水利水電工程清污機(jī)液壓耙斗及其開合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

陳佛生

(廣東江海機(jī)電工程有限公司, 廣東 廣州 510500)

1 概述

清污機(jī)是大多數(shù)水利工程不可缺少的設(shè)備，通過(guò)清污機(jī)及時(shí)清理柵前堆積的污物，不但可以維護(hù)攔污柵的安全，還可以減少因污物堆積而引起的損失[1-4]。耙斗是清污機(jī)上非常重要的部件，其對(duì)污物適應(yīng)性的強(qiáng)弱、開合機(jī)構(gòu)的合理與否，直接關(guān)系到清污效果的好壞。

隨著對(duì)水利工程攔污柵前污物特點(diǎn)認(rèn)識(shí)的加深和向水下供電技術(shù)的進(jìn)步[5-6]，對(duì)清污機(jī)耙斗的設(shè)計(jì)也在不斷地優(yōu)化。液壓耙斗的開合機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)小，作用力大等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于耙斗式清污機(jī)。

2 液壓耙斗及其開合機(jī)構(gòu)

隨著對(duì)污物特點(diǎn)認(rèn)識(shí)不斷加深，廣東江海機(jī)電工程有限公司(以下簡(jiǎn)稱江海機(jī)電)先后研發(fā)了整體動(dòng)耙開合機(jī)構(gòu)沒有同步裝置、分段動(dòng)耙開合機(jī)構(gòu)有同步裝置和分段動(dòng)耙開合機(jī)構(gòu)不需要同步裝置3種不同的液壓耙斗，3種液壓耙斗的動(dòng)耙結(jié)構(gòu)和開合機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)均不同，其設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷優(yōu)化的過(guò)程。

2.1 整體動(dòng)耙開合機(jī)沒有同步裝置的液壓耙斗

1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

整體動(dòng)耙開合機(jī)構(gòu)沒有同步裝置的液壓耙斗是早期設(shè)計(jì)的液壓耙斗，這類液壓耙斗沿用了動(dòng)耙為整體的結(jié)構(gòu)，為一組動(dòng)耙并且在其上設(shè)置兩條或多條開合液壓油缸(簡(jiǎn)稱“一耙多缸”，下同)的結(jié)構(gòu)。耙斗主要由一組動(dòng)耙、一組定耙、開合機(jī)構(gòu)及其液壓系統(tǒng)和行走及導(dǎo)向裝置構(gòu)成。用于控制開合的液壓系統(tǒng)中沒有設(shè)置多條液壓油缸的同步裝置，設(shè)兩條開合液壓油缸的液壓原理如圖1所示。

圖1 “一耙多缸”(兩條開合液壓油缸)沒有同步裝置的液壓系統(tǒng)

開合機(jī)構(gòu)工作時(shí)，液壓油經(jīng)吸油過(guò)濾器、齒輪油泵、單向閥后，通過(guò)分流閥分流，再經(jīng)“M”型電磁換向閥進(jìn)入對(duì)應(yīng)的液壓油缸，液壓油缸另一端腔內(nèi)的液壓油經(jīng)回油過(guò)濾器回到油箱。液壓回路中設(shè)有壓力表顯示系統(tǒng)壓力。系統(tǒng)的壓力通過(guò)溢流閥和壓力繼電器來(lái)調(diào)節(jié)和控制，通過(guò)電磁換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)開耙閉耙。

2)優(yōu)缺點(diǎn)分析[7-8]

在成本方面，由于采用“一耙多缸”結(jié)構(gòu)，動(dòng)耙可以整體制作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)耙生產(chǎn)成本較低。但設(shè)有與液壓油缸等數(shù)量的電磁換向閥，使得液壓泵站，控制、結(jié)構(gòu)和布置較為復(fù)雜，原理上不合理，裝配和維護(hù)困難，生產(chǎn)和維護(hù)成本較高。

在結(jié)構(gòu)合理性方面，對(duì)長(zhǎng)度較大的耙斗來(lái)說(shuō)，如果設(shè)置兩條液壓油缸，則其間距較大，設(shè)置多條液壓油缸則會(huì)使得動(dòng)耙受力復(fù)雜。由于結(jié)構(gòu)、安裝等原因，液壓油到達(dá)不同液壓油缸過(guò)程中所受的阻力是不同的，這將導(dǎo)致動(dòng)耙上的液壓油缸伸縮不同步，液壓油缸距離越大，不同步現(xiàn)象越明顯。在污物不均勻，特別是局部污物較多或較大的情況下，由于動(dòng)耙是整體結(jié)構(gòu)、液壓油缸不同步伸出和液壓油缸所產(chǎn)生的較大閉耙力，耙斗動(dòng)耙容易發(fā)生扭曲甚至折斷。

