王娟 曾令东 张庆军
中国葛洲坝集团机械船舶有限公司 湖北宜昌 443007
摘要：通过对水电站超大型单吊点卷扬式启闭机起升机构传动布置的研究分析，总结其结构特点，便于不同型式卷扬式启闭机的设计研发。
关键词：超大型 卷扬式启闭机 驱动 单联 双联
1背景
卷扬式启闭机主要用于启闭平面闸门或弧形闸门，依靠闸门自重、水柱或其他加重方式关闭孔口闸门，通常为一门一机，既可单独操作或集中操作，也可现地操作或远程操作，广泛应用于泄水、导流及进水口各部位闸门的启闭。按其吊点数分为单吊点启闭机和双吊点启闭机；按传动方式分为开式传动启闭机和闭式传动启闭机；按卷筒缠绕方式分为卷筒单层缠绕启闭机和卷筒多层缠绕的启闭机。通常规定启闭容量在3200kN以上的卷扬式启闭机为超大型。
科学选择起升机构传动方式不仅使整机结构尺寸减小，利于水工布置，还能降低启闭机重量及造价。传统的减速器+开式齿轮的传动方案虽然经济性好，且能降低对减速器输出扭矩的要求，但由于受开式齿轮加工精度、安装精度、润滑条件等多方面限制，适用范围有限，尤其对于超大型卷扬式启闭机，采用该种布置方案需要较大的平面布置尺寸，更不利于水工布置。因此，目前主流的设计理念是采用超大型全闭式传动的布置方式。超大型全闭式传动相比传统的开式传动方式虽然减速器造价偏高，但是采用该种方案可使启闭机整机结构紧凑，有利于整机平面布置和自身重量的优化；同时后期维护方便简单、清洁环保。考虑到双吊点是单吊点的模块叠加，本文着重对单吊点卷扬式启闭机起升机构传动方式进行分析。通过单电机驱动单个双联卷筒、双电机驱动单个双联卷筒、双电机驱动两个双联卷筒、双电机驱动四个单联卷筒等四种方式进行分析，总结不同传动方式的特点及适用性。
2单电机驱动单个双联卷筒传动布置
单电机驱动单个双联卷筒布置方式为单吊点卷扬式启闭机典型传动布置方式（见图一），是启闭机设计中的最常见标准模块单元。电机工作时，通过带制动轮（盘）的联轴器驱动减速器高速轴旋转，减速器低速轴直接与卷筒联轴器或齿轮联接盘连接，随着电动机的正反转，经减速器减速后，驱动卷筒旋转，通过缠绕在卷筒、滑轮组上钢丝绳的收放，带动闸门上升或下降。根据基础布置需要，减速器高速轴出轴方式的不同，电机轴的布置可与卷筒轴平行，置于卷筒同侧或卷筒外侧；也可与卷筒轴垂直布置，置于减速器端部。置于卷筒同侧时整机结构紧凑，此方式为传动布置首选；但当卷筒同侧空间位置不够时，会考虑将电机布置在卷筒的另一侧或电机垂直于卷筒轴方式布置。
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如浙江长龙山抽水蓄能电站上库进出水口事故闸门3200kN固定卷扬式启闭机，起升高度64m，卷筒直直径为1600mm，滑轮组倍率为8，钢丝绳直径40mm，卷筒缠绕层数为3层，电机与卷筒同侧，减速器为平行出轴方式，整机外形尺寸为5160×5300×3830（基础面以上）mm。
3. 双电机驱动单个双联卷筒缠绕方案
该方案（见图二）采用两个电动机分别驱动一台减速器，再通过两台减速器共同驱动单个双联卷筒来进行启闭。此方案特点如下：
（1）利用电机的自适应负载能力，直接通过单个双联卷筒实现机械同步；
（2）由于采用了双电机、双减速器驱动，可使电动机容量和减速器的输出扭矩减少一半；
（3）根据减速出轴方式的不同，又可以分为平行轴和垂直轴两
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种布置方式。垂直轴的连接方式，电动机与减速器可共用一根端梁，由于是主要受力梁，这样整个机架形成一个框架结构，所以整体的刚性较好；平行轴的连接方式，电动机与减速器不能共用一根端梁，所以电动机需另配一个悬臂支座，刚度相对较小，从而会导致电动机在运行时，产生的震动较大，不利于机构的平稳运行。所以此方案中优先采用垂直轴的连接方式。
