小议水工建筑物启闭机设计

摘要： 水工建筑物启闭设备作为闸门的一部分，用于操作门叶的移动，达到开启、关闭孔口的目的。在水利水电工程中，将启闭闸门用的起重机械统称为启闭设备，包括启闭闸门的启闭机、取水口拦污栅的清污机。

Abstract： Hydraulic structures opening and closing equipment as a part of the gate is used the movement of operating door leaves to achieve the purpose of reach the opening and closing orifice. In water conservancy and hydropower project， opening and closing equipment refers to hoisting machinery which is used to opening and closing， including the hoist of opening and closing gate， cleaning machine of water intake trash rack.

关键词： 水工建筑物；启闭设备；设计；技术

Key words： hydraulic structure；opening and closing equipment；design；technology

中图分类号：TV5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）34-0108-02

1 概述

作为水工建筑物的启闭机是一种专门用来启闭水工建筑物中的闸门用的起重机械。它与通用起重机一样，是一种循环间隔吊运机械。作为特种用途的起重机，启闭具有荷载变化大。前面各章介绍了闸门启闭力的计算，启闭力包括闸门门叶自重、行走摩阻力、配重或水柱压力、上托力、下吸力等，除自重外，后几种力都与闸门承受的水压力有关，而闸门承受的水压力是随门叶移动而变化的。因此，启闭机的载荷是在不断变化的，变化幅度很大且非常不均匀。例如，当闸门下落关闭时，作用在启闭机挠性构件上的载荷有可能下降为零，也就是说闸门及其附件的重力不足以克服摩擦阻力，只得添加配重或者采用刚性杆件施加闭门力把闸门压下去。而有时闸门提升过程中因意外原因出现卡阻，最大载荷有可能超过原先设计的额定载荷，所以中等以上容量的启闭机一般要求设置负荷指示和负荷限制器；工作级别一般较低，但要求绝对可靠。除一些船闸以及泄洪用的闸门在特定时期内启闭较频繁外，其余的闸门都比较少操作，因此启闭机工作级别一般较低，但是它在水工建筑物上的重要性却很高，要求它的工作绝对可靠，这就要求平时特别注意启闭机的保养维护；多数闸门、特别是大跨度闸门上具有两个吊点，所以这类闸门的启闭机具有两套额定容量相同的起升机构，为保证闸门的顺利启闭，就要求保证双吊点同步，特别在液压传动的启闭机中是一个重要的课题；要适应闸门运行的特殊要求。例如快速事故闸门，要求快速闭门，但并不需要快速启门，因此启闭机要求具有两种速度；又如带充水阀的闸门，要求启闭机在开启充水阀后自动停机，待充水平压后再提升闸门。

2 水工建筑物启闭机的类型

启闭机的类型也是多种多样的，不同类型启闭机多数用它的机构特征来命名，如固定卷扬式启闭机、液压式启闭机等。启闭机按传动形式分为机械传动的和液压传动的。机械传动的启闭机按布置形式分为固定式和移动式两大类。液压传动的启闭机一般只有固定式。

2.1 固定式启闭机：通常一台固定式启闭机只用于操作一扇闸门，启闭机只设置一个起升机构，不必配置水平运动机构。固定式启闭机根据机械传动类型的不同，有卷扬式、螺杆式、链式、连杆式等。固定卷扬式启闭机最为常见，广泛用于平面闸门和弧形闸门上。国内已有QP、QPK、QPG等系列化产品。一般在400kN以下的固定卷扬式启闭机，可设手摇机构。固定卷扬式启闭机，由于在启闭力和扬程方面有宽广的适应范围，因此使用极其广泛，主要用于靠自重、水柱或其他加重方式关闭孔口的闸门和要求在短时间内全部开启的闸门。另外，固定卷扬式启闭机可增设飞摆调速器装置，闭门速度较快，用于启闭快速事故闸门。卷扬式弧门启闭机主要用于操作露顶式弧形闸门，有两种形式。吊点设置在面板前面的弧门启闭机的布置，为了适应弧门转动的需要，启闭机上一般不能采用滑轮装置，只能用单根或多根钢绳自卷筒引出并直接连到闸门吊耳轴上的方式。这一做法使该类弧门启闭机的起重容量受到较大的限制，吊点设置在门叶顶部或面板后面，采用平面闸门卷扬式启闭机替代或改装。另外出现一种所谓“盘香式启闭机”，用于启闭大型弧门，但其自重较大。

