双螺杆传动电动闸门掉落原因分析及维护对策

杨 龙

（上海城投污水处理有限公司，上海 201906）

1 存在的问题

1.1 基本情况

华东地区某污水处理厂进水顶管工作井1 号电动闸门主要用于控制干线总进水量，2 号电动闸门主要用于控制北侧一体化箱体进水量。由于顶管工作井电动闸门受环境限制，结构选型均为暗杆式双螺杆电动闸门，一旦闸板掉落将会造成全厂停产。

1.2 安装位置受限，容易发生故障

顶管工作井处于道路中间，电动驱动装置及传动螺杆布置于地下井室内，上方敷设混凝土盖板。由于盖板较重，不便于巡查，且电动驱动装置长期处于阴湿环境和硫化氢（H2S）气体中，电气元件和设备本体容易受到腐蚀，造成电动闸门发生故障。

1.3 结构选型受限，无法满足使用要求

因为建设期基础结构已定型，2 台闸门均为后期加装的控制设施，所以结构选型只能为暗杆式双螺杆传动电动闸门。该闸门主要适用于闸板全开或全闭且不需要经常启闭的工况[1]。

汛期频繁开启闸门，容易造成传动螺母螺纹磨损，导致发生闸门闸板掉落的事故，此复杂工况需要因地制宜进行研究改进。

2 原因分析

2.1 闸板自重较大

1 号和2 号电动闸门的运动形式是螺杆传动，螺母固定在闸板上做直线运动。当电动驱动装置带动螺杆旋转时，螺杆的螺纹斜面会与螺母螺纹斜面产生摩擦力，使螺母沿着螺杆轴向移动，从而实现闸门的启闭。闸板自重5 ～6 t，所有重量由两只螺母的梯形螺纹承担。螺纹的失效形式主要是螺纹表面磨损、螺纹牙根部剪断或弯断，以及因磨损产生的过大间隙和变形等造成的传动不平稳现象。

螺杆和螺母一直处于污水介质中，直接受污水侵蚀，污水中的杂质很容易进入螺杆和螺母的螺纹内，无法加油润滑，容易导致传动过程中螺杆卡死，引发过力矩故障，从而加剧了螺母螺纹的磨损，缩短其使用寿命。另外，若闸门一直处于中间位置或调控状态，闸板迎水面水流冲击较大，闸板的运动方向与水流方向垂直，致使闸板两面所受压力不均，容易产生振动，造成传动螺母的螺纹磨损，甚至疲劳断裂，出现滑牙的情况，从而导致门板掉落[2]。

2.2 传动螺母的材质选择不当

根据《机械设计手册》的要求，重载低速的传动螺母常用材料为铝青铜或铝黄铜，而工程中选用的螺母材质为普通黄铜，主要适用于低速轻载的传动螺母，不符合实际工况[3]。同时，螺杆螺母的传动形式本身就会造成螺纹磨损较快。

2.3 两侧螺杆传动存在误差

两台电动闸门启闭过程均通过双螺杆传动实现。由于螺纹间有侧向间隙，反向时有空行程，两侧螺杆运行时，首先要消除螺纹啮合部位的间隙值。若两侧传动螺母的磨损程度不一致，则间隙值的误差就会增大，导致两侧传动螺母受力不均，发生单侧传动螺母受力较大的情况，无法保证同步性。闸门频繁启闭，受力较大的传动螺母有可能超出设计承载能力，导致螺纹受损，从而出现滑牙现象。而另一侧传动螺母也随之受损，导致滑牙，最终造成闸板掉落的事故。

3 维护对策

若要从根本上解决上述问题，需要对电动闸门重新选型或选用其他调控设施，以达到完全控制进水量的目的，但由于影响因素较多，缺乏实施条件。经过深入分析，可采取以下措施进行维护。

3.1 传动螺母材料重新选型

传动螺母材料选用铸造铝青铜[4]，确保螺纹强度满足使用要求。

根据已知条件，螺杆承受的最大轴向载荷F为50 kN，螺纹外径d为60 mm，中径d2为54 mm，工作高度h为6 mm，螺距P为12 mm。螺母为整体式，高度H为140 mm，螺纹旋合圈数n为11.7。

