程麒安，楊甜

（1.海河水利委員會引灤工程管理局，河北 唐山 063000；2.海河流域北海海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學研究中心，天津 300000）

1 概述

潘家口水庫主壩位于河北省遷西縣境內(nèi)的灤河干流上，設(shè)計總庫容29.3億m3，1975年開工，1980年開始蓄水，1985年竣工。潘家口水庫主壩為混凝土低寬縫重力壩，1 000 a一遇洪水設(shè)計，5 000 a一遇洪水校核，最大壩高107.5 m，壩頂長1 039.11 m，壩頂高程230.5 m（大沽高程），最大泄洪能力56 200 m3/s。主壩共分56個壩段，設(shè)18孔溢洪道，采用18扇15 m×15 m弧形閘門和18臺雙吊點卷揚式啟閉機控制。其中，溢流壩弧形閘門啟閉機設(shè)置于▽234.5 m的啟閉機室內(nèi)，總裝機容量2×80 t，吊距9 m，揚程20 m，起門速度1.36 m/min。

2 水庫溢流壩弧形閘門啟閉機組成及運行原理簡介

卷揚式啟閉機是專門用于操作溢流道閘門的一種啟閉設(shè)備。水庫大壩溢流壩弧形閘門啟閉機主要由電機、制動器、齒輪減速器、輸出動力聯(lián)軸器、卷筒組成，如圖1所示。啟閉機所用電機為2臺JZ2-51-8型電機，功率為22 kW。電機旋轉(zhuǎn)帶動齒輪減速器，通過聯(lián)軸器把動力傳遞到卷筒，啟閉閘門。2套動力及傳動機構(gòu)通過聯(lián)軸器5連接，保證2個卷筒同步運轉(zhuǎn)，進而保證閘門兩側(cè)吊點平衡。

圖1 啟閉機組成

聯(lián)軸器是指聯(lián)接兩軸或軸與回轉(zhuǎn)件，在傳遞運動和動力過程中一同回轉(zhuǎn)，在正常情況下不脫開的一種裝置。聯(lián)軸器被安裝在動力傳動的驅(qū)動側(cè)和被動側(cè)之間，起到傳遞旋轉(zhuǎn)扭力、補償軸間安裝偏差、吸收設(shè)備振動和緩沖荷載沖擊等作用。聯(lián)軸器的功能之一是通過自身形變來吸收和補償軸與軸之間偏差，柔性越大則表示其吸收偏差的能力越強，柔性越小則表示吸收偏差的能力越弱。水庫大壩溢流壩弧形閘門啟閉機選用的聯(lián)軸器為鼓形齒式聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器為剛性聯(lián)軸器，其齒側(cè)的間隙比一般形式的聯(lián)軸器稍大，可以傳遞較大的扭矩和允許較大的角位移，性能優(yōu)異且壽命更加長久。其特點如下[1]。

（1）承載能力強。在相同的內(nèi)齒套外徑和聯(lián)軸器最大外徑下，鼓形齒式聯(lián)軸器的承載能力平均比直齒式聯(lián)軸器提高15%～20%。本聯(lián)軸器內(nèi)外齒均采用48齒，能夠傳遞較大的輸出扭矩。

（2）角位移補償量大。在相同的模數(shù)、齒數(shù)、齒寬下，鼓形齒比直齒允許的角位移大。當徑向位移等于零時，直齒式聯(lián)軸器的許用角位移為1°，而鼓形齒式聯(lián)軸器的許用角位移為1°30′。

（3）鼓形齒面使內(nèi)、外齒的接觸條件得到改善，避免了在角位移條件下直齒齒端棱邊擠壓、應(yīng)力集中的弊端，同時改善了齒面摩擦、磨損狀況，降低了噪聲，維修周期長。

（4）傳動效率高，最高達99.7%。

3 輸出動力聯(lián)軸器故障發(fā)現(xiàn)和處理

3.1 聯(lián)軸器故障發(fā)現(xiàn)

2022年5 月，溢流壩弧形閘門啟閉機聯(lián)軸器進行拆檢維護時，發(fā)現(xiàn)5#閘門啟閉機低速動力輸出聯(lián)軸器（圖1中編號為3的聯(lián)軸器）內(nèi)腔出現(xiàn)鐵屑、鐵卷及鐵片。鐵卷尺寸約15 mm×5 mm，鐵片尺寸約5 mm×5 mm。同時，聯(lián)軸器部分齒面磨損嚴重，有不同程度坑洼出現(xiàn)，具體情況如圖2—4所示。

