水利工程中閘門啟閉機(jī)的運(yùn)行管理研究

劉典鵬

(萊州市水利工程建設(shè)養(yǎng)護(hù)中心，山東 萊州 261400)

0 引言

為了提高水資源的保有量和利用率，我國實(shí)施了大量的水利工程建設(shè)項(xiàng)目，隨著現(xiàn)代化技術(shù)與科研水平的不斷創(chuàng)新，水利工程配套設(shè)施與安全設(shè)備功能也更加完善。閘門啟閉機(jī)屬于水利工程中的主要設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程閘門的開關(guān)控制[1]。因此，要保證水利工程的穩(wěn)定運(yùn)行與有序?qū)嵤?，必須管理好啟閉機(jī)，關(guān)注設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)的多種誘發(fā)故障因素，確保工程在一個(gè)相對(duì)優(yōu)化的狀態(tài)下運(yùn)行。

1 閘門啟閉機(jī)的分類與工作原理

為了規(guī)范管理閘門啟閉機(jī)，需要對(duì)不同類型的啟閉機(jī)進(jìn)行分類，較為常見的3種類型啟閉機(jī)如表1所示。

表1 水利工程中3種較為常見的閘門啟閉機(jī)

1)液壓式啟閉機(jī)是通過對(duì)液體進(jìn)行施壓，從而產(chǎn)生一個(gè)在機(jī)械內(nèi)傳動(dòng)可用于控制閘門開關(guān)的動(dòng)力，對(duì)閘門進(jìn)行控制，此種方式屬于水利工程中閘門控制的一種較為常見的方式[2]。液壓式啟閉機(jī)裝置在使用中具有操作簡單、管理難度低、性價(jià)比高、操作安全等優(yōu)勢(shì)。在此過程中產(chǎn)生的動(dòng)力主要由電機(jī)產(chǎn)生，并通過回水閥門連通液壓缸內(nèi)的驅(qū)動(dòng)裝置，使其與活塞保持連通，液壓缸內(nèi)產(chǎn)生的壓力將轉(zhuǎn)換成裝置穩(wěn)定運(yùn)行的支撐能量，此種能量包括機(jī)械能、動(dòng)能等，不同能量在運(yùn)行中可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，為水利工程的持續(xù)化運(yùn)行提供保障。

2)螺桿式啟閉機(jī)的運(yùn)行是以螺紋桿的旋轉(zhuǎn)作用力為支撐，在安裝螺桿式啟閉機(jī)時(shí)，可以采用滑塊與連接桿連接、門葉與導(dǎo)向滑塊連接的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的有效控制。可將上述連接控制過程作為導(dǎo)向滑塊移動(dòng)控制過程，即前端通過對(duì)導(dǎo)向滑塊的升降處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程中流經(jīng)閘門水流的集中控制[3]。在水利工程規(guī)模以中小型為主時(shí)，此種類型的啟閉機(jī)在制造方面的優(yōu)勢(shì)比較突出，并且具有占用空間小、運(yùn)行安全、維護(hù)簡單等特點(diǎn)，在水利工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛，但研究發(fā)現(xiàn)，螺桿式啟閉機(jī)在使用中具有無法減速的缺陷，使得啟閉運(yùn)行效率無法得到保障。因此，目前螺桿式啟閉機(jī)大多被應(yīng)用在小型水利工程中。

3)卷揚(yáng)式啟閉機(jī)具有操作自動(dòng)化的特點(diǎn)，相比其他兩種類型啟閉設(shè)備，此種設(shè)備的可靠性相對(duì)較高，加之卷揚(yáng)式結(jié)構(gòu)的維修難度較小，使其成為了水利工程中利用價(jià)值最高的啟閉裝置?？蓪⒋祟愌b置劃分為左半機(jī)、右半機(jī)與中央機(jī)，不同結(jié)構(gòu)之間由中心軸連接，當(dāng)啟閉機(jī)使用右半機(jī)運(yùn)行時(shí)，需要先用電動(dòng)機(jī)打開減速裝置，并在減速裝置的助力下，繩鼓執(zhí)行作業(yè)行為，此時(shí)，繩鼓發(fā)生滾動(dòng)，滾動(dòng)行為的產(chǎn)生可帶動(dòng)后鋼絲繩在裝置中出現(xiàn)伸縮反應(yīng)[4]。對(duì)應(yīng)的閘門在鋼絲繩伸縮下，進(jìn)行閘門的提升或降低，從而達(dá)到開啟閘門的目的。

