內(nèi)外置行星啟閉機在天生橋船閘上的運用

王 波，沈 靜，戴 健

（1.江蘇省水利機械制造有限公司，江蘇 揚州 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，使用單位對啟閉機的主要要求為：結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、安全可靠、效率高、后期維護成本低、外觀整潔、體積小、占地少等。

弧門卷揚式啟閉機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，因此弧門啟閉機的質(zhì)量是同噸位的平門啟閉機質(zhì)量的2倍甚至更多。為了滿足啟閉機的安裝使用條件，啟閉機工作橋在設(shè)計上會隨著固定卷揚機的體積增大而占用更多的空間，隨著固定卷揚機的質(zhì)量增加，工作橋在整體的強度設(shè)計上也會隨之增加。為改善這一局面，提出了內(nèi)外置行星啟閉機機型。

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)備均采用固定卷揚式啟閉機；其中套閘啟閉機為QH-2×630kN-17m-Q4閉式弧門啟閉機2臺套，節(jié)制閘啟閉機為QH-2×630kN-17m-Q2閉式弧門啟閉機2臺套。

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，動滑輪組不宜長期浸泡在水中，選擇采用QH弧門系列啟閉機。

1 研究思路

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

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，效率低。三環(huán)少齒差、行星齒輪減速器傳動比大（在理論上可達到1 500）、體積較大、重量較重，輸出軸在減速機的中間，順?biāo)鞣较虺叽邕^大。標(biāo)準(zhǔn)的行星一般也是三級傳動再帶個外置小減速機才能達到1 000以上的速比。也可以采用2個圓柱齒輪機互聯(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，把行星減速機大扭矩輸出特點和輸入輸出同軸的特點內(nèi)置于卷筒，將能發(fā)揮出行星傳動的最大效果，也可以最大優(yōu)化啟閉機的外形尺寸。外置行星采用標(biāo)準(zhǔn)行星減速機，將發(fā)揮出行星傳動緊湊直聯(lián)布置的最大效果，垂直安裝的電機轉(zhuǎn)向模塊也方便左右機的剛性同步［4］。各類啟閉機特點對比見表1。

表1 各類啟閉機的性能對比

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

2 內(nèi)外置行星啟閉機的設(shè)計

內(nèi)外置行星卷揚式啟閉機設(shè)計根據(jù)《水利水電工程啟閉機設(shè)計規(guī)范》［2］和《水利水電工程啟閉機制造安裝及驗收規(guī)范》［3］的要求。內(nèi)外置行星卷揚式啟閉機主要由電機、制動器和轉(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、機架、中間軸以及荷載限制器、開度傳感器、機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，電機垂直安裝，順?biāo)鞣较虺叽缰槐染硗仓睆铰源?，啟閉機整體寬度1 338 mm。

根據(jù)工作運行管理特點，主要從電機的選擇、外置行星減速器形式選擇、卷筒和內(nèi)置行星模塊設(shè)計和整機布置形式等方面進行設(shè)計研究。

采用雙聯(lián)卷筒的弧門啟閉機的速比一般都比較大，啟閉機常規(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，所需總速比要達到1 500以上。如果啟閉速度為慢速，則所需總速比要達到5 000以上。

2.1 電機的選擇

電機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進行計算，單邊功率需大于26 kW，因此單邊功率選擇為30 kW。電機與制動器采用三合一減速電機，選型同減速器型號。

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的布置形式，如果采用電機軸同步，轉(zhuǎn)速必須達到電機轉(zhuǎn)速，8級電機也要達到728 r/min，這種轉(zhuǎn)速是必須要加裝防護安全裝置的，而且吊點距過大時，相應(yīng)的撓度也會大幅增加，給安全帶來隱患。因此，選用帶一級K級減速的標(biāo)準(zhǔn)行星減速機，通過K級減速機降級后再進行左右機剛性同步，這樣同步軸轉(zhuǎn)速控制在60 r/min左右比較安全。電機、制動器和轉(zhuǎn)向減速器的三合一模塊，讓電機垂直安裝，也可以充分利用左右機之樣的空間，選擇了型號為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

內(nèi)置行星是該啟閉機的核心模塊，即需要承受輸出的扭矩，也需要承受徑向載荷。普通的減速機主要承受的都是扭矩，因此在行星模塊的設(shè)計上，充分考慮承受徑向力的需要，在設(shè)計時將行星模塊的軸承和軸承座的軸承合二為一進行設(shè)計，并按照1.25倍靜載進行復(fù)核。在行星模塊的設(shè)計中，為了最大程度的大扭矩輸出，采用5對行星輪的結(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)計時內(nèi)置行星模塊僅考慮單級速比，為4.1（如需要減少外置減速機的尺寸，內(nèi)置模塊可以進行雙級甚至多級設(shè)計）。至此，帶軸承座的一個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)徑尺寸進行特殊設(shè)計，形成一套緊密的內(nèi)置行星卷筒模塊。

2.4 啟閉機布置形式

啟閉機布置見圖1。如圖1所示，啟閉機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 啟閉機布置

3 內(nèi)外置行星弧門啟閉機與傳統(tǒng)弧門啟閉機的比較

3.1 啟閉機所占空間

弧門啟閉機一般滑輪組倍率為1，故鋼絲繩選型直徑比較大，造成啟閉機卷筒直徑大的特點。傳統(tǒng)弧門啟閉機分為開式啟閉機和閉式啟閉機，開式啟閉機由減速機一級減速后再由開式齒輪組二級減速，所以開式弧門啟閉機所占空間由開式齒輪組尺寸決定，啟閉機所占空間較大；閉式啟閉機只有減速機減速后直接與卷筒連接，為了滿足啟閉速度，故減速機選用大速比減速機，由于減速機的體積隨著速比的增大成倍增加，所以閉式弧門機所占空間由選用的減速機尺寸決定，啟閉機所占空間大；內(nèi)外置行星弧門啟閉機采用卷筒內(nèi)置行星減速機與外置三合一減速電機雙減速，三合一減速電機為標(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)弧門啟閉機順?biāo)鞣较虺叽鐑?yōu)化了40%以上，土建啟閉機工作橋尺寸也可以進一步減小，減小了土建的工作量，較少工程造價。

3.2 后期維護

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

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為該工程的主要運行控制設(shè)備，該啟閉機創(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)置行星模塊申請了發(fā)明專利，獨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，該啟閉機順利地完成了船閘、防汛等各項任務(wù)。2019年12月19日，天生橋套閘除險加固工程啟閉機通過竣工驗收會，并獲得2019年度江蘇省水利廳科技進步二等獎。