自动液压抓梁与链轮式穿销系统设计

吕 轩

葛洲坝电厂 宜昌 443002

生产工作中，通常利用门式起重机操作其液压抓梁来实现水工金属闸门的提落操作，但是传统抓梁在实际生产过程中还存在一些安全隐患：例如液压抓梁故障率高，抓梁水下出现故障后无备用驱动方式等。文中设计了一种液压配合链轮式穿销系统，可降低传统穿销装置液压方式故障率，在液压系统的基础上增加电动机械式抓梁系统，形成双系统自动抓梁，解决抓梁水下故障又无法退销的极端问题。

关键词: 门式起重机；自动液压抓梁；穿销；链轮式穿销

中图分类号：TH213.5 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）14-0076-06

自动液压抓梁( 如图1 所示) 是水利水电站门式起重机、台车式启闭机起吊闸门的关键设备。它由梁体、吊耳、支撑导向装置、定位装置、液压泵站、穿脱销装置、信号装置、电缆卷筒以及电气控制等部分组成。液压泵站包括油箱、油泵、电机、液压阀组件、电磁换向阀、溢流阀、压力表；自动穿销包括软液压油管、不锈钢油管；液压销轴包括销轴、套筒、活塞杆、及密封件等部分组成，如图2 所示。

1 液压自动抓梁的工作原理

1.1 抓梁对位

1. 液压泵站 2. 自动穿销

图1 自动液压抓梁实物图

液压自动抓梁对位是指抓梁穿脱销装置的销轴中心与闸门吊耳孔中心对准的过程。液压自动抓梁沿着闸门门槽下降，当抓梁接近水下闸门时，闸门上的定位销杆首先进入抓梁上的定位套筒内，使抓梁前后左右的位置控制在允许范围内，然后抓梁进一步下降，使定位套安装在定位杆上。抓梁上装有下降就位信号传感器。当抓梁上的定位套正好置于闸门上的定位销上时，抓梁上的液压销轴装置中心也正好对准闸门吊耳孔的中心，抓梁左右下降就位传感器发出信号，该信号经水密接线盒、防水插头、电缆卷筒以及安装在司机室内的显示器清楚地看到抓梁已下降就位，抓梁下降就位后，由司机操作将起升机构断电停止，抓梁对位过程完成。若抓梁对位信号没有反馈，则不可进行液压抓梁的穿脱销操作。

1.2 抓梁穿脱销

抓梁下降对位完成后（对位传感器反馈正常），方可进行穿销工作。操作电气控制手柄或旋钮，使液压泵站得电，驱动液压穿脱销装置销轴伸出或缩回，通过穿销传感器显示控制穿销到位或回位，进行抓梁销轴的自动穿脱，实现抓梁与闸门的连接。

1-12. 螺栓、垫片 13. 活塞杆 14. 压盖 15. 角钢 16. 盖 17-22. 螺栓、垫片 23. 轴套 24. 密封圈 25. 盖 26-31. 螺栓、垫片 32. 套筒 33. 螺母 34. 密封圈 35. 活塞 36. 梁轴 37. 缸筒总成

图2 自动穿销装置结构图

2 液压穿销系统使用分析

2.1 液压销轴系统常见现象及故障点分析

如表1 所示，在实际使用中，双吊点抓梁穿销动作时最常出现左和右液压销轴不同步、动作卡顿等情况；其主要原因与泵站压力、油管布局及相关密封处有直接关系。

2.2 故障点

1）吸油滤清器堵塞；

2）电磁阀故障；

3）溢流阀调节故障；

4）低温环境油质变稠，无法正常运行到使用压力。以上问题都涉及泵站（如图3 所示）开盖密封等问题，其检修工作量大，用时较长，电路控制较为复杂，销轴行程数据多为加装辅助开关及传感器，液压泵站内部包括：油箱、油泵、电机、液压阀等设备（如图4），监视数据并不完全可靠，容易出现无行程数据；故障处理必须由单位专业人员才能处理，给使用带来很多不便及成本上升。