2 閘門啟閉機(jī)常見運(yùn)行問題

當(dāng)水利工程建設(shè)技術(shù)隨著社會(huì)發(fā)展而不斷更新時(shí)，工程對(duì)應(yīng)的技術(shù)應(yīng)當(dāng)隨之更新，但綜合我國目前水利工程建設(shè)與發(fā)展現(xiàn)狀可知，大部分工程中的啟閉機(jī)無法滿足工程實(shí)際應(yīng)用需求，有必要投入資金進(jìn)一步改善設(shè)備。根據(jù)工程的實(shí)際規(guī)模，增加啟閉機(jī)的數(shù)量，并在集成使用前，進(jìn)行啟閉機(jī)型號(hào)與工程的匹配測試，只有做好前期準(zhǔn)備工作，才能確保啟閉機(jī)在水利工程中發(fā)揮既定工作效果。閘門啟閉機(jī)在運(yùn)行中的常見問題如圖1所示。

任何一個(gè)裝置與設(shè)備在運(yùn)行一段時(shí)間后，都需要對(duì)其進(jìn)行更新與改造，一旦忽視了此方面工作，啟閉機(jī)在工作中便會(huì)出現(xiàn)與預(yù)期使用效果偏離的問題[5]。根據(jù)水利市場的調(diào)查與反饋數(shù)據(jù)可知，目前我國現(xiàn)有的水利工程正在逐步向大規(guī)模方向發(fā)展，但現(xiàn)有的水利工程中，有超過1 500個(gè)工程的閘門啟閉機(jī)處于停運(yùn)狀態(tài)，即需要進(jìn)行設(shè)備的更新，如果不及時(shí)處理，便會(huì)對(duì)工程的持續(xù)化運(yùn)行造成較大的安全隱患。

除此之外，在對(duì)閘門啟閉機(jī)的安裝運(yùn)行分析發(fā)現(xiàn)，超過半數(shù)的水利工程啟閉機(jī)不符合使用標(biāo)準(zhǔn)，但卻仍在工程中使用。同時(shí)，考慮到啟閉機(jī)的重要性，有必要建立一個(gè)單獨(dú)的機(jī)房進(jìn)行裝置運(yùn)行保護(hù)，避免啟閉機(jī)完全暴露在外界環(huán)境中，運(yùn)行時(shí)受到影響與干擾[6]。但根據(jù)工程運(yùn)行現(xiàn)狀可知，大部分水利工程無法建立專用資金進(jìn)行機(jī)房建議與啟閉機(jī)保護(hù)，導(dǎo)致啟閉機(jī)勞損嚴(yán)重，嚴(yán)重地縮短了啟閉機(jī)的使用壽命。

圖1 閘門啟閉機(jī)在運(yùn)行中的常見問題

3 閘門啟閉機(jī)的運(yùn)行管理方法設(shè)計(jì)

3.1 水利工程閘門運(yùn)行前啟閉機(jī)準(zhǔn)備

根據(jù)上述綜合分析，在明確水利工程中閘門啟閉機(jī)常見的運(yùn)行問題后，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)其有效管理，首先從準(zhǔn)備環(huán)節(jié)入手，針對(duì)水利工程閘門運(yùn)行前啟閉機(jī)準(zhǔn)備內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須嚴(yán)格按照水利工程管理相關(guān)規(guī)定的內(nèi)容執(zhí)行，并根據(jù)水利工程管理處的指示執(zhí)行各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。在準(zhǔn)備階段，還需要完成對(duì)閘門啟閉機(jī)的檢查工作，檢查工作的主要內(nèi)容如圖2所示。

