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轴承知识
滚珠丝杆传动式启闭机在船闸的应用
2012-02-14作者：李洪彬
（江苏省交通厅苏北航务管理处）
1、前言（江苏省交通厅苏北航务管理处）
“大型船闸通用型滚珠丝杆传动式启闭机研制”通过江苏省交通科技成果鉴定。该成果填补了滚珠丝杆启闭机在国内船闸应用中的空白, 达到国内领先水平。
404公里的京杭运河苏北段，是国家北煤南运的主通道。苏北运河上26座大型船闸昼夜不停、每天需开放50个闸次，十分繁忙。船闸闸门液压启闭机故障多(既有液压系统的常见故障，又有机械磨损的通有故障)，维修养护工作量大，检修时停航时间长，严重影响船闸通航效率。而且该机在当今时代已属淘汰机型，已不能满足船闸确保“安全畅通”和国家关于节能环保的要求。江苏省交通厅航道局、苏北航务管理处有关专家历时10年研制出Z初的100KN（牛力）滚珠丝杆启闭机在樊川、杨庄、运西、下坝中型船闸按装使用，产生极好的效益。苏北航务管理处应急保障中心机械生产部制造出300KN（牛力）的通用型滚珠丝杆启闭机在京杭运河刘老涧大型船闸上成功应用。滚珠丝杆传动式启闭机是利用滚珠丝杆传动的一种新型的船闸闸门启闭机械。与液压启闭机相比，滚珠丝杆传动式启闭机动力元件选用了电机、减速机、掣动器为一体化产品，采用了电磁刹车装置来达到丝杆的自锁性。机械性能优越，结构紧凑，拆装方便。外型采用模块化设计，任何方向均可以安装，便于不同的场合使用。具有可靠性好，闸阀门同步性精确，一次调准终生不变；简单紧凑体积小，具有较高的传动效率；制造工艺性好，加工装配和安装方便；因不用液压油，减少了对石油产品（能源）的消耗，对环境无污染，符合国家的“节能环保”方针政策的要求；故障率极低，故障判断容易，维修保养也极其简单，维护成本低，使用寿命长，可节省大量的养护经费。
该项技术成果获得了国家知识产权局颁发的“实用新型专利”证书。江苏省交通厅航道局将逐步在全省航道50座船闸全部更换成“滚珠丝杆传动式启闭机”，
仅免维护一项，每年就可节约经费近千万元，产生了良好的社会经济效益。
2、滚珠丝杆传动式启闭机技术方法
1.基本情况
大型船闸通用型滚珠丝杆传动式启闭机是利用滚珠丝杆传动的一种新型的船闸闸阀门启闭机械，通用于20m～23m口门人字门船闸。与液压启闭机相比：滚珠丝杆传动式启闭机可靠性好，闸阀门同步性精确，一次调好终生不变。结构布局合理，简单紧凑体积小，具有较高的传动效率。制造工艺性好，加工装配和安装方便。因不用液压油，减少了对石油产品（能源）的消耗，对环境无污染，符合国家的“节能环保”方针政策的要求。故障率较低，故障判断容易，维修保养也极其简单，对维修人员的技术水平要求较低，维护成本低，使用寿命较长，可较大的节省养护经费。因此，滚珠丝杆启闭机是一种性价比较高的船闸启闭机械。
2.技术方法
动力元件选用了电机、减速机、掣动器为一体化产品，采用了电磁刹车装置来达到丝杆的自锁性。机械性能优越，结构紧凑，拆装方便。外型采用模块化设计，任何方向均可以安装，便于不同的场合使用。
滚珠丝杆的丝杆、螺母、钢球材料均采用GCr15合金钢，钢球滚动接触处均淬火至HRC58以上，其摩擦表面非常耐磨，经精密磨削，具有较高抗疲劳性。
根据滚珠丝杆的特点，闸门启闭机丝杆螺母导套(滑块)两侧设置了H形轨道，使其只能沿丝杆轴线移动而不能绕轴线转动，用来克服径向载荷所引起的变形。阀门启闭机螺母套筒在上下运行时，两侧设置了抗振机构，以减轻阀门输水时的振动对启闭机的不良影响。
闸门启闭机的推拉杆上设置了安全销，当闸门遇到船舶撞击时，安全销首先被剪断，以便减少对启闭机的损害。闸门启闭机与闸门联接处设置了蝶形弹簧缓冲器，以减轻运行时对闸门的冲击。阀门启闭机设置了防止丝杆脱落的卡块，以防止圆螺母滑丝时丝杆脱落滑事故。在减速机与滚珠丝杆之间选用了联轴式扭距限制器，既起到了联轴作用，又能在超载时产生打滑脱开的安全作用。闸阀门启闭机运用变频器进行无级调速和增强启闭机的安全性。闸阀门启闭机均设置外置传感器进行行程检测，使启闭机得到超行程保护。
3、重要工艺
闸门启闭机轨床床身为牌号ZG270-500的铸钢件，正火+回火热处理，消除铸钢件的有害魏氏体组织，细化组织晶粒，提高使用性能。
螺母导套(滑块)采用牌号为38CrMoAlA合金钢，调质+表面氮化热处理，轨道镶面板采用牌号为QT600 —3的球墨铸铁，正火处理+表面氮化处理。该摩擦副具有优良的减磨性能，使用寿命较长。
