孫文博 五邑大學(xué)智能制造學(xué)部

楊開好 陳軍 廣東河海泵業(yè)機(jī)械有限公司

一體式閘門泵乃是在傳統(tǒng)水閘閘門的門體上整合有潛水泵的一種特殊閘泵型式，其特色在于潛水泵可跟隨鋼制閘門一道同步提升和落座，籍此可對河道實(shí)施開閘或者閉閘操作的同時(shí)，還能夠根據(jù)需要進(jìn)行引水或排澇，實(shí)質(zhì)上是將傳統(tǒng)泵站與閘門站兩者合二為一的水利設(shè)備。一體式閘門泵十分適合于中低揚(yáng)程場合，它只需在傳統(tǒng)鋼制閘門上增設(shè)一個(gè)潛水泵即告完成，在檢修時(shí)僅需將閘門抬起并讓其上的潛水泵露出水面即可進(jìn)行維護(hù)檢修工作，因此一體式閘門泵的建安成本及運(yùn)維成本均比較低廉。此外，一體式閘門泵還能夠與現(xiàn)有的鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范、潛水泵站技術(shù)規(guī)范等很好地結(jié)合，因此它的設(shè)計(jì)及制造可以納入現(xiàn)有規(guī)程來進(jìn)行約束與管理?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，一體式閘門泵具有較廣的應(yīng)用前景。

但是，如同其它潛水泵一樣，當(dāng)閘門泵的潛水泵處在停機(jī)工況時(shí)，若內(nèi)河道水位高出外河道水位而導(dǎo)致內(nèi)水倒灌所產(chǎn)生的各種水力學(xué)問題，比如水錘沖擊、電機(jī)逆轉(zhuǎn)等不利情形依然存在。故為了解決這些問題，一體式閘門泵在實(shí)際工程應(yīng)用中還需選擇截流閉鎖裝置如拍門裝置來予以應(yīng)對。然而，拍門裝置的加持必然會產(chǎn)生影響潛水泵乃至閘門的諸多負(fù)面問題，也因此，在設(shè)計(jì)閘門泵時(shí)需要對閘門與泵的耦合做適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。當(dāng)下，拍門裝置的閉合動作對泵體產(chǎn)生的影響是常見的和實(shí)質(zhì)性的，有關(guān)這方面的研究主要涉及拍門撞擊理論、拍門在啟泵停泵期間動力學(xué)行為等等。本文以配置有雙向拍門裝置的一體式閘門泵為研究對象，企圖通過對它進(jìn)行分析而獲得閘門泵布局設(shè)計(jì)方面的有益提示。

1.雙向拍門閘門泵的總體布局及工作狀態(tài)討論

如上所述，閘門泵兼具有泵站與閘門站兩種水利設(shè)施功能，既能隔斷河道又能引水排灌，因而非常適合防洪排澇、引水排水、分流灌溉等場合，尤其是那些河網(wǎng)分布較多的地方。一體式閘門泵主要由閘門和潛水泵兩大部分組成，其中潛水泵被直接固定安裝在鋼制的閘門上，圖1是其布局示意圖。該閘門泵的構(gòu)成如下：潛水泵泵體的進(jìn)水端口和出水端口分別布置在閘門的兩側(cè)面且均呈突出狀，一般按進(jìn)水端朝向外河道、出水端朝向內(nèi)河道的形式來進(jìn)行布局，在進(jìn)水端口處布設(shè)有一個(gè)用于防洪用的可控開合進(jìn)程的拍門、在出水端口處布設(shè)有一個(gè)用輕質(zhì)材料制成的用于防止內(nèi)水倒灌的拍門。為便于潛水泵泵體與閘門的連接，在泵體的筒體管外壁設(shè)置有連接套，在連接套上布設(shè)有與閘門體配合的法蘭板，該法蘭板通過螺栓與閘門體緊固連接。此外，為了增加支撐剛度以提高潛水泵工作時(shí)閘門泵的整體穩(wěn)定性及可靠性，在潛水泵泵體的外管壁與閘門外壁之間還設(shè)置有專門的支撐架，該專設(shè)的支撐架呈T形狀或者呈直角三角形狀并布置在潛水泵外管壁的下緣處，其功用是增加潛水泵的軸向支撐跨度以盡可能地提高支撐剛度。因?yàn)闈撍眯枰B接電纜，所以在閘門內(nèi)部還設(shè)置有可布設(shè)電纜的內(nèi)管槽，電纜穿越內(nèi)管槽而與潛水泵連接并向其輸配電。

