帶精準(zhǔn)對(duì)位雙向移動(dòng)式啟閉機(jī)研究與應(yīng)用*

鄭 偉，陳佛生※

（1.廣東省建筑機(jī)械廠有限公司，廣州 510500；2.廣東江海機(jī)電工程有限公司，廣州 510500）

0 引言

水利水電工程中的設(shè)備大多面臨山風(fēng)等復(fù)雜的使用環(huán)境，傳統(tǒng)移動(dòng)式啟閉機(jī)[1-2]的大車行走機(jī)構(gòu)大多沒(méi)有設(shè)置自動(dòng)對(duì)位裝置，存在自動(dòng)化程度低、操作不方便等問(wèn)題[3]，特別是用移動(dòng)式啟閉機(jī)來(lái)啟閉垂直水流方向上的多孔閘門(mén)（或攔污柵），或在水流方向上用其來(lái)啟閉閘門(mén)、攔污柵和清污[4]，由于啟閉機(jī)行走速度較大、自身高度較大（門(mén)式）以及吊具通過(guò)柔性的鋼絲繩與起升機(jī)構(gòu)連接，在慣性等因素的作用下，需要人工反復(fù)點(diǎn)動(dòng)行走電機(jī)來(lái)對(duì)位，對(duì)位時(shí)間較長(zhǎng)，且效率低，這些問(wèn)題在依賴駕駛室操作的門(mén)式啟閉機(jī)的使用過(guò)程中特別明顯，往往需要人輔助吊具或吊物入槽，人工成本高，同時(shí)存在一定的安全隱患。

在一些水利水電工程中，水流方向上的閘門(mén)與攔污柵之間、攔污柵與清污耙斗槽之間距離小，通過(guò)功能多樣化設(shè)計(jì)的啟閉機(jī)往往要兼顧啟閉閘門(mén)、提柵和清污，通常不同功能之間的起吊中心距較小，移動(dòng)式啟閉機(jī)或其小車所需要行走的距離較小，一般在500～2 500 mm之間。短距離適合慢速行走，傳統(tǒng)的慢速行走一般通過(guò)減速機(jī)減速或變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些減速方式存在成本高等一系列問(wèn)題。

針對(duì)水利水電工程中清污機(jī)的孔口對(duì)位的問(wèn)題，劉曉蓉[5]開(kāi)展了全自動(dòng)清污機(jī)孔口定位研究，采用接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)感應(yīng)塊與變頻多速段相結(jié)合的控制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)清污機(jī)精準(zhǔn)定位，但同時(shí)指明定位精度受接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)距離和外界因素影響，并且未涉及雙向移動(dòng)式啟閉機(jī)或雙向移動(dòng)式清污機(jī)的對(duì)位問(wèn)題，其研究還未全面解決不同行走機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)對(duì)位問(wèn)題。

本文研究了適合長(zhǎng)距離快速行走的大車行走機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)對(duì)位方法和適合短距離行走的新型小車行走機(jī)構(gòu)，可系統(tǒng)性全面解決雙向移動(dòng)式啟閉機(jī)的大小車精確對(duì)位方法，且與傳統(tǒng)的方法與裝置相比，具有作業(yè)更加安全可靠、制造成本更低等優(yōu)點(diǎn)，可提高移動(dòng)式啟閉機(jī)對(duì)位自動(dòng)化、智能化[6]水平，促進(jìn)智慧水利[7]建設(shè)。

1 兩種不同行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 適合長(zhǎng)距離快速行走的大車行走機(jī)構(gòu)

（1）具有精準(zhǔn)對(duì)位的大車行走機(jī)構(gòu)的組成

具有精準(zhǔn)對(duì)位[8]的大車行走機(jī)構(gòu)（泛指適合長(zhǎng)距離行走的快速行走機(jī)構(gòu)）由行走電機(jī)（含減速機(jī)、制動(dòng)器）、十字限位開(kāi)關(guān)[9]（雙輸出行程開(kāi)關(guān)）、停位觸發(fā)裝置、減速觸發(fā)裝置、路軌和帶變頻器的PLC[10]控制系統(tǒng)等組成，其中的行走電機(jī)為變頻電機(jī)。路軌安裝在排架、閘墩或門(mén)架上；減速觸發(fā)裝置和停位觸發(fā)裝置安裝在各個(gè)孔口對(duì)應(yīng)的排架或閘墩上，如圖1所示。

