水利水電工程耙斗清污研究與應(yīng)用

陳佛生

(廣東江海機(jī)電工程有限公司,廣東 廣州 510500)

1 概述

水資源是綠色資源，廣泛應(yīng)用于水利水電等行業(yè)。我國在水資源利用方面已取得巨大成績，但是水資源利用過程中還存在污物堆積所引起的效益損失[1-2]、安全隱患、環(huán)境污染等問題，如水利水電工程攔污柵前污物的堆積，不但容易引起水頭損失，還給攔污柵及機(jī)組運(yùn)行帶來嚴(yán)重安全隱患。目前使用的耙斗式清污機(jī)，普遍存在耙斗對污物的適應(yīng)性差和清污效果不好的問題。

2 水利水電工程污物特點(diǎn)及清理方法研究

2.1 針對污物多樣性、形狀及堆積狀態(tài)不規(guī)則特點(diǎn)的解決方法

開放式的水資源利用工程中，其水流距離較長，區(qū)域多樣，流動過程中匯集了泥沙、雜物、樹干、樹根、石塊、動物尸體、城市垃圾等各種各樣，形狀毫無規(guī)則的污物。在復(fù)雜的水流流態(tài)、流速等因素的共同作用下，在攔污柵前形成毫無規(guī)則的堆積。

解決方案：一種是加大耙斗開度，耙斗在打開狀態(tài)下，一定范圍內(nèi)的污物能被耙斗耙起來。耙斗的開度越大，對污物的不規(guī)則形狀、堆積狀態(tài)適應(yīng)性越強(qiáng)，水流方向上越大范圍內(nèi)的污物被耙起；另一種方法為夾拉法，是耙斗先夾住污物，然后通過提升耙斗將污物拉起，該方法需提高耙斗的夾污能力并設(shè)置相匹配的啟閉力。實(shí)際工程中兩種方法綜合應(yīng)用，可以取得更好效果。

2.2 針對污物布置不均勻特點(diǎn)的解決方法

由于水具有流動特性，進(jìn)水口攔污柵前不同位置的水流狀態(tài)和流速不同，造成不同位置污物堆積的數(shù)量和種類各不相同，有的地方多，有地方少。在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，不僅僅是水面污物，水下污物同樣存在布置不均勻的現(xiàn)象。

污物分布不均勻的問題可利用手抓物體的原理解決。人在抓物體時，拇指與另外4個手指之間會因?yàn)槲矬w的形狀、大小、多少有不同的張開度，抓住物體后，所有的手指都與拇指一起對物體施加壓力(抓力)，每個手指不需要同步抓放、都可以獨(dú)立壓緊物體的對應(yīng)部位。手抓物體的特點(diǎn)可以指導(dǎo)清污機(jī)耙斗的設(shè)計(jì)，如設(shè)計(jì)液壓耙斗時，可將耙斗設(shè)計(jì)成動耙和定耙，定耙作用類似于拇指，動耙分段，作用類似于其余手指，每段動耙相互不關(guān)聯(lián)。

2.3 針對水下污物不可見特點(diǎn)的解決方法

除了水面上的漂浮物外，由于污物的密度各不相同，水流通常還攜帶一些半漂浮物和沉潛污物，污物被阻攔后堆積在水面以下，因此，看似干凈的水面，其實(shí)在下面堆積了大量的污物。

水下污物的不可見性會導(dǎo)致駕駛員無法觀察污物的分布情況，容易給操作帶來安全隱患。特別是在分段式清污中，由于1次清污寬度小于孔口寬度，如果在同一清污段內(nèi)，污物一端多、一端少，污物堆積高的一端必然先阻礙對應(yīng)端的耙斗下降，位于污物堆積低的一端耙斗則繼續(xù)下降，將失去平衡，容易導(dǎo)致側(cè)翻，存在較大安全隱患。