在實(shí)際工程案例中，潮州供水樞紐工程中的2×125 kN液壓耙斗清污機(jī)液壓耙斗的動(dòng)耙長(zhǎng)度為6.5 m，動(dòng)耙上設(shè)置兩條液壓油缸，液壓油缸的距離為4.5 m。在清污機(jī)試運(yùn)行過(guò)程中，由于局部有大體積且堅(jiān)硬的物體，導(dǎo)致動(dòng)耙斷裂(如圖2所示)。

圖2 “一耙多缸”結(jié)構(gòu)的耙斗動(dòng)耙的扭曲和折斷實(shí)況

3)建議

“一耙多缸”結(jié)構(gòu)適合長(zhǎng)度不大的耙斗，對(duì)于耙斗長(zhǎng)度超過(guò)3 m或液壓油缸之間距離超過(guò)2 m的耙斗，其開合機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)應(yīng)盡量采用同步裝置。

2.2 分段動(dòng)耙開合機(jī)構(gòu)有同步裝置的液壓耙斗

在對(duì)長(zhǎng)度超過(guò)4 m的耙斗使用狀態(tài)調(diào)查分析后，優(yōu)化了長(zhǎng)度較大液壓耙斗的設(shè)計(jì)。對(duì)液壓耙斗的動(dòng)耙采用了分段設(shè)計(jì)，根據(jù)耙斗的長(zhǎng)度不同，按2～3 m為1段對(duì)其動(dòng)耙進(jìn)行分段，按這一方法設(shè)計(jì)出多段動(dòng)耙且在同1段動(dòng)耙上設(shè)置2條或多條開合液壓油缸(簡(jiǎn)稱“多耙多缸”，下同)結(jié)構(gòu)的耙斗。圖3所示為云南省祿勸縣克田水電站2×250 kN雙向門式清污機(jī)液壓系統(tǒng)，該清污機(jī)耙斗長(zhǎng)度為5.4 m，按2.7 m 為1段將耙斗的動(dòng)耙分成了2段，在每段動(dòng)耙上設(shè)置2條液壓油缸，同時(shí)兩條油缸設(shè)置了同步裝置[9]。

圖3 “多耙多缸(兩耙兩缸)”有同步裝置的液壓系統(tǒng)

開合機(jī)構(gòu)工作時(shí)，液壓油經(jīng)吸油過(guò)濾器、齒輪油泵、單向閥后，通過(guò)“M”型電磁換向閥后，再經(jīng)自調(diào)式分流—集流閥調(diào)節(jié)流量后，進(jìn)入同組動(dòng)耙的2條或多條液壓油缸內(nèi)。液壓回路中設(shè)有電接點(diǎn)壓力表顯示系統(tǒng)壓力。系統(tǒng)的壓力通過(guò)溢流閥和電接點(diǎn)壓力表來(lái)調(diào)節(jié)和控制，所有動(dòng)耙的開合均通過(guò)1個(gè)電磁換向閥換向來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

“多耙多缸”結(jié)構(gòu)的液壓耙斗由1組定耙、若干段動(dòng)耙、開合機(jī)構(gòu)及其液壓系統(tǒng)和行走及導(dǎo)向裝置構(gòu)成。每段動(dòng)耙相對(duì)獨(dú)立，互不干涉。在每段動(dòng)耙上設(shè)置了多條液壓油缸，與圖1所示的關(guān)鍵不同點(diǎn)是設(shè)置了同一段動(dòng)耙上的液壓油缸的同步裝置。

2)優(yōu)缺點(diǎn)分析

與圖1所示相比，液壓系統(tǒng)主要作了以下3個(gè)方面的改進(jìn)。

① 將換向電磁換向閥前置，用1個(gè)電磁換向閥代替了多個(gè)電磁換向閥，簡(jiǎn)化了閥組；

② 將分流閥換成了自調(diào)式分流—集流閥，通過(guò)自調(diào)式分流—集流閥的調(diào)節(jié)作用，同1段動(dòng)耙上的開合液壓油缸基本實(shí)現(xiàn)了伸縮同步；

③ 用電接點(diǎn)壓力表替換了壓力繼電器，不但方便了安裝和調(diào)試[10-11]，更由于電接點(diǎn)壓力表帶有高低2個(gè)壓力觸點(diǎn)，不僅可以用其來(lái)控制系統(tǒng)壓力，還可以用作耙斗的開合極限保護(hù)。