2.2 移动式启闭机：移动式启闭机可以实行一机多门的操作方式。因此，除了起升机构，移动式启闭机还需配置水平移动的运行机构，其起升机构多用卷扬式。根据机架的结构形式和工作范围的不同，移动式启闭机可分为台车式、单向门式和双向门式双向门机除大车运行机构外，还有小车运行机构，门架和小车的走行方向互相垂直。另外有时电动葫芦也可作为移动式启闭机来启闭小闸门。移动式启闭机多用于操作多孔共用的检修闸门，它的形式选择应根据水工建筑物的布置、闸门的运行要求以及启闭机的技术经济指标等因素确定，布置时需注意在其行程范围内与其他建筑物的关系。台车式启闭机和单向门式启闭机用于操作吊点位于与启闭机行走方向一致的同一轴线上的闸门。台车式启闭机一般要求水工建筑物上设置排架，或在启闭机下可提供闸门进行锁定、存放、维修等的空间。双向门机可操作吊点位于不同轴线上的几种闸门，或用于操作需要双向移动的闸门。采用门机时水工布置简洁美观，有时为降低门机高度，减少设备的造价，应考虑采取闸门分节等措施。另外，双向门机作为一种大型设备，除操作闸门外，尚需考虑其他用途，如满足其他机械设备检修时吊运要求等，必要时可考虑设置回转吊臂。目前国内工程实践中采用的最大门式启闭机容量达5000kN，跨度为24m。

2.3 液压启闭机：液压启闭机根据液压缸的作用力分为单作用式、双作用式。由于机械制造工艺水平和液压元件系列化、标准化水平的提高，启闭机液压化的趋势在国内外都是明显的，所以液压启闭机的地位越来越高。目前国内已有QPPY、QPKY、QHLY等系列化液压启闭机。液压启闭机启闭力可以很大，但扬程却受加工设备的限制。双向作用的油压启闭机，多用于操作潜孔平面闸门和潜孔弧门。用于操作潜孔弧门时，需设置可转动支座或设置导轨及滑块及铰接吊杆与闸门连接，工程实例中液压启闭机容量较大的有：五强溪水电站表孔弧形闸门液压启闭机，启门力为2×3850kN，行程12.5m；岩滩水电站进水口快速闸门启闭机容量为8000/6000kN（持住力/启门力），行程16.9m。

3 水工建筑物启闭机的参数设计

3.1 启闭力设计：启闭力是启闭机的额定容量，它相当于通用起重机的额定起重量，单位为千牛（kN），如果是双吊点，则称2×多少千牛（kN）。启闭力是根据闸门的启门力、持住力和闭门力中的最大值来确定的。这三个力分别考虑了闸门在启门和闭门时在动水或静水条件下的自身重力、加重块重力、摩擦力、水柱作用力、下吸力、上托力等因素的力学关系。在启闭机的起升机构中，下降速度接近起升速度，只需标出起升速度即可。但是在快速下降闸门的启闭机的下降速度和起升速度不同，故需分别标出起门速度和闭门速度。螺杆式启闭机启闭速度一般为0.2～0.5m/min，卷扬式启闭机启闭速度一般为1～2.5m/min，大容量启闭机的启闭速度则低些。所有启闭机的速度在闸门接近底槛时应不大于5m/min。运行速度：移动式启闭机的运行速度，大车一般为10～25m/min，小车由于行走距离非常有限，一般为5～10m/min。旋转速度：通常只限于门式启闭机的悬臂吊车，旋转角度有限，故旋转机构驱使臂架旋转速度控制在0.5r/min左右。

3.2 扬程设计：扬程是指启闭机的吊钩在闸门安装检修或运行过程中升降的最大高度，与通用起重机械的起升高度是同一概念。对于弧形闸门，则以吊钩在两个极限位置时，起重元件长度的差值为定义。对于门式启闭机其扬程包括轨上扬程和轨下扬程。启闭机的扬程应根据闸门的运行条件决定。

