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        水廠用閘板開啟不動作原因分析及電動執(zhí)行器的選型方法研究

        2022-04-20 08:54:30任玉雙包文杰
        中國設(shè)備工程 2022年7期

        任玉雙,包文杰

        (蘭州城市供水(集團)有限公司,甘肅 蘭州 730060)

        蘭州城市供水(集團)有限公司第一水廠是通過凈化黃河水來提供工業(yè)和居民生活用水的企業(yè),共有φ100m輻流式沉淀池18座,每座沉淀池都由進水閥門、出水閘板、刮泥桁架、排泥系統(tǒng)等組成。沉淀池的作用是將濁度極高的黃河源水經(jīng)沉淀、降低濁度后,在出水閘板的調(diào)節(jié)下流向下一道凈化系統(tǒng)。

        1 閘板的工作原理與故障現(xiàn)象

        沉淀池出水閘板起著調(diào)節(jié)沉淀池出水量的作用,安裝在每座沉淀池的出水溝內(nèi)。13#~18#沉淀池出水閘板是近年新安裝的設(shè)備,閘板是由δ=5mm的不銹鋼板制作而成,出水溝兩側(cè)安裝導(dǎo)槽,導(dǎo)槽的出水側(cè)安裝橡膠密封條,閘板在進水側(cè)水壓作用下與密封條貼合可起到密封的作用。閘板的上部與絲桿連接,絲桿與絲母配合連接,絲母安裝在電動執(zhí)行器內(nèi)。工作時,電動執(zhí)行器工作使絲母做旋轉(zhuǎn)運動,絲母的旋轉(zhuǎn)帶動絲桿及閘板做上下運動,從而實現(xiàn)閘板的啟閉。

        圖1

        這6臺出水閘板在無負荷運行時,均啟閉正常,在帶負荷運行時,有時會出現(xiàn)閘板開啟時不動作的現(xiàn)象,在關(guān)閉時,沒有此現(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)過多次運行,發(fā)現(xiàn)當閘板的進出水水位差不大時,閘板啟閉正常,當閘板的進水側(cè)與出水側(cè)的水位差大時,就會出現(xiàn)開啟不動作的現(xiàn)象。

        2 閘板的位置及受力分析

        要解決閘板開啟不動作的問題,需要對閘板在導(dǎo)槽內(nèi)的位置及啟閉時的受力情況進行分析。

        ⑴閘板在導(dǎo)槽內(nèi)的位置有2種情況:當閘板無負荷運行時,閘板位于導(dǎo)槽的中間位置(如圖2)。

        圖2

        閘板在帶負荷運行時,由于進水側(cè)的水壓作用,閘板會偏向出水側(cè)并與出水側(cè)的橡膠密封條緊貼(如圖3)。

        圖3

        ⑵閘板無負荷運行時,電動執(zhí)行器開啟閘板所需的啟閉力等于閘板的重力G,即T=G;由于重力的作用,電動執(zhí)行器不需要施加啟閉力就可以實現(xiàn)閘板的關(guān)閉,即T=0。

        ⑶閘板帶負荷運行時,閘板在開啟和關(guān)閉時都會與橡膠密封條之間產(chǎn)生摩擦力f,摩擦力f的方向與閘板的運動方向相反。當閘板開啟時,摩擦力f的方向向下,電動執(zhí)行器的啟閉力T向上,啟閉力T的大小為摩擦力f與閘板的重力G之和(如圖4),即T=f+G。

        圖4

        當閘板關(guān)閉時,摩擦力f的方向向上,電動執(zhí)行器的啟閉力T向下,啟閉力T的大小為摩擦力f與閘板的重力G之差(如圖5),即T=f-G。以上分析均不考慮機械傳動系統(tǒng)的摩擦力。

        圖5

        綜上所述,當閘板帶負荷開啟時,所需電動執(zhí)行器的啟閉力T和扭矩MA是最大的。閘板在帶負荷開啟時,出現(xiàn)不動作現(xiàn)象可能是電動執(zhí)行器額定輸出啟閉力T和扭矩MA過小,達不到閘板開啟要求造成的。