3)建議

① 每段動(dòng)耙不宜太長(zhǎng)，長(zhǎng)度控制在2～3 m范圍內(nèi)，同1段動(dòng)耙上的液壓油缸均勻布置，如果1段動(dòng)耙上設(shè)置2條液壓油缸，則其距離適宜為動(dòng)耙長(zhǎng)度的1/2～2/3，并且最好控制在2 m以內(nèi)；

② 每段動(dòng)耙上設(shè)置2條液壓油缸為宜；

③ 這類耙斗在機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)等方面都較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，但同1段動(dòng)耙上的液壓油缸同步性較好，可用于整垮清污的清污機(jī)。

2.3 分段動(dòng)耙開合機(jī)構(gòu)不需要同步裝置的液壓耙斗

總結(jié)幾種不同液壓耙斗的使用情況后，經(jīng)深入研究攔污柵前污物的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了分段動(dòng)耙開合機(jī)構(gòu)不需要同步裝置的液壓耙斗。耙斗采用多段動(dòng)耙，1條液壓油缸操縱1段動(dòng)耙(簡(jiǎn)稱“一耙一缸”，下同)的結(jié)構(gòu)。

1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

“一耙一缸”的耙斗由1組定耙，若干段動(dòng)耙、開合機(jī)構(gòu)及其液壓系統(tǒng)和行走及導(dǎo)向裝置構(gòu)成。與圖3不同的是每段動(dòng)耙只設(shè)1條液壓油缸。圖4所示為由4段動(dòng)耙所組成的“一耙一缸”結(jié)構(gòu)的耙斗，其對(duì)應(yīng)開合機(jī)構(gòu)的液壓原理如圖5所示。

開合機(jī)構(gòu)工作時(shí)，液壓油經(jīng)吸油過(guò)濾器、齒輪油泵、單向閥后，通過(guò)“M”型電磁換向閥后，直接進(jìn)入動(dòng)耙的液壓油缸內(nèi)。液壓回路中設(shè)有電接點(diǎn)壓力表顯示系統(tǒng)壓力。系統(tǒng)的壓力通過(guò)溢流閥和電接點(diǎn)壓力表來(lái)調(diào)節(jié)和控制，所有動(dòng)耙的開合通過(guò)1個(gè)電磁換向閥換向來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4 由四段動(dòng)耙組成的“一耙一缸”的液壓耙斗

圖5 “一耙一缸”不需要同步裝置的液壓原理

2)優(yōu)缺點(diǎn)分析

① 開合機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，生產(chǎn)成本較低，裝配和維護(hù)方便；與圖3的液壓系統(tǒng)相比，取消了自調(diào)式分流—集流閥，液壓油直接由電磁換向閥進(jìn)入液壓油缸，簡(jiǎn)化了液壓系統(tǒng)。

② 動(dòng)耙分段數(shù)量較多，制造成本較高。為了保證抓污圧污能力，“一耙一缸”結(jié)構(gòu)的液壓耙斗每段動(dòng)耙不宜太長(zhǎng)，與相同長(zhǎng)度的“多耙多缸”結(jié)構(gòu)的耙斗相比，其分段數(shù)量更多，生產(chǎn)成本較高。

③ 在“一耙一缸”的結(jié)構(gòu)中，每段動(dòng)耙只包括兩處與定耙的鉸接和一處與液壓油缸的鉸接，約束和受力條件簡(jiǎn)單、明確，動(dòng)作靈活可靠。

④ 對(duì)污物的適應(yīng)性好，清污效果好，動(dòng)耙的自我保護(hù)能力強(qiáng)。

3)建議

① 盡量避免因制造成本增加而減少動(dòng)耙分段的數(shù)量。在水利工程中，攔污柵前的污物分布不均或污物形狀、大小不同是普遍存在的現(xiàn)象，抓污時(shí)，不同位置的動(dòng)耙需要有不同的開度，即油缸不同的伸出長(zhǎng)度，以適應(yīng)的污物不均勻布置需要，同時(shí)有利于壓緊污物。

