液力驱动卷扬式启闭机的探讨与研究

【摘 要】 本文通过对常规卷扬式启闭机和液压启闭机工作原理和结构型式的分析，提出一种能够充分发挥机械传动和液力传动优势的新型启闭机型式，并阐述了其结构原理和控制原理。

【关键词】 液力驱动 卷扬启闭机 吊点距 高扬程

【Abstract】 Through to the conventional winding type opening and closing machine and hydraulic headstock gear working principle and structure of the analysis， this article put forward a kind of can give full play to the mechanical drive and hydraulic transmission advantage of new type opening and closing machine， and expounds its structure principle and control principle.

【Keywords】 Hydraulic drive Winding hoist Lifting point distance High lift

1 研究背景

目前，大型水利工程中使用启闭机从驱动形式上来分，主要分为两大类：卷扬式启闭机和液压式启闭机。

卷扬式启闭机由电动机通过减速机、开式齿轮，降低转速、增大扭矩，转动卷筒，通过固定在卷筒上的钢丝绳的收放，由滑轮组增大倍率，从而降低每根钢丝绳受力，以减小电动机的功率，起升或降落闸门（见图1）。其具有造价低、扬程大、结构简单、容易加工、维修方便、便于安装的优点。双吊点启闭机必须通过中间轴连接主副机，以控制两吊点的同步，中间轴要传递扭矩同时还要克服自重引起的变形，所以吊点距不能太大，一般不超过8米，限制了卷扬启闭机的应用。卷扬启闭机具有机构笨拙、外形呆板、传动系统大等缺点，由于启闭机的自重偏大，而使整体工程混凝土用量增大。

液压式启闭机由油泵产生压力油，压力油推动活塞杆的伸缩，控制闸门的升降（见图2）。其具有标准化程度高、起重容量大、结构紧凑、运行平稳、重量轻、易于实现自动化控制、不受吊点距限制等优点。但是启闭扬程决定于油缸长短，而油缸受加工设备的限制，不可能过长，一般不超过10米，而且油缸加工的费用也很高。液压式启闭机由于是刚性连接，安装精度要求高。由于油缸常处在闸墩内，油压启闭机维修很麻烦，吊装工作量大。现在的水利工程规模不断增大，启闭机的扬程也不断增大，扬程超过30米的非常常见，显然采用普通液压启闭机是不可能的。

2 设计思路

2.1 驱动机构参数计算

（1）根据启闭机的启闭力确定卷筒扭矩：

卷筒轴上的扭矩：

M=S绳·D·C/ 2·η

式中：S绳：引至卷筒的钢丝绳最大拉力； D：卷筒名义直径；C：引至卷筒的钢丝绳支数；η：卷筒效率。

（2）卷筒转速确定：

卷筒转数：

n=V·a/π·D

式中：V：闸门提升速度；a：滑轮组倍率。

（3）输入扭矩：

N=M·n/975

2.2 液压马达的选取

液压马达实际是液压泵提供的压力油转换为机械能的装置，常用液压马达有齿轮马达、柱塞马达、摆线马达、多作用内曲线马达、五星马达等型式。齿轮马达一般用于风扇等小功率高速场合，定量马达，成本相对较低；柱塞马达一般用于高速、高压，大功率场合，效率高，有定量、变量马达，控制形式多样，成本高；摆线马达为中小功率低速大扭矩马达，多用于中低压场合，效率相对较低，定量马达，成本低；多作用内曲线、五星马达为大功率低速大扭矩马达，锚机、绞车用途广泛，多为定量马达，中高压大流量；选择液压马达时要考虑的因素有工作压力、转速范围、运行扭矩、总效率、容积效率、滑差特性、寿命等机械性能及在机械设备上的安装条件、外观等。中小型启闭机一般选用摆线液压马达，它是一种低速大扭矩液压马达，其具有输出扭矩大，低速稳定，效率高、体积小、重量轻、可以直接与卷筒连接等优点，大型启闭机可选用柱塞马达或五星马达。确定了所用液压马达的种类之后，根据所启闭机需要的转速和扭矩从产品系列中选出能满足需要的若干种规格，然后利用各种规格的特性曲线查出（或算出）相应的压降、流量和总效率。

2.3 卷筒组

为了使启闭机运行更平稳，卷筒采用双联卷筒。为了减小泵组的功率，也就是降低卷筒组的扭矩和转速，可采用增设滑轮组的方法。滑轮组由定滑轮、动滑轮及平衡滑轮组成，起到减小钢丝绳拉力和减速的作用。滑轮组倍率越大，则每根钢丝绳的受力越小，起门速度也越低，规范规定一般起门速度为1～2.5米/分。根据扬程需要，可做多层缠绕，卷筒绳槽采用折线绳槽，以增加启闭机扬程。其结构计算与普通卷扬机的计算相同。一般卷筒组与液压采用直联方式，即卷筒轮毂根据液压马达的输出轴制造，直接通过平键或花键连接。

2.4 液压系统的设计

液力卷扬启闭机机的液压系统由液压泵组、控制阀组、液压马达、油管等主要部件构成。由泵组产生压力油，压力油通过控制阀组及油管供往液压马达，液压马达带动卷筒转动，通过固定在卷筒上钢丝绳的收放完成闸门的升降工作。启闭机液压系统可以集中控制多孔单吊点或双吊点启闭机，也可根据实际需要设计为单孔控制。控制阀组具有分流和控制功能，可以控制单个或多个液压马达的运动。通过安装在每个吊点的开度（行程）检测装置，把各吊点的位移数值，传递到PLC。如果是双吊点启闭机，PLC根据要求，发出信号，控制某两个液压马达的流量，起到使两个吊点同步的作用。

2.5 一双吊点启闭机的设计原理图（图3）

3 结语

从以上介绍与设计原理图可以看出，双吊点启闭机，两吊点间没有传动轴连接， 可以说每个吊点间距大小，不受限制，对于大跨度闸门的应用，使用卷扬式启闭机将不再受到限制。相对于普通的油压启闭机来说，启闭机的扬程不受油缸长度的局限，可以远远超过油压启闭机的12米，而且由于液压马达是定型的工业产品，在产品的质量稳定性、成本、安装等方面好于启闭机生产厂家的自己加工。普通卷扬启闭机的减速系统及中间传动轴的重量一般占整机重量的25%左右，门式启闭机的起升机构如果采用这种卷扬方式，可以减小启闭机大梁断面，减小整机的水平惯性力，进而能够全面降低整机重量。液力驱动卷扬式启闭机布置灵活、方便，集合了普通卷扬式启闭机和油压启闭机的有点，加工制造标准化程度高，安装方便，在大中型水利工程中的应用前景十分广泛。