第一章　概述

第一节　水利工程启闭机的应用及发展

水利工程启闭机是开启和关闭孔口所用的机械，也称闸门操作设备或者启闭设备，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，一般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。闸门启闭机关系到水利工程自身安全以及流域水资源高效利用的优化调度问题，除应满足一般起重机械的设计要求外，工作安全可靠和操作灵活方便具有特殊的意义。而水利工程泄洪闸门启闭机，对于保障水利工程自身安全以及被保护地域人民生命财产的安全至关重要，意义非比寻常。本书主要从启闭机概况、类型、结构和生产运行要求等方面介绍水工建筑物中的闸门专用的起重机械——水利工程闸门启闭机。

近年来，随着水利水电工程的快速发展，水利工程启闭机也相应有了很大的发展，特别是大型水利水电工程越来越多，启闭机设计、生产、安装的工程量也越来越大，启闭力也不断地刷新，启闭机的发展特点和发展趋势有以下几点。

一、大型化和专用启闭机的发展

随着水利水电工程中闸门应用水头越来越高，大型启闭机发展也呈现前所未有快速态势。目前国内启闭机的启闭力也不断创新高，特别是固定卷扬式启闭机的发展，让人刮目。目前国内起重量最大的水电站固定卷扬式启闭机，是由葛洲坝集团机船公司主持制造的锦屏二级水电站8台9000kN固定卷扬式启闭机。该启闭机是上游调压室事故闸门，持住力达9000kN，启门力为2000kN，扬程118.0m，速度为1.5/3m/min，采用折线式绳槽卷筒。该启闭机刷新我国水利水电工程启闭机载重量最大、单卷筒多层缠绕启闭扬程最大两项纪录，于2010年底投入使用。

大型移动式启闭机也发展迅速，云南漫湾水电站使用的QM500/40坝顶门机（图1－1），作为漫湾水电站坝顶专用双向运行的大型门式启闭机，其最大起重量5000kN，起升高度120m，在门机上还安装了起重量为400kN、起升高度70m的柱式回转吊。启闭机大车轨距12m，轮距14.5m，自重达9000kN，配有四根液压式自动抓梁，可独自承担漫湾水电站坝顶所有检修闸门、事故闸门和拦污栅的启闭工作，其起升机构上采用了全封闭式机械传动及水下信号传输系统。该机由原水利部电力部杭州机械设计研究所设计、郑州水工机械厂制造的水电站用大型QM500/40坝顶门机，经葛洲坝工程局安装调试后于1994年5月正式投入使用。该机漫湾电站移动式门机的研制成功刷新了我国水电工程中坝顶门机记录。

二、液压技术的广泛应用

液压传动设备具有体积小、重量轻的特点，易于实现无级调速和过载保护，传动平稳，噪声低，自润滑性能好，摩擦小，只要定期查验与保持系统清洁度，可获得长期稳定运行。因此，在水利水电工程中得到广泛采用。液压传动容易获得大的力或力矩，其所占空间是电动机的1/20，而重量是它的1/10。采用液压传动，动力可直接传到所需的位置和方向，而机械传动则需要通过许多中间环节方可达到。

液压技术在水利水电工程的应用最早是从国外开始的。德国博世力士乐公司开发了CERAMAX（谢拉马赫斯）液压缸，因活塞杆采用陶瓷涂层技术，此产品具有较好的耐腐蚀和耐磨损性能，使用寿命长，与此同时，CIMS（行程测量系统）与陶瓷涂层活塞杆有机结合，是液压启闭机行程测量累积精度达±1mm，满足水利工程双缸同步运行现代控制的要求。德国力士乐公司可提供19种规格的水工机械专用液压缸，活塞杆的最大行程可达24m，缸体内径125～1000mm，活塞杆外径90～720mm。2007年江苏武进液压启闭机有限公司与河海大学联合研发了陶瓷活塞杆液压启闭机新产品，其行程检测精度高，且失电后仍能记录行程信息，现已规模化应用于水利水电工程中。

水利水电工程中，液压启闭机的技术发展主要有以下几个方面：

（1）在防腐蚀技术方面：液压启闭机活塞杆一般采用抗腐蚀金属进行制造，或者采用表面不锈钢壳，或者采用镍铬镀层。在活塞杆上喷涂均匀、不导电、不渗透的特制陶瓷保护层，它不仅具有良好的耐腐蚀、耐磨损和抗刮伤的特性，而且有较高的硬度和足够的弹性，可与活塞杆一起挠曲，它的耐冲击能力、抗弯刚度和对金属的黏合力，足以承受在活塞杆机械强度极限之内的冲击和负载，同时对液压缸的油封和支承无不良影响及损害，可延长使用寿命，降低维修费用，其性能价格比优于镍铬镀层。

