王 波，沈 靜，戴 健

（1.江蘇省水利機(jī)械制造有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處，江蘇 蘇州 215128）

啟閉機(jī)作為水工建筑金屬結(jié)構(gòu)的主要設(shè)備，是重要的啟閉閘門的設(shè)備［1］，除滿足正常安全使用，使用單位對(duì)啟閉機(jī)的主要要求為：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、安全可靠、效率高、后期維護(hù)成本低、外觀整潔、體積小、占地少等。

弧門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)一般采用單根鋼絲繩或雙根鋼絲繩啟閉閘門，因沒有滑輪組的省力效果，卷筒所承受的壓力就是啟閉的載荷，因此弧門啟閉機(jī)的質(zhì)量是同噸位的平門啟閉機(jī)質(zhì)量的2倍甚至更多。為了滿足啟閉機(jī)的安裝使用條件，啟閉機(jī)工作橋在設(shè)計(jì)上會(huì)隨著固定卷揚(yáng)機(jī)的體積增大而占用更多的空間，隨著固定卷揚(yáng)機(jī)的質(zhì)量增加，工作橋在整體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)上也會(huì)隨之增加。為改善這一局面，提出了內(nèi)外置行星啟閉機(jī)機(jī)型。

天生橋套閘位于南京市溧水區(qū)。天生橋套閘是連接秦淮河與石臼湖水系的控制性水工建筑物，具有防洪、蓄水、引水、通航、分洪、旅游等主要功能。天生橋套閘、節(jié)制閘閘門的啟閉設(shè)備均采用固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)；其中套閘啟閉機(jī)為QH-2×630kN-17m-Q4閉式弧門啟閉機(jī)2臺(tái)套，節(jié)制閘啟閉機(jī)為QH-2×630kN-17m-Q2閉式弧門啟閉機(jī)2臺(tái)套。

天生橋套閘、節(jié)制閘閘門采用了平面升臥門的形式，閉門位置為垂直狀態(tài)，開門位置為水平狀態(tài)，吊耳位于閘門的最下面，動(dòng)滑輪組不宜長(zhǎng)期浸泡在水中，選擇采用QH弧門系列啟閉機(jī)。

1 研究思路

近年來閉式啟閉機(jī)已被廣泛使用，逐漸取代了開式啟閉機(jī)，閉式啟閉機(jī)取消了開式齒輪維護(hù)工作量，封閉在減速機(jī)內(nèi)部的齒輪可以更好地潤滑，提高了可靠性和運(yùn)行壽命。但QH弧門閉式啟閉機(jī)可選的標(biāo)準(zhǔn)減速機(jī)種類非常少，一般的弧門啟閉機(jī)的總速比在1 000以上，而標(biāo)準(zhǔn)的圓柱齒輪減速機(jī)速比最大只能達(dá)到500，故弧門閉式啟閉機(jī)無法選擇使用標(biāo)準(zhǔn)的圓柱齒輪減速機(jī)，只能選擇少齒差的擺線、三環(huán)和行星減速機(jī)。

擺線針輪減速器由擺線輪與針齒輪上一組環(huán)形排列的針齒相齒合，以組成齒差為一齒的內(nèi)齒合減速機(jī)構(gòu)，減速器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，但無自鎖，輸出軸不能承受大的軸向力和徑向力，速比大時(shí)，效率低。三環(huán)少齒差、行星齒輪減速器傳動(dòng)比大（在理論上可達(dá)到1 500）、體積較大、重量較重，輸出軸在減速機(jī)的中間，順?biāo)鞣较虺叽邕^大。標(biāo)準(zhǔn)的行星一般也是三級(jí)傳動(dòng)再帶個(gè)外置小減速機(jī)才能達(dá)到1 000以上的速比。也可以采用2個(gè)圓柱齒輪機(jī)互聯(lián)的方式，但布置上不緊湊，整體性不夠。

經(jīng)過不斷的方案優(yōu)化比選，把行星減速機(jī)大扭矩輸出特點(diǎn)和輸入輸出同軸的特點(diǎn)內(nèi)置于卷筒，將能發(fā)揮出行星傳動(dòng)的最大效果，也可以最大優(yōu)化啟閉機(jī)的外形尺寸。外置行星采用標(biāo)準(zhǔn)行星減速機(jī)，將發(fā)揮出行星傳動(dòng)緊湊直聯(lián)布置的最大效果，垂直安裝的電機(jī)轉(zhuǎn)向模塊也方便左右機(jī)的剛性同步［4］。各類啟閉機(jī)特點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 各類啟閉機(jī)的性能對(duì)比