圖2 聯(lián)軸節(jié)端面鐵屑

圖3 聯(lián)軸節(jié)齒面鐵屑

圖4 鐵卷及鐵片

3.2 故障原因分析

3.2.1 聯(lián)軸器常見故障原因

一般而言，鼓形齒式聯(lián)軸器常見故障原因如下[2]：①聯(lián)軸器中心偏差過大，齒面相對位移大；②齒輪材質(zhì)不合格，齒面硬度過低；③齒面潤滑不充分或者干磨；④油質(zhì)不合格，油中含有酸或硫化物等造成潤滑效果變差；⑤制造及安裝誤差；⑥齒輪承載后的變形或齒面溫度變化。

3.2.2 檢測及故障原因分析

2022年6月23 日，委托檢測單位對5#閘門啟閉機低速聯(lián)軸器進行拆解檢測，檢測情況及分析如下。

（1）同軸度檢測。對低速聯(lián)軸器和啟閉機傳動軸同軸度進行檢測，實測徑向補償量為3.5 mm。聯(lián)軸器的許用徑向補償量Δy按下式計算：

式中：A為聯(lián)軸器長度（mm），實測聯(lián)軸器長度為1 100 mm，如圖5所示；Δα為許用角向補償量，一般取1°30′，如圖6所示。

圖5 聯(lián)軸器的許用徑向補償量

圖6 聯(lián)軸器的許用角向補償量

經(jīng)計算，5#閘門啟閉機低速聯(lián)軸器同軸度偏差在許用范圍內(nèi)，這就排除了由于啟閉機系統(tǒng)同軸度偏差較大引起齒輪軸向竄動的可能。

（2）齒輪表面磨損嚴重。聯(lián)軸器內(nèi)外齒面多處磨損嚴重，齒面硬度減弱，硬度實測值為HB146-191，齒輪硬度值正常范圍為HB250-285。由于此聯(lián)軸器是用于傳遞轉(zhuǎn)矩的，且閘門重量為89.83 t，因此工作時受力較大，齒輪易發(fā)生疲勞等現(xiàn)象。

3.2.3 聯(lián)軸器出現(xiàn)鐵屑原因的確定

水庫溢流壩弧形閘門啟閉機制造于20世紀80年代，啟閉機長期運行、維護保養(yǎng)不及時，造成齒面運行工況變差，引起齒面硬度降低；齒輪嚙合誤差較大，軸向受力不勻，造成齒輪軸向竄動量過大，齒面相對位移大，齒輪端面切削齒廓曲面產(chǎn)生鐵卷，進而齒輪嚙合將鐵卷壓碎產(chǎn)生碎片等，應(yīng)為鐵屑、鐵卷及鐵片出現(xiàn)的主要原因。

3.3 故障排除

針對本次聯(lián)軸器出現(xiàn)的故障，提出兩項解決方案。第一，可通過對聯(lián)軸器受損齒面進行修復(fù)以提高齒面硬度，改善齒輪嚙合運行工況；第二，可以通過聯(lián)軸器整體更新，采用新型聯(lián)軸器，提升啟閉機運行穩(wěn)定性。

3.3.1 齒面修復(fù)

常用的齒輪齒面修復(fù)方法包括以下4種[3]。

（1）調(diào)整換位法。改變磨損齒輪的方向，繼續(xù)使用未磨損或磨損較輕的齒輪。

（2）變位切削法。將報廢的大齒輪外徑車去一定值，然后再次滾動齒輪，去除齒面腐蝕的部分。大齒輪為負變位，小齒輪為正變位。加工后成為傳動參數(shù)不變的新齒輪副，使大齒輪得以修復(fù)并投入使用。

（3）鑲齒修理法。對于負荷小、轉(zhuǎn)速低的齒輪，在修復(fù)過程中，在刨床上刨出壞齒輪根部的梯形槽，壓入與槽形相同的新齒胚，焊接牢固或用螺栓連接加工整形。

（4）堆焊修理法。單個齒輪磨損或齒端兩側(cè)磨損超過極限的，可根據(jù)齒輪損壞情況在齒輪整個或部分表面堆焊一層或幾層金屬。堆焊修理齒輪操作簡單，修理質(zhì)量好。

水庫溢流壩弧形閘門啟閉機聯(lián)軸器齒輪磨損部位較多且負荷較大，難以通過簡單現(xiàn)場處理排除故障。

3.3.2 聯(lián)軸器更新

采用對齒輪修復(fù)的方法雖然可行，但由于齒輪聯(lián)軸器本體使用年限很長和齒輪本身特性影響，加上溢洪道閘門汛期泄洪的重要作用，通過修復(fù)方法不能保證聯(lián)軸器的安全使用。通過綜合考慮，決定對聯(lián)軸器進行整體更換，選用橡膠柔性聯(lián)軸器代替原有鼓形齒式聯(lián)軸器。橡膠柔性聯(lián)軸器具有以下特點[4]。

