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個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，控制版圖面積2243Km2，設計灌溉面積163.5萬畝。灌區(qū)有干級渠道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年實施節(jié)水改造以來，已實施12期國家投資計劃，批復投資3.59億元，干渠襯砌62.39km及新建、改造沿渠橋、涵、閘等259座。

關鍵詞：閘門啟閉機；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

閘門啟閉機是水利方面重要的工程設備，用于閘門的開啟關閉，具有防洪、灌溉、發(fā)電、供水等功能。對灌區(qū)調(diào)水配水有著重要作用。灌區(qū)啟閉機主要為螺桿式啟閉機，分為：側(cè)搖式啟閉機、手動螺桿啟閉機和手電兩用螺桿式啟閉機等。其基本工作原理是：當通過電機或者手動搖柄帶動轉(zhuǎn)動機構(gòu)，從而帶動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。灌區(qū)閘門啟閉機可以分為三類。第一類是比較大型的手電兩用雙吊點啟閉機，應用于灌區(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，第三類是露天的小型排水涵閘啟閉機。

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

1 固定式直流電啟閉系統(tǒng)簡介

1.1 工作原理

系統(tǒng)包括動力、控制、傳動和限位保護四個部分，動力部分為48V鋰電池或電動車自帶鉛酸電瓶，控制部分有電源T型插頭、直流調(diào)速器、H10組合開關、三相四線四角插頭依次用電源線連接而成。傳動系統(tǒng)包括1000W直流串勵電機、傳動皮帶、傳動皮帶輪等。限位保護部分包括電感式接近開關和直流接觸器。

直流電通過鋰電池供給經(jīng)過調(diào)速器和H10組合逆變開關傳導給直流電機，直流電機帶動皮帶輪，經(jīng)過皮帶傳導給啟閉機皮帶輪，帶動啟閉機轉(zhuǎn)動。從而實現(xiàn)閘門的啟閉。當關閉閘門時，絲杠落到預定位置時，固定在絲杠上的鐵塊接近電感式接近開關，觸發(fā)接近開關工作，帶動直流接觸器工作，從而切斷直流電機電路，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）啟閉機皮帶輪和直流電機安裝問題。手電兩用啟閉機可以直接安裝皮帶輪。手搖式啟閉機則需改裝手搖螺桿，將手搖螺桿拆下進行焊接加長，之后到銑床開槽，選裝合適的皮帶輪就可以了。焊接時要注意新加部分和原螺桿旋轉(zhuǎn)同心。直流電機的安裝則可以事先把電機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座上即可。這樣安裝后方便兩個皮帶輪對正。

（2）直流串勵電機正反轉(zhuǎn)切換問題。直流串勵電機有A1、A2、D1、D2四個接線柱，要實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)不是簡單的更換電源正負極就能解決的。要A1、D1分別連接電源正負極，同時把A2、D2短路才能實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)。而切換到反轉(zhuǎn)則需要把A1、D2連接到電源正負極，同時A2、D1短路才可以（見下圖）。經(jīng)過對比實驗，選用HZ10組合開關進行線路改造就可以經(jīng)濟的實現(xiàn)該功能。

（3）機架橋下遠程線控問題。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)上去機架橋就更不方便。三相四線四角插座成功的解決了這個問題。四角插座采用偏角設計，線序不會因為拔插而改變。系統(tǒng)把直流串勵電機的四個接線柱通過一根4線電纜引到機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)時只需把控制部分一頭插入電瓶，一頭插到機架橋下預裝的插座上就完成系統(tǒng)的快速連接。平時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改裝閘門。大大降低了經(jīng)濟成本，提高了勞動效率和安全性。同時由于串勵電機控制電路的特殊性，杜絕了非安裝者試圖控制直流電機的可能性。在技術(shù)上有效保證了灌區(qū)調(diào)配水效果。

