一种新型蜗轮丝杆式空气能翻板闸门的设计

李 蕊，邸国平

(1.山西水投防护技术有限公司，山西 太原 030006；2.山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

在国家“水利发展和水生态建设”的“十三五”规划下，城市生态水利工程和农村渠道水闸项目越来越多，不但需要满足防洪、兴利、灌溉水资源调配等基础性功能，还需要符合水资源可持续利用、水生态环境优美[2]等多重要求，这使得对闸门类型的选择也越来越高。近年来，在城市河道治理和农村灌溉渠道中运用较多的坝型有橡胶坝、自动翻板闸门、液压控制翻板闸门等，但各类闸门的缺点也在运行过程中逐一显露出来，导致闸门实际功能受限，后期维修养护难度增加、成本高，甚至会污染水体环境。因此，利用清洁能源作为闸门启闭动力，是水利闸门更新换代的趋势，文章对一种新型蜗轮丝杆式空气能翻板闸门进行设计讨论。

1 传统闸门类型的缺点

1.1 橡胶坝闸门运行缺点

橡胶坝是通过向坝袋充排管路用水(气)将其充胀形成的袋式挡水坝，多用于城市河道，可形成景观。在运行过程中，易受河中漂浮物和推移质(石头)划伤以及人为破坏，坝袋使用寿命较短，升降坝体时间长，泄洪后库区淤积严重[3]。

1.2 自动翻板闸门运行缺点

自动翻版闸门的工作原理是当闸顶过流水深达到一定深度后，翻板闸门受到的上游迎水压力大于挡水时的平衡弯矩值，使得翻板闸门向下推倒，从而控制行洪及拦水效果[4]。在运行过程中，门对闸墩撞击力很大，可能会导致闸门裂缝甚至断裂；水面波浪及闸门底部不稳定状态的水流，造成闸门周期性拍打门墩的现象；当河底发生淤积时，将大大阻碍自动翻板闸门的自动翻起[5- 6]。

1.3 液压控制翻板闸门运行缺点

液压控制翻板闸门是一种采用自卸汽车力学原理，结合支墩坝水工结构型式的新型活动坝，具备挡水和泄水双重功能。液压传动系统的主要优点是工作平稳，采用液压驱动，可多角度锁定，满足多水位控制调节需求[4]。但实际运行中常常遇到泥沙杂质磨损、液压油缸密封圈造成液压油泄露问题，严重污染水质；单独的液压支撑杆易受河道泥沙淤积导致卡死现象的发生，影响闸门正常启闭；液压系统的维修工作较复杂、成本高。

2 蜗轮丝杆式空气能翻板闸门

蜗轮丝杠升降机是一种具有体积小、使用灵活、运行平稳、控制方便、使用寿命长、噪声低、能自锁以及小动力大推力[7]等特点的机械产品，常用于相错轴间的相错角为90°的传动。它由传动部件、升降部件构成，传动部件的工作原理为蜗杆副带动丝杆副上下运动，其中蜗轮中心为内螺纹结构，相当于升降丝杠的螺母，与升降丝杠组成升降部件，即丝杆螺母副，将旋转运动和动力转化输出为直线升降运动和动力[8- 9]。

将蜗轮丝杠升降机作为翻板闸门的启闭动力方式是一种全新的思路。传统翻板闸门多用液压系统控制，液压支撑杆的运行需要液压油，但实际运行中经常会面临密封不严或风化导致的液压油渗漏问题。而利用蜗轮丝杠升降机则可创造性地解决油脂类介质对水质造成的污染问题，符合生态环保的要求，不影响农村灌溉渠道用水。

2.1 基本原理及结构

蜗轮丝杆式空气能翻板闸门的原理是利用气动马达把压缩空气的压力能转换成旋转的机械能作用于蜗轮丝杆升降机，蜗轮丝杆升降机推动活动坝面升降，活动坝面绕着底部转轴的轴芯转动，从而达到挡水的目的。

2.1.1基础结构

蜗轮丝杆式空气能翻板闸门包括水坝基础、活动坝面、底部转轴、基础预埋固定座、蜗轮丝杆升降机、气动马达和空压机，如图1所示，通过浇筑的方式使基础预埋固定座镶嵌安装在水坝基础上，蜗轮丝杆升降机的一端连接活动坝面的背水面，另一端活动链接基础预埋固定座，蜗轮丝杆升降机连接气动马达，气动马达连接空压机。

图1 蜗轮丝杆式空气能翻板闸门结构示意图1—水坝基础；2—活动坝面；3—底部转轴；4—基础预埋固定座；5—蜗轮丝杆升降机；6—气动马达；9—止水带；21—钢制骨架肋板；22—销轴；23—钢制面板；31—轴套；32—轴心

2.1.2动力系统结构

空压机作为动力系统的动能来源，如图2所示，气动马达安装在蜗轮丝杆升降机的箱体上，当启动空压机后，气动马达开始工作，带动蜗轮丝杆升降机的输入轴转动，输入轴带动蜗轮转动，蜗轮带动丝杆上下运动，从而推动活动坝面的升降。

图2 蜗轮丝杆升降机与气动马达连接关系示意图6—螺杆密封套筒；51—箱体；52—上法兰；53—丝杆；54—蜗轮；55—下护管；56—输入轴；57—第一轴承；58—第二轴承；59—耳轴；511—注油孔；512—密封件；513—上止水圈；514—下止水圈

