滾珠絲桿傳動式啟閉機在船閘的應用
2012-02-14作者：李洪彬
（江蘇省交通廳蘇北航務管理處）
1、前言（江蘇省交通廳蘇北航務管理處）
“大型船閘通用型滾珠絲桿傳動式啟閉機研制”通過江蘇省交通科技成果鑒定。該成果填補了滾珠絲桿啟閉機在國內船閘應用中的空白, 達到國內領先水平。
404公里的京杭運河蘇北段，是國家北煤南運的主通道。蘇北運河上26座大型船閘晝夜不停、每天需開放50個閘次，十分繁忙。船閘閘門液壓啟閉機故障多(既有液壓系統的常見故障，又有機械磨損的通有故障)，維修養護工作量大，檢修時停航時間長，嚴重影響船閘通航效率。而且該機在當今時代已屬淘汰機型，已不能滿足船閘確保“安全暢通”和國家關于節能環保的要求。江蘇省交通廳航道局、蘇北航務管理處有關專家歷時10年研制出Z初的100KN（牛力）滾珠絲桿啟閉機在樊川、楊莊、運西、下壩中型船閘按裝使用，產生極好的效益。蘇北航務管理處應急保障中心機械生產部制造出300KN（牛力）的通用型滾珠絲桿啟閉機在京杭運河劉老澗大型船閘上成功應用。滾珠絲桿傳動式啟閉機是利用滾珠絲桿傳動的一種新型的船閘閘門啟閉機械。與液壓啟閉機相比，滾珠絲桿傳動式啟閉機動力元件選用了電機、減速機、掣動器為一體化產品，采用了電磁剎車裝置來達到絲桿的自鎖性。機械性能優越，結構緊湊，拆裝方便。外型采用模塊化設計，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，一次調準終生不變；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，減少了對石油產品（能源）的消耗，對環境無污染，符合國家的“節能環保”方針政策的要求；故障率極低，故障判斷容易，維修保養也極其簡單，維護成本低，使用壽命長，可節省大量的養護經費。
該項技術成果獲得了國家知識產權局頒發的“實用新型專利”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”，
僅免維護一項，每年就可節約經費近千萬元，產生了良好的社會經濟效益。
2、滾珠絲桿傳動式啟閉機技術方法
1.基本情況
大型船閘通用型滾珠絲桿傳動式啟閉機是利用滾珠絲桿傳動的一種新型的船閘閘閥門啟閉機械，通用于20m～23m口門人字門船閘。與液壓啟閉機相比：滾珠絲桿傳動式啟閉機可靠性好，閘閥門同步性精確，一次調好終生不變。結構布局合理，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，減少了對石油產品（能源）的消耗，對環境無污染，符合國家的“節能環保”方針政策的要求。故障率較低，故障判斷容易，維修保養也極其簡單，對維修人員的技術水平要求較低，維護成本低，使用壽命較長，可較大的節省養護經費。因此，滾珠絲桿啟閉機是一種性價比較高的船閘啟閉機械。
2.技術方法
動力元件選用了電機、減速機、掣動器為一體化產品，采用了電磁剎車裝置來達到絲桿的自鎖性。機械性能優越，結構緊湊，拆裝方便。外型采用模塊化設計，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，經精密磨削，具有較高抗疲勞性。
根據滾珠絲桿的特點，閘門啟閉機絲桿螺母導套(滑塊)兩側設置了H形軌道，使其只能沿絲桿軸線移動而不能繞軸線轉動，用來克服徑向載荷所引起的變形。閥門啟閉機螺母套筒在上下運行時，兩側設置了抗振機構，以減輕閥門輸水時的振動對啟閉機的不良影響。
閘門啟閉機的推拉桿上設置了安全銷，當閘門遇到船舶撞擊時，安全銷首先被剪斷，以便減少對啟閉機的損害。閘門啟閉機與閘門聯接處設置了蝶形彈簧緩沖器，以減輕運行時對閘門的沖擊。閥門啟閉機設置了防止絲桿脫落的卡塊，以防止圓螺母滑絲時絲桿脫落滑事故。在減速機與滾珠絲桿之間選用了聯軸式扭距限制器，既起到了聯軸作用，又能在超載時產生打滑脫開的安全作用。閘閥門啟閉機運用變頻器進行無級調速和增強啟閉機的安全性。閘閥門啟閉機均設置外置傳感器進行行程檢測，使啟閉機得到超行程保護。
3、重要工藝
閘門啟閉機軌床床身為牌號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，細化組織晶粒，提高使用性能。
螺母導套(滑塊)采用牌號為38CrMoAlA合金鋼，調質+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。該摩擦副具有優良的減磨性能，使用壽命較長。
所有重要鑄鍛件進行無損探傷檢測，確保零件質量。
