代 威

（1、太原理工大學(xué) 山西太原 030024；2、山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

水利水電工程上將啟閉閘門(mén)的各種起重機(jī)械通稱(chēng)為閘門(mén)啟閉機(jī)。不同類(lèi)型的啟閉機(jī)多數(shù)用它的機(jī)械結(jié)構(gòu)特征來(lái)命名，比如卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)、螺桿式啟閉機(jī)、液壓式啟閉機(jī)等等。不同類(lèi)型的啟閉機(jī)，有著不同的特點(diǎn)及相應(yīng)的適用范圍，本文嘗試就啟閉機(jī)選型方面做一些探討。

1 常見(jiàn)的啟閉機(jī)形式及其特點(diǎn)

與閘門(mén)配套的啟閉機(jī)形式一般根據(jù)閘門(mén)的形式、孔口尺寸、孔口數(shù)量和運(yùn)行條件等因素以及啟閉機(jī)本身的特點(diǎn)來(lái)選擇。根據(jù)近年來(lái)我省大部分閘門(mén)啟閉設(shè)備的選擇，此次僅對(duì)幾種常用的固定式啟閉機(jī)，結(jié)合其自身的主要特點(diǎn)，作以闡述及對(duì)比。

1.1 固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)

固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)一般由起升機(jī)構(gòu)、機(jī)架及電氣控制機(jī)構(gòu)組成。其工作原理為：電機(jī)帶動(dòng)制動(dòng)輪聯(lián)軸器和減速器帶動(dòng)齒輪及卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，卷筒上鋼絲繩又用通過(guò)動(dòng)滑輪和平衡輪實(shí)現(xiàn)吊頭的升降。

固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)由于在起重容量和揚(yáng)程方面有著寬廣的適用范圍，且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，因此使用極其廣泛。水利工程中的啟閉機(jī)，常用的QP系列，其啟門(mén)容量從50 kN到3 200 kN都有樣本可以查閱，便于設(shè)計(jì)選擇。隨著水利工程的日益復(fù)雜，規(guī)模不斷加大，面對(duì)大孔口，高水頭，啟閉機(jī)的容量亦是做的越來(lái)越大。例如位于四川省的錦屏二級(jí)水電站，選用了一臺(tái)9 000 kN的固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)；在建的向家壩水電站導(dǎo)流底孔封堵閘門(mén)孔口尺寸大，水頭高，其卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)容量為2×10 000 kN，揚(yáng)程更是高達(dá)70 m。

但是由于卷?yè)P(yáng)機(jī)是柔性鋼絲繩提供拉力，因此只適用于依靠自重或加重關(guān)閉的閘門(mén)。

1.2 螺桿式啟閉機(jī)

螺桿啟閉機(jī)，是由蝸輪、承重螺母、起重螺桿、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)架、安全保護(hù)機(jī)構(gòu)等幾部分組成。其原理主要是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最終驅(qū)動(dòng)承重螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使螺桿沿軸向做升降運(yùn)動(dòng)，螺桿下部與閘門(mén)吊耳相連，以達(dá)到閘門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉的目的。螺桿機(jī)其中容量一般從5 kN到500 kN，而在我省尊村引黃工程中，進(jìn)水閘使用的為大容量750 kN螺桿啟閉機(jī)，已運(yùn)行30年有余，狀況良好。螺桿啟閉機(jī)揚(yáng)程設(shè)計(jì)一般在5 m以?xún)?nèi)，個(gè)別的可達(dá)到7～8 m。對(duì)于要求提供下壓力的閘門(mén)，螺桿機(jī)的揚(yáng)程由螺桿的穩(wěn)定性來(lái)最終確定，如果閘門(mén)一般只提出孔口即可，亦可以通過(guò)在胸墻上增設(shè)穩(wěn)定支架而增加其穩(wěn)定性。在一些工程設(shè)計(jì)中，可有意將啟閉機(jī)規(guī)格提高，目的是在選用定型產(chǎn)品的原則下，使用直徑較粗的螺桿，這樣既增加了螺桿的穩(wěn)定性，又不會(huì)浪費(fèi)產(chǎn)品規(guī)模。

由于螺桿啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可以在任意開(kāi)度實(shí)現(xiàn)自鎖，從而實(shí)現(xiàn)閘門(mén)長(zhǎng)時(shí)間局部開(kāi)啟，自身占地小，對(duì)啟閉機(jī)機(jī)房要求較低，且造價(jià)低廉，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等因素，被廣泛應(yīng)用于小型水利水電工程上。此外螺桿啟閉機(jī)由于起重螺桿在下降過(guò)程中能夠?qū)﹂l門(mén)施加一定的下壓力，幫助閘門(mén)降落，因此這種啟閉機(jī)對(duì)于依靠自重不能關(guān)閉的閘門(mén)特別適用，這一點(diǎn)更是彌補(bǔ)了固定卷?yè)P(yáng)機(jī)的不足。我省目前所有螺桿啟閉機(jī)全部用于啟閉平面閘門(mén)，但在外省的一些小型閘門(mén)啟閉設(shè)備選型中，啟閉弧形閘門(mén)的螺桿機(jī)實(shí)例亦不少，此時(shí)僅需要設(shè)置可以擺動(dòng)的支撐，或設(shè)置導(dǎo)軌、滑塊以及鉸接吊桿與閘門(mén)連接即可。

