 V的啟閉機(jī)供電，以模擬事故斷電工況。

(3)隨即制動(dòng)器接入220 V直流電，模擬事故斷電后，備用直流電源啟動(dòng)制動(dòng)器，使吊物以設(shè)定的下落速度下降。

(4)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定不同的下落速度、采樣周期等參數(shù)，如此循環(huán)試驗(yàn)，吊放重物。

(5)將起升電機(jī)短接，記錄永磁同步電機(jī)自身電磁渦流制動(dòng)對(duì)吊重自由下落速度的影響。

4.2 試驗(yàn)記錄

(1)設(shè)置1 s/次采樣周期，5～6 m/min的控制下落速度，將單繩6.8 t的重物提升至2.5 m，切斷380 V交流電、投入220 V直流電，下降用時(shí)26.97 s，下落速度為5.56 m/min。

(2)設(shè)置0.5 s /次采樣周期，7～8 m/min的控制下落速度，將同樣單繩6.8 t的重物提升至2.5 m，切斷380 V交流電、投入220 V直流電，下降用時(shí)20.1 s，下落速度為7.46 m/min。

(3)設(shè)置0.5 s/次采樣周期，7～8 m/min的控制下落速度，將同樣單繩6.8 t的重物提升至2.5 m，切斷380 V交流電、投入220 V直流電、短接起升電機(jī)，下降用時(shí)31.91s，下落速度為4.7 m/min。

試驗(yàn)過程如下所示(見圖3)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)論

(1)在模擬事故斷電工況中，采用直流可控緩放制動(dòng)器的起升機(jī)構(gòu)能在預(yù)先設(shè)定的速度范圍段內(nèi)可靠實(shí)現(xiàn)吊重下降而不失速。

(2)永磁同步電機(jī)自身電磁渦流制動(dòng)能實(shí)現(xiàn)吊重的緩慢下滑不失速?？赏ㄟ^電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)，使其驅(qū)動(dòng)吊重下降速度準(zhǔn)確控制在某一緩降速度范圍段，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

根據(jù)實(shí)際工程需要，研究開發(fā)了一款應(yīng)用于水電水利工程的新型快速閘門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，并成功進(jìn)行樣機(jī)的試制和試驗(yàn)。

(1)利用永磁同步電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)加減速器的驅(qū)動(dòng)形式，布置簡(jiǎn)潔緊湊，各基礎(chǔ)載荷相近，且傳動(dòng)效率高，有效解決減速器易漏油、噪聲大等弊端。

(2)利用永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速精確可調(diào)，實(shí)現(xiàn)啟閉機(jī)雙吊點(diǎn)的同步運(yùn)行。

(3)利用永磁同步電機(jī)自身的電磁渦流進(jìn)行制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多重安全保護(hù)，做到制動(dòng)器、限速器均失效下閘門仍不會(huì)失速墜落。

(4)利用直流可控緩放制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)斷電事故工況下閘門能可控可靠的限制速度快速閉門，既保證了機(jī)組要求的閉門時(shí)間，又能有效保護(hù)底檻不被沖擊破壞，尤其適用孔口凈高大、閉門時(shí)間要求短的工況。