2.2 气动马达工作原理及特点

气动马达是一种作连续旋转运动的气动执行元件，是一种把压缩空气的压力能转换成回转机械能的能量转换装置，其作用相当于电动机或液压马达，它输出转矩并驱动执行机构作旋转运动。

将气动马达用作翻板闸门的动力系统，具有以下实用性特点：第一，可以无级调速。通过控制进气阀或排气阀的开度来控制压缩空气的流量，以达到调节马达转速和输出功率的目的。第二，实现换向工作。利用操纵阀改变马达进、排气方向，即能实现气动马达输出轴的正转和反转，并且可以瞬时换向，速度快、冲击性小，不需卸负荷。第三，具有过载保护作用。当发生过载时，马达转速降低或停止，当过载解除时，即可重新正常运转，并不产生机件损坏等故障，可长时间满载连续运转，温升较小。第四，具有较高的起动力矩。可以直接带载荷起动，起动、停止均迅速。第五，使用空气介质。压缩空气供应简单，对大气及水体均无污染。第六，工作安全。不受振动、高温、电磁、辐射等影响，适用于恶劣的工作环境，在易燃、易爆、高温、振动、水下、泥沙等不利条件下均能正常工作。

2.3 推杆传动方式及特点

采用蜗轮蜗杆传动+丝杠螺母结构，即气动马达的旋转运动通过蜗轮蜗杆传递给丝杠并作旋转运动，再带动螺母作直线运动，使螺母带动推杆作直线运动，推杆伸出和缩回，通过气动马达的正反转运动来实现。

空气能气动马达驱动闸门的特点：第一，采用一体成型的外部构造和二级减速机构驱动装置，使推杆在传动运动中能承受更大负荷。第二，丝杠螺杆的推杆做活塞运动，每秒进行的往复运动较传统而言，其效率提升30%。第三，丝杠螺杆的推杆中加入内置电子位置控制电路，可操控性强。第四，丝杠螺杆的推杆驱动力是经过气动马达+减速机驱动而成的，其升降速度更快，稳定性更高。第五，构造简单，安装、维修方便，安全环保。

3 技术要求

3.1 同步控制

蜗轮丝杆式空气能翻板闸门的每单扇闸门由两套蜗轮丝杆共同作用实现闸门升降，为保证闸门在升降过程中不产生倾斜、挤压变形等应力破坏现象，首先应严格控制其同步运行。在气动马达丝杠螺杆的推杆中加装霍尔传感器，通过信号反馈，可定位推杆的行程，即能实现两个推杆同步运行。

3.2 定位控制

对于有泄水功能的翻板闸门，需要通过调节闸门开度来控制泄水量，这就对丝杠螺杆的运行距离要求定位准确、精度高。气动马达丝杠螺杆的推杆内置霍尔元件，其作用是给接收装置提供一个输入信号，用来判断丝杠螺杆正反转转速，计算出丝杠螺杆的运行距离，保证推杆的精确控制。

3.3 蜗轮丝杆式空气能翻板闸门受力分析

图3为蜗轮丝杆式空气能翻板闸门的受力分析图。

图3 蜗轮丝杆式空气能翻板闸门受力分析

坝面水平水压力：

(1)

坝面垂直水压力：

(2)

(3)

T随着β的变化而变化，为使T最小，对T求极值。

即tanαtanβ=1，此条件即为推杆受力的最佳条件。

当α=75°时，按上述条件，β=15°。

在实际运行中，气动马达推杆所承受的力包括水压力和闸门自重，水压力受水深(即闸门挡水高度)的影响，闸门自重受闸门大小和水压力的共同影响。试验通过控制水深因素不变，得出气动马达推杆所需负载不同闸门配重对应的自锁力，见表1。

表1 防水气动马达推杆技术参数

根据表1绘制的散点图如图4所示，拟合公式为y=2.0613x-156.16，相关系数R2=0.9779，拟合程度高。工程实际中可根据挡水高度确定闸门配重及气动马达推杆自锁力，以满足工程要求。

图4 气动马达推杆自锁力与负载关系图

气动马达推杆的安装距离见表2。

表2 防水气动马达推杆的安装距离

利用蜗轮丝杆升降机作为水利翻板闸门的支撑结构，压缩空气能为其提供动力，与传统的液压控制翻板闸门相比，具有以下优点：

(1)利用气动马达将压缩空气的压力能转换为旋转的机械能作用于蜗轮丝杆升降机，控制活动坝面升降，避免了油脂类介质对水体造成的污染；

(2)传动平稳，制动位置准确；

(3)单扇闸门的两个推杆同步运行精准，不会造成扭曲变形而影响其使用功能和寿命；

(4)在较小动力的条件下即可承载很大的推力；

(5)噪音低、振动小；

(6)结构简单、维修方便、使用寿命长。

4 结 语

蜗轮丝杆式空气能翻板闸门结构合理、坚固可靠，在继承传统液压控制翻板闸门诸多优点的基础上，取消了单独的支撑杆设置，创造性地解决了液压系统中支撑杆受河道泥沙淤积无法解锁、整套系统复杂程度高、系统故障率高等问题，利用气动马达和蜗轮丝杆升降机组合成新型动力系统，将压缩空气的压力能转换成机械能作用于蜗轮丝杆的推杆，实现活动坝面的升降，并数字化精确反馈坝面升降位置。蜗轮丝杆式空气能翻板闸门结构新颖、易于实施，可广泛应用于城市景观河道及农村灌溉渠道中，具有极高的推广价值。