圖1 雙向拍門閘門泵結(jié)構(gòu)與布局示意圖

雙向拍門閘門泵的特色在于：在潛水泵的進(jìn)水端端口設(shè)置有一個(gè)可控開合的拍門，同時(shí)在潛水泵的出水端端口還設(shè)置有一個(gè)拍門。進(jìn)水端拍門的一端與潛水泵泵體轉(zhuǎn)動鉸接連接、其另一端用鋼絲繩牽引連接，鋼絲繩穿過閘門上設(shè)置的鋼纜轉(zhuǎn)向座而與卷揚(yáng)機(jī)連接，出水端拍門則僅與潛水泵泵體進(jìn)行轉(zhuǎn)動鉸接連接。雙向拍門閘門泵有四種運(yùn)行工況：①當(dāng)外河道的外水高過內(nèi)河道的內(nèi)水而處于防洪狀態(tài)時(shí)，此時(shí)卷揚(yáng)機(jī)放松鋼絲繩而讓進(jìn)水端拍門合閉潛水泵的進(jìn)水口，同時(shí)閘門落座以截?cái)嗤夂拥琅c內(nèi)河道之間的聯(lián)系，這樣可以防止外水涌進(jìn)內(nèi)水而達(dá)成防洪之目的；②當(dāng)外河道的外水高于內(nèi)河道的內(nèi)水并處于需要引水狀態(tài)時(shí)，此時(shí)既可以選擇提升閘門而讓外河道的外水自流流進(jìn)內(nèi)河道、還可以選擇打開進(jìn)水端拍門并啟動潛水泵而進(jìn)行強(qiáng)制引水來使外河道的外水加速流進(jìn)內(nèi)河道；③當(dāng)內(nèi)河道的內(nèi)水高于外河道的外水且需要引灌之狀態(tài)時(shí)，此時(shí)閘門落座并讓進(jìn)水端拍門開啟，同時(shí)潛水泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)工作并將外水強(qiáng)行驅(qū)進(jìn)內(nèi)水河道區(qū)域，籍此達(dá)成將外水引灌至高水位的內(nèi)水區(qū)；④當(dāng)內(nèi)河道的內(nèi)水高于外河道的外水而處于排澇狀態(tài)時(shí)，此時(shí)提升閘門打開閘道以便讓內(nèi)水按自流方式流向外水區(qū)域，從而起到排澇作用。容易看出，閘門泵確實(shí)兼?zhèn)溆斜谜九c閘門站兩種水利設(shè)施的功能，其中上述①和④工況中閘門泵主要呈閘門站作用，而②和③工況中的閘門泵則主要呈泵站作用。

2.閘門泵的受力分析與支撐件布局優(yōu)化

2.1 雙向拍門閘門泵的受力分析

閘門泵運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性與它的受力狀況密切相關(guān)，而受力顯然與拍門裝置的形式與布局有關(guān)。現(xiàn)有拍門裝置的型式多種多樣，有整體式拍門、多扇式拍門以及雙節(jié)式拍門等等，小型泵站普遍采用的是整體式拍門，雙向拍門閘門泵屬小型設(shè)施范疇故采用整體式拍門。當(dāng)需要啟動潛水泵進(jìn)行引水時(shí)，只需控制進(jìn)水端拍門而讓其呈打開狀態(tài)，則輕質(zhì)的出水端拍門會在潛水泵啟動后被水流推開；當(dāng)需要停止?jié)撍霉ぷ鲿r(shí)，處于高水位的內(nèi)水會促使出水端拍門關(guān)閉潛水泵的出水口，籍此防止內(nèi)水倒流進(jìn)泵內(nèi)而避免電機(jī)發(fā)生逆轉(zhuǎn)。此外，當(dāng)外水位較高而需隔斷內(nèi)水與外水時(shí)，閘門泵須關(guān)閉其進(jìn)水端拍門；還有，為了保護(hù)潛水泵不工作時(shí)免遭各種水生物的侵入也需閉合潛水泵的進(jìn)水端口。很顯然，在斷流停機(jī)時(shí)無論是進(jìn)水端拍門抑或是出水端拍門，它們在水壓力和重力的作用下所產(chǎn)生的閉合動作均會派生出較大的撞擊力，這些撞擊力對拍門本身乃至閘門及泵體都會造成較大的危害。一般來說，潛水泵進(jìn)水端拍門連接有鋼絲繩，在鋼絲繩的控制下可以做到緩慢閉合來實(shí)現(xiàn)減小撞擊力的負(fù)面影響，但潛水泵的出水端拍門其拍門撞擊則完全取決于內(nèi)外水水頭的狀況，并與自身的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和布局密切相關(guān)。根據(jù)相關(guān)資料，出水端拍門在閉合時(shí)所產(chǎn)生的撞擊力公式如下：

式中：LN為碰撞過程的位移；My為拍門水壓對門鉸軸線的力矩；MR為拍門轉(zhuǎn)動阻力對門鉸軸線的力矩；f為緩沖材料的接觸面積；E緩沖材料的彈性模量；δ為緩沖材料的厚度；JP為拍門的轉(zhuǎn)動慣量；ωm為拍門撞擊前瞬間的角速度。不難發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)拍門平穩(wěn)閉合的重要可控手段之一是盡量選用轉(zhuǎn)動慣量JP較小的輕質(zhì)材料如鋁材、復(fù)合材料等去制作拍門。尤其是出水端拍門，由于它的閉合完全是在非控制情形下完成的，故該拍門不宜選用質(zhì)量過大的材質(zhì)制作。