閘門啟閉機床身軌道采用軌道磨床進行磨削，以使軌道鑲面板表面的形位公差和粗糙度達到設計要求。用自制專用量具（通規和止規）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.創新點
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試驗樣機，主要零部件通用化，可同時應用于啟閉力在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)首次采用先進的扭矩控制器，使船閘啟閉機的安全性能進一步得到增強。
3)在閥門啟閉機上首次使用變頻器進行無級調速，即可使船閘輸水速度更加合理，還能更有效的保護減速電機組和滾珠絲桿。
4)首次配置了磁致式外置傳感器(替代質量不穩定的開度儀)，并參與程序控制，不但增強了啟閉機的安全性能，還提高了船閘的管理水平。
4、啟閉機主要特點
劉老澗一線船閘新型滾珠絲桿傳動式啟閉機的主要特點是：
1、它是利用滾珠絲桿傳遞運動或動力。滾珠絲桿具有一系列優點。如傳動效率高,可達到90％～98%，平均為滑動螺旋的2～3倍，有利于主機的小型化；工作壽命長，平均可達滑動螺旋的10倍左右；傳動間隙小，無爬行，運轉平穩，故障率低。目前滾珠絲桿已實現了標準化、系列化，由專業化工廠生產。
2、利用變頻器對電機進行變頻調速，實現閘門運行時的“慢－快－慢”和閥門運行時“慢-快”的狀態要求。隋著電氣控制技術水平的提高，可實現無級調速，且調速方便，節能效果好。
3、動力元件選用了電機、減速機、掣動器為一體化的名牌產品，使得結構緊湊，機械效率高，運轉平穩，噪聲小，故障率低，機械壽命長。
4、由于滾球絲桿傳動精度高，因而使得閘閥門運行時的同步性能好。安裝時調好同步，可終生不變。與液壓啟閉機相比,不存在因系統泄漏而產生閘門漂移或閥門下滑等故障，可實現一勞永逸。由于閘門關閉時的同步性好，消除了因不同步而帶來的安全隱患，提高了閘門運行時安全可靠性。
5、閘門啟閉機的推拉桿上設置了安全銷，當閘門遇到船舶重撞時，安全銷首先被剪斷，從而減少了撞擊力對啟閉機的損害。
6、閥門啟閉機螺母套筒在上下運行時，兩側設置了抗振機構，以減輕閥門輸水時的振動對啟閉機的不良影響。
7、閘門啟閉機與閘門聯接處均設置了蝶形彈簧緩沖器，以減輕運行時對閘門的沖擊。
8、在減速機與滾珠絲桿之間選用了聯軸式扭距限制器，既起到了聯軸作用，又能在超載時產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品（能源）的消耗，同時也因不需用液壓油而無外滲漏問題，對環境無污染。所以節能環保性好。
10、維修養護工作量小，簡單易行。
安全裝置與超載保護：
1、機械保護：運行時超載有扭距限制器、安全銷。
2、電氣保護：變頻器具有綜合保護器的功能，超載時會報警跳閘。
3、當電機不工作時，如有外部作用力（如船撞擊、水流等）時，在超過額定值時安全銷會被剪斷；在超過制動力時，滾珠絲桿副是可逆的。
5、推廣應用前景與措施
目前我省已用于滾珠絲桿傳動式啟閉機的船閘有：100KN三座、150KN一座、300KN一座,其中劉老澗一線船閘300KN(試驗樣機，啟閉力在300KN～500KN范圍內)啟閉機可同時用于口門為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的研制及實踐，劉老澗一線船閘啟閉機運用技術上已成熟、可靠。其技術方法和啟閉力即可滿足省內所有人字門船閘和三角門船閘閘閥門啟閉機，也能滿足所有橫拉門船閘的閥門啟閉機的要求。國內啟閉機在1000KN(國內Z大滾珠絲桿載荷)以內的同類型船閘亦可使用。
滾珠絲桿傳動式啟閉機其使用性能優于液壓啟閉機，操作者使用方便，安全性好，故障率低，使用壽命長，并且要對環境污染少，能量利用率高。維修養護工作量少，修復方便等優點，深受船閘管理部門的歡迎。除了今后在我省航道系統新建船閘或老船閘設備更新換代中投入使用外，在國內同類型的船閘中，應有較大的市場。
6、結束語
2009年10月，在蘇北運河劉老澗一號大型船閘上首次采用了自主研發的30噸滾珠絲桿啟閉機，至2010年6月10日，共開發閘次6952次，通過船舶2169.7萬噸，其中通過貨物1415.8萬噸。運行期間，閘閥門啟閉機總體運行情況良好，未出現過故障，為船閘的安全可靠運行，提供了有力保障，且日常保養中僅需對設備進行除塵及潤滑保養，大大減少了維修保養工作量。
30噸滾珠絲桿啟閉機在劉老澗一號船閘的成功應用，為滾珠絲桿啟閉機的進一步推廣積累了寶貴經驗。建議進一步開展船閘滾珠絲桿啟閉機系列化、標準化工作。