陳佛生

(廣東江海機電工程有限公司, 廣東 廣州 510500)

1 概述

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

隨著對水利工程攔污柵前污物特點認識的加深和向水下供電技術(shù)的進步[5-6]，對清污機耙斗的設計也在不斷地優(yōu)化。液壓耙斗的開合機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)小，作用力大等特點，廣泛應用于耙斗式清污機。

2 液壓耙斗及其開合機構(gòu)

隨著對污物特點認識不斷加深，廣東江海機電工程有限公司(以下簡稱江海機電)先后研發(fā)了整體動耙開合機構(gòu)沒有同步裝置、分段動耙開合機構(gòu)有同步裝置和分段動耙開合機構(gòu)不需要同步裝置3種不同的液壓耙斗，3種液壓耙斗的動耙結(jié)構(gòu)和開合機構(gòu)液壓系統(tǒng)均不同，其設計是一個不斷優(yōu)化的過程。

2.1 整體動耙開合機沒有同步裝置的液壓耙斗

1)結(jié)構(gòu)特點

整體動耙開合機構(gòu)沒有同步裝置的液壓耙斗是早期設計的液壓耙斗，這類液壓耙斗沿用了動耙為整體的結(jié)構(gòu)，為一組動耙并且在其上設置兩條或多條開合液壓油缸(簡稱“一耙多缸”，下同)的結(jié)構(gòu)。耙斗主要由一組動耙、一組定耙、開合機構(gòu)及其液壓系統(tǒng)和行走及導向裝置構(gòu)成。用于控制開合的液壓系統(tǒng)中沒有設置多條液壓油缸的同步裝置，設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)

開合機構(gòu)工作時，液壓油經(jīng)吸油過濾器、齒輪油泵、單向閥后，通過分流閥分流，再經(jīng)“M”型電磁換向閥進入對應的液壓油缸，液壓油缸另一端腔內(nèi)的液壓油經(jīng)回油過濾器回到油箱。液壓回路中設有壓力表顯示系統(tǒng)壓力。系統(tǒng)的壓力通過溢流閥和壓力繼電器來調(diào)節(jié)和控制，通過電磁換向閥來實現(xiàn)開耙閉耙。

2)優(yōu)缺點分析[7-8]

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

在結(jié)構(gòu)合理性方面，對長度較大的耙斗來說，如果設置兩條液壓油缸，則其間距較大，設置多條液壓油缸則會使得動耙受力復雜。由于結(jié)構(gòu)、安裝等原因，液壓油到達不同液壓油缸過程中所受的阻力是不同的，這將導致動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，耙斗動耙容易發(fā)生扭曲甚至折斷。

在實際工程案例中，潮州供水樞紐工程中的2×125 kN液壓耙斗清污機液壓耙斗的動耙長度為6.5 m，動耙上設置兩條液壓油缸，液壓油缸的距離為4.5 m。在清污機試運行過程中，由于局部有大體積且堅硬的物體，導致動耙斷裂(如圖2所示)。

圖2 “一耙多缸”結(jié)構(gòu)的耙斗動耙的扭曲和折斷實況

3)建議

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

2.2 分段動耙開合機構(gòu)有同步裝置的液壓耙斗

在對長度超過4 m的耙斗使用狀態(tài)調(diào)查分析后，優(yōu)化了長度較大液壓耙斗的設計。對液壓耙斗的動耙采用了分段設計，根據(jù)耙斗的長度不同，按2～3 m為1段對其動耙進行分段，按這一方法設計出多段動耙且在同1段動耙上設置2條或多條開合液壓油缸(簡稱“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雙向門式清污機液壓系統(tǒng)，該清污機耙斗長度為5.4 m，按2.7 m 為1段將耙斗的動耙分成了2段，在每段動耙上設置2條液壓油缸，同時兩條油缸設置了同步裝置[9]。

圖3 “多耙多缸(兩耙兩缸)”有同步裝置的液壓系統(tǒng)

開合機構(gòu)工作時，液壓油經(jīng)吸油過濾器、齒輪油泵、單向閥后，通過“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，進入同組動耙的2條或多條液壓油缸內(nèi)。液壓回路中設有電接點壓力表顯示系統(tǒng)壓力。系統(tǒng)的壓力通過溢流閥和電接點壓力表來調(diào)節(jié)和控制，所有動耙的開合均通過1個電磁換向閥換向來實現(xiàn)。