2.2 雙向拍門閘門泵連接件的布局優(yōu)化

2.2.1 拍門與潛水泵泵體的鉸接連接

根據(jù)雙向拍門閘門泵的工作原理，兩拍門均與潛水泵采用鉸接連接。在不計(jì)重力的情況下，進(jìn)水端拍門在開啟時(shí)承受有鋼絲繩的拉力和動水壓力，出水端拍門則在動水壓力下轉(zhuǎn)動。進(jìn)水端拍門鉸接部位的受力顯然要大于出水端拍門鉸接部位的受力，尤其在進(jìn)水端拍門開啟的初期階段，由于鋼絲繩拉力對鉸接座的力臂很小，其強(qiáng)大的拉力對鉸接部位的負(fù)面影響很大，所以進(jìn)水端拍門鉸接部位的結(jié)構(gòu)型號其設(shè)計(jì)選用應(yīng)該大于出水端拍門鉸接部位的結(jié)構(gòu)型號。特別地，在結(jié)構(gòu)允許的前提下，布局在閘門門體上的鋼纜轉(zhuǎn)向座應(yīng)盡量布設(shè)在更高的位置上，這樣可以緩解鋼絲繩對鉸接座的作用力。同時(shí)，進(jìn)水端拍門鉸接部的設(shè)置也不宜為了過于追求大力臂而太過遠(yuǎn)離鉸接部，應(yīng)根據(jù)閘門泵的具體場合來設(shè)計(jì)它的位置，避免發(fā)生拍門閉合時(shí)出現(xiàn)鋼絲繩拉力存在死角的狀況?；谕瑯永碛桑瑵撍迷陂l門體上的布局也應(yīng)兼顧考慮避免鋼絲繩發(fā)生拉力死角的現(xiàn)象，換句話說潛水泵泵體在沿其軸線方向進(jìn)行觀察時(shí)其布局可考慮略為向內(nèi)水一側(cè)多偏置一些。

2.2.2 閘門體與潛水泵泵體的連接

閘門泵的閘與泵采用整體制作方式，其中潛水泵穿越閘門并緊固安裝在閘門門體上，它在潛水泵啟動、運(yùn)行和停止等過程工況中會產(chǎn)生有一定的振動。此外，進(jìn)水端拍門在鋼絲繩牽拉下進(jìn)行開啟時(shí)、以及在動水壓力下作閉合時(shí)均會產(chǎn)生撞擊力，它們同樣也都會作用到潛水泵上并經(jīng)泵體傳遞到閘門上。因此，潛水泵和鋼閘門之間的連接方式與連接布局都會對閘門泵的穩(wěn)定性產(chǎn)生有較大影響。潛水泵除了利用法蘭盤與閘門門體緊固連接之外，還為了增強(qiáng)連接支撐剛度而在潛水泵的泵體外壁與閘門外壁之間布設(shè)有專門的支撐架，所述支撐架沿著泵體的軸線方向進(jìn)行布置，其一端與潛水泵外壁面連接、其另一端與閘門外壁抵接，這樣可增加沿潛水泵軸向方向的支撐跨度來有效提高泵體與閘門體的支撐剛度。如前所述，為避免鋼絲繩發(fā)生拉力死角，潛水泵相對于閘門的布局可偏置設(shè)置，也就是說潛水泵泵體整體上其朝向內(nèi)水一側(cè)的泵體要更加突出閘門一些，故潛水泵的重心偏于內(nèi)水一側(cè)，為減緩連接法蘭盤的載荷，所以支撐架布局在內(nèi)水一側(cè)并布置在潛水泵殼體的下緣部位。支撐架的形式可以選擇T形結(jié)構(gòu)或者直角三角形結(jié)構(gòu)。

3.結(jié)束語

閘門泵是一種將泵站與閘門站兩種不同類型的水利設(shè)施整合在一起的特殊水電設(shè)備，它既能隔斷河道又能提水引灌，非常適合于河網(wǎng)地區(qū)的防洪、排澇、引水與灌溉。配置有雙拍門的閘門泵可以在潛水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)期間防止內(nèi)水倒灌而損壞電機(jī)，同時(shí)還可以在防汛時(shí)阻止外側(cè)河道的外水進(jìn)入到內(nèi)河道的內(nèi)水一側(cè)。通過對雙拍門的合理操作組合，能有效發(fā)揮閘門泵在泵站與閘門站之間的角色轉(zhuǎn)換，籍此可最大程度地發(fā)揮閘門泵的功能優(yōu)勢。為了提高閘門泵的工作可靠性，一方面可以通過采用輕質(zhì)材料制作其出水端拍門以緩解它對潛水泵的閉合撞擊，另一方面應(yīng)通過優(yōu)化進(jìn)水端拍門鋼絲繩纜施力部件的位置布局以合理操控拍門的啟閉進(jìn)程。綜上，雙拍門一體式閘門泵是一種兼具有泵站與閘門站兩種功能且建安成本及運(yùn)維成本均較低廉的水電設(shè)備，有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。