直流電在簸箕李引黃灌區(qū)閘門啟閉中的應(yīng)用

劉香坤 付鐵軍

摘 要：簸箕李引黃灌區(qū)位于山東省北部，黃河下游左岸，黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)腹地，國家新增千億噸糧食產(chǎn)能區(qū)規(guī)劃的重要區(qū)域。是國家大（1）型灌區(qū)。灌區(qū)現(xiàn)涉及濱州市惠民、陽信、無棣和德州市慶云縣的23個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，控制版圖面積2243Km2，設(shè)計(jì)灌溉面積163.5萬畝。灌區(qū)有干級(jí)渠道3條，總長161.313km，支渠144條，總長927.5km。斗農(nóng)渠941條，總長2003km。灌區(qū)自2005年實(shí)施節(jié)水改造以來，已實(shí)施12期國家投資計(jì)劃，批復(fù)投資3.59億元，干渠襯砌62.39km及新建、改造沿渠橋、涵、閘等259座。

關(guān)鍵詞：閘門啟閉機(jī)；固定式直流電啟閉系統(tǒng)；便攜式提落閘

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.148

閘門啟閉機(jī)是水利方面重要的工程設(shè)備，用于閘門的開啟關(guān)閉，具有防洪、灌溉、發(fā)電、供水等功能。對(duì)灌區(qū)調(diào)水配水有著重要作用。灌區(qū)啟閉機(jī)主要為螺桿式啟閉機(jī)，分為：側(cè)搖式啟閉機(jī)、手動(dòng)螺桿啟閉機(jī)和手電兩用螺桿式啟閉機(jī)等。其基本工作原理是：當(dāng)通過電機(jī)或者手動(dòng)搖柄帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而帶動(dòng)固定在支架上的螺母旋轉(zhuǎn)。和螺母配套的螺桿隨之升降，螺桿與閘門通過鐵銷相鏈接，這樣閘門也隨之啟閉。螺桿式啟閉機(jī)啟閉力比較小，大多低于200KN，適用于小型平面閘門和弧形閘門上。灌區(qū)支渠以上分水建筑物共有626座，基本都配有啟閉機(jī)。灌區(qū)閘門啟閉機(jī)可以分為三類。第一類是比較大型的手電兩用雙吊點(diǎn)啟閉機(jī)，應(yīng)用于灌區(qū)渡槽和節(jié)制閘。這些都配備了380V交流電。第二類是帶高空排架和管理房的支渠閘門啟閉機(jī)，第三類是露天的小型排水涵閘啟閉機(jī)。

近年來，由于黃河部門農(nóng)業(yè)和非農(nóng)業(yè)引水指標(biāo)頻繁調(diào)整，調(diào)控支渠閘門成為灌區(qū)基層工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。而灌區(qū)的支渠閘門基本修建在無電的邊遠(yuǎn)地區(qū)，雖然個(gè)別安裝了手電兩用啟閉機(jī)，但都無法利用交流電動(dòng)的固定啟閉設(shè)備。提閘均靠人工，勞動(dòng)強(qiáng)度大。緊急使用時(shí)，無法在短時(shí)間內(nèi)完成啟閉閘門。而直流電應(yīng)用的迅猛發(fā)展給灌區(qū)電動(dòng)提落閘帶來了可能。灌區(qū)根據(jù)自身實(shí)際情況，針對(duì)后兩類啟閉機(jī)研制嘗試了以下兩種直流電提落閘設(shè)備。

1 固定式直流電啟閉系統(tǒng)簡介

1.1 工作原理

系統(tǒng)包括動(dòng)力、控制、傳動(dòng)和限位保護(hù)四個(gè)部分，動(dòng)力部分為48V鋰電池或電動(dòng)車自帶鉛酸電瓶，控制部分有電源T型插頭、直流調(diào)速器、H10組合開關(guān)、三相四線四角插頭依次用電源線連接而成。傳動(dòng)系統(tǒng)包括1000W直流串勵(lì)電機(jī)、傳動(dòng)皮帶、傳動(dòng)皮帶輪等。限位保護(hù)部分包括電感式接近開關(guān)和直流接觸器。