有三種方法可以解決因水下污物不可見而引起的操作安全問題:一種是探索在耙斗上安裝設(shè)攝像頭，攝像頭可以將水下污物的分布情況動態(tài)傳輸至操作控制室;另一種方法是通過設(shè)置荷重傳感器防止失去平衡的耙斗繼續(xù)下降，即在耙斗的起升機(jī)構(gòu)中設(shè)置具有欠載(松繩)和超載保護(hù)功能的荷重傳感器[3]及報(bào)警裝置，當(dāng)起升鋼絲繩出現(xiàn)拉力較小或松繩現(xiàn)象時，能停止下降，出現(xiàn)超載現(xiàn)象時，停止提升;第三種方法是采用全跨清污。在全跨清污中，由于1次清污寬度與孔口等寬，耙斗能1次清理與孔口等寬的污物，同時由于全跨清污中設(shè)有耙斗槽和耙斗的側(cè)向定位裝置，可以保證耙斗不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

2.4 針對污物密實(shí)性特點(diǎn)的解決方法

攔污柵前的水流具有較大的動能，可將污物緊緊地壓在攔污柵上，如果污物不能得到及時清理，堆積的污物會越來越多，在長時間的水流沖擊下、不同污物相互穿插，形成密實(shí)的結(jié)構(gòu)，并且產(chǎn)生較大的豎向穩(wěn)定性和承載力，可通過提高耙斗插入污物的能力解決。

衡量耙斗插入污物能力的指標(biāo)是單位耙齒對污物施加的插入壓強(qiáng)。可以從兩方面提高耙斗插入污物的壓強(qiáng)。一方面是加大耙齒所受壓力，另一方面是減小接觸面積。

1)如何加大耙齒所受的壓力

有兩種方法可以加大耙齒所受的壓力，一種是加大耙斗的重量，另一種是設(shè)置耙斗增力裝置。

在耙斗重量方面，自重越大，越有利于插入污物，但加大耙斗重量必然會增加清污機(jī)及相關(guān)部分的造價，應(yīng)綜合考慮清污效果和設(shè)備投資。設(shè)計(jì)時，耙斗自重應(yīng)根據(jù)工程的類別、清污操作特性和水流狀態(tài)不同而有所區(qū)別。在水流速度較小、以城市垃圾為主的泵站等工程，建議耙斗每米重量所產(chǎn)生的有效下插分力控制在12～18 kN之間，對于動水清污的水電站工程，建議每米有效下插分力控制在20～25 kN之間，水流速度大的宜取大值。

在設(shè)置耙斗增力裝置方面，可以在耙斗的定耙上設(shè)置可伸縮的活動耙齒和液壓增力裝置[4]，清污作業(yè)時，待耙斗下降至合適的位置后，操縱液壓裝置夾緊攔污柵或者頂住水工建筑物，然后通過操縱液壓系統(tǒng)來推動伸縮耙齒插入污物，但這種方法存在損壞攔污柵或水工建筑物的風(fēng)險，有一定爭議。

2)如何減小接觸面積

從兩方面可以減小接觸面積，一方面是減小耙齒在污物堆積面上的投影面積，通常是通過調(diào)整耙斗的入水角度實(shí)現(xiàn)，入水角度越接近90°，插入污物的性能越好。另一方面是設(shè)計(jì)合理的耙齒結(jié)構(gòu)。

3 一種液壓耙斗的研制實(shí)例[5]

根據(jù)以上研究思路，為保證足夠的抓污圧污能力，選用液壓耙斗[6-8]，應(yīng)用手抓物體的原理，設(shè)計(jì)一種動耙分段式液壓耙斗。設(shè)計(jì)前，應(yīng)根據(jù)1次清污寬度的要求，對動耙進(jìn)行分段，下面以長度為4.6 m(1次清污寬度)的耙斗進(jìn)行說明。

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

液壓耙斗包括1組整體定耙及安裝在其上的行走及導(dǎo)向系統(tǒng)、若干段動耙、開合機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)和開合機(jī)構(gòu)液壓油缸[9-10](如圖1所示)。

圖1 分段動耙液壓耙斗結(jié)構(gòu)及運(yùn)行示意

按每段長1.5 m將耙斗動耙分成3段，每段動耙上設(shè)置1條開合液壓油缸，動耙通過連接座與定耙形成鉸接結(jié)構(gòu)，開合機(jī)構(gòu)液壓油缸的油缸端與定耙鉸接，活塞桿端與動耙鉸接。為保證清污效果，耙斗自重應(yīng)大于100 kN。如圖1所示的液壓耙斗應(yīng)用于攔污柵安裝傾角為75°的工程，開耙下降過程中，定耙與攔污柵柵面平行，動耙具有86°的入水角度。