圖2 水利工程閘門啟閉機(jī)準(zhǔn)備階段檢查工作主要內(nèi)容

按照?qǐng)D1中所示的內(nèi)容，完成對(duì)水利工程閘門啟閉機(jī)準(zhǔn)備階段的檢查工作。除此之外，針對(duì)閘門啟閉機(jī)在運(yùn)行前接收的指令信息需要在所連接的上位機(jī)服務(wù)器中完成存儲(chǔ)，并根據(jù)運(yùn)行規(guī)范流程，對(duì)其運(yùn)行方式和啟閉次序進(jìn)行合理選擇，在具體執(zhí)行時(shí)，還應(yīng)當(dāng)明確其運(yùn)行順序[7]。當(dāng)啟閉機(jī)控制指令沒有得到合理管控，會(huì)造成閘門開度較大，進(jìn)而造成泄流和水位劇烈變化，對(duì)水利工程上下游而言都會(huì)造成嚴(yán)重的危害和影響。因此，為了避免這一問題產(chǎn)生，在準(zhǔn)備階段需要針對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)事故給出明確的預(yù)警方案，同時(shí)規(guī)定在閘門啟閉機(jī)運(yùn)行過程中，水利工程上下游200 m范圍內(nèi)，不得?？看?，以免對(duì)周圍人員和船只造成進(jìn)一步破壞。

3.2 啟閉機(jī)運(yùn)行中的糾偏與控制管理流程

在完成水利工程閘門運(yùn)行前啟閉機(jī)準(zhǔn)備的相關(guān)工作后，為了進(jìn)一步提高啟閉機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量，運(yùn)行過程中需要對(duì)其進(jìn)行糾偏控制管理。當(dāng)閘門出現(xiàn)左偏時(shí)啟閉機(jī)運(yùn)行過程中閘門左端會(huì)明顯高于閘門右端；當(dāng)閘門出現(xiàn)右偏時(shí)，啟閉機(jī)運(yùn)行過程中閘門右端會(huì)明顯高于閘門左端。為了防止閘門偏離問題產(chǎn)生，在啟閉機(jī)中設(shè)置2個(gè)用于對(duì)閘門左偏和右偏的糾偏裝置。利用自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)發(fā)出糾正左偏或右偏的指令，并分別實(shí)現(xiàn)對(duì)啟閉機(jī)中油缸活塞的加速和減速運(yùn)動(dòng)控制[8]。在實(shí)際應(yīng)用中，啟閉機(jī)的糾偏流程如圖3所示。

圖3 水利工程閘門啟閉機(jī)運(yùn)行糾偏流程示意圖

圖3中，H表示為水利工程閘門啟閉機(jī)運(yùn)行過程中合理的偏差控制范圍；h1表示為啟閉機(jī)中啟動(dòng)糾偏裝置的偏差值；h2表示為啟閉機(jī)中糾偏裝置停止的偏差值；h3表示為停閘糾偏時(shí)的差值；h4表示為停閘后處理的偏差值。根據(jù)圖2中的流程，完成對(duì)啟閉機(jī)的糾偏控制。

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門啟閉機(jī)的自動(dòng)化控制管理，引入自動(dòng)化單元完成對(duì)啟閉機(jī)開關(guān)量和模擬量信號(hào)的獲取，開關(guān)量和模擬量對(duì)應(yīng)信號(hào)及表達(dá)符號(hào)如表2所示。

