滾珠絲桿傳動式啟閉機(jī)在船閘的應(yīng)用
2012-02-14作者：李洪彬
（江蘇省交通廳蘇北航務(wù)管理處）
1、前言（江蘇省交通廳蘇北航務(wù)管理處）
“大型船閘通用型滾珠絲桿傳動式啟閉機(jī)研制”通過江蘇省交通科技成果鑒定。該成果填補(bǔ)了滾珠絲桿啟閉機(jī)在國內(nèi)船閘應(yīng)用中的空白, 達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。
404公里的京杭運(yùn)河蘇北段，是國家北煤南運(yùn)的主通道。蘇北運(yùn)河上26座大型船閘晝夜不停、每天需開放50個(gè)閘次，十分繁忙。船閘閘門液壓啟閉機(jī)故障多(既有液壓系統(tǒng)的常見故障，又有機(jī)械磨損的通有故障)，維修養(yǎng)護(hù)工作量大，檢修時(shí)停航時(shí)間長，嚴(yán)重影響船閘通航效率。而且該機(jī)在當(dāng)今時(shí)代已屬淘汰機(jī)型，已不能滿足船閘確保“安全暢通”和國家關(guān)于節(jié)能環(huán)保的要求。江蘇省交通廳航道局、蘇北航務(wù)管理處有關(guān)專家歷時(shí)10年研制出Z初的100KN（牛力）滾珠絲桿啟閉機(jī)在樊川、楊莊、運(yùn)西、下壩中型船閘按裝使用，產(chǎn)生極好的效益。蘇北航務(wù)管理處應(yīng)急保障中心機(jī)械生產(chǎn)部制造出300KN（牛力）的通用型滾珠絲桿啟閉機(jī)在京杭運(yùn)河劉老澗大型船閘上成功應(yīng)用。滾珠絲桿傳動式啟閉機(jī)是利用滾珠絲桿傳動的一種新型的船閘閘門啟閉機(jī)械。與液壓啟閉機(jī)相比，滾珠絲桿傳動式啟閉機(jī)動力元件選用了電機(jī)、減速機(jī)、掣動器為一體化產(chǎn)品，采用了電磁剎車裝置來達(dá)到絲桿的自鎖性。機(jī)械性能優(yōu)越，結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便。外型采用模塊化設(shè)計(jì)，任何方向均可以安裝，便于不同的場合使用。具有可靠性好，閘閥門同步性精確，一次調(diào)準(zhǔn)終生不變；簡單緊湊體積小，具有較高的傳動效率；制造工藝性好，加工裝配和安裝方便；因不用液壓油，減少了對石油產(chǎn)品（能源）的消耗，對環(huán)境無污染，符合國家的“節(jié)能環(huán)保”方針政策的要求；故障率極低，故障判斷容易，維修保養(yǎng)也極其簡單，維護(hù)成本低，使用壽命長，可節(jié)省大量的養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)。
該項(xiàng)技術(shù)成果獲得了國家知識產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的“實(shí)用新型專利”證書。江蘇省交通廳航道局將逐步在全省航道50座船閘全部更換成“滾珠絲桿傳動式啟閉機(jī)”，
僅免維護(hù)一項(xiàng)，每年就可節(jié)約經(jīng)費(fèi)近千萬元，產(chǎn)生了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。
2、滾珠絲桿傳動式啟閉機(jī)技術(shù)方法
1.基本情況
大型船閘通用型滾珠絲桿傳動式啟閉機(jī)是利用滾珠絲桿傳動的一種新型的船閘閘閥門啟閉機(jī)械，通用于20m～23m口門人字門船閘。與液壓啟閉機(jī)相比：滾珠絲桿傳動式啟閉機(jī)可靠性好，閘閥門同步性精確，一次調(diào)好終生不變。結(jié)構(gòu)布局合理，簡單緊湊體積小，具有較高的傳動效率。制造工藝性好，加工裝配和安裝方便。因不用液壓油，減少了對石油產(chǎn)品（能源）的消耗，對環(huán)境無污染，符合國家的“節(jié)能環(huán)保”方針政策的要求。故障率較低，故障判斷容易，維修保養(yǎng)也極其簡單，對維修人員的技術(shù)水平要求較低，維護(hù)成本低，使用壽命較長，可較大的節(jié)省養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)。因此，滾珠絲桿啟閉機(jī)是一種性價(jià)比較高的船閘啟閉機(jī)械。
2.技術(shù)方法
動力元件選用了電機(jī)、減速機(jī)、掣動器為一體化產(chǎn)品，采用了電磁剎車裝置來達(dá)到絲桿的自鎖性。機(jī)械性能優(yōu)越，結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便。外型采用模塊化設(shè)計(jì)，任何方向均可以安裝，便于不同的場合使用。