直流電通過鋰電池供給經(jīng)過調(diào)速器和H10組合逆變開關(guān)傳導(dǎo)給直流電機(jī)，直流電機(jī)帶動(dòng)皮帶輪，經(jīng)過皮帶傳導(dǎo)給啟閉機(jī)皮帶輪，帶動(dòng)啟閉機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉。當(dāng)關(guān)閉閘門時(shí)，絲杠落到預(yù)定位置時(shí)，固定在絲杠上的鐵塊接近電感式接近開關(guān)，觸發(fā)接近開關(guān)工作，帶動(dòng)直流接觸器工作，從而切斷直流電機(jī)電路，停止落閘。

1.2 技術(shù)參數(shù)

1.3 出現(xiàn)問題及解決方案

（1）啟閉機(jī)皮帶輪和直流電機(jī)安裝問題。手電兩用啟閉機(jī)可以直接安裝皮帶輪。手搖式啟閉機(jī)則需改裝手搖螺桿，將手搖螺桿拆下進(jìn)行焊接加長，之后到銑床開槽，選裝合適的皮帶輪就可以了。焊接時(shí)要注意新加部分和原螺桿旋轉(zhuǎn)同心。直流電機(jī)的安裝則可以事先把電機(jī)安裝到可上下左右調(diào)節(jié)的支架上，然后在把支架固定在啟閉機(jī)座上即可。這樣安裝后方便兩個(gè)皮帶輪對(duì)正。

（2）直流串勵(lì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換問題。直流串勵(lì)電機(jī)有A1、A2、D1、D2四個(gè)接線柱，要實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)不是簡單的更換電源正負(fù)極就能解決的。要A1、D1分別連接電源正負(fù)極，同時(shí)把A2、D2短路才能實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。而切換到反轉(zhuǎn)則需要把A1、D2連接到電源正負(fù)極，同時(shí)A2、D1短路才可以（見下圖）。經(jīng)過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選用HZ10組合開關(guān)進(jìn)行線路改造就可以經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)該功能。

（3）機(jī)架橋下遠(yuǎn)程線控問題。灌區(qū)較大的支渠閘門都建有高空排架和管理房，每次啟閉閘門都需要爬上近3米高的管理房。這樣既效率低又造成安全隱患。再攜帶電瓶和控制系統(tǒng)上去機(jī)架橋就更不方便。三相四線四角插座成功的解決了這個(gè)問題。四角插座采用偏角設(shè)計(jì)，線序不會(huì)因?yàn)榘尾宥淖?。系統(tǒng)把直流串勵(lì)電機(jī)的四個(gè)接線柱通過一根4線電纜引到機(jī)架橋下方的電表箱內(nèi)的三相四線四角插座上。啟閉作業(yè)時(shí)只需把控制部分一頭插入電瓶，一頭插到機(jī)架橋下預(yù)裝的插座上就完成系統(tǒng)的快速連接。平時(shí)控制部分和電瓶都放在生產(chǎn)用車上。連接后在車上就能實(shí)現(xiàn)啟閉操作。只需一套控制部分和一塊電瓶就可控制多個(gè)改裝閘門。大大降低了經(jīng)濟(jì)成本，提高了勞動(dòng)效率和安全性。同時(shí)由于串勵(lì)電機(jī)控制電路的特殊性，杜絕了非安裝者試圖控制直流電機(jī)的可能性。在技術(shù)上有效保證了灌區(qū)調(diào)配水效果。