（2）在测控技术方面：液压缸工作行程的测量，对于保障双缸同步控制精度及其控制可靠性，具有十分重要的作用。德国Ballnaff公司曾将超声波传感器置于液压缸内腔中在线测量；Hunger公司为五强溪水电站弧形闸门启闭机的液压缸进行行程测量，采用一根塑料导线两端分别连接于活塞杆和码盘上，通过活塞运动时带动码盘转动而测量得行程的大小。在我国对液压缸进行行程测量，较多采用在液压缸内置一套差动变压器，或采用恒扭矩收卷式外置行程测量装置，可靠性较好，应用普遍。现有的CIMS系统则很好地解决了液压缸行程测量问题。

（3）在液压系统方面：所有液压泵站及泵与缸之间的连接，基本采用不锈钢材质焊制而成。液压启闭机的故障绝大部分是与油质有关联，因此，油质对于保障液压系统安全可靠运行具有至关重要的作用。油箱上装有高压过滤器和硅胶过滤器，可防止潮湿空气以及杂质进入系统，在回油及控制油路装有电动式污染指示器，以此保障液压系统的清洁度。而系统设置的手摇泵，在无电时由人工操作，以驱动启闭机。为提高系统运行安全及维护，装有油位、油质监视预警装置，可及时进行事故诊断。泵大都选用伺服变量泵或比例变量泵供油，通过改变泵的排量，调节液压缸的运动速度和活塞杆的位移量，实现液压启闭机在闸门运行中的整个过程的有效控制，对系统的节能和发热有很大改善。同时亦可借助CIMS的检测信号，经过PLC控制液压缸上的旁通流量控制阀，调节单个液压缸的运行速度，实现同步过程控制。

（4）在安全可靠，延长寿命方面：液压缸锁紧对于确保液压缸传动安全，是十分重要的。一般通过在管路中安装隔离阀或负载下降阀以及与溢流阀所构成的系统回路来实现。德国博世力士乐公司将所有与安全相关的阀门，包括所有锁紧及过载保护功能的集装组件（它由直动式溢流阀、截止阀和泵泄露液动截止阀等组成），通过法兰连接方式直接装在缸体一端的外部，以保证液压缸不移位，持续保压，即便管道爆裂也至于引起闸门下沉。

对于缸的固定方式，多采用万向接头，这样可以对安装固定和结构本身的误差得到补偿，不致影响液压缸的正常运行。

液压技术应用较为成功的水利水电工程实例是三峡水利枢纽工程。表1－1是三峡水利枢纽工程中使用的液压启闭设备。

无论是装于泄洪坝段的泄洪深孔闸门，还是用于水电站每台机组进水口的工作闸门，采用的液压启闭设备均具有各自的工作特性与技术要求。

液压启闭机大型化是今后发展的一个方向，2003年中船重工中南装备有限责任公司（三八八厂）为广西岩滩水电站生产的快速闸门用8000kN/6000kN超大型液压启闭机如图1－2所示。油缸直径ϕ720mm，长16m，总重量为64t，堪称“中华第一缸”！

三、新材料的广泛应用

在水利工程启闭机成本构成中，钢材的成本是最重要的部分，全部钢材占总成本的约1/3，焊接结构件约占整机重量的50%～80%。目前固定卷扬式启闭机和移动式启闭机金属结构的材料主要为碳素结构钢和低合金结构钢等。由于结构件要承受复杂多变的周期载荷，因此，要求钢材具有较高的屈服强度和疲劳极限、良好的冲击韧性及冷成型性和优良的焊接性能。随着启闭机向大型化、轻量化发展，对上述性能的要求更为突出。

由于具有有效减轻启闭机自重、提高使用寿命和降低原材料消耗等优点，轻质高强材料目前在水工启闭机中被广泛采用。在国外，如美国A514（T－1）系列钢（抗拉强度为690～895MPa）；日本Wehen系列高强度钢（抗拉强度为590～980MPa）的钢号有30多个；德国的代表钢种为Ste460和Ste690等。这些钢种的抗拉强度都很高，一般为590～1270MPa，具有很好的韧性、可焊接性和可成型性，适用板厚范围广，可满足启闭机用钢的需要。

国内开发低合金高强度结构钢也有多个强度级别的产品应用于启闭机的结构中。采用高强度钢板生产液压启闭机支撑结构件、卷筒等，主要结构件材料以屈服强度为460～960MPa级的不同等级高强度钢板为主。