滾珠絲桿的絲桿、螺母、鋼球材料均采用GCr15合金鋼，鋼球滾動接觸處均淬火至HRC58以上，其摩擦表面非常耐磨，經(jīng)精密磨削，具有較高抗疲勞性。
根據(jù)滾珠絲桿的特點(diǎn)，閘門啟閉機(jī)絲桿螺母導(dǎo)套(滑塊)兩側(cè)設(shè)置了H形軌道，使其只能沿絲桿軸線移動而不能繞軸線轉(zhuǎn)動，用來克服徑向載荷所引起的變形。閥門啟閉機(jī)螺母套筒在上下運(yùn)行時(shí)，兩側(cè)設(shè)置了抗振機(jī)構(gòu)，以減輕閥門輸水時(shí)的振動對啟閉機(jī)的不良影響。
閘門啟閉機(jī)的推拉桿上設(shè)置了安全銷，當(dāng)閘門遇到船舶撞擊時(shí)，安全銷首先被剪斷，以便減少對啟閉機(jī)的損害。閘門啟閉機(jī)與閘門聯(lián)接處設(shè)置了蝶形彈簧緩沖器，以減輕運(yùn)行時(shí)對閘門的沖擊。閥門啟閉機(jī)設(shè)置了防止絲桿脫落的卡塊，以防止圓螺母滑絲時(shí)絲桿脫落滑事故。在減速機(jī)與滾珠絲桿之間選用了聯(lián)軸式扭距限制器，既起到了聯(lián)軸作用，又能在超載時(shí)產(chǎn)生打滑脫開的安全作用。閘閥門啟閉機(jī)運(yùn)用變頻器進(jìn)行無級調(diào)速和增強(qiáng)啟閉機(jī)的安全性。閘閥門啟閉機(jī)均設(shè)置外置傳感器進(jìn)行行程檢測，使啟閉機(jī)得到超行程保護(hù)。
3、重要工藝
閘門啟閉機(jī)軌床床身為牌號ZG270-500的鑄鋼件，正火+回火熱處理，消除鑄鋼件的有害魏氏體組織，細(xì)化組織晶粒，提高使用性能。
螺母導(dǎo)套(滑塊)采用牌號為38CrMoAlA合金鋼，調(diào)質(zhì)+表面氮化熱處理，軌道鑲面板采用牌號為QT600 —3的球墨鑄鐵，正火處理+表面氮化處理。該摩擦副具有優(yōu)良的減磨性能，使用壽命較長。
所有重要鑄鍛件進(jìn)行無損探傷檢測，確保零件質(zhì)量。
閘門啟閉機(jī)床身軌道采用軌道磨床進(jìn)行磨削，以使軌道鑲面板表面的形位公差和粗糙度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。用自制專用量具（通規(guī)和止規(guī)）來檢測軌道開檔尺寸誤差和形位誤差，確保裝配精度要求。
4.創(chuàng)新點(diǎn)
1)本課題研制的是大型船閘通用型滾珠絲桿傳動式啟閉機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)，主要零部件通用化，可同時(shí)應(yīng)用于啟閉力在300KN～500KN，口門在20m和23m的人字門船閘，略加修改可用于同樣口門的三角門船閘。
2)首次采用先進(jìn)的扭矩控制器，使船閘啟閉機(jī)的安全性能進(jìn)一步得到增強(qiáng)。
3)在閥門啟閉機(jī)上首次使用變頻器進(jìn)行無級調(diào)速，即可使船閘輸水速度更加合理，還能更有效的保護(hù)減速電機(jī)組和滾珠絲桿。
4)首次配置了磁致式外置傳感器(替代質(zhì)量不穩(wěn)定的開度儀)，并參與程序控制，不但增強(qiáng)了啟閉機(jī)的安全性能，還提高了船閘的管理水平。
4、啟閉機(jī)主要特點(diǎn)
劉老澗一線船閘新型滾珠絲桿傳動式啟閉機(jī)的主要特點(diǎn)是：
1、它是利用滾珠絲桿傳遞運(yùn)動或動力。滾珠絲桿具有一系列優(yōu)點(diǎn)。如傳動效率高,可達(dá)到90％～98%，平均為滑動螺旋的2～3倍，有利于主機(jī)的小型化；工作壽命長，平均可達(dá)滑動螺旋的10倍左右；傳動間隙小，無爬行，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，故障率低。目前滾珠絲桿已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，由專業(yè)化工廠生產(chǎn)。
2、利用變頻器對電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)閘門運(yùn)行時(shí)的“慢－快－慢”和閥門運(yùn)行時(shí)“慢-快”的狀態(tài)要求。隋著電氣控制技術(shù)水平的提高，可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，且調(diào)速方便，節(jié)能效果好。