（4）閘門關閉的限位問題。電力啟閉機為了防止水利閘門落到位后不能及時停止，造成啟閉機和機架橋損壞，通常都會有行程開關切斷電路。但是機械式的行程開關因為在閘門關閉后長期處于工作臨界狀態(tài)，行程開關經(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和直流接觸器來作為限位保護部分，大大提高了限位的靈敏度和耐用性。

1.4 優(yōu)缺點

（1）調(diào)速性能好，過載能力強。直流電動機可以在重負載條件下，均勻而經(jīng)濟地實施轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，而且調(diào)速范圍較寬。

（2）具有較大的起動轉(zhuǎn)矩，起動性能好。啟動力矩大，可針對不同噸位啟閉機選裝不同功率直流電機，可以拖動大型啟閉機。

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

（4）采用非接觸的光電接近開關作為落閘限位，準確耐用。

（5）用皮帶這種軟介質(zhì)作為動力傳輸，安全性能好。

（6）缺點是每臺啟閉機都需改裝和配備一個直流電機，前期投入較大。

2 便攜式提落閘機械簡介

2.1 工作原理

本機械是有電動三輪車后橋部分經(jīng)過改裝而成，主要有500w無刷直流電機、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。動力有48v鋰電瓶或普通48v電動車電瓶驅(qū)動，直流電經(jīng)過直流電機轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動力，再經(jīng)過差速器降速傳遞給經(jīng)過改裝的半軸，通過不同型號的快速接頭帶動手搖啟閉機手搖桿，從而實現(xiàn)對閘門的啟閉功能。

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，當差速器一段被固定時，行星齒輪只能跟著殼體一起繞著半軸齒輪公轉(zhuǎn)，同時自身還會自轉(zhuǎn)。這樣的話就會把動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，本機械把16齒半軸頭和差速器外殼連接，同時和16mm光軸連接，焊接為一個固定把手。這樣既固定住了差速器一頭，又便于對機械的掌控。同時為了方便拆裝維修，把手采用了套管設計。

（2）不同型號啟閉機接頭快速切換問題。灌區(qū)運行五十多年來，隨著啟閉機閘門批次的更換，手搖啟閉機手搖柄有近20種。不同類型啟閉機通用成為該機械的必須具備的特征。設備和啟閉機的接頭快速切換也決定設備的工作效率。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接頭。實現(xiàn)了該設備的快速切換。

（3）改造后方形半軸接頭磨損問題。經(jīng)過長期實驗發(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。所以對接頭進行熱處理成功的解決了這個問題。

（4）電機正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)問題。無刷直流電機取消了碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，具有啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動電流小、體積小、重量輕、軟起軟停、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但是需要控制器控制。該機械采用48V500W通用無刷控制器，控制器有轉(zhuǎn)把控制轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)把下方的前進倒退切換開關控制正反轉(zhuǎn)。因為倒轉(zhuǎn)速度慢，控制器去除多余線路后保留學習線，以切換正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

（5）便于攜帶問題。便攜式設備的優(yōu)點就是要攜帶方便。機械在保證動力的同時盡量減輕重量。控制在15kg。把控制器固定在半軸套管上，同時在機械重心位置安裝提手，方便了作業(yè)。

2.4 優(yōu)缺點

（1）機械可通過快速切換接頭適用于不同型號啟閉機。

（2）機械體積小、重量輕，配備12A鋰電瓶，攜帶方便。

（3）無刷直流電機啟動電流小、啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣。

（4）耐顛簸震動，噪音低、運轉(zhuǎn)平滑、壽命長。

（5）缺點是沒有限位部分，落閘安全性差。

3 效益評價

3.1 經(jīng)濟效益

灌區(qū)常用有涵閘近200座，其中帶機架橋管理房的約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米計算。

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

（2）人工啟閉閘門3人操作，每次人工費（按0.5個工作日計算）3人×103元/工日×0.5工日=154.5元/次，則全年費用為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)投入使用當年就能節(jié)約經(jīng)費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。