3.3 跨度及吊点间距设计：跨度是指移动式启闭机的大车两侧行走轨道中心线之间的距离，通常就是启闭机的轨距，但在弧形轨道上运行的启闭机有细微的差别，所以弧形轨道应标明最小弯曲半径。启闭机的轨距单位为m。对于双吊点启闭机而言，由闸门上两个吊点的布置情况来确定。它等于起吊闸门在最高位置时，两个取物元件之间的水平间距，单位为m。一般为闸门两个吊耳的距离。启闭机和通用起重机械一样，是一种循环间隔性工作的机械。除液压启闭机外，启闭机机构的工作级别按机构的设计寿命和荷载状态划分为4级。主起升机构的工作级别就是启闭机的工作级别。

3.4 启闭机的一般技术设计要求：启闭机的形式比较多，布置形式也不同，启闭机选型布置应根据水工布置、门型、孔数及操作运行、时间要求和各种常用启闭机在设计、制造和运行等方面的主要特点，经全面的技术经济论证后选定。启闭机的选型布置还必须满足技术先进、经济合理、操作可靠、安全运行、维修方便、景观协调和安全卫生等要求，并能尽量发挥启闭机在工程中的最大效益。启闭机的选用应优先考虑现有系列化的产品。启闭机的启闭力应大于或等于计算启闭荷载；也允许略小于计算启闭力，但不得超过5%，同时还应符合启闭机系列标准规定。启闭机扬程可根据运行条件决定，并应满足溢流闸门可提出溢流水面曲线以上1～2m，以避免闸门受水面漂浮物的撞击。快速闸门可提到孔口以上0.5～1.0m。闸门检修时可提到检修平台以上0.5～1.0m。启闭机除满足启闭闸门的最大工作扬程，为了保证启闭机安全可靠地工作，不同形式的启闭机应装设相应的安全装置，如制动器、荷载限制器、力矩限制器、升降的限位装置、行程限制器、缓冲器、防风夹轨器、锚定装置、液压系统保护装置溢流阀、压力继电器等以及电气保护装置等。启闭机还应采取防潮通风、防腐蚀和防风沙等保护措施。启闭机应安装在最高水位以上，防止启闭机被淹，并应便于闸门、门槽及启闭机部件等正常检修。根据气候、风沙情况，考虑检修人员的工作等条件，固定式启闭机可以设置在机房内，也可布置在室外。设置机房时应与闸门通气孔分开，其平面尺寸除机器靠机房一侧应留有必要的检修、安装空间外，其余与墙壁之间应留有人行通道，其宽度不应小于0.8m。布置在室外的启闭机应加设活动机罩和栏杆。在严寒地区，且在冬季有运行要求的启闭机，其机房应有保温设施，选择工作油或油的牌号应考虑工作地区的气温条件。

4 结束语

根据启闭机工况条件和技术经济指标，有条件时可采用高扬程启闭机，以避免拆卸吊杆。布置高扬程启闭机时要防止动滑轮组、钢丝绳与闸门门槽的干扰。动滑轮组应设置防止钢丝绳脱槽的防护措施。对于浸入水中的动滑轮组，宜采用滑动轴承，轴表面应采取防腐措施，采用滚动轴承时应设密封装置。对于经常浸入水中的钢丝绳应选用镀锌钢丝绳。启闭机起吊平面闸门时的起吊中心线应与闸门起吊中心线一致。对于启闭力大的移动式启闭机，其吊具与闸门或吊杆及吊耳连接时，宜采用自动挂脱梁或手摇联轴装置。对固定式启闭机，当连接轴重量较大而操作困难时，也宜设置手摇联轴装置。对用以操作泄洪及其他应急闸门的启闭机，必须设置可靠的备用电源。启闭力小的启闭机必要时可以设置手摇机构。双吊点闸门的启闭机，应设置同步装置。在启闭过程中，不应因各部分误差而影响闸门运行。对于闸门前有泥沙淤积的双吊点启闭机，其启闭力的确定应考虑两个吊点启闭荷载的不均匀系数。有小开度充水要求的闸门，启闭机应设有能满足小开度精度的行程开关或其他措施。

参考文献：

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