第一节　水利工程启闭机技术特征与应用

近年来，随着水利水电工程建设的快速发展，水工启闭机的制造技术也取得了长足的进步，起升高度和启闭力不断增大，材料和结构形式不断改善，目前水工启闭机的生产与应用具有以下特征。

1.向大型化和专用化发展

水利水电工程规模的增大促进了大型启闭机的生产，启闭机的技术参数不断创下新高，更加注重专用启闭机的研制。例如应用在锦屏二级水电站，用来启闭上游调压室事故闸门的8台固定卷扬式启闭机，持住力达9000kN，启门力为2000kN，扬程118m，采用单卷筒多层缠绕折线式绳槽卷筒。云南漫湾水电站使用的QM500/40坝顶门机为大型水电站坝顶专用的大型移动式启闭机，其最大起重量5000kN，起升高度120m，大车轨距12m，轮距14.5m，自重达9000kN，配有4根液压式自动抓梁，可独自承担漫湾水电站坝顶全部检修闸门、事故闸门和拦污栅的启闭工作。

2.广泛采用液压技术

近年来，由于液压技术的迅速发展，尤其是现代控制理论和计算机技术的引入，液压启闭机在水利水电工程中的运用十分广泛，完全适应大型水电工程的需要。如三峡工程共用液压启闭机135套，其中左岸电站厂房进水口快速门液压启闭机的启门力达4000kN，持住力达8000kN，行程达15m；船闸人字闸门共24扇，闸门最大高度为38.5m，单扇门最大质量达850t，配备的启闭机最大启闭力达2700kN，油缸长8668mm，内径580mm，活塞杆行程7276mm。广西岩滩水电站快速闸门启闭用8000/6000kN超大型液压启闭机，其油缸直径720mm，长16m，总质量达64t。

液压启闭机发展的特点是新技术、新元件的大量应用。如电液比例控制技术、活塞杆表面防护技术、液压缸位移和速度的测控技术等已进入实用，力士乐公司的CERAMAX（谢拉马赫斯）液压缸，不仅具有较好的耐腐蚀和耐磨损性能，还将行程测量系统与陶瓷保护层结合在一起，其累积同步精度可达±1mm。

3.新材料的广泛应用

水利工程启闭机制造中钢材成本最大，约占总成本的1/3。由于水利工程启闭机的金属结构要承受复杂多变的周期载荷，要求制造材料具有较高的屈服强度和疲劳极限、良好的冲击韧性及冷成形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。目前卷扬式启闭机的金属结构的材料主要为碳素结构钢和低合金结构钢，采用轻质高强材料可有效减轻启闭机自重、提高使用寿命和降低原材料消耗。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。这些钢材的抗拉强度都很高，一般为590～1270MPa，具有很好的韧性、可焊接性和可成形性，板厚范围广，可满足启闭机用钢的需要。

国内开发的低合金高强度结构钢已有多个强度级别的产品可应用于启闭机的结构中，如液压启闭机支撑结构件、卷筒等，以屈服强度为460～960MPa级的不同等级高强度钢板为主。尼龙滑轮目前已广泛使用，碳纤维强化塑料也应用于启闭机桁架、吊臂等制造。

4.采用先进的结构形式

目前国内卷扬式启闭机的基本组成是：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科学技术的进步，对启闭机设备的安全性、外形结构、使用维护和环保提出了新的要求。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。

5.先进计算和仿真手段的应用

水工启闭机种类不同，其复杂程度相差较大，例如门式启闭机的门架结构是一个空间结构体系，结构形式复杂多样，作用荷载各异，受力计算十分困难。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，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金属结构件的设计计算，多数是按平面结构体系设计方法进行简化，应用结构力学和容许应力方法进行的。即对这些结构进行了一定程度的简化，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，进行强度、刚度及稳定性计算，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，导致计算结果与实际状态存在一定偏差，需要应用先进的计算和仿真手段来解决，近年来，计算机技术的快速发展促进了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以及结构的强度、刚度和稳定性进行有限元数值分析计算，启闭机起吊闸门过程中的运动情况进行运动仿真分析，深入了解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，进行优化设计，为启闭机的生产制造提供指导，具有重大实用价值。例如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，为门机的设计和使用提供参考。