例如：某电站使用中出现水下抓梁信号不变化，液压销轴不动作时，检查不仅需要从电路查看回路是否正常，还需要对油路压力进行测试。特别是采用数字式感应传感器，在使用一段时间后由于磁感应的磁力减弱，在运行中经常出现数据显示不对（实际销轴运行一半行程，但显示未到位或未退回），容易误导操作人员在水下实际操作。

图3 液压泵站内部结构

1. 油箱 2. 电机 3. 油泵 4. 液压阀 5. 油管 6. 液压油

图4 液压泵站布置图

3 链轮式穿销系统设计思路

以葛洲坝电站泄洪闸平板门抓梁为例，保留原有液压穿销系统的基础上加装水下电机、链轮等机械构件组成机械传动穿销系统。机械部分采用伺服电机驱动、链轮传动、同时链轮机构加装编码信号控制系统；不仅达到高精准度控制，且节能环保。该设计不仅可以独立系统使用，也可只作为备用系统使用，为特殊环境条件使用提供更多选择。

设计要求考虑到在保证原有液压穿销系统正常工作的前提下，加装的设备设计由自动工况切换为力矩保护功能，即：在使用液压系统时，链轮机械部分不承受任何力矩；在使用链轮机械时，液压部分自行泄压，不承受任何阻力，确保液压系统与链轮机械系统不构成力矩冲突，保证切换任一系统都能正常工作。

经前期对原液压系统结构调研，液压销轴传动设计4.1 机械部分工作力矩431 N·m，最大力矩510 N·m。

如图5 所示，机械部件包括主传动飞轮、张紧压盘、在产品设计电机功率参数选型，参考公式：伺服电从动轮、销轴链条连接头、链条。

机扭矩 = 重力加速度 × R( 轴半径）× 减速比；水下电机密封要求满足 100 m 水深，针对环境介质主要是水和油类，密封材质选用石墨对碳化硅材质，传动轴采用动静环密封技术，密封元件要求≥ 3 MPa。

设计主要实现在传动效率优于液压传动方式的基础上，减少电气控制环节、减少传动机构部件，同时在节能环保上实现直接传动和多工况切换控制，减少故障及检修率。

4 链轮式穿销轴机械传动结构

1. 主传动飞轮 2. 张紧压盘 3. 从动轮 4. 销轴链条连接头、链条

图 5 机械传动示意图

4.2 电气部分

电气部分包括水下电机、深水航插、深水电缆、水下密封接线盒、编码器、限位器等。水下电机参数为：供电电压 220 V、功率 2.5 kW、转速 67 r/min、扭矩356 Nm、防水深度 100 m，采用机械动、静环密封技术，密封参数工作压力≤ 2.5 MPa，额定压力≤ 4.0 MPa、温度-50 ℃～ 220 ℃、速度≤ 20 m/s；变频驱动器（输入 AC220 V、输出 0 ～ 220 V、输入频率 47 ～ 63 Hz、过载能力150%、额定电流 60 A；过载能力 180% 额定电流3 A。）

5 链轮式穿销轴机械传动原理

5.1 穿销过程

通过司机室手动工况切换开关，切换至机械传动工况，此时原设备的液压控制部分通过改装后的液压电磁阀使泄压阀完全打开，使液压缸内无压力状态；再进行穿销动作，穿销开关发出指令，变频驱动器控制水下电机主传动飞轮顺时针转动，带动链条传动，使销轴链条连接头拉动销轴进行穿销，穿销行程通过加装的编码器、限位开关进行采集处理，数据提供给变频驱动参与控制，当行程数据到达设定限位值时，变频驱动给出自动停止信号，电机停止转动，为防止销轴穿到位时，电机转动惯性作用下或延时停止出现过载时，扭力矩限制离合器对电机轴输入端与输出主动飞轮端进行机械式脱离，有效防止机械过载。

5.2 退销过程

同理通过司机室手动工况切换开关，切换至机械传动工况，此时原设备的液压控制部分通过改装后的液压电磁阀使泄压阀完全打开，使液压缸内无压力状态；再进行退销动作，退销开关发出指令，变频驱动器控制水下电机主传动飞轮逆时针转动，带动链条传动，使销轴链条连接头反向拉动销轴进行退销。