3、動力元件選用了電機(jī)、減速機(jī)、掣動器為一體化的名牌產(chǎn)品，使得結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械效率高，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲小，故障率低，機(jī)械壽命長。
4、由于滾球絲桿傳動精度高，因而使得閘閥門運(yùn)行時(shí)的同步性能好。安裝時(shí)調(diào)好同步，可終生不變。與液壓啟閉機(jī)相比,不存在因系統(tǒng)泄漏而產(chǎn)生閘門漂移或閥門下滑等故障，可實(shí)現(xiàn)一勞永逸。由于閘門關(guān)閉時(shí)的同步性好，消除了因不同步而帶來的安全隱患，提高了閘門運(yùn)行時(shí)安全可靠性。
5、閘門啟閉機(jī)的推拉桿上設(shè)置了安全銷，當(dāng)閘門遇到船舶重撞時(shí)，安全銷首先被剪斷，從而減少了撞擊力對啟閉機(jī)的損害。
6、閥門啟閉機(jī)螺母套筒在上下運(yùn)行時(shí)，兩側(cè)設(shè)置了抗振機(jī)構(gòu)，以減輕閥門輸水時(shí)的振動對啟閉機(jī)的不良影響。
7、閘門啟閉機(jī)與閘門聯(lián)接處均設(shè)置了蝶形彈簧緩沖器，以減輕運(yùn)行時(shí)對閘門的沖擊。
8、在減速機(jī)與滾珠絲桿之間選用了聯(lián)軸式扭距限制器，既起到了聯(lián)軸作用，又能在超載時(shí)產(chǎn)生打滑脫開的安全作用。
9、與液壓傳動相比較，由于不需用液壓油，因而減少了對石油產(chǎn)品（能源）的消耗，同時(shí)也因不需用液壓油而無外滲漏問題，對環(huán)境無污染。所以節(jié)能環(huán)保性好。
10、維修養(yǎng)護(hù)工作量小，簡單易行。
安全裝置與超載保護(hù)：
1、機(jī)械保護(hù)：運(yùn)行時(shí)超載有扭距限制器、安全銷。
2、電氣保護(hù)：變頻器具有綜合保護(hù)器的功能，超載時(shí)會報(bào)警跳閘。
3、當(dāng)電機(jī)不工作時(shí)，如有外部作用力（如船撞擊、水流等）時(shí)，在超過額定值時(shí)安全銷會被剪斷；在超過制動力時(shí)，滾珠絲桿副是可逆的。
5、推廣應(yīng)用前景與措施
目前我省已用于滾珠絲桿傳動式啟閉機(jī)的船閘有：100KN三座、150KN一座、300KN一座,其中劉老澗一線船閘300KN(試驗(yàn)樣機(jī)，啟閉力在300KN～500KN范圍內(nèi))啟閉機(jī)可同時(shí)用于口門為20米～23米人字門船閘，略加修改可用于同樣口門的三角門船閘。通過課題組近十年對該啟閉機(jī)的研制及實(shí)踐，劉老澗一線船閘啟閉機(jī)運(yùn)用技術(shù)上已成熟、可靠。其技術(shù)方法和啟閉力即可滿足省內(nèi)所有人字門船閘和三角門船閘閘閥門啟閉機(jī)，也能滿足所有橫拉門船閘的閥門啟閉機(jī)的要求。國內(nèi)啟閉機(jī)在1000KN(國內(nèi)Z大滾珠絲桿載荷)以內(nèi)的同類型船閘亦可使用。
滾珠絲桿傳動式啟閉機(jī)其使用性能優(yōu)于液壓啟閉機(jī)，操作者使用方便，安全性好，故障率低，使用壽命長，并且要對環(huán)境污染少，能量利用率高。維修養(yǎng)護(hù)工作量少，修復(fù)方便等優(yōu)點(diǎn)，深受船閘管理部門的歡迎。除了今后在我省航道系統(tǒng)新建船閘或老船閘設(shè)備更新?lián)Q代中投入使用外，在國內(nèi)同類型的船閘中，應(yīng)有較大的市場。
6、結(jié)束語
2009年10月，在蘇北運(yùn)河劉老澗一號大型船閘上首次采用了自主研發(fā)的30噸滾珠絲桿啟閉機(jī)，至2010年6月10日，共開發(fā)閘次6952次，通過船舶2169.7萬噸，其中通過貨物1415.8萬噸。運(yùn)行期間，閘閥門啟閉機(jī)總體運(yùn)行情況良好，未出現(xiàn)過故障，為船閘的安全可靠運(yùn)行，提供了有力保障，且日常保養(yǎng)中僅需對設(shè)備進(jìn)行除塵及潤滑保養(yǎng)，大大減少了維修保養(yǎng)工作量。
30噸滾珠絲桿啟閉機(jī)在劉老澗一號船閘的成功應(yīng)用，為滾珠絲桿啟閉機(jī)的進(jìn)一步推廣積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。建議進(jìn)一步開展船閘滾珠絲桿啟閉機(jī)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化工作。