1)結(jié)構(gòu)特點

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

2)優(yōu)缺點分析

與圖1所示相比，液壓系統(tǒng)主要作了以下3個方面的改進。

① 將換向電磁換向閥前置，用1個電磁換向閥代替了多個電磁換向閥，簡化了閥組；

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

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

3)建議

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

② 每段動耙上設置2條液壓油缸為宜；

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

2.3 分段動耙開合機構(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，設計了分段動耙開合機構(gòu)不需要同步裝置的液壓耙斗。耙斗采用多段動耙，1條液壓油缸操縱1段動耙(簡稱“一耙一缸”，下同)的結(jié)構(gòu)。

1)結(jié)構(gòu)特點

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

開合機構(gòu)工作時，液壓油經(jīng)吸油過濾器、齒輪油泵、單向閥后，通過“M”型電磁換向閥后，直接進入動耙的液壓油缸內(nèi)。液壓回路中設有電接點壓力表顯示系統(tǒng)壓力。系統(tǒng)的壓力通過溢流閥和電接點壓力表來調(diào)節(jié)和控制，所有動耙的開合通過1個電磁換向閥換向來實現(xiàn)。

圖4 由四段動耙組成的“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)缺點分析

① 開合機構(gòu)的液壓系統(tǒng)進一步簡化，生產(chǎn)成本較低，裝配和維護方便；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入液壓油缸，簡化了液壓系統(tǒng)。

② 動耙分段數(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)的液壓耙斗每段動耙不宜太長，與相同長度的“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，約束和受力條件簡單、明確，動作靈活可靠。

④ 對污物的適應性好，清污效果好，動耙的自我保護能力強。

3)建議

① 盡量避免因制造成本增加而減少動耙分段的數(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，不同位置的動耙需要有不同的開度，即油缸不同的伸出長度，以適應的污物不均勻布置需要，同時有利于壓緊污物。

② 開合機構(gòu)液壓系統(tǒng)中選擇中位機能為“M”型的電磁換向閥。液壓系統(tǒng)設計時，要根據(jù)作業(yè)特點合理選擇電磁換向閥的中位機能，不同的選擇會影響液壓系統(tǒng)的工作過程、操作模式和電動機工作時間。在一些設計中，耙斗開合機構(gòu)的液壓系統(tǒng)選擇中位機能為“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程中，液壓系統(tǒng)的電動機都必須保持在工作狀態(tài)。選擇中位機能為“M”型的電磁換向閥，這樣即便是電動機停止工作，只要閥芯回到中位，則電磁換向閥后的液壓油無法形成通路[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；油泵電動機可以停止運轉(zhuǎn)。電磁換向閥閥芯處于中位時，如果電動機繼續(xù)轉(zhuǎn)動，則液壓油直接通過電磁換向閥回到油箱。

③ 在“一耙一缸”結(jié)構(gòu)的耙斗中，在其開合機構(gòu)的液壓系統(tǒng)中設置同步系統(tǒng)是多余的?；谖畚锓植疾痪獾痊F(xiàn)實，每段動耙內(nèi)的污物數(shù)量各不相同，有的滿耙，有的少甚至沒有，有的動耙所對應的部位可能是大木頭或其他大體積的污物，而其他動耙所對應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耙無法壓緊污物，因為污物多的動耙所在的油缸會先達到系統(tǒng)壓力的上限，這時系統(tǒng)進行保護，污物少的動耙上的液壓油缸無法繼續(xù)伸出，導致污物無法被壓緊。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度，從而保證每段動耙都能壓緊污物(見圖6)。

圖6 污物分布不均示意

4)應用情況

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

3 結(jié)論

1)“一耙一缸”結(jié)構(gòu)的液壓耙斗對污物的適用性強，具有良好的清污效果。從污物的適應性考慮，動耙分段越多越好，但從成本和運行維護方便考慮，建議動耙長度控制在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)不設同步裝置“一耙一缸”結(jié)構(gòu)的液壓耙斗在保護耙斗不被破壞、污物適用性和抓污圧污方面具有明顯的優(yōu)勢。

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

4)耙斗的結(jié)構(gòu)、使用條件、操作方式和電動機的工作模式均會影響液壓系統(tǒng)的設計和液壓元件的選擇。耙斗在運行過程的震動大小、保持開閉的時間長短和操作方式都是液壓系統(tǒng)設計必須考慮的因素，如果震動較大或保持開閉的時間在1 h以上，建議在液壓系統(tǒng)中加設液壓鎖。

4 結(jié)語

在耙斗分段式設計中，理論上動耙分段長度越小，適應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。在考慮耙斗動耙分段長度時，要綜合考慮污物的特點和抓污圧污力的大小，同時應該在經(jīng)濟性與保證清污效果下取得平衡。