② 開合機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)中選擇中位機(jī)能為“M”型的電磁換向閥。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)作業(yè)特點(diǎn)合理選擇電磁換向閥的中位機(jī)能，不同的選擇會(huì)影響液壓系統(tǒng)的工作過(guò)程、操作模式和電動(dòng)機(jī)工作時(shí)間。在一些設(shè)計(jì)中，耙斗開合機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)選擇中位機(jī)能為“H”型的電磁換向閥，選擇“H”型電磁換向閥，使得耙斗在開耙下降或閉耙上升過(guò)程中，液壓系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)都必須保持在工作狀態(tài)。選擇中位機(jī)能為“M”型的電磁換向閥，這樣即便是電動(dòng)機(jī)停止工作，只要閥芯回到中位，則電磁換向閥后的液壓油無(wú)法形成通路[12-13]，可以將耙斗控制在任意開度；可以保持閉耙上升或開耙下降；油泵電動(dòng)機(jī)可以停止運(yùn)轉(zhuǎn)。電磁換向閥閥芯處于中位時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，則液壓油直接通過(guò)電磁換向閥回到油箱。

③ 在“一耙一缸”結(jié)構(gòu)的耙斗中，在其開合機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)中設(shè)置同步系統(tǒng)是多余的?；谖畚锓植疾痪獾痊F(xiàn)實(shí)，每段動(dòng)耙內(nèi)的污物數(shù)量各不相同，有的滿耙，有的少甚至沒有，有的動(dòng)耙所對(duì)應(yīng)的部位可能是大木頭或其他大體積的污物，而其他動(dòng)耙所對(duì)應(yīng)的部位卻是普通的城市生活垃圾(如圖6所示)。

如果在“一耙一缸”結(jié)構(gòu)中設(shè)置油缸的同步裝置，在污物分布不均的情況下，可能產(chǎn)生的后果是污物較少的動(dòng)耙無(wú)法壓緊污物，因?yàn)槲畚锒嗟膭?dòng)耙所在的油缸會(huì)先達(dá)到系統(tǒng)壓力的上限，這時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，污物少的動(dòng)耙上的液壓油缸無(wú)法繼續(xù)伸出，導(dǎo)致污物無(wú)法被壓緊。而沒有同步裝置的液壓系統(tǒng)，允許不同的液壓油缸有不同的伸出長(zhǎng)度，從而保證每段動(dòng)耙都能壓緊污物(見圖6)。

圖6 污物分布不均示意

4)應(yīng)用情況

“一耙一缸”結(jié)構(gòu)是江海機(jī)電清污機(jī)耙斗主要推進(jìn)的結(jié)構(gòu)，在甘肅中部生態(tài)移民工程等數(shù)十個(gè)工程中得到應(yīng)用，圖7是在河源市東源縣柳城水電站YPQ52(2×70 kN)清污機(jī)上的應(yīng)用情況，此耙斗的動(dòng)耙分為3段，每段長(zhǎng)度為1.62 m。從使用情況來(lái)看，清污效果非常理想，得到了業(yè)主極高得評(píng)價(jià)。

3 結(jié)論

1)“一耙一缸”結(jié)構(gòu)的液壓耙斗對(duì)污物的適用性強(qiáng)，具有良好的清污效果。從污物的適應(yīng)性考慮，動(dòng)耙分段越多越好，但從成本和運(yùn)行維護(hù)方便考慮，建議動(dòng)耙長(zhǎng)度控制在0.8～2 m之間。

圖7 使用“一耙一缸”結(jié)構(gòu)耙斗的清污效果示意

2)不設(shè)同步裝置“一耙一缸”結(jié)構(gòu)的液壓耙斗在保護(hù)耙斗不被破壞、污物適用性和抓污圧污方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3)在開合機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)中，優(yōu)先選擇中位機(jī)能為“M”型的電磁換向閥，可延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)和液壓元件使用壽命。

4)耙斗的結(jié)構(gòu)、使用條件、操作方式和電動(dòng)機(jī)的工作模式均會(huì)影響液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和液壓元件的選擇。耙斗在運(yùn)行過(guò)程的震動(dòng)大小、保持開閉的時(shí)間長(zhǎng)短和操作方式都是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的因素，如果震動(dòng)較大或保持開閉的時(shí)間在1 h以上，建議在液壓系統(tǒng)中加設(shè)液壓鎖。

4 結(jié)語(yǔ)

在耙斗分段式設(shè)計(jì)中，理論上動(dòng)耙分段長(zhǎng)度越小，適應(yīng)污物的分布不均的狀態(tài)越好，越有利于清污，但是分段越多，耙斗的生產(chǎn)成本越高。在考慮耙斗動(dòng)耙分段長(zhǎng)度時(shí)，要綜合考慮污物的特點(diǎn)和抓污圧污力的大小，同時(shí)應(yīng)該在經(jīng)濟(jì)性與保證清污效果下取得平衡。