所有重要铸锻件进行无损探伤检测，确保零件质量。
闸门启闭机床身轨道采用轨道磨床进行磨削，以使轨道镶面板表面的形位公差和粗糙度达到设计要求。用自制专用量具（通规和止规）来检测轨道开档尺寸误差和形位误差，确保装配精度要求。
4.创新点
1)本课题研制的是大型船闸通用型滚珠丝杆传动式启闭机试验样机，主要零部件通用化，可同时应用于启闭力在300KN～500KN，口门在20m和23m的人字门船闸，略加修改可用于同样口门的三角门船闸。
2)首次采用先进的扭矩控制器，使船闸启闭机的安全性能进一步得到增强。
3)在阀门启闭机上首次使用变频器进行无级调速，即可使船闸输水速度更加合理，还能更有效的保护减速电机组和滚珠丝杆。
4)首次配置了磁致式外置传感器(替代质量不稳定的开度仪)，并参与程序控制，不但增强了启闭机的安全性能，还提高了船闸的管理水平。
4、启闭机主要特点
刘老涧一线船闸新型滚珠丝杆传动式启闭机的主要特点是：
1、它是利用滚珠丝杆传递运动或动力。滚珠丝杆具有一系列优点。如传动效率高,可达到90％～98%，平均为滑动螺旋的2～3倍，有利于主机的小型化；工作寿命长，平均可达滑动螺旋的10倍左右；传动间隙小，无爬行，运转平稳，故障率低。目前滚珠丝杆已实现了标准化、系列化，由专业化工厂生产。
2、利用变频器对电机进行变频调速，实现闸门运行时的“慢－快－慢”和阀门运行时“慢-快”的状态要求。隋着电气控制技术水平的提高，可实现无级调速，且调速方便，节能效果好。
3、动力元件选用了电机、减速机、掣动器为一体化的名牌产品，使得结构紧凑，机械效率高，运转平稳，噪声小，故障率低，机械寿命长。
4、由于滚球丝杆传动精度高，因而使得闸阀门运行时的同步性能好。安装时调好同步，可终生不变。与液压启闭机相比,不存在因系统泄漏而产生闸门漂移或阀门下滑等故障，可实现一劳永逸。由于闸门关闭时的同步性好，消除了因不同步而带来的安全隐患，提高了闸门运行时安全可靠性。
5、闸门启闭机的推拉杆上设置了安全销，当闸门遇到船舶重撞时，安全销首先被剪断，从而减少了撞击力对启闭机的损害。
6、阀门启闭机螺母套筒在上下运行时，两侧设置了抗振机构，以减轻阀门输水时的振动对启闭机的不良影响。
7、闸门启闭机与闸门联接处均设置了蝶形弹簧缓冲器，以减轻运行时对闸门的冲击。
8、在减速机与滚珠丝杆之间选用了联轴式扭距限制器，既起到了联轴作用，又能在超载时产生打滑脱开的安全作用。
9、与液压传动相比较，由于不需用液压油，因而减少了对石油产品（能源）的消耗，同时也因不需用液压油而无外渗漏问题，对环境无污染。所以节能环保性好。
10、维修养护工作量小，简单易行。
安全装置与超载保护：
1、机械保护：运行时超载有扭距限制器、安全销。
2、电气保护：变频器具有综合保护器的功能，超载时会报警跳闸。
3、当电机不工作时，如有外部作用力（如船撞击、水流等）时，在超过额定值时安全销会被剪断；在超过制动力时，滚珠丝杆副是可逆的。
5、推广应用前景与措施
目前我省已用于滚珠丝杆传动式启闭机的船闸有：100KN三座、150KN一座、300KN一座,其中刘老涧一线船闸300KN(试验样机，启闭力在300KN～500KN范围内)启闭机可同时用于口门为20米～23米人字门船闸，略加修改可用于同样口门的三角门船闸。通过课题组近十年对该启闭机的研制及实践，刘老涧一线船闸启闭机运用技术上已成熟、可靠。其技术方法和启闭力即可满足省内所有人字门船闸和三角门船闸闸阀门启闭机，也能满足所有横拉门船闸的阀门启闭机的要求。国内启闭机在1000KN(国内Z大滚珠丝杆载荷)以内的同类型船闸亦可使用。
滚珠丝杆传动式启闭机其使用性能优于液压启闭机，操作者使用方便，安全性好，故障率低，使用寿命长，并且要对环境污染少，能量利用率高。维修养护工作量少，修复方便等优点，深受船闸管理部门的欢迎。除了今后在我省航道系统新建船闸或老船闸设备更新换代中投入使用外，在国内同类型的船闸中，应有较大的市场。
6、结束语
2009年10月，在苏北运河刘老涧一号大型船闸上首次采用了自主研发的30吨滚珠丝杆启闭机，至2010年6月10日，共开发闸次6952次，通过船舶2169.7万吨，其中通过货物1415.8万吨。运行期间，闸阀门启闭机总体运行情况良好，未出现过故障，为船闸的安全可靠运行，提供了有力保障，且日常保养中仅需对设备进行除尘及润滑保养，大大减少了维修保养工作量。
30吨滚珠丝杆启闭机在刘老涧一号船闸的成功应用，为滚珠丝杆启闭机的进一步推广积累了宝贵经验。建议进一步开展船闸滚珠丝杆启闭机系列化、标准化工作。