3.2 開合機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)[10-11]

與圖1對應(yīng)的液壓系統(tǒng)如圖2所示，其控制邏輯是液壓油通過齒輪油泵和單向閥加壓后，經(jīng)中位機(jī)能為“M”型[12]的電磁換向閥直接進(jìn)入每段動耙的液壓油缸。液壓油進(jìn)入液壓油缸的先后順序及多少由油路阻力和液壓油缸的背壓所決定，油路阻力小或液壓油缸背壓較小的優(yōu)先進(jìn)入，反之后面進(jìn)入。當(dāng)其中的一個動耙抓取較大或較多污物時，液壓油缸伸出量較小，壓縮污物后其背壓增大，液壓油停止或減少進(jìn)入，更多的液壓油進(jìn)入其他背壓較小的液壓油缸，使未壓緊污物的動耙上的液壓油缸繼續(xù)伸出，直至耙斗壓緊污物，然后通過電接點(diǎn)壓力表[13]和溢流閥調(diào)節(jié)，最終使所有的液壓油缸壓力平衡并達(dá)到設(shè)定壓力，電磁換向閥回到中位，電動機(jī)停止工作。耙斗閉合過程中不需要任何人為干預(yù)，每段動耙的開度大小完全依賴于耙斗對污物形狀、大小和布置的感應(yīng)，通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)和適應(yīng)。

圖2 分段動耙液壓耙斗液壓原理示意

3.3 清污耙齒[14]

耙斗的耙齒是耙斗與污物最早接觸的部位，其結(jié)構(gòu)和形狀會影響耙斗插入污物的能力和使用與維護(hù)的方便性。

為了提高耙齒的插入能力和維護(hù)的方便性，研制了一種新型的組合式耙齒。組合式耙齒主要包括耙齒、耙齒防轉(zhuǎn)裝置、耙齒安裝架、螺母和彈簧墊圈等(如圖3所示)。其中的耙齒由圓鋼與鋼板焊接而成，圓鋼的頭部加工成圓錐體，以減小與污物的接觸面積，提高插入污物的能力。整個耙齒通過螺紋連接安裝在耙齒連接架上，耙齒連接架與動耙或定耙的主體結(jié)構(gòu)焊接，提高其維護(hù)的便利性。

圖3 耙齒安裝示意

3.4 清污效果

設(shè)計(jì)過程中，利用三維實(shí)體建模軟件調(diào)節(jié)耙斗的開度和入水角度，使所研制的液壓耙斗具有抓污圧污能力強(qiáng)、污物適應(yīng)性強(qiáng)和插入污物能力強(qiáng)等特點(diǎn)。所研制的分段動耙式液壓耙斗已應(yīng)用于樂昌市張灘閘壩樞紐重建工程和蓬辣灘水電站清污機(jī)改造等數(shù)10個工程中，均取得了很好的清污效果(如圖4所示)。

圖4 液壓耙斗開度及清污效果示意

4 結(jié)語

當(dāng)前的耙斗式清污機(jī)大多依賴于固定的行走軌道，只能清理攔污柵前很小范圍內(nèi)的污物，存在靈活性差、清污效率不高等缺點(diǎn)。在設(shè)計(jì)耙斗式清污機(jī)時，建議考慮以下幾個方面：

1)為了獲得較大的抓污圧污能力，宜選擇液壓耙斗。

2)為了適應(yīng)污物的多樣性、形狀、結(jié)構(gòu)及堆積的不規(guī)則性，盡可能擴(kuò)大耙斗的開度。

3)為了更好適應(yīng)污物分布不均的情況，耙斗動耙宜為多段式，每段允許有不同的開度且能獨(dú)立施加壓力。

4)為了提高耙斗的插入性能，需合理設(shè)置耙齒的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)耙斗合理的入水角度。

5)清污機(jī)除了設(shè)置合理的耙斗外，為保證操作安全，應(yīng)與其型式、起升機(jī)構(gòu)荷重保護(hù)等綜合考慮。