        3 啟閉力T及扭矩MA計算

        對閘板開啟時所需最大啟閉力及扭矩進行計算。

        ⑴計算方法與說明。由于摩擦力f的大小等于橡膠密封條對閘板的支持力N與閘板和密封條之間的摩擦系數(shù)μ的乘積,即f=μ·N,支持力N等于閘板進水側(cè)的水對閘板的壓力F壓,即N=F壓。當閘板進水側(cè)水位達到閘板的高度,而閘板出水側(cè)沒水時,閘板進出水兩側(cè)的壓力差最大,此時水對閘板的壓力F壓最大,密封條對閘板的支持力N和兩者之間的摩擦力f也是最大值。支持力N等于進水側(cè)水的平均壓強P與閘板面積S的乘積,平均壓強為水在最高水位高度一半時(即閘板高度)的壓強。閘板的重量G由δ=5mm的鋼板的比重ρ鋼=39.25㎏/㎡與閘板的面積的乘積獲得,電動執(zhí)行器的扭矩由啟閉力T、絲桿螺紋的螺旋角、絲桿螺紋的節(jié)圓半徑、摩擦角等代入扭矩計算公式獲得。

        ⑵計算所需公式如下:

        壓強P的計算公式:P=ρ水·g·h。

        壓力N的計算公式:N=P·S。

        滑動摩擦力f的計算公式:f=μ·N。

        閘板的重量G的計算公式: G=L·H·ρ鋼。

        啟閉力T的計算公式:T=f+G。

        扭矩計算公式:MA=T·Rm·tan(α+ρ)。

        其中:T—啟閉力(N)。

        Rm—絲桿螺紋的節(jié)圓半徑(m)。

        α—絲桿螺紋的螺旋角(°)。

        ρ—摩擦角(9~14°)。

        L—閘板寬度(m)。

        H—閘板高度(m)。

        h—平均水位高度(本例按閘板高度的一半)。

        ⑶閘板相關(guān)參數(shù)如下:

        閘板寬度L=1.7m,高H=1.5m,閘板(δ=5mm)比重ρ鋼=39.25㎏/㎡, 滑動摩擦系數(shù)μ=0.65,水的比重ρ水=1000㎏/m3,g=9.8N/㎏, 絲桿螺紋的螺旋角α=20°, 摩擦角ρ取10°, 絲桿螺紋的節(jié)圓半徑Rm=0.016m。

        ⑷扭矩計算如下:

        4 計算結(jié)果

        71.2 N·M(現(xiàn)用電動執(zhí)行器額定輸出扭矩)<121.60N·M(計算所需電動執(zhí)行器最大扭矩)。

        閘板所用電動執(zhí)行器扭矩過小會導(dǎo)致在閘板進出水水位差較高時,出現(xiàn)閘板開啟不動作的現(xiàn)象發(fā)生;電動執(zhí)行器的啟閉力應(yīng)大于閘板在進出水水位差最大時,閘板與密封條的摩擦力與閘板的重量之和。

        5 電動執(zhí)行器選型

        隨著科學技術(shù)的發(fā)展和工廠自動化程度的增高,為方便操作、安全運行和自動化控制,閘板在使用時,需要有手動、電動的操作和轉(zhuǎn)換,要有開、關(guān)限位,要滿足就地操作和遠程控制。因此,閘板電動執(zhí)行器在選型時,需滿足如下要求:

        ⑴額定輸出扭矩需大于閘板帶負荷運行開啟時所需的最大扭矩MA。

        ⑵執(zhí)行器開足、關(guān)閉觸點至少2副。

        ⑶執(zhí)行器必須帶就地開、關(guān)、停3個狀態(tài)按鈕及遠程開、關(guān)、停3個狀態(tài)操作接線端子。

        ⑷執(zhí)行器需帶開度指示。

        ⑸執(zhí)行器工作電壓、控制電壓為380V。

        ⑹執(zhí)行器須帶手輪及手動、電動轉(zhuǎn)換裝置。

        6 結(jié)語

        采用上述方法購買了新的電動執(zhí)行器,既解決了這6臺閘板電動執(zhí)行器扭矩不足的問題,也能實現(xiàn)這些閘板的遠程控制和自動化操作。通過實踐證明,此方法方便、實用,適合在行業(yè)內(nèi)推廣借鑒。

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