螺桿啟閉機(jī)也有自身的缺點(diǎn)，比如其不能實(shí)現(xiàn)快速啟閉閘門(mén)，無(wú)法啟閉事故閘門(mén)；機(jī)械效率很低，總傳動(dòng)效率大致為0.25左右；另外實(shí)際使用時(shí)格外需要注意行程控制問(wèn)題。在眾多實(shí)際工程中，螺桿機(jī)在使用中常因操作不當(dāng)，導(dǎo)致螺桿彎曲，所以螺桿啟閉機(jī)，尤其是電動(dòng)螺桿啟閉機(jī)必須設(shè)置行程限位開(kāi)關(guān)，以保護(hù)螺桿不會(huì)變形。

1.3 液壓式啟閉機(jī)

液壓式啟閉機(jī)是利用液體的壓力，來(lái)進(jìn)行能量傳遞的一種方式。其一般由液壓系統(tǒng)和液壓缸組成。在液壓系統(tǒng)的控制下，液壓缸內(nèi)的活塞沿缸體內(nèi)壁做軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連接在活塞上的吊桿和閘門(mén)作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到開(kāi)啟及關(guān)閉閘門(mén)的目的。液壓系統(tǒng)一般包括動(dòng)力裝置、控制調(diào)節(jié)裝置、輔助裝置等，多套活塞缸可共用一套液壓系統(tǒng)。

采用液壓傳動(dòng)的啟閉機(jī)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）雙作用液壓機(jī)不但可提供拉力，亦可提供下壓力，從而提供閉門(mén)力；2）油缸結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，電傳動(dòng)與電氣控制結(jié)合便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；3）液壓機(jī)緩沖性能好，調(diào)速方便，可以實(shí)現(xiàn)快速啟閉閘門(mén)；4）啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊體積小，重量輕，但承載能力大；5）容易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，部分關(guān)鍵元件可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)潤(rùn)滑；6）一套液壓站可以控制多臺(tái)液壓缸，實(shí)現(xiàn)一站多控。相對(duì)于傳統(tǒng)卷?yè)P(yáng)機(jī)而言，可以減少啟閉機(jī)房面積，減少土建部分投資。但液壓傳動(dòng)也有缺點(diǎn)，主要如下：1）在液壓元件與油缸相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面，不可避免地會(huì)存在泄露，因此對(duì)加工面的加工精度要求較高。2）由于閘門(mén)開(kāi)度的要求，油缸行程較大時(shí)，啟閉機(jī)活塞桿比較長(zhǎng)，需要專(zhuān)用機(jī)床鍛造研磨加工，特別是對(duì)于大容量長(zhǎng)行程的油缸更是如此。3）油缸密封圈屬于易損件，更換時(shí)需要把油缸整體拆解，工作量大，且專(zhuān)業(yè)化要求程度高。4）液壓系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，液壓系統(tǒng)幾乎癱瘓，維修工作復(fù)雜。5）液壓泵站機(jī)房對(duì)消防、通風(fēng)、防潮及排水等有嚴(yán)格要求。

液壓式啟閉機(jī)起重容量可以很大，目前常見(jiàn)的深孔弧門(mén)用液壓機(jī)，其啟門(mén)容量可達(dá)5 000 kN，但揚(yáng)程往往受到加工設(shè)備的限制，不能太大，常見(jiàn)的液壓缸行程一般控制在11.5 m以?xún)?nèi)。雙向作用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)可提供下壓力，故多用于操作深孔平面閘門(mén)和深孔弧形閘門(mén)。如操作深孔弧形閘門(mén)時(shí)也應(yīng)設(shè)置鉸軸或?qū)к壖芭涮谆瑝K，并使用鉸接吊頭與閘門(mén)連接。

2 設(shè)備選型的設(shè)計(jì)體會(huì)

