于鵬輝，季艷茹，邢 通，陳赫朋

(黃河機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450006)

0 引言

南水北調(diào)中線(xiàn)工程干渠全長(zhǎng)1 432 km，沿線(xiàn)共有53座退水閘站[1]。退水閘站上游的交通橋與水面形成閘室內(nèi)外空間的通道。由于南水北調(diào)中線(xiàn)干渠水質(zhì)較好，有多種鳥(niǎo)類(lèi)在附近活動(dòng)，經(jīng)常由此通道飛入閘室，在隱蔽處筑巢、孵卵。鳥(niǎo)類(lèi)活動(dòng)不僅對(duì)閘室內(nèi)環(huán)境造成破壞，且嚴(yán)重影響閘室運(yùn)行安全，為解決該問(wèn)題，結(jié)合某處退水閘孔口結(jié)構(gòu)，研制了卷簾式防鳥(niǎo)裝置。

1 方案比選

退水閘通道寬度6 600 mm，最低水位時(shí)露出閘前鋪蓋，通道高度變化范圍1 700～3 650 mm。為阻止鳥(niǎo)類(lèi)進(jìn)入退水閘室，對(duì)比多種形式、不同材料的攔網(wǎng)，首先考慮最常見(jiàn)的尼龍網(wǎng)，四周使用膨脹螺栓固定在通道三邊，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)尼龍網(wǎng)孔徑太大，不具備攔鳥(niǎo)作用；孔徑太小，容易纏繞并傷害鳥(niǎo)類(lèi)，而且長(zhǎng)期雨淋、日曬易造成尼龍網(wǎng)老化損壞，產(chǎn)生廢棄塑料污染水體。相比尼龍網(wǎng)，不銹鋼絲編織網(wǎng)堅(jiān)固耐用，但研究發(fā)現(xiàn)，有些小體型鳥(niǎo)類(lèi)會(huì)抓住鋼絲鉆過(guò)攔網(wǎng)。此外，不銹鋼編織網(wǎng)不能適應(yīng)閘前水位變化情況。防鳥(niǎo)方案經(jīng)過(guò)數(shù)次優(yōu)化，最終確定采用卷簾式防鳥(niǎo)裝置，整個(gè)裝置安裝在交通橋下面，能實(shí)現(xiàn)通道全封閉，并根據(jù)水位變化調(diào)整高度。

2 卷簾式防鳥(niǎo)裝置設(shè)計(jì)

卷簾式防鳥(niǎo)裝置示意圖見(jiàn)圖1，主要包括電機(jī)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、卷軸、簾片、軌道、弧形護(hù)板、操作柜等裝置。電機(jī)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)共用座板安裝在通道一側(cè)墻上，卷軸橫跨通道，一端連接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，另一端通過(guò)墻上軸承支撐，首個(gè)簾片沿軸向與卷軸鉸接，后續(xù)多個(gè)簾片相互勾連，卷軸兩端下方墻面固定安裝軌道。

水位降低，控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使卷軸旋轉(zhuǎn)，簾片在重力的作用下沿軌道依次展開(kāi)；水位升高，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，卷軸提升卷簾片，避免水流沖擊。在簾片最底端安裝一排硅膠片，始終處于半入水狀態(tài)，既可以達(dá)到全封閉的效果，又能消解水流沖力。卷簾式防鳥(niǎo)裝置選配倒鏈電機(jī)，停電情況下可以手動(dòng)升降。軌道使用304不銹鋼板制作成特殊形狀斷面，上游安裝弧形護(hù)板，改善流態(tài)，防止水流直接沖擊軌道。

圖1 卷簾式防鳥(niǎo)裝置示意圖

3 簾片有限元靜力分析

簾片封閉通道，主要承受風(fēng)載荷，通道在渠道內(nèi)邊坡上，低于路面，獨(dú)特的建筑結(jié)構(gòu)使該處受風(fēng)力影響較小，簾片能正面抵抗5級(jí)風(fēng)即可。簾片采用雙層結(jié)構(gòu)的1.3 mm厚的6063-T5鋁合金型材，質(zhì)量輕，強(qiáng)度高。認(rèn)為風(fēng)力均勻垂直作用在簾片表面且每個(gè)簾片受力相同。單個(gè)簾片寬b，高h(yuǎn)，則固定時(shí)間t內(nèi)攔截空氣質(zhì)量m計(jì)算公式：

m=b×h×v×t×ρ

(1)