根據(jù)表2中的開關(guān)量信號(hào)和模擬量信號(hào)完成對(duì)閘門啟閉機(jī)運(yùn)行過程中各項(xiàng)狀態(tài)及參數(shù)的獲取，在引入之后完成對(duì)所有信號(hào)數(shù)據(jù)的處理。針對(duì)自動(dòng)化單元獲取到的電氣量進(jìn)行工程變換和預(yù)處理，并對(duì)閘門啟閉機(jī)的開度信號(hào)進(jìn)行越限對(duì)比。同時(shí)，為了確保閘門啟閉機(jī)的安全運(yùn)行，在運(yùn)行過程中通過運(yùn)行速度計(jì)算程序，針對(duì)可能發(fā)生的液壓沖擊強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，從而確保運(yùn)行過程中液壓沖擊始終在閘門啟閉機(jī)可承受的安全限值內(nèi)。

表2 開關(guān)量和模擬量對(duì)應(yīng)信號(hào)及表達(dá)符號(hào)表

3.3 閘門啟閉機(jī)運(yùn)行中零部件養(yǎng)護(hù)與維護(hù)管理

在實(shí)現(xiàn)對(duì)啟閉機(jī)運(yùn)行中的糾偏與控制管理后，為了進(jìn)一步提高運(yùn)行質(zhì)量，還需要對(duì)其零部件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)啟閉機(jī)的維護(hù)管理。閘門啟閉機(jī)中的零部件主要包括螺栓連接部件、鍵連接部件、彈性聯(lián)軸節(jié)部件和制動(dòng)器。針對(duì)不同零部件給出對(duì)應(yīng)的養(yǎng)護(hù)與維護(hù)方案如下。

1)針對(duì)螺栓連接位置上的零部件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，需要對(duì)其定期進(jìn)行加固處理，并確保啟閉機(jī)在使用過程中，螺栓能夠露出螺母3～4個(gè)絲扣。根據(jù)這一養(yǎng)護(hù)方案，一方面可以有效提高螺栓連接的穩(wěn)定性，另一方面也能夠有效降低后續(xù)對(duì)其他零部件維護(hù)的難度。

2)針對(duì)鍵連接部件的養(yǎng)護(hù)和維護(hù)，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行更加全面的檢查，并針對(duì)存在松動(dòng)或磨損的部件進(jìn)行替換，避免對(duì)啟閉機(jī)的運(yùn)行造成影響。

3)針對(duì)彈性聯(lián)軸節(jié)部件，若部件大量磨損，則需要及時(shí)修理或直接更換。同時(shí)，對(duì)這類部件，在使用過程中必須確保其具有更大的靈活性和潤滑度，為閘門啟閉機(jī)的正常運(yùn)行提供條件。

4)對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。若制動(dòng)器軸表面的磨損超過2 mm，則會(huì)造成整個(gè)設(shè)備的硬度無法達(dá)到硬度指標(biāo)。因此，為了避免這一問題產(chǎn)生，在養(yǎng)護(hù)和維護(hù)過程中，需要不定期檢查制動(dòng)軸結(jié)構(gòu)表面的磨損情況，并對(duì)硬度進(jìn)行檢測，若磨損超過40%，則需要直接更換制動(dòng)器。

根據(jù)上述論述內(nèi)容，完成對(duì)4種不同閘門啟閉機(jī)零部件的養(yǎng)護(hù)和維護(hù)，從而為閘門啟閉機(jī)整體運(yùn)行提供保障條件。

4 結(jié)語

為了發(fā)揮啟閉機(jī)的更高效率與穩(wěn)定作用，本文對(duì)水利工程中常見閘門啟閉機(jī)的類型、運(yùn)行原理、運(yùn)行問題、運(yùn)行管理方法進(jìn)行了研究，但此次研究在完成后沒有采取措施進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)。因此，可以在后續(xù)研究中，采用增設(shè)實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)設(shè)計(jì)的管理方法進(jìn)行檢驗(yàn)，掌握啟閉機(jī)在運(yùn)行中存在的不足與缺陷，將實(shí)踐后的結(jié)果作為參照依據(jù)，進(jìn)一步完善優(yōu)化設(shè)計(jì)管理運(yùn)行方案。