智能平移式閘門在輪灌渠道中的應(yīng)用

周柏研

（遼寧省本溪市桓仁縣水務(wù)局，遼寧本溪117200）

智能平移式閘門在輪灌渠道中的應(yīng)用

周柏研

（遼寧省本溪市桓仁縣水務(wù)局，遼寧本溪117200）

智能式平移式閘門減少了水田輪灌作業(yè)方式時(shí)的大量勞動(dòng)力，有較好的智能化設(shè)計(jì)和較高的穩(wěn)定性和安全性，配合水田末端的水位傳感器更人性化地科學(xué)分配水資源，起到了節(jié)約水資源的作用，不僅提高了灌溉效率更符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。

輪灌；平移閘門；智能化；水位傳感器

1 意義

在水田灌溉區(qū)系中，輪灌是同一級(jí)渠道在一次灌水延續(xù)時(shí)間內(nèi)輪流輸水的供水方式，實(shí)行輪灌時(shí)，縮短了各條渠系的輸水時(shí)間，加大了輸水流量，同時(shí)工作的渠道長(zhǎng)度較短，從而減少了輸水損失水量，有利于農(nóng)業(yè)耕作和灌水工作配合，有利于提高灌水工作效率。但是采用輪灌方式灌溉的水田地，在支渠向斗渠配水過(guò)程中，分水閘的操作是比較費(fèi)勁的，需要人在田埂走很遠(yuǎn)，打開一級(jí)閘門，關(guān)一級(jí)閘門，造成勞動(dòng)力緊張。

為了發(fā)揮輪灌方式的優(yōu)勢(shì)同時(shí)降低勞動(dòng)力緊張的情況，采用智能平移式閘門作為輪灌渠道的分水閘閘門，大大提高了操作效率。為控制灌溉水量，在渠道末端設(shè)置水位傳感器，當(dāng)水位達(dá)到設(shè)置值時(shí)，通過(guò)光纜將信號(hào)發(fā)送到智能水閘的動(dòng)力系統(tǒng)的接收器中，使閘門自動(dòng)關(guān)閉，既能節(jié)省勞動(dòng)力又大大節(jié)約了用水，使水資源科學(xué)分配。

2 閘門組成

智能平移式閘門，可以解決復(fù)雜的人為操作。它是由混凝土底板、閘門、閘門槽、底板部的導(dǎo)向軌道、上部的動(dòng)力系統(tǒng)、4根拉桿、拉桿槽及橡膠止水和橡膠套等組成。

1）混凝土底板：采用C20混凝土，厚度為20 cm，其作用為保證渠道水流穩(wěn)定和固定閘門槽、導(dǎo)向軌道及立柱。

2）閘門：用于實(shí)驗(yàn)的閘門尺寸為高1.0 m、寬1.2 m、厚8 cm，材料采用輕型鋼板內(nèi)夾泡沫板材質(zhì)（盡量減輕閘門自重減小電機(jī)功率）。底部安裝2個(gè)滑輪尺寸為R25。閘門下部前后兩側(cè)安裝40 mm寬平板止水帶。

3）閘門槽：采用10號(hào)槽鋼（100 mm×48 mm× 5.3 mm），高1.0 m（混凝土底板上）基礎(chǔ)埋入混凝土底板中，下部與導(dǎo)向軌道焊接，上部與動(dòng)力系統(tǒng)的外殼焊接形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

4）底部導(dǎo)向軌道：采用10號(hào)槽鋼（100 mm×48 mm×5.3 mm），長(zhǎng)2.4 m，鑲嵌在混凝土底板中。

5）上部的動(dòng)力系統(tǒng)：外殼采用10號(hào)槽鋼，內(nèi)部包括漲緊輪、動(dòng)力梁、皮帶固定裝置、同步帶、電機(jī)、止位器裝置、吊架、遙控信號(hào)接收器等。

6）拉桿：由于閘門前受不固定的水壓力（閘門前水位不同）作用，閘門在開啟和關(guān)閉過(guò)程中不能平穩(wěn)運(yùn)行，為平衡水壓力，設(shè)置4根鋼筋拉桿（準(zhǔn)12），長(zhǎng)度按實(shí)際地形情況確定（實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品采用560 mm長(zhǎng)拉桿），前端固定在閘門上，后側(cè)插進(jìn)拉桿槽中，后側(cè)套入圓柱形橡膠套。

7）拉桿槽：采用2根鋼管或槽鋼立柱和上、下部采用10號(hào)槽鋼在槽鋼立面用水焊割一條1.5 cm縫，使拉桿穿入，在閘門開啟和關(guān)閉過(guò)程中拉桿在拉桿槽中橫向平穩(wěn)移動(dòng)。

8）圓柱形橡膠套：內(nèi)孔為準(zhǔn)15，保證拉桿穿入后橡膠套可轉(zhuǎn)動(dòng)，橡膠套根據(jù)閘門前水壓力大小通過(guò)形變抵消閘門前水壓力，使閘門不受水平壓力。