圖1 具有精準(zhǔn)對(duì)位的大車行走機(jī)構(gòu)的組成

（2）大車行走機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)對(duì)位原理

根據(jù)布置，在排架或閘墩上設(shè)置各孔閘門(mén)或攔污柵啟閉時(shí)控制移動(dòng)式啟閉機(jī)行走的減速和停位觸發(fā)裝置。當(dāng)移動(dòng)式啟閉機(jī)沿軌道行走時(shí)，安裝在其上的十字限位開(kāi)關(guān)會(huì)先觸碰對(duì)應(yīng)孔口的減速觸發(fā)裝置，觸碰后，十字限位開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)90°，并向PLC 發(fā)出減速指令，PLC 將指令發(fā)送至變頻器，變頻器控制行走電機(jī)以最低穩(wěn)定運(yùn)行頻率（國(guó)產(chǎn)電機(jī)通常為5 Hz∕min）低速繼續(xù)前行，運(yùn)行至停位觸發(fā)裝置后，觸發(fā)同一十字限位開(kāi)關(guān)再次旋轉(zhuǎn)90°，這時(shí)PLC 將停位指令反饋給變頻器，變頻器將0 Hz 運(yùn)行頻率反饋給行走電機(jī)，使行走電機(jī)無(wú)轉(zhuǎn)速輸出；與此同時(shí)，PLC 將制動(dòng)指令反饋給制動(dòng)器并對(duì)行走電機(jī)制動(dòng)，行走電機(jī)無(wú)轉(zhuǎn)速輸出和制動(dòng)的共同作用使啟閉機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精準(zhǔn)對(duì)位，其工作原理如圖2所示。

圖2 具有精準(zhǔn)對(duì)位的大車行走機(jī)構(gòu)的控制原理圖

（3）大車行走機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)對(duì)位的優(yōu)點(diǎn)

大車行走機(jī)構(gòu)通常為露天工作，安裝定位感應(yīng)塊的平臺(tái)經(jīng)常有人員走動(dòng)，感應(yīng)塊容易被人或物體擾動(dòng)或遮擋，如果采用接近開(kāi)關(guān)作為傳感器，感應(yīng)塊擾動(dòng)或高度變化均會(huì)影響檢測(cè)的精度，從而影響定位精度。而采用十字限位開(kāi)關(guān)，其觸發(fā)方式為機(jī)械式，除非故意為之，發(fā)生擾動(dòng)的概率較小，方便日常維護(hù)和使用。

1.2 適合短距離慢速行走的新型小車行走機(jī)構(gòu)

（1）新型小車行走機(jī)構(gòu)

如圖3所示，新型小車行走機(jī)構(gòu)[11]主要由路軌、行走滑塊、行走滑塊壓板、側(cè)導(dǎo)向輪、連接耳板、驅(qū)動(dòng)裝置和行程控制裝置等組成。路軌通過(guò)壓板固定在大車架（大車架可以是臺(tái)車架，也可以是門(mén)架）上；行走滑塊通過(guò)滑塊壓板與小車架連接，固定在小車架底部，滑塊支撐在路軌上；側(cè)導(dǎo)向輪安裝在小車架上，與路軌間隙為2～3 mm，防止小車行走過(guò)程中發(fā)生側(cè)向偏移或啃軌；連接耳板焊接在小車架上，連接耳板設(shè)有與驅(qū)動(dòng)裝置連接的軸孔；驅(qū)動(dòng)裝置為電液推桿及其相關(guān)連接件，電液推桿的缸體端通過(guò)推桿底座固定在大車架上。