铸尼龙滑轮目前也广泛使用，碳纤维强化塑料也应用于制造启闭机桁架、吊臂等。

四、采用先进的结构组成型式

目前国内卷扬式启闭机的基本结构组成是：采用普通不带制动的YZ（YZR）系列电动机为动力源，ZQ（QJ）系列软齿面（中硬齿面）减速器和一级开式齿轮组成减速传动机构，减速器的高速轴采用电磁铁或液压制动器作为安全制动系统，通过钢丝绳卷扬装置和滑轮组开启和关闭闸门。这种结构具有体积庞大，单一的高速制动器工作安全系数低，使用维修麻烦，环境污染大等缺点。随着水利水电启闭机行业的发展和技术的进步，对启闭机的配置要求越来越高，对启闭机设备的安全性、外型结构、使用维护和环保提出了新的要求。由湖北省咸宁三合机电制业有限责任公司研制的一种新型闭式卷扬启闭机开始应用于水利水电工程。该启闭机的结构特点是取消了开式齿轮传动，采用承载能力大、速比大、体积小的减速器直接通过渐开线花键副与卷筒连接，制动系统采用高、低速双保险制动，提高了整机的安全性能。如图1－3所示为新型固定卷扬式启闭机。

这种新型闭式卷扬启闭机主要有以下三方面的结构特点：

（1）该启闭机采用闭式结构，减速器采用新型CHC型齿轮连环少齿差减速器，取消了传统的开式齿轮传动，使得该启闭机整体结构变得更加紧凑、外形更加美观、重量更轻。

（2）减速器与卷筒的连接直接采用结构简单、安装方便、传递力矩大的渐开线花键副连接。

（3）制动系统采用高、低速双保险制动，整机工作安全系数高。高速轴制动为工作制动器，采用一种集制动、限载、联轴功能于一体的新型ZXL型制动限载联轴器。其制动功能不需任何外加力源，联轴器为一种新型的弹性联轴器，超载时自动分离。其特点是结构紧凑、使用可靠、安装维护方便、耐高温、制动迅速、启动不带摩擦负载、启动次数不受限制等优点。低速制动为安全制动系统，采用ZLYZ型卷筒内外双制动系统。

这种新型结构组成型式已经在实际工程中得到应用，取得了满意的效果。如2010年合肥市塘西河河口闸枢纽工程两台QPZYG 800kN直拉式高扬程卷扬启闭机如图1－4所示，成功应用了CHC型齿轮连环少齿差减速器和ZXL型制动限载联轴器，该减速器的实际传动比为4920，输出轴输出扭矩为630kN·m。

2010年安徽省九井岗水电站应用的一台QPZYG5000kN新型闭式高扬程卷扬启闭机如图1－5所示，该启闭机由于起吊载荷大、起升扬程高，采用双卷筒双联的布置型式，每个卷筒采用一台CHC型齿轮连环少齿差减速器直接驱动。

五、先进的设计计算仿真方法

水工启闭机种类不同，其组成结构也不同。如移动门式启闭机门架结构是一个完整的空间结构体系，结构型式复杂多样，作用外力荷载各异。目前对于启闭机的设计一般采用现有的启闭机设计规范进行。例如，固定卷扬式启闭机起升机构、移动式启闭机的行走机构和液压启闭机的活塞杆等零部件，启闭机设计规范中都有详细的计算方法，这些设计计算方法在实际过程中也应用得相当成功。但是，对于固定卷扬式启闭机的机架、移动式启闭机的门架和液压启闭机的支撑结构等结构件的设计计算，多数是按平面结构体系设计方法进行简化，采用一般结构力学和容许应力方法进行的。对这些结构各部件进行了一定程度的结构简化，把整个结构体系分割成相互独立的构件，忽略了各个构件的整体协调性，将外载荷按照经验分配给各个构件，然后再对每个构件按平面受力进行分析，其结构计算只限于在主框架平面内，而平面外的内力或应力的影响却未考虑。平面体系分析方法将整个结构计算，均按实际可能产生的最不利载荷组合情况，对各个构件进行强度、刚度及稳定性计算。该方法虽然计算简便、便于应用，但不能准确地反映整个支撑结构间的相互联系和变形协调关系以及非计算构件在整体结构中的作用。鉴于上述因素，近年来，随着计算机软硬件的快速发展，对固定卷扬式启闭机的机架、移动式启闭机的门架和液压启闭机的支撑结构等结构的强度、刚度和稳定性进行有限元数值分析计算，对启闭机起吊闸门过程中的运动情况进行运动仿真分析，对各运动构件间的运动是否会产生干涉，起吊物件的运动轨迹、运动过程中的速度、加速度、各支撑约束的反力等都需要进一步的深入研究，从而优化设计，为启闭机的选择与安装等提供理论指导和参考，这在水工启闭机的工程实际应用中具有重大的应用价值。

门式启闭机的运动特性分析，可以采用Pro/ENGINEER和Adams等仿真分析软件，对启闭机各个运动部件在各种运动状态下的位移、速度、加速度等各种参数进行仿真，以期为门机的设计与使用提供参考。