黃浦江擋潮閘自動(dòng)固定裝置的探索與研究

江志濤

(上海宏波工程咨詢管理有限公司,上海 201707)

1 引 言

黃浦江屬太湖流域,上接太湖,下通長(zhǎng)江,穿越上海中心城區(qū),是區(qū)域抗洪除澇的重要排水河道。由于季風(fēng)、潮汐和地勢(shì)平坦的影響,導(dǎo)致上海容易受風(fēng)暴潮的影響[1]。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)黃浦江防汛墻經(jīng)歷了5次加高加固,即使再度加高加固防汛墻,市區(qū)防汛仍存在風(fēng)險(xiǎn),所以黃浦江河口建閘勢(shì)在必行[2]。黃浦江干流至吳淞口,下游水深達(dá)12m,河寬為400～500m[3]。分別對(duì)雙鉸浮體臥倒門(mén)、浮箱門(mén)、浮動(dòng)扇形門(mén)和有軌浮箱直升門(mén)4種門(mén)型工程布置方案做了比對(duì),推薦有軌浮箱直升門(mén)方案[2]。在常規(guī)水閘建設(shè)中,閘門(mén)通常插入閘墩的閘門(mén)槽中用來(lái)?yè)跛?而閘門(mén)的擋水力傳遞給閘墩,閘墩固定在位于河床的基座底板上;閘門(mén)的啟閉一般可以采用位于其上方排架塔頂?shù)碾妱?dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)。這種固定式閘門(mén)需要在河道中設(shè)置閘墩和上部排架,對(duì)河道的通航和景觀有一定的影響。而靠漂浮移動(dòng)就位的浮箱閘門(mén)可以不用設(shè)置閘墩和排架,需要擋水時(shí)漂浮移動(dòng)就位,不需要時(shí)浮箱閘門(mén)移開(kāi)靠岸停泊待用,為了保持浮箱閘門(mén)在防汛工作時(shí)的穩(wěn)定可靠性,在浮箱閘門(mén)底部增加自動(dòng)固定裝置;河床底板上方預(yù)留鋼板,通過(guò)底部自動(dòng)固定裝置工作時(shí)產(chǎn)生的電磁力,結(jié)合重力的作用力,保持浮箱閘門(mén)的穩(wěn)定性及可靠性[4]。

2 磁力吸盤(pán)概述

吸盤(pán)主要有電磁式、永磁式和電永磁式三種。雖然電永磁吸盤(pán)發(fā)展歷史不是很久,但憑借其優(yōu)良的性能,逐漸被廣泛運(yùn)用在機(jī)械加工、汽車和輪船制造,以及水務(wù)海洋等領(lǐng)域。電永磁吸盤(pán)運(yùn)用電磁原理和磁場(chǎng)疊加原理,通過(guò)使內(nèi)部線圈通電產(chǎn)生磁力,影響吸盤(pán)內(nèi)部磁場(chǎng)分布,從而夾緊或卸載工件。電永磁吸盤(pán)以其操作簡(jiǎn)單、吸力強(qiáng)勁且安全可靠,將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用[5]。同時(shí)電永磁吸盤(pán)具有以下優(yōu)點(diǎn):吸力大,夾緊力恒定不變,安全性高,磁力穿透淺不會(huì)將磁力導(dǎo)到被加工表面,裝夾和卸載操作方便,工作中無(wú)須通電,不發(fā)熱,保持常溫;不影響加工精度,無(wú)須長(zhǎng)時(shí)間供電,通電時(shí)間短,運(yùn)營(yíng)成本低,壽命長(zhǎng)等[6]。因此,本次浮箱閘門(mén)水下自動(dòng)固定裝置以電永磁吸盤(pán)作為探索與研究方向。

3 自動(dòng)固定裝置主要參數(shù)

3.1 自動(dòng)固定裝置吸盤(pán)吸力大小確定

為了保持浮箱閘門(mén)在防汛工作時(shí)的穩(wěn)定可靠性,在浮箱閘門(mén)底部增加自動(dòng)固定裝置;河床底板上方預(yù)留鋼板,通過(guò)底部電磁固定裝置工作時(shí)產(chǎn)生的電磁力,加上浮箱本身和注水重力等垂直作用力,共同提供浮箱閘門(mén)的抗傾覆及抗滑動(dòng)力。

當(dāng)浮箱閘門(mén)通過(guò)注水后,依靠重力作用到達(dá)預(yù)定位置,穩(wěn)定后啟動(dòng)電磁固定裝置。此時(shí)對(duì)浮箱閘門(mén)進(jìn)行受力分析,水平方向有靜水壓力Fw、波浪力Fb和摩擦力。垂直方向有浮箱閘門(mén)重力G、浮托力Ff、電磁固定裝置產(chǎn)生的電磁力Fc。

根據(jù)力矩計(jì)算公式:M=FL=力×力臂和力矩平衡公式,即M1+M2+M3+…=0得到

(1)

同時(shí)為防止浮箱閘門(mén)水平移動(dòng)。對(duì)浮箱閘門(mén)進(jìn)行受力分析:

(Fc+G-Ff)μ=Fw+Fb

(2)

自動(dòng)固定裝置使水下浮箱閘門(mén)固定,所以自動(dòng)固定裝置需同時(shí)滿足浮箱閘門(mén)抗傾和抗滑的要求;故自動(dòng)固定裝置的電磁吸力Fc采用式(1)和式(2)中的最大值[4]。

3.2 自動(dòng)固定裝置磁感應(yīng)強(qiáng)度的確定

由麥克斯韋電磁吸力公式

(3)

可以得出線圈電壓為下限值時(shí)的工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度Bδ:

(4)

式中:Fc為電磁吸力;Bδ為線圈電壓為下限值時(shí)的工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度;μ0為導(dǎo)磁率,μ0=4π×10-7;rc為磁極半徑,根據(jù)工程實(shí)際情況確定[7]。

3.3 自動(dòng)固定裝置的結(jié)構(gòu)

考慮到浮箱閘門(mén)內(nèi)空間有限,為了方便施工安裝和后期維護(hù),自動(dòng)固定裝置不宜體積過(guò)大,具體大小根據(jù)浮箱閘門(mén)尺寸確定。自動(dòng)固定裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

4 對(duì)防水的要求

由圖1可以看出,浮箱閘門(mén)底板與自動(dòng)固定裝置的高程相同,止水墊片工作時(shí)與水直接接觸,為了止水墊片的防水效果,圖1中止水墊片7應(yīng)具有防腐蝕、防水、防塵功能,同時(shí)浮箱閘門(mén)在閘板底部會(huì)受到水的壓強(qiáng),止水材料還需要具有防壓功能;圖1中止水墊片5屬于第二道止水保護(hù),有可能會(huì)直接接觸到水,為保證河道的水不從止水墊片處滲透到浮箱閘門(mén)內(nèi)部,圖1中止水墊片5也需具備防腐蝕、防水、防塵、防壓功能。

5 對(duì)控制器的要求

前面提到自動(dòng)固定裝置的吸盤(pán)采用的是電永磁吸盤(pán),電永磁吸盤(pán)通過(guò)變換吸盤(pán)內(nèi)部可逆磁體的磁極,實(shí)現(xiàn)磁路轉(zhuǎn)換,用電脈沖控制充磁和退磁[8-9]。由于浮箱閘門(mén)的長(zhǎng)度由河道的寬度決定,當(dāng)達(dá)到一定寬度時(shí),自動(dòng)固定裝置不僅需要滿足吸力要求,同時(shí)體積不宜過(guò)大,所以浮箱閘門(mén)內(nèi)自動(dòng)固定裝置往往不止1個(gè)。根據(jù)受力分析,為使浮箱閘門(mén)工作時(shí)穩(wěn)定、平衡,浮箱閘門(mén)內(nèi)固定裝置需要均勻布置?？刂破鞯年P(guān)鍵功能是確保所有的自動(dòng)固定裝置能同時(shí)通電和斷電,實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的統(tǒng)一性,其操作可以是自動(dòng)和手動(dòng)[10]。具體操作如下:

a.當(dāng)浮箱閘門(mén)需要關(guān)閉時(shí),浮箱閘門(mén)從船塢中被動(dòng)力船拖到預(yù)定位置,控制器可自動(dòng)開(kāi)啟注水水泵往浮箱閘門(mén)內(nèi)注水,同時(shí)通過(guò)限位開(kāi)關(guān)確認(rèn)是否下沉到預(yù)定位置,當(dāng)限位開(kāi)關(guān)返回信號(hào)后,浮箱閘門(mén)內(nèi)注水水泵關(guān)閉,停止注水,同時(shí)為了防止浮箱閘門(mén)內(nèi)水位過(guò)高,設(shè)定高水位停泵,水位達(dá)到高水位后注水水泵自動(dòng)關(guān)閉,此時(shí)控制器檢測(cè)到限位開(kāi)關(guān)和注水水泵停泵信號(hào),控制器啟動(dòng)自動(dòng)固定裝置開(kāi)始工作,充完磁之后,電永磁自動(dòng)固定裝置將產(chǎn)生持續(xù)吸力,此時(shí)自動(dòng)固定裝置斷電,浮箱閘門(mén)關(guān)閉工作完成。

b.當(dāng)需要打開(kāi)閘門(mén)時(shí),首先通過(guò)控制器給電永磁固定裝置通電,讓自動(dòng)固定裝置退磁,退磁完成后控制器開(kāi)始啟動(dòng)浮箱閘門(mén)內(nèi)排水水泵向外排水,此時(shí)浮箱閘門(mén)將緩緩上浮,當(dāng)浮箱閘門(mén)內(nèi)水位到達(dá)低水位時(shí)水泵自動(dòng)關(guān)閉,然后動(dòng)力船將浮箱閘門(mén)拖回至船塢內(nèi)維護(hù)與檢修,浮箱閘門(mén)打開(kāi)完畢。