（4）此传动布置方式左右减速器低速轴同轴度的安装精度要求高，如果卷筒尺寸及自重较大，现场安装难度大。
如雅砻江锦屏二级水电站9000kN固定卷扬式启闭机布置在电站上游调压室洞内1696.50m高的平台上，用于启闭上游调压室事故闸门，起升高度118m，卷筒直直径为3000mm，滑轮组倍率为12，钢丝绳直径52mm，卷筒缠绕层数为4层，整机外形尺寸为9060×7100×4930（基础面以上）mm。
4.双电动机驱动两个双联卷筒方案
该方案（见图三）采用两个电动机分别各驱动一台减速器，每台减速器又分别驱动一个双联卷筒，最终通过两个双联卷筒共同起吊一个吊点。该方案的技术特点如下：
（1）由于两组驱动装置不再同一轴线上，因此不能采用机械同步，可以通过双电动机采用电气同步控制，电动机采用变频调速，两个卷筒轴端均装设高度仪及编码器。
（2）钢丝绳由两个卷筒缠绕，与单卷筒相比可减小卷筒结构的外形尺寸及重量，降低对加工设备的要求和现场吊装设备的要求。
（3）相对于传统的单电机驱动方式而言，电动机容量和减速器的输出扭矩减少了一半。
（4）相比单卷筒布置方式整机尺寸会略微增大。
如广东梅州抽水蓄能电站上库进（出）水口事故闸门7500kN固定卷扬式启闭机，起升高度78m，卷筒直直径为2040mm，滑轮组倍率为8（2×8），钢丝绳直径44mm，卷筒缠绕层数为3层，整机外形尺寸为7190×9280×4700（基础面以上）mm。
5. 双电机驱动四个单联卷筒方案
此方案（见图四）采用四组卷筒装置抬吊，每一组卷筒装置依靠一组电机与减速箱进行驱动，该方案的技术特点如下：
（1）双电机采用变频调速技术，实现电气同步控制；
（2）钢丝绳由四个单联卷筒缠绕，与双联单卷筒相比可减小卷筒结构的尺寸；
（3）由于驱动电机增多，可使电动机容量和减速器的输出扭矩减少至1/2；
（4）由于卷筒等零部件数量增多，需要较大面积来布置各机构，从而导致启闭机平面尺寸较大。
此方案虽然受水工布置对整机结构外形尺寸的限制，但是由于卷筒结构等零部件的外形尺寸较小，重量较轻，因此对现场安装的起吊要求也相应降低，对于现场安装条件比较苛刻的10000kN容量以上的卷扬式启闭机，可以优先考虑此套方案。
如云南金沙江乌东德水电站12500kN固定卷扬式启闭机起升高度72m，卷筒直径为2350mm，滑轮组倍率为8（2×2×8），钢丝绳直径58mm，卷筒缠绕层数为3层，整机外形尺寸为7990×12140×5186（基础面以上）mm。
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3结束语
综上所述，我们以总体布置尺寸、最大运输吊装单元、机械布置的合适性、制造工艺性、经济高效、安全可靠做为主要条件，持续优化各种布置及结构型式，最终实现超大型全闭启闭机具有大容量、安全性高、体积小、投资少、效率高等优点，使其更能满足高水头电站和高坝建设的需求。
参 考 文 献：
[1] DL/T5167-2002，水利水电工程启闭机设计规范[S].
[2] 张质文.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，1998.
[3] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.
[4] GB50017-2003钢结构设计手册[S].北京：中国计划出版社，2003.
作者：王娟（1981- ），中国葛洲坝集团机械船舶有限公司，高级工程师，长期从事启闭机设计制造关键技术研究。