（1）吸振效果好。橡膠柔性聯(lián)軸器是依靠橡膠實現(xiàn)彈性連接的，可充分吸收因聯(lián)軸器對中不好而產(chǎn)生的振動，使設(shè)備能夠平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

（2）具有保護作用。橡膠柔性聯(lián)軸器的橡膠部分是可以更換的，可以根據(jù)轉(zhuǎn)動設(shè)備所需扭矩大小而安裝不同的輪胎環(huán)。因此，可以根據(jù)設(shè)備正常工作時的扭矩選擇相應(yīng)的輪胎環(huán)。當設(shè)備運轉(zhuǎn)的實際扭矩超過輪胎環(huán)的額定扭矩時，輪胎環(huán)就會裂開，從而能夠保護設(shè)備的其他部件不受損壞。

（3）軸向找正精度要求低。橡膠柔性聯(lián)軸器的軸向和徑向偏差只要不超過1.2 mm，就可以正常工作。對于使用條件要求較高、對中難度較大的場所，宜使用橡膠柔性聯(lián)軸器。

（4）減小維護工作量。由于橡膠柔性聯(lián)軸器采用橡膠彈性連接，聯(lián)軸器空腔內(nèi)不充油，減少了漏油的風險。

3.3.3 方案比選

通過以上兩個方案的比選，建議采用第二個方案，對聯(lián)軸器進行整體更新。采用橡膠柔性聯(lián)軸器進行動力傳遞，可以減少啟閉系統(tǒng)震動，從根本上解決聯(lián)軸器產(chǎn)生鐵卷、鐵屑、鐵片的問題，提升啟閉機運行和閘門穩(wěn)定性。

4 運行維護建議

為防止溢流壩弧形閘門啟閉機聯(lián)軸器故障的發(fā)生，應(yīng)加強設(shè)備維護管理及人員的技術(shù)培訓，同時及時更新設(shè)備。

4.1 加強維護管理

水庫溢流壩閘門只用于防汛泄洪使用，使用頻率較低，以致對閘門啟閉機的檢查、檢修、大修周期較長，容易造成設(shè)備維護人員的疏忽。因此，在日常維修養(yǎng)護過程中，要注重對設(shè)備設(shè)施的管理。

（1）通過制定檢修規(guī)程，明確檢修周期，及時開展維修養(yǎng)護及檢查檢修。

（2）加強人員業(yè)務(wù)能力培訓，提高作業(yè)水平，避免誤操作對設(shè)備造成損壞。

（3）加強設(shè)備運行過程中的監(jiān)護，及時發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象并排除故障。

4.2 采用“四新”技術(shù)

在工業(yè)技術(shù)及工藝水平不斷革新、材料技術(shù)日趨完善的今天，多種設(shè)施設(shè)備實現(xiàn)了衍生、迭代。因此，更新設(shè)備選型設(shè)計時，要采用“四新”技術(shù)，充分考慮設(shè)備的技術(shù)先進性、維修養(yǎng)護便捷性和安全運行可靠性。

4.3 加大投資更新設(shè)備

水庫大壩建成于20世紀80年代，工程設(shè)備設(shè)施普遍趨于老化，運行安全可靠性變差。相關(guān)部門應(yīng)加大水利設(shè)備設(shè)施投資力度，及時更新改造設(shè)備，提高設(shè)備技術(shù)水平，促進水庫大壩工程安全平穩(wěn)有序運行。

4.4 閘門鋼絲繩受力均衡度測量

溢流壩弧形閘門啟閉機采用兩臺同型號電機及減速器驅(qū)動，應(yīng)對閘門兩側(cè)鋼絲繩受力及電機轉(zhuǎn)速進行測量，確保閘門兩側(cè)受力均衡。若兩臺電機轉(zhuǎn)速不同，則會造成轉(zhuǎn)速高的電機過載，進而燒毀電機。

5 結(jié)語

啟閉機是操作大壩閘門的重要設(shè)備，聯(lián)軸器作為啟閉機的主要構(gòu)成部件，其安全運行事關(guān)防汛備汛。橡膠柔性聯(lián)軸器作為“四新”產(chǎn)品，可有效提升啟閉機和閘門運行的穩(wěn)定性。潘家口水庫大壩建成時間較早，受限于當時的制造水平、工藝水平、材料水平，許多設(shè)備并不能滿足當下對于水利工程管理標準化、精細化、信息化、智能化的要求。同時，聯(lián)軸器產(chǎn)生的故障暴露了人員管理、技術(shù)更新、投資力度等多方面的問題，值得引起工程管理人員的思考與改進。