传统螺杆式启闭机传动方式的改造

洪荣华

(杭州市城郊河道管理处，浙江杭州 310014)

0 引言

闸门是水利工程建筑物的重要组成部分之一，它的作用是封闭水利工程建筑物的孔口，并能够按需要局部、全部开启或者关闭这些孔口，用于调节上、下游水位，防洪泄流，排水灌溉，引水发电，排除泥沙以及通航、过木、冰块或者其他漂浮物等.闸门一般由以下三大部分组成:(1)为活动部分，一般称为门叶结构，它是用来启闭孔口的活动挡水结构;(2)为埋件部分，系埋固在土建结构中的构件，如滑槽或者支承行走轨道等，通过这些构件将活动部分所承受的荷载传给土建结构;(3)启闭机械部分，它是控制活动部分位置的操作结构，它的运行稳定直接关系到水利工程的安全，选择性能可靠、运行平稳的启闭机械尤为重要.对于中小型闸门而言，启闭机械部分常采用螺杆式启闭机，其具有结构紧凑﹑操作安全﹑启闭灵活(螺杆和螺母有自锁作用)﹑造价低廉﹑安装维修方便等优点［1］.

1 传统螺杆式启闭存在的问题

传统螺杆式启闭机的传动方式是由蜗轮蜗杆带动承重螺母转动，螺杆做上下轴向运动以带动闸门启闭.由于螺杆是刚性结构，不但能提供启门力，而且能施加闭门力(能够在动水中关闭)［2］.但是这种传统的传动方式却存在着如下几个问题:

(1)传统螺杆式启闭机的机座安装在钢筋混凝土框架上或者安装在钢结构龙门上，由于横梁上所受承载力的限制，闸门的自重不能太重且跨度不能过大，因此只适用于中小型闸门.

(2)单台启闭机螺杆与闸门吊耳是孔销连接，接触面只有几个小点再加上螺杆的长度和中心的偏移等因素，造成重心不稳，闸门在开启、关闭运行时易产生晃动.

(3)闸门两边的滑块与滑槽之间及止水橡胶与门槽之间接触面不同，两边摩擦系数和产生的摩擦力也不同，以及闸门两端滑槽内受杂物的影响等，都会影响到闸门运行的稳定性，使闸门产生一头高一头低的卡阻现象，重者造成销子拉断吊耳脱落以及螺杆顶弯等重大事故.

(4)受到流道影响，闸门在运行时两边水推力和水流的流速不同，及水位高低偏差等，水流在不规则运动下对闸门产生冲击，特别是上下游水位差较大时，闸门受到水流冲击产生强力振动，并且与螺杆和启闭机的机械振动产生共振，造成闸门和闸槽损坏等事故.

(5)启闭机承重框架和启闭机螺杆超长，螺杆的上部分因日晒雨淋无法保养生锈及腐蚀严重，造成螺杆损坏.如上塘河的施家桥闸门宽4 300 mm，高3 500 mm，用一台20 t螺杆式启闭机开闭闸门，已存在此类问题.

2 双台滚珠螺杆式启闭机的特点

关于如何利用螺杆式启闭机的优点，又能避免螺杆式启闭机的不利因素的问题，笔者在改造与实践过程中总结了以下几个方面的经验:

采用双台滚珠螺杆式启闭机.在闸槽两边，标高与闸门上沿齐平处留有一个安装平台，分别安装两台10 t滚珠螺杆式启闭机，并且两台启闭机用同步杆连接，蜗轮蜗杆达到同步旋转，使滚珠螺母上下保持一致，见图1;也可以在两根滚珠螺杆上端的中间位置安装一台减速机，利用同步链传动保持滚珠螺母上下一致，见图2.螺杆下部分安装轴承座用螺栓固定，底端与压力传感器接触.螺纹部分装入承重双滚珠螺母(双滚珠螺母增加动态荷载)，滚珠螺母外部定制一只钢套，钢套两边分别焊接两只耳朵，耳朵中间开两个Φ50孔，用销子与闸门连接件连接，钢套下端连接自锁装置(防止闸门停止因自重而下滑)，螺杆的上部也由轴承座固定，使螺杆保持垂直，转动平稳，见图 3.［3］

螺杆的螺纹部分作为闸门启闭的最大行程，由承重双滚珠螺母做上下垂直运动，并且连接闸门两端，由此带动闸门平稳开启或者关闭.双台滚珠螺杆主要在机械结构运动模式上有两个改变.(1)将传统的蜗轮蜗杆转动带动承重螺母旋转传动变成螺杆做轴向直线运动，同时把螺母的转矩变成启闭闸门的启闭力，改为启闭机带动螺杆旋转传动使螺母做轴向直线运动;(2)采用卓越汤姆森滚珠螺杆取代传统的艾克姆螺杆，使螺杆旋转带动滚珠滚动使得承重滚珠螺母做轴向直线运动，再由承重滚珠螺母连接闸门做上下运动，从而起到开启或者关闭闸门的作用.