螺纹工作面上的耐磨条件为

根据已知条件，将相关数值代入式（1）可得，p为4.2 MPa。

由于螺杆的传动速度为0.1 ～0.2 m·s-1，根据《机械设计手册》取Pp为7 MPa，可见p＜Pp。

螺母的剪切应力为

式中：b为螺纹牙根部宽度；D4为内螺纹大径。

将b为7.8 mm、D4为60 mm 代入式（2）可得，τ为2.91 MPa。

螺母螺纹的弯曲应力为

根据已知条件，将相关数值代入式（3）可得，σ为6.71 MPa。

根据螺母的材料及《机械设计手册》查表可知：τP取值范围为30 ～40 MPa；σbp取值范围为40 ～60 MPa。由式（2）、式（3）可知，τ=2.91 MPa ＜τP，σ=6.71 MPa ＜σbp。由此可见，传动螺母材料选用铸造铝青铜能够满足实际使用要求。

3.2 加强巡查和维护保养

提前准备好闸门的电动驱动装置，每半年进行一次保养（一拆一装），拆除后运回车间进行全面保养。将电动驱动装置解体，检查齿轮的磨损情况及各接线端子的腐蚀情况，视检查情况进行更换。清洗设备外壳，并做好防腐处理。每年对螺杆进行一次检查、保养，并检查传动螺母与传动螺杆螺纹的啮合间隙，更换有问题的传动螺母[5]。

3.3 加装防水罩壳及封堵检修人孔

由于2 台电动闸门设置于道路中央的地下井室内，虽然上方设置有混凝土盖板，但是盖板之间存在缝隙，道路积水容易从缝隙流入闸门的电动驱动装置，对其造成冲击和腐蚀，并可能进入接线盒造成电气短路故障。为此，在电动驱动装置上方设计加装了可拆卸式三角形防水罩壳，保证其表面不会存水，也为后续的更换和维修提供了方便。同时，对于两侧螺杆检修人孔，采用可拆卸结构形式的钢板进行封堵，四周用橡胶垫进行密封，保证密封性能，防止相关腐蚀性气体从检修人孔外溢，对闸门的电动驱动装置造成腐蚀。

3.4 加装纠偏位置传感器

对电动闸门两侧螺杆加装位置传感器，并选用拉绳式位置传感器[6]。安装时，使闸门处于全开位置，在闸门槽顶部安装不锈钢支架，并将编码器固定于支架上，拉绳另一端固定于闸板平面，并保证垂直安装[7]。放下拉绳并收紧，编码器加装防水罩。完全关闭闸门，利用仪表设置零位，两边允许误差设置为10 mm。将相关数据传输到中控室，随时掌握闸门的位置状态，一旦超过允许值，及时报警并阻断电动驱动装置继续运行，便于故障的诊断，同时起到保护作用[8]。

3.5 精准调控，加强应急演练

为确保发生事故后能够及时、有效进行处置，持续修订并完善《地下污水处理厂顶管工作井闸门故障应急处置预案》，定期开展应急处置预案演练（桌面推演等），确保每位员工都能熟练掌握处置流程和处理方法，并常态化推进下去。

4 自主设计制作移动式龙门架

一旦闸门发生故障，应立即派人到现场开盖进行检查确认。由于盖板重量较大，靠人力无法打开，必须借助起重设备。若申请汽车起重机，一般需2 ～3 h才能到达现场，响应时间较长，严重影响应急抢修工作的开展[9]。为此，自行设计并制作了一套移动式龙门架（见图1），其优势在于可拆卸、可多向移动[10]。双滑车、双葫芦设计适用于盖板的提升及地下污水厂潜水泵的检修，解决了大型起重设备无法及时到场的难题，提高了工作效率，确保了维修的及时性。

图1 移动式龙门架设计图（单位：mm）

5 结语

通过对顶管工作井双螺杆传动电动闸门维护对策的实施，不仅保证了电动闸门运行的安全性和可靠性，而且降低了运行风险，提高了对突发事件的应急处置能力，为污水厂的正常生产运行提供了技术保障。通过分析故障原因，从中找到最优的解决方案，确保设备的正常运行，为以后相关项目的开展奠定了基础。