傳統(tǒng)開式啟閉機(jī)已經(jīng)逐漸浪汰，目前使用較多的是閉式傳動(dòng)啟閉機(jī)，而內(nèi)外置行星啟閉機(jī)在各方面性能都優(yōu)于前者，是未來啟閉機(jī)的發(fā)展方向。

2 內(nèi)外置行星啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)

內(nèi)外置行星卷揚(yáng)式啟閉機(jī)設(shè)計(jì)根據(jù)《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］和《水利水電工程啟閉機(jī)制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》［3］的要求。內(nèi)外置行星卷揚(yáng)式啟閉機(jī)主要由電機(jī)、制動(dòng)器和轉(zhuǎn)向減速器的三合一模塊、外置行星減速模塊、內(nèi)置行星減速模塊、卷筒模塊、軸承座、機(jī)架、中間軸以及荷載限制器、開度傳感器、機(jī)械限位裝置等安全設(shè)施組成。所有組成部件均成直線型布置，電機(jī)垂直安裝，順?biāo)鞣较虺叽缰槐染硗仓睆铰源螅瑔㈤]機(jī)整體寬度1 338 mm。

根據(jù)工作運(yùn)行管理特點(diǎn)，主要從電機(jī)的選擇、外置行星減速器形式選擇、卷筒和內(nèi)置行星模塊設(shè)計(jì)和整機(jī)布置形式等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

采用雙聯(lián)卷筒的弧門啟閉機(jī)的速比一般都比較大，啟閉機(jī)常規(guī)的啟閉速度是1～2.5 m/min，卷筒的線速度在1～2 r/min，因此所需的總速比都要達(dá)到1 000～1 500，甚至更多，如果是傳統(tǒng)的單聯(lián)卷筒，因卷筒的線速度慢，所需總速比要達(dá)到1 500以上。如果啟閉速度為慢速，則所需總速比要達(dá)到5 000以上。

2.1 電機(jī)的選擇

電機(jī)的選擇主要是功率和轉(zhuǎn)速的選擇，考慮套閘的速度不宜過慢，選擇在2 m/min左右，載荷按照最大載荷2×630 kN，按效率0.8進(jìn)行計(jì)算，單邊功率需大于26 kW，因此單邊功率選擇為30 kW。電機(jī)與制動(dòng)器采用三合一減速電機(jī)，選型同減速器型號(hào)。

2.2 外置行星減速器形式的選擇

外置行星減速器的選擇主要考慮左右機(jī)的布置形式，如果采用電機(jī)軸同步，轉(zhuǎn)速必須達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)速，8級(jí)電機(jī)也要達(dá)到728 r/min，這種轉(zhuǎn)速是必須要加裝防護(hù)安全裝置的，而且吊點(diǎn)距過大時(shí)，相應(yīng)的撓度也會(huì)大幅增加，給安全帶來隱患。因此，選用帶一級(jí)K級(jí)減速的標(biāo)準(zhǔn)行星減速機(jī)，通過K級(jí)減速機(jī)降級(jí)后再進(jìn)行左右機(jī)剛性同步，這樣同步軸轉(zhuǎn)速控制在60 r/min左右比較安全。電機(jī)、制動(dòng)器和轉(zhuǎn)向減速器的三合一模塊，讓電機(jī)垂直安裝，也可以充分利用左右機(jī)之樣的空間，選擇了型號(hào)為DLPIINBH08-40的外置行星減速器。

2.3 卷筒和內(nèi)置行星模塊的設(shè)計(jì)

內(nèi)置行星是該啟閉機(jī)的核心模塊，即需要承受輸出的扭矩，也需要承受徑向載荷。普通的減速機(jī)主要承受的都是扭矩，因此在行星模塊的設(shè)計(jì)上，充分考慮承受徑向力的需要，在設(shè)計(jì)時(shí)將行星模塊的軸承和軸承座的軸承合二為一進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按照1.25倍靜載進(jìn)行復(fù)核。在行星模塊的設(shè)計(jì)中，為了最大程度的大扭矩輸出，采用5對(duì)行星輪的結(jié)構(gòu)。為了能夠內(nèi)置也改變了標(biāo)準(zhǔn)行星減速機(jī)行星架輸出的結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)齒圈輸出。因外置行星模塊可選擇的速比范圍較廣，本次設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)置行星模塊僅考慮單級(jí)速比，為4.1（如需要減少外置減速機(jī)的尺寸，內(nèi)置模塊可以進(jìn)行雙級(jí)甚至多級(jí)設(shè)計(jì)）。至此，帶軸承座的一個(gè)行星減速裝置通過內(nèi)齒圈緊密的內(nèi)置于卷筒內(nèi)部，而且內(nèi)置的行星減速裝置是可以根據(jù)卷筒的扭矩大小和卷筒的內(nèi)徑尺寸進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，形成一套緊密的內(nèi)置行星卷筒模塊。