3 改造后区别

3.1 改造后区别一

(1)仍然保持现有螺杆式启闭机特点，机体体积小，占地面积小;又增加类似减速机机型的选用范围，只要扭矩相当，安装方便，结构合理;其选择的机型更为广泛.

(2)滚珠螺杆取代滑动螺杆:

①滚珠螺杆是螺杆、螺母和滚珠组成，见图4.它的功能是将旋转传动转化成直线运动，是一种低摩擦、效率高的传动结构.滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的旋转传动，滚动体通常为滚珠.由于滚珠螺杆轴及螺母均是点接触之轮动运动，它的机构效率(η=0.92～0.96)比滑动螺杆的效率(η=0.2～0.4)高3～4倍，其传动扭矩也小很多只有传统滑动螺杆的1/3，大大降低摩擦损耗.所以滚珠螺杆的机械效率远高于滑动螺杆，大大降低了能耗，为节能减排做贡献.［4］

②是精度高传动平稳，可消除轴向间隙，提高轴向刚度，磨损小，使用寿命长等.

③是动态载荷和静态载荷增大以及工作行程增加，如德国布里斯(BLIS)公司生产滚珠螺杆的最大Φ200 mm，螺纹长度18 m，滚珠Φ30 mm，动荷载3 000 kN;(目前国内最大的滚动螺杆有Φ160 mm×32 mm×16 000 mm，动荷载Ca1 920 kN);可我们闸门运行速度比较慢每分钟在200 mm左右，螺杆的转速＜10 r/min，接近滚珠螺杆的静载荷状态，即又增加一倍以上的有效载荷.

④双台启闭机同步性能好，并且能克服摩擦力二边不均等、闸门在开启或者关闭时产生左右摇摆，同时也摆脱了一头高另一头低不平衡卡死现象，以及在滑槽中受到杂物等影响;同样在水位差很大的情况下，闸门运行时受到水流冲击闸门的晃动和震动也大大减小，更加确保闸门开启﹑关闭时的安全可靠，增加设备使用寿命.

图4 滚珠螺杆

通过这样的改变，其承载力也大大增加，增幅达到2～4倍以上，工作行程达到了2倍以上;也解决了传统的启闭机启闭容量小工作行程短(最大启闭力750 kN，闭门力达400 kN，其工作行程8 m)等问题.采用双启闭机，也不会受到横梁承载力的制约和跨度的限制.能用于大跨度中大型平板闸门上;使螺杆式启闭机使用范围更加广泛，又有了新的发展前景.

3.2 改造后区别二

通过这样的改变，还可以增加控制和保护装置.在自动化控制方面:电气控制采用可编程控制器PLC或者用DCS控制系统;由测速传感器和液位传感器检测的数据输入计算机系统，通过计算机运算，确定开闭高度.在保护装置上，可从压力上保护，在螺杆上下两端分别安装四只ELC-1型称重传感器，闸门开启时底部两只称重传感器受力，当启门力大于设定值时自动开闭电源停止运行;同样当闸门开闭时上面两只称重传感器受力，起到保护作用.也可以是限位保护，用四只限位开关对行程起双重保护作用，还可以是电流过载保护以及继电器保护.由于采用多重保护，不会对闸门、启闭机、螺杆以及建筑物造成损坏，杜绝事故发生，无后顾之忧，做到安全运行有保障.

4 结语

最后在设计工艺上要注意的几点事项:(1)机械结构和材料的材质上，滚珠螺杆选择时要考虑挠度和抗弯曲度以及扭矩，材料需要作调质滑槽表面需要热处理，螺杆直径选择列位偏粗一点，导程(螺距)最好是滚珠直径的1.5～2倍之间［5］;承重滚珠螺母要考虑到重荷载等因素最好选择双滚动螺母或者重荷载螺母(比如台湾上银CoolTypell滚珠丝杠螺母);(2)几个连接部分，如减速机与螺杆连接部分，减速机根据闸门启门力和闭门力确定扭矩的大小选择启闭机或者减速机，与螺杆连接部分，要选择传动效率高，结构简单(比如链轮和链条)，安装维修方便;承重螺母与闸门的连接结构要考虑承重螺母四周受力平均，保持螺杆两侧受力相等.最后如应用于大于闸门时，可考虑安装滑轮，闸槽上安装滑轨，将大大减小水推力的摩擦系数，同时也可以减小电机的功力.

［1］中华人民共和国水利部，中华人民共和国电力工业部.东北勘测设计研究院.SL 74-95水利水电工程钢闸门设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，1998.

［2］刘细龙，陈福荣.闸门与启闭设备［M］.北京:中国水利水电出版社，2003.

［3］罗继伟，罗天宇.滚动轴承分析计算与应用［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［4］闻邦椿.机械设计手［M］.5版.北京:机械工业出版社，2010.

［5］王中正.水工钢结构［M］.郑州:黄河水利出版社，2010.