5.3 电气控制原理

如图 6 和图 7 所示，在加装机械穿销电气控制系统的前提下，需对原设备液压设备泵站阀组件进行处理，加装泄压电磁阀，确保在使用机械传动工况时，能有效地对销轴内进行泄压。

图 6 电气总图

抓梁销轴工况切换：通操作台工况切换开关选择“机械传动”时，KM01 接触器工作，此时“常开”点闭合，同时 3K 继电器工作，泵站内 YV3 泄压电磁阀打开进行泄压。当工况切换开关选择“液压传动”时，KM02 接触器工作，此时“常闭”点断开，同时 3K 继电器停止工作，确保泵站内 YV3 泄压电磁阀关闭状态。抓梁机械穿销控制：通操作台工况切换开关选择“机械穿销”时，3K 继电器工作“常开”点闭合，泵站内YV3 泄压电磁阀打开后，01K 继电器工作，正转信号启动变频器，电机正向旋转工作，带动链轮进行穿销。

图 7 控制原理

6 变频式穿销系统关键技术点

由于设备使用环境在水下落放和提升闸门所用，且不同电站的闸门槽深度不一样，水深从20 ～ 100 m 不等。现市场上暂无此类产品，因此选型主要参考涉及深潜的特种设备技术。

1）电机及减速器传动轴，密封要求必须IP68 以上，水压≥ 1.5 MPa；

2）选型技术要求: 电机首选防爆式、潜水泵式电机，再对出线口及连接轴部位进行二次密封处理；减速器首选防爆式减速器，再对连接盘及连接轴部位静环双端面机械密封件进行密封处理；压力 -0.1 ～ 4.06 MPa, 温度-40 ～ 180℃，转速≤ 2 m/s；内置行程测距、测速、内置编码器。

7 变频式穿销系统到位保护原理

根据销轴传动设计原理及链轮传动方式，本设计中通过电机带动链轮与链条咬合带动销轴往返运行。当电机出现堵转、卡死等过载现象时，在穿销端部设计过载保护装置，可大大提高设备可靠性及安全性。常见的保护方式包括缓冲、抱闸、脱扣等，需要根据穿销端部实际尺寸选择保护方式及安装方式，见图8。

通过滚珠扭力限制器可实现过载保护；扭力限制离合器是一个滚柱式机械设备，出现意外过载时，会使主动、从动部分发生脱离，可配备接近开关检测过载位移输出信号。

安装结构：该设备可配备成孔，公差H7，键槽按依照GB/T1095—2003，公差 JS9。该设备可以用顶丝进行轴向固定，如图 9；也可以采用螺栓与挡圈固定，如图 10。关于带联轴器的固定，一般是联轴器本体上，采用简单的平头螺丝，如图 11 所示。

图8 穿销端部结构图

图 9 顶丝轴向固定

图 10 螺栓与挡圈固定

图 11 简单的平头螺丝固

8 穿销总结构示意图

根据抓梁空腔内部实际尺寸，选择设计合适尺寸传动机构（如图 12）安装于抓梁内部，布局示意截面图如图 13 所示。

图 12 传动机构外部结构模拟示意图

图 13 穿销总示意图

9 结语

本文通过对原自动液压抓梁进行分析，结合长期使用情况，进行双系统自动抓梁改进设计。在常规液压驱动下，增加链轮式自动抓梁系统。通过实践设计开发制造，结合现场使用情况，两个系统可任意切换使用，也可互为主备。避免自动液压抓梁再水下提闸门出现故障，穿销卡死，无法退销等极端情况，从根本上提高抓梁运行的可靠性。同时可利用机械传动的准确性，提供更加准确的穿销信号，解决电磁式传感器信号不稳定、故障率高等问题。

参考文献

[1] 郑文纬，吴克坚 . 机械原理 [M]. 北京：高等教育出版社，1997.

[2] 高志，黄纯颖 . 机械创新设计 [M]. 北京：高等机械出版社，2010.

[3] 李勇 . 机械设备电气工程自动化技术的运用分析 [J]. 现代商贸工业，2017（32）：186,187.

来源：起重运输机械