2.4 啟閉機(jī)布置形式

啟閉機(jī)布置見圖1。如圖1所示，啟閉機(jī)的布置完全成直線型布置，在順?biāo)鞣较驑O大地優(yōu)化了空間。

圖1 啟閉機(jī)布置

3 內(nèi)外置行星弧門啟閉機(jī)與傳統(tǒng)弧門啟閉機(jī)的比較

3.1 啟閉機(jī)所占空間

弧門啟閉機(jī)一般滑輪組倍率為1，故鋼絲繩選型直徑比較大，造成啟閉機(jī)卷筒直徑大的特點(diǎn)。傳統(tǒng)弧門啟閉機(jī)分為開式啟閉機(jī)和閉式啟閉機(jī)，開式啟閉機(jī)由減速機(jī)一級(jí)減速后再由開式齒輪組二級(jí)減速，所以開式弧門啟閉機(jī)所占空間由開式齒輪組尺寸決定，啟閉機(jī)所占空間較大；閉式啟閉機(jī)只有減速機(jī)減速后直接與卷筒連接，為了滿足啟閉速度，故減速機(jī)選用大速比減速機(jī)，由于減速機(jī)的體積隨著速比的增大成倍增加，所以閉式弧門機(jī)所占空間由選用的減速機(jī)尺寸決定，啟閉機(jī)所占空間大；內(nèi)外置行星弧門啟閉機(jī)采用卷筒內(nèi)置行星減速機(jī)與外置三合一減速電機(jī)雙減速，三合一減速電機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，水流方向尺寸小于卷筒直徑，故內(nèi)外置行星弧門啟閉機(jī)所占空間由卷筒尺寸決定，所占空間大幅減小，較傳統(tǒng)弧門啟閉機(jī)順?biāo)鞣较虺叽鐑?yōu)化了40%以上，土建啟閉機(jī)工作橋尺寸也可以進(jìn)一步減小，減小了土建的工作量，較少工程造價(jià)。

3.2 后期維護(hù)

傳統(tǒng)開式弧門啟閉機(jī)由于開式齒輪組為暴露在空氣中，在后期的運(yùn)行、維護(hù)、保養(yǎng)中開式齒輪采用黃油涂抹的方式保護(hù)齒輪表面，黃油在啟閉機(jī)使用過程中易發(fā)生變質(zhì)或者吸附灰塵與雜物后對(duì)齒輪嚙合運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生不可逆破壞，而且黃油在高溫狀態(tài)下會(huì)發(fā)生融化滴落對(duì)水質(zhì)環(huán)境遭到污染，后期維護(hù)難度大；傳統(tǒng)閉式啟閉機(jī)由于采用大速比減速機(jī)，減速機(jī)體積大，減速機(jī)內(nèi)部齒輪采用油池潤滑，每次啟閉機(jī)進(jìn)行維護(hù)更換齒輪油的用量大，直接造成維護(hù)成本的增加，后期維護(hù)難度較大；內(nèi)外置行星弧門啟閉機(jī)由于采用行星減速機(jī)，在后期維護(hù)中，因行星采用360°旋轉(zhuǎn)，減速機(jī)的齒輪油用量少，而且由于雙減速，內(nèi)外行星減速機(jī)工作環(huán)境優(yōu)于閉式啟閉機(jī)減速機(jī)，減速機(jī)使用壽命更長(zhǎng)，后期維護(hù)簡(jiǎn)易。

4 結(jié)語

天生橋套閘是連接秦淮河與石臼湖水系的控制性水工建筑物，安裝的內(nèi)外置行星弧門啟閉機(jī)為該工程的主要運(yùn)行控制設(shè)備，該啟閉機(jī)創(chuàng)新性的將內(nèi)置外置行星減速裝置接合在一起使用，內(nèi)置行星模塊申請(qǐng)了發(fā)明專利，獨(dú)特的外觀獲得了外觀專利，本工程2018年安裝完成放水投入使用，經(jīng)過2年的考驗(yàn)，該啟閉機(jī)順利地完成了船閘、防汛等各項(xiàng)任務(wù)。2019年12月19日，天生橋套閘除險(xiǎn)加固工程啟閉機(jī)通過竣工驗(yàn)收會(huì)，并獲得2019年度江蘇省水利廳科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。