圖3 新型小車行走機(jī)構(gòu)組成

（2）驅(qū)動(dòng)裝置

如圖4所示，驅(qū)動(dòng)裝置由電液推桿、手搖機(jī)構(gòu)、推桿座、推桿底座、調(diào)節(jié)底座、調(diào)節(jié)座、調(diào)節(jié)螺栓螺母、縮回傳感器、伸出傳感器、定位桿和銷軸等組成。電液推桿的缸體端與推桿座通過(guò)銷軸連接；推桿座通過(guò)螺栓固定在推桿底座上；推桿底座焊接在大車架上。裝配完成后，通過(guò)電液推桿的伸出與縮回使小車行走。電液推桿的活塞桿為截面較小的細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，長(zhǎng)期處在水平狀態(tài)的電液推桿，如果行程較大且處于伸出狀態(tài)，在自重等作用下，容易造成活塞桿變形，影響推桿的正常使用。為了解決此問(wèn)題，在電液推桿的油缸外殼底部增設(shè)一套推桿調(diào)節(jié)座，以使活塞桿基本不承受電液推桿缸體端的重力。裝配時(shí)，先將電液推桿固定在推桿座上，并將活塞桿與連接耳板連接，使其呈水平狀態(tài)，然后將調(diào)節(jié)底座放置在不影響小車運(yùn)行的位置，并將其焊接在大車架上，配裝好調(diào)節(jié)座使其與電液推桿的油缸底部接觸，但不產(chǎn)生除支撐推桿重力以外的向上的附加支撐力，然后通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓螺母固定好調(diào)節(jié)座。為限制小車的運(yùn)動(dòng)范圍，在電液推桿上設(shè)置了伸出和縮回的位置傳感器，傳感器安裝在電液推桿的油缸外殼上，定位桿安裝在活塞桿上，活塞桿帶動(dòng)定位桿一起運(yùn)動(dòng)，可通過(guò)調(diào)節(jié)定位桿上的感應(yīng)塊的位置來(lái)控制活塞桿的伸出長(zhǎng)度。

圖4 驅(qū)動(dòng)裝置（電液推桿）組成

（3）新型小車行走機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)定位原理及優(yōu)點(diǎn)

電液推桿是一種機(jī)、電、液一體化的新型柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[12-14]，通過(guò)液壓傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，具有調(diào)速性能好、運(yùn)行速度慢、沖擊性小等特點(diǎn)。因?yàn)槠渫评俣瓤蛇x擇在1.5 m∕min 以內(nèi)，且不像傳統(tǒng)行走電機(jī)啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)沖擊大，一般不需要像大車行走一樣先減速后停位便可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)位。

如圖3所示，通過(guò)安裝在小車架上的導(dǎo)向輪導(dǎo)向作用，使得小車只能沿小車路軌方向上運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)，通過(guò)電液推桿的伸出和縮回可實(shí)現(xiàn)小車的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可通過(guò)伸出和縮回位置傳感器來(lái)控制小車的行走范圍，如圖5所示的小車分別處于啟閉攔污柵和清污工作時(shí)的位置。

圖5 新型小車行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)圖

小車通過(guò)滑塊支撐在大車架上，且通過(guò)電液推桿與大車架一直保持連接，因電液推桿可施加推力和拉力，在行走滑塊壓板、側(cè)導(dǎo)向輪和電液推桿的共同作用下，可克服來(lái)自任何方向上的風(fēng)力，可等效于傳統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)需要配置的錨定、行程限位（因電液推桿已配置）、夾軌等安全保護(hù)裝置的作用。由于小車的行走是通過(guò)電液推桿的伸出與縮回來(lái)實(shí)現(xiàn)，并不需要像傳統(tǒng)行走方式一樣將小車錨定在大車架上，不需要人工解錨便可操作小車行走，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，并且制造成本低。

在電液推桿電機(jī)的末端設(shè)有手搖機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)電或電氣故障下的小車行走，因此新型小車行走機(jī)構(gòu)可提高小車應(yīng)急行走能力和安裝調(diào)試的便利性。

2 兩種不同行走機(jī)構(gòu)在雙向移動(dòng)式啟閉機(jī)上的應(yīng)用

下面以甘肅中部生態(tài)移民扶貧開(kāi)發(fā)供水工程總干渠前池雙向移動(dòng)式啟閉機(jī)為例來(lái)說(shuō)明兩種不同行走機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。

2.1 工程概況及總干泵站前池的布置

甘肅中部生態(tài)移民扶貧開(kāi)發(fā)供水工程項(xiàng)目位于白銀市靖遠(yuǎn)縣北部及平川區(qū)境內(nèi)[15]，屬Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大（2）型，包括1條總干渠、3條干渠、4條分干渠，項(xiàng)目總投資為41.76 億元。總干渠泵站進(jìn)水口設(shè)有引水前池，前池進(jìn)水口處設(shè)有兩孔攔污柵、卸污平臺(tái)、啟閉機(jī)排架和一臺(tái)QT-2×100-20 雙向移動(dòng)式啟閉機(jī)。攔污柵前設(shè)有耙斗槽，耙斗可以沿耙斗槽升降以清理攔污柵前的污物，如圖6所示。攔污柵柵槽與耙斗槽之間的中心距為820 mm，攔污柵與耙斗的吊點(diǎn)距為768 mm，小車行走距離小。