（4）閘門關(guān)閉的限位問題。電力啟閉機(jī)為了防止水利閘門落到位后不能及時(shí)停止，造成啟閉機(jī)和機(jī)架橋損壞，通常都會(huì)有行程開關(guān)切斷電路。但是機(jī)械式的行程開關(guān)因?yàn)樵陂l門關(guān)閉后長期處于工作臨界狀態(tài)，行程開關(guān)經(jīng)常損壞或靈敏度下降。本系統(tǒng)改為非接觸式的光電接近開關(guān)和直流接觸器來作為限位保護(hù)部分，大大提高了限位的靈敏度和耐用性。

1.4 優(yōu)缺點(diǎn)

（1）調(diào)速性能好，過載能力強(qiáng)。直流電動(dòng)機(jī)可以在重負(fù)載條件下，均勻而經(jīng)濟(jì)地實(shí)施轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，而且調(diào)速范圍較寬。

（2）具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)性能好。啟動(dòng)力矩大，可針對(duì)不同噸位啟閉機(jī)選裝不同功率直流電機(jī)，可以拖動(dòng)大型啟閉機(jī)。

（3）只需插上插頭就能完成系統(tǒng)的連接，不用上機(jī)架橋就能實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的啟閉控制，快速安全高效。

（4）采用非接觸的光電接近開關(guān)作為落閘限位，準(zhǔn)確耐用。

（5）用皮帶這種軟介質(zhì)作為動(dòng)力傳輸，安全性能好。

（6）缺點(diǎn)是每臺(tái)啟閉機(jī)都需改裝和配備一個(gè)直流電機(jī)，前期投入較大。

2 便攜式提落閘機(jī)械簡介

2.1 工作原理

本機(jī)械是有電動(dòng)三輪車后橋部分經(jīng)過改裝而成，主要有500w無刷直流電機(jī)、差速器、差速器固定把手、套管半軸、調(diào)速轉(zhuǎn)把、控制器、切換接頭等部件構(gòu)成。動(dòng)力有48v鋰電瓶或普通48v電動(dòng)車電瓶驅(qū)動(dòng)，直流電經(jīng)過直流電機(jī)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，再經(jīng)過差速器降速傳遞給經(jīng)過改裝的半軸，通過不同型號(hào)的快速接頭帶動(dòng)手搖啟閉機(jī)手搖桿，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的啟閉功能。

2.2 技術(shù)參數(shù)

2.3 出現(xiàn)問題及解決方案

（1）差速器的一段鎖定問題。差速器用作平衡兩端半軸轉(zhuǎn)速，當(dāng)差速器一段被固定時(shí)，行星齒輪只能跟著殼體一起繞著半軸齒輪公轉(zhuǎn)，同時(shí)自身還會(huì)自轉(zhuǎn)。這樣的話就會(huì)把動(dòng)力全部傳遞到另一端半軸。如何固定差速器成為首先要解決的問題，本機(jī)械把16齒半軸頭和差速器外殼連接，同時(shí)和16mm光軸連接，焊接為一個(gè)固定把手。這樣既固定住了差速器一頭，又便于對(duì)機(jī)械的掌控。同時(shí)為了方便拆裝維修，把手采用了套管設(shè)計(jì)。

（2）不同型號(hào)啟閉機(jī)接頭快速切換問題。灌區(qū)運(yùn)行五十多年來，隨著啟閉機(jī)閘門批次的更換，手搖啟閉機(jī)手搖柄有近20種。不同類型啟閉機(jī)通用成為該機(jī)械的必須具備的特征。設(shè)備和啟閉機(jī)的接頭快速切換也決定設(shè)備的工作效率。根據(jù)16齒半軸直徑尺寸最大處為31mm，將工作半軸頭改造為方便快速切換的3/4寸19mm方形套筒接頭，配合3/4寸套筒接桿，在車床旋轉(zhuǎn)同心焊接不同啟閉機(jī)接頭。實(shí)現(xiàn)了該設(shè)備的快速切換。