液壓設(shè)備，它似乎代表著最先進(jìn)的生產(chǎn)力，與之配套的則是自動(dòng)化，無(wú)人值守。從事設(shè)計(jì)工作時(shí)，會(huì)有業(yè)主主動(dòng)提出，要用高科技，要上自動(dòng)化，要用液壓機(jī)。自動(dòng)化是時(shí)代所向，但是正如上文論述的那樣，過(guò)于高度的自動(dòng)化帶來(lái)方便的同時(shí)，也帶來(lái)了弊端，例如當(dāng)自動(dòng)化設(shè)備失靈時(shí)，我們很難手動(dòng)介入，例如前些日子，晉中某水電站事故閘門(mén)鋼絲繩斷裂，問(wèn)及當(dāng)時(shí)操作人員是否充水平壓過(guò)，他說(shuō)設(shè)備是自動(dòng)化控制的，他也不知道是否平壓了，只是感覺(jué)這次操作平壓好像與過(guò)去的不一樣，問(wèn)及鋼絲繩是否有上升的過(guò)程，回答是沒(méi)注意，因?yàn)槭亲詣?dòng)化控制的；當(dāng)暴雨來(lái)襲，壩上電力出現(xiàn)問(wèn)題，甚至發(fā)生電力中斷時(shí)，自動(dòng)化設(shè)備更容易陷入癱瘓，例如，2013年夏，有幾日我省大部地區(qū)連降暴雨，其中某水庫(kù)，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)出現(xiàn)小問(wèn)題，但是當(dāng)時(shí)并未注意到，結(jié)果導(dǎo)致閘門(mén)無(wú)法正常開(kāi)啟，結(jié)果壩頂過(guò)水，險(xiǎn)些釀成事故。最后連夜將柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)正常供電后，問(wèn)題才解決。而液壓設(shè)備的檢修與日常維護(hù)對(duì)于一個(gè)大型水庫(kù)來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題，但是如果是未來(lái)兩年我省即將投入建設(shè)的小型水庫(kù)過(guò)多的采用液壓設(shè)備，維護(hù)保養(yǎng)問(wèn)題，則是真正需要關(guān)心的。在我們山西的水庫(kù)，尤其是小型水庫(kù)，是否運(yùn)行會(huì)如我國(guó)南方城市那樣頻繁，保養(yǎng)是否能那么到位？那么如何保證閘門(mén)在需要啟閉時(shí)，設(shè)備真正能用、好用，這也應(yīng)該是設(shè)備選型時(shí)需要考慮的主要問(wèn)題之一。

業(yè)界現(xiàn)在普遍認(rèn)為手電兩用螺桿啟閉機(jī)誕生的很早，因此它也相對(duì)落后，但應(yīng)該看到，螺桿啟閉機(jī)價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)加工精度要求不高，維修容易，工作穩(wěn)定，操作方便這些都是非常重要的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于我們的水利工程。而且螺桿機(jī)也容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，更重要的是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的同時(shí)，現(xiàn)地手動(dòng)操作可以也非常簡(jiǎn)單方便，對(duì)于閘門(mén)的開(kāi)度既可以簡(jiǎn)單地通過(guò)尺子丈量，亦可以通過(guò)簡(jiǎn)單地倍率換算，通過(guò)對(duì)手搖的圈數(shù)的統(tǒng)計(jì)，算出閘門(mén)的開(kāi)度，這樣雖然會(huì)有誤差，但是此誤差絕對(duì)是在可以接受的范圍。至于螺桿效率低下，在我們北方城市，這也不是主要問(wèn)題。因?yàn)槲覀兊膯㈤]機(jī)使用頻率并不高，這對(duì)當(dāng)下倡導(dǎo)的節(jié)能減排來(lái)說(shuō)，影響甚微，這一點(diǎn)與水泵、水輪機(jī)的效率高低產(chǎn)生的影響截然不同。

在創(chuàng)新型社會(huì)的背景下，傳統(tǒng)的螺桿機(jī)也可以有所創(chuàng)新，比如更改承重螺母的材質(zhì)，以提高其潤(rùn)滑性能，提高機(jī)械效率的同時(shí)減少日常保養(yǎng)的工作量。也可以將傳統(tǒng)螺桿機(jī)與閘門(mén)稍加改動(dòng)，制作出暗桿式螺桿機(jī)，即螺桿僅做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，承重螺母固定于閘門(mén)門(mén)體之中，如此一來(lái)，閘門(mén)便可隨著承重螺母一同上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的啟閉，這樣設(shè)計(jì)不僅美觀，還可優(yōu)化啟閉機(jī)房的部分結(jié)構(gòu)，甚至降低啟閉機(jī)房的凈空高度。

綜上所述，在小型閘門(mén)啟閉設(shè)備選型上，相對(duì)于液壓?jiǎn)㈤]機(jī)筆者更推薦在設(shè)備允許的條件下使用這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又可以提供下壓力的啟閉設(shè)備——手電兩用螺桿啟閉機(jī)。

設(shè)計(jì)工作有時(shí)很難評(píng)判對(duì)與錯(cuò)，更大程度上應(yīng)該是合理與不合理。從事設(shè)計(jì)工作本身就應(yīng)該是一個(gè)不斷優(yōu)化的過(guò)程。一個(gè)設(shè)計(jì)成果通常而言只要是符合規(guī)范的，皆可認(rèn)為是對(duì)的，但是不一定是好的。那么如何從“不犯錯(cuò)”的設(shè)計(jì)變成好的設(shè)計(jì)，從好的設(shè)計(jì)優(yōu)化到最好的設(shè)計(jì)，這是每一個(gè)從事設(shè)計(jì)的人員應(yīng)該考慮的，不同的人可能從不同的方面考慮有不同的結(jié)果，但是在一定的歷史背景下，好的有很多，但是最好的，卻只有一個(gè)。啟閉設(shè)備的選型同樣是這樣，設(shè)計(jì)是否合理，也許只能通過(guò)時(shí)間的積淀最后留由后人來(lái)評(píng)判。