3 水田末端水位傳感器的設(shè)置

為保證水田科學(xué)利用水資源不造成水資源浪費(fèi)還要解決人力看水的問(wèn)題，在渠道末端放置塑料桶，桶上沿與地面一平，水桶深0.5 m，在渠道供水時(shí)，將水位傳感器放置桶內(nèi)，當(dāng)水田末端水進(jìn)入塑料桶中達(dá)到20 cm，水位傳感器通過(guò)光纜傳遞信號(hào)，動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)的接收信號(hào)裝置控制電機(jī)使閘門自動(dòng)關(guān)閉。

水位傳感器的工作原理：容器內(nèi)的水位傳感器，將感受到的水位信號(hào)傳送到控制器，控制器內(nèi)的計(jì)算機(jī)將實(shí)測(cè)的水位信號(hào)與設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差，然后根據(jù)偏差的性質(zhì)，向給水電動(dòng)閥發(fā)出“開”、“關(guān)”的指令，保證容器達(dá)到設(shè)定水位。

4 動(dòng)力系統(tǒng)的電機(jī)選擇

電動(dòng)機(jī)的功率選得是否合適，對(duì)其正常工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響，電動(dòng)機(jī)的功率主要根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱條件決定的。對(duì)于載荷比較穩(wěn)定、長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的自動(dòng)門或旋轉(zhuǎn)門來(lái)說(shuō)，只要所選電動(dòng)機(jī)的額定功率等于或稍大于所需要的工作功率即可，這時(shí)電動(dòng)機(jī)就安全工作不會(huì)發(fā)熱，一般情況下不必校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和啟動(dòng)力矩。

動(dòng)力系統(tǒng)中電機(jī)功率是根據(jù)水力計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，根據(jù)不同的閘門大小選擇不同型號(hào)電機(jī)。以試驗(yàn)產(chǎn)品為例：通過(guò)計(jì)算啟閉力為9.2 kN，閉門力為8.4 kN，閘門尺寸為1 m×1.2 m，重量為16.8 kg。

4.1 閘門的水力計(jì)算

1）平面閘門的總水壓力

2）啟門力計(jì)算

3）閉門力計(jì)算

式中：nT——摩擦阻力的安全系數(shù)，取1.2；Tzd——支承摩擦阻力，t；Tzs——止水摩擦阻力，t；n′G——計(jì)算啟門力的門重修正系數(shù)，取1.1；G——閘門活動(dòng)部分的自重，t；Ws——作用在閘門上的水柱壓力，t；nG——計(jì)算閉門力的門重修正系數(shù)，取0.9。其中：對(duì)于滑動(dòng)支承摩擦阻力計(jì)算公式為Tzd＝f2P；對(duì)于滾動(dòng)支承摩擦阻力計(jì)算公式為Tzd＝P/R（f1r+ f）；對(duì)于止水摩擦阻力計(jì)算公式為Tzs＝f3Pzs。

式中：f2——滑動(dòng)支承的摩擦系數(shù)，鋼板和橡膠取0.65；P——作用在閘門上總水壓力，t；R——滾輪半徑，cm；f1——軸與軸套的滑動(dòng)摩擦系數(shù)（銅合金軸套對(duì)鋼軸為0.3，膠木軸套對(duì)鋼軸為0.2）；r——軸的半徑，cm；f——滾輪的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，為0.1 cm；f3——止水與止水座的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，橡膠對(duì)鋼板為0.65，橡膠對(duì)水泥砂漿面為0.7；Pzs——作用在止水上的水壓力，t，為側(cè)止水的頂止水的總長(zhǎng)度乘以止水橡膠作用的寬度，再乘以平均水平均水頭得出。

4.2 計(jì)算功率

式中：F——工作機(jī)（自動(dòng)門）產(chǎn)生的阻力；v——工作機(jī)（自動(dòng)門）的速度；ηW——效率,取0.95。

代入數(shù)值計(jì)算，得PW=52.6 W。

電動(dòng)機(jī)工作時(shí)需要的功率：

其中：P0——工作機(jī)（門）所需功率，及工作機(jī)（門）的計(jì)算功率；ηa——從電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)（門）間各運(yùn)動(dòng)副的總效率。

代入數(shù)值計(jì)算，P0=69.2 W，故選用70 W電機(jī)即可。

5 結(jié)語(yǔ)

智能式平移式閘門減少了水田輪灌作業(yè)方式時(shí)的大量勞動(dòng)力，配合水田末端的水位傳感器更人性化地科學(xué)分配水資源，起到了節(jié)約水資源的作用，不僅提高了灌溉效率，更符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。

［1］張金鐸，金歡陽(yáng)名.傳感器及其應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

［2］張金鐸，金歡陽(yáng)名.傳感器及其應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］單成祥.傳感器的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用［M］.北京：國(guó)際工業(yè)出版社，2002.

［4］傳感器技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［5］張迎新.單片微行計(jì)算機(jī)原理、應(yīng)用及接口技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

［6］郭元裕.農(nóng)田水力學(xué)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.

TV663；S275

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2016-01-06