圖6 總干泵站前池進(jìn)水口布置圖

2.2 QT-2×100-20雙向移動(dòng)式啟閉機(jī)

（1）雙向移動(dòng)式啟閉機(jī)

QT-2×100-20 雙向移動(dòng)式啟閉機(jī)額定啟閉容量為2×100 kN，用于清污和啟閉攔污柵，主要由小車及小車上的起升機(jī)構(gòu)、小車架、電纜卷筒、機(jī)房、小車行走機(jī)構(gòu)、大車行走機(jī)構(gòu)、臺(tái)車架、液壓抓梁、液壓耙斗、保護(hù)裝置及控制系統(tǒng)等組成，如圖7所示，大車行走機(jī)構(gòu)設(shè)有精準(zhǔn)對(duì)位裝置，小車行走采用電液推桿作為行走驅(qū)動(dòng)裝置，可實(shí)現(xiàn)各孔口清污和啟閉攔污柵時(shí)的精準(zhǔn)對(duì)位。

圖7 QT-2×100-20雙向移動(dòng)式啟閉機(jī)

（2）大車行走機(jī)構(gòu)

大車軌距3 500 mm，行走機(jī)構(gòu)采用變頻調(diào)速，最高行走速度為12 m∕min，行走于兩個(gè)孔口與卸污平臺(tái)之間。在兩個(gè)孔口分別設(shè)有減速和停位觸發(fā)裝置，如圖7所示，用于兩個(gè)孔口清污或提柵時(shí)在垂直于水流方向上的精準(zhǔn)對(duì)位，觸發(fā)減速后，其行走速度降至1.2 m∕min，以利于觸發(fā)停位后的精準(zhǔn)對(duì)位。

（3）小車行走機(jī)構(gòu)

根據(jù)啟閉攔污柵和清污時(shí)的吊點(diǎn)中心距為768 mm，選擇集驅(qū)動(dòng)、安全保護(hù)等功能于一體的電液推桿作為小車行走的驅(qū)動(dòng)裝置，電液推桿型號(hào)為DYTP5000，行走速度為1.08 m∕min （推）、1.38 m∕min（拉），綜合卸污、功能轉(zhuǎn)換和行程調(diào)節(jié)需要，選定電液推桿行程為1 100 mm，電液推桿推出時(shí)為清污、縮回時(shí)為啟閉攔污柵，在清污和啟閉攔污柵吊點(diǎn)中心外側(cè)設(shè)有不少于50 mm的調(diào)節(jié)余量。

除甘肅中部生態(tài)移民扶貧開(kāi)發(fā)供水工程外，所研究的自動(dòng)對(duì)位方法和新型小車行走機(jī)構(gòu)已同時(shí)或獨(dú)立應(yīng)用于廣州市番禺區(qū)南順泵站等工程的啟閉機(jī)或清污上，自動(dòng)精準(zhǔn)對(duì)位效果良好，使用和維護(hù)方便，深受業(yè)主好評(píng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）大車行走精準(zhǔn)對(duì)位技術(shù)可應(yīng)用于移動(dòng)式啟閉機(jī)（包括門(mén)式啟閉機(jī)和臺(tái)車式啟閉機(jī)）的大車行走機(jī)構(gòu)、運(yùn)行范圍超過(guò)2 500 mm 的雙向移動(dòng)式啟閉機(jī)的小車和橋門(mén)式起重機(jī)的大小車行走的精準(zhǔn)對(duì)位。

（2）新型小車行走機(jī)構(gòu)適用于短距離行走，其行走范圍為500～2 500 mm 為宜，因其行走范圍較小，小車行走速度建議小于2 m∕min，有利于運(yùn)行安全。

（3）新型小車行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置的數(shù)量應(yīng)根據(jù)小車的軌距來(lái)選擇，整體剛性較好的小車，適宜采用推拉力較大的電液推桿取代多組驅(qū)動(dòng)裝置，避免因多組驅(qū)動(dòng)裝置推拉不同步發(fā)生故障或增加同步控制成本。

（4）帶手搖機(jī)構(gòu)的電液推桿，其電動(dòng)時(shí)，必須將手搖機(jī)構(gòu)拆下。