控制器在浮箱閘門(mén)打開(kāi)和關(guān)閉的整個(gè)流程的控制中起著不可替代的作用,目前PLC已經(jīng)廣泛用于自動(dòng)控制中,而且在惡劣環(huán)境中也有很好的穩(wěn)定性。自動(dòng)固定裝置的控制器推薦采用可編程控制器PLC。

6 對(duì)河床上預(yù)留板的要求

從圖2可以看出,自動(dòng)固定裝置需要通過(guò)河床上預(yù)留的鋼板共同作用來(lái)產(chǎn)生吸力,預(yù)留的鋼板首先須滿足自動(dòng)固定裝置所需的最大吸力,在工程設(shè)計(jì)初期,需要把吸力的大小提供給水工專業(yè),確保預(yù)留鋼板的可靠性;預(yù)留鋼板直接與水接觸,鋼板需具有防腐蝕性;鋼板處于河床底部,容易堆積一些淤泥和其他雜物,所以在工程設(shè)計(jì)之初預(yù)留鋼板處要考慮沖洗裝置,建議鋼板處的結(jié)構(gòu)底板整體高于浮箱閘門(mén)結(jié)構(gòu)底板,減少淤泥和其他雜物的堆積,確保自動(dòng)固定裝置與預(yù)留鋼板的接觸可靠。

圖2 浮箱閘門(mén)內(nèi)電磁固定裝置安裝示意圖

7 應(yīng)用范圍分析

一般來(lái)講,自動(dòng)固定裝置適用于所有浮箱閘門(mén)的固定,特別是大中型河道、有景觀要求和通航要求的河道。小型河道閘門(mén)選型范圍較大,往往會(huì)選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的卷?yè)P(yáng)式直升門(mén)和液壓升臥門(mén)等,但大中型河道往往要考慮通航以及景觀的要求,可選擇性低。比如黃浦江河口建閘的布置方案中工程布置就推薦了有軌浮箱直升門(mén)方案,當(dāng)遇到臺(tái)風(fēng)天氣時(shí),水的波浪力對(duì)浮箱閘門(mén)的沖擊很大,所以自動(dòng)固定裝置正好解決了浮箱閘門(mén)水下固定這一難題;在其他河道建閘時(shí)如采用浮箱閘門(mén)就可適當(dāng)考慮自動(dòng)固定裝置。

8 結(jié)論與建議

總之,浮箱閘門(mén)自動(dòng)固定裝置作為一種新型技術(shù),本身不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、操作方便、運(yùn)行成本低,同時(shí)浮箱閘門(mén)不需要采用結(jié)構(gòu)閘墩,對(duì)通航和景觀無(wú)影響,平時(shí)浮箱閘門(mén)在船塢中待命,在防汛期間或其他惡劣天氣時(shí)才使用,值得在大中型河道浮箱閘門(mén)中推廣使用。進(jìn)一步開(kāi)展浮箱閘門(mén)水下固定裝置配套設(shè)施的研究工作,是浮箱閘門(mén)水下固定裝置產(chǎn)品化不可或缺的一環(huán)。關(guān)于浮箱閘門(mén)水下自動(dòng)固定裝置配套設(shè)施的繼續(xù)研究有如下建議:

a.閘門(mén)底板水下沖洗技術(shù)的研究。沖洗首先想到的是通過(guò)高壓水泵沖洗,目前國(guó)內(nèi)水泵技術(shù)比較成熟,只要能提供安裝環(huán)境、揚(yáng)程、流量基本上國(guó)內(nèi)都可以生產(chǎn),其次就是水泵沖洗管的布置,這里需要考慮布置方案的可操作性和后期維護(hù);重點(diǎn)是什么時(shí)候沖洗,需要有相應(yīng)的儀器探測(cè)到預(yù)留鋼板位置是否有淤泥;如果一些金屬類垃圾不容易沖走,需要考慮利用移動(dòng)式的水下吸盤(pán)打撈金屬垃圾。最后是沖洗的頻率問(wèn)題。

b.研究防水阻水技術(shù)。自動(dòng)固定裝置通過(guò)和水下預(yù)留鋼板共同作用才產(chǎn)生吸力,裝置有部分區(qū)域是與水直接接觸的。一方面是防止自身的腐蝕,另一方是要阻止水進(jìn)入浮箱閘門(mén)內(nèi)。需要研究提高防水和阻水材料的問(wèn)題,此外還要繼續(xù)研究防水和阻水設(shè)施更換的便捷性。

c.制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。目前針對(duì)浮箱閘門(mén)自動(dòng)固定裝置尚未頒布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),僅可參考機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電永磁吸盤(pán)》(JB/T 11135—2011)。但在浮箱閘門(mén)內(nèi)安裝的要求不同于其他場(chǎng)景,在實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中面臨著許多挑戰(zhàn)。對(duì)電永磁自動(dòng)固定裝置的安裝和維護(hù)要明確要求,同時(shí)還須保障電永磁自動(dòng)固定裝置在浮箱閘門(mén)中的工作可靠性,此外建議相關(guān)企事業(yè)單位一起參與進(jìn)來(lái),制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),確保電永磁自動(dòng)固定裝置能更好地服務(wù)于浮箱閘門(mén),為防汛事業(yè)貢獻(xiàn)力量。