（3）改造后方形半軸接頭磨損問題。經(jīng)過長期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改造后的方形半軸接頭經(jīng)過頻繁切換和使用，磨損嚴(yán)重。半軸材料為45#鋼，屬于優(yōu)質(zhì)中碳鋼。45#鋼具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性。經(jīng)過熱處理以后可獲得一定的韌性、塑形和耐磨性。所以對(duì)接頭進(jìn)行熱處理成功的解決了這個(gè)問題。

（4）電機(jī)正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)問題。無刷直流電機(jī)取消了碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)電流小、體積小、重量輕、軟起軟停、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但是需要控制器控制。該機(jī)械采用48V500W通用無刷控制器，控制器有轉(zhuǎn)把控制轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)把下方的前進(jìn)倒退切換開關(guān)控制正反轉(zhuǎn)。因?yàn)榈罐D(zhuǎn)速度慢，控制器去除多余線路后保留學(xué)習(xí)線，以切換正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

（5）便于攜帶問題。便攜式設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)就是要攜帶方便。機(jī)械在保證動(dòng)力的同時(shí)盡量減輕重量?？刂圃?5kg。把控制器固定在半軸套管上，同時(shí)在機(jī)械重心位置安裝提手，方便了作業(yè)。

2.4 優(yōu)缺點(diǎn)

（1）機(jī)械可通過快速切換接頭適用于不同型號(hào)啟閉機(jī)。

（2）機(jī)械體積小、重量輕，配備12A鋰電瓶，攜帶方便。

（3）無刷直流電機(jī)啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣。

（4）耐顛簸震動(dòng)，噪音低、運(yùn)轉(zhuǎn)平滑、壽命長。

（5）缺點(diǎn)是沒有限位部分，落閘安全性差。

3 效益評(píng)價(jià)

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

灌區(qū)常用有涵閘近200座，其中帶機(jī)架橋管理房的約50座，小型的涵閘約150座。每閘每年平均啟閉14次，每次啟閉高度按1米計(jì)算。

（1）設(shè)備建安費(fèi)：固定式啟閉系統(tǒng)每臺(tái)1000W直流串勵(lì)電機(jī)每臺(tái)安裝費(fèi)用500元，灌區(qū)安裝費(fèi)用共需500×50=25000元?？刂葡到y(tǒng)部分每臺(tái)100元。灌區(qū)7個(gè)管理所供需100×7=700。便攜式提落閘機(jī)械每臺(tái)造價(jià)2000元。灌區(qū)7個(gè)管理所共需7×2000=14000元。兩種設(shè)備投資共需39700元。運(yùn)行費(fèi)：固定式系統(tǒng)每次工作5分鐘，1人操作，需要費(fèi)用6.25元（其中一類電費(fèi)0.55×2=1.1，二類人工費(fèi)0.05×103=5.15）。全年費(fèi)用14×50×6.25=4375元。便攜式機(jī)械每次工作10分鐘，1人操作，需要費(fèi)用11.4元（其中一類費(fèi)用0.55×2=1.1，二類人工費(fèi)0.1×103=10.3）。全年費(fèi)用14×150×11.4=23940元。兩項(xiàng)全年運(yùn)行費(fèi)用共需28315元。

（2）人工啟閉閘門3人操作，每次人工費(fèi)（按0.5個(gè)工作日計(jì)算）3人×103元/工日×0.5工日=154.5元/次，則全年費(fèi)用為154.5元/次×14次×200=432600元。

比較可知，利用直流電啟閉閘門，灌區(qū)投入使用當(dāng)年就能節(jié)約經(jīng)費(fèi)36.4585萬元。以后每年節(jié)約資金比例93.45%。

4 結(jié)束語

兩種直流系統(tǒng)提高了啟閉涵閘的工作效率，加速了灌區(qū)有傳統(tǒng)管理向現(xiàn)代化管理的轉(zhuǎn)變過程。提高了灌區(qū)的科技化水平。