已知?jiǎng)恿渴睾愎剑?/p>

Ft=m×v

(2)

將式(1)代入式(2)，得到式(3)：

Ft=b×h×v2×t×ρ

(3)

式中：F為單個(gè)簾片受到的風(fēng)載荷，N；t為風(fēng)載荷作用時(shí)間，取1 s；b為單個(gè)簾片寬度，6.5 m；h為單個(gè)簾片高度，0.1 m；v為5級(jí)風(fēng)最大風(fēng)速，10.7 m/s；ρ為空氣密度，取-10℃干空氣，1.342 kg/m3。

計(jì)算式(3)得：F=99.87 N。

對(duì)簾片進(jìn)行有限元靜力分析。應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖2，材料屈服強(qiáng)度215 MPa，最大應(yīng)力在軌道支撐位置，為142.9 MPa，滿(mǎn)足要求；變形云圖見(jiàn)圖3，最大值在簾片中間位置，為27.18 mm，滿(mǎn)足鋁型材形變要求。

圖2 簾片有限元分析應(yīng)力云圖

圖3 簾片有限元分析形變?cè)茍D

4 卷軸校核

卷軸采用φ140 mm×4 mm鋼管制作，兩端焊接實(shí)心軸，軸承支撐點(diǎn)距離6 540 mm，卷軸重87.31 kg。卷軸懸掛36個(gè)簾片，單個(gè)簾片重6.76 kg，總重243.36 kg。根據(jù)簾片重量和使用工況，使用提升力1 000 kg，功率0.55 kW的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò)鏈傳動(dòng)減速，卷軸轉(zhuǎn)速3.5 r/min。按彎扭合成強(qiáng)度條件校核卷軸，兩端軸承具有滑動(dòng)余量，按照簡(jiǎn)支梁模型計(jì)算彎矩，卷軸和簾片重量視為均布載荷，假設(shè)卷軸各處扭矩相等。作出卷軸載荷圖見(jiàn)圖4，中心斷面A為危險(xiǎn)截面，校核該處[2]。

參看圖4，式(4)計(jì)算A處彎矩M：

(4)

計(jì)算得M=2 649.17 N·m。

查閱資料[2]，卷軸的扭矩T計(jì)算公式：

(5)

式中：P為卷軸的輸入功率，0.55 kW；n為卷軸的轉(zhuǎn)速，3.5 r/min。

計(jì)算得：T=1 500.71 N·m。

查閱資料[2]，空心軸抗彎截面系數(shù)W:

(6)

式中：d為卷軸外徑，140 mm；d1為卷軸內(nèi)徑，132 mm。

計(jì)算結(jié)果：W=56 466.89 mm3。

以第三強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量彎曲應(yīng)力σc：

(7)

式中：α為單向轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)，取0.6。

將公式(7)單位轉(zhuǎn)換成N、mm計(jì)算，得結(jié)果：σc=46.92 MPa。乘以安全系數(shù)1.3，約為61 MPa，小于碳素鋼許用彎曲應(yīng)力σ0p(70 MPa)，所以，卷軸滿(mǎn)足使用要求。

圖4 卷軸載荷圖

5 防鳥(niǎo)裝置的應(yīng)用

卷簾式防鳥(niǎo)裝置于2020年4月安裝在南水北調(diào)中線(xiàn)干渠某處退水閘(見(jiàn)圖5)，其封閉式設(shè)計(jì)有效地防止了鳥(niǎo)類(lèi)進(jìn)入閘站內(nèi)部。特殊設(shè)計(jì)軌道適應(yīng)在水流中使用，簾片最底部用柔性硅膠封閉，有效緩解水流沖擊力。

該裝置整體外形美觀(guān)、材料安全、結(jié)構(gòu)可靠，利于閘站衛(wèi)生管理和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，以后還可以根據(jù)南水北調(diào)退水閘需求進(jìn)行智能化升級(jí)改造，具備推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖5 卷簾式防鳥(niǎo)裝置現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試