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

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備，閘板是由δ=5mm的不銹鋼板制作而成，出水溝兩側安裝導槽，導槽的出水側安裝橡膠密封條，閘板在進水側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運動，絲母的旋轉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，當閘板的進水側與出水側的水位差大時，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，需要對閘板在導槽內(nèi)的位置及啟閉時的受力情況進行分析。

⑴閘板在導槽內(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，由于進水側的水壓作用，閘板會偏向出水側并與出水側的橡膠密封條緊貼（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)閘板的關閉,即T=0。

⑶閘板帶負荷運行時，閘板在開啟和關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等于閘板進水側的水對閘板的壓力F壓，即N=F壓。當閘板進水側水位達到閘板的高度，而閘板出水側沒水時，閘板進出水兩側的壓力差最大，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、電動的操作和轉換，要有開、關限位，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、關閉觸點至少2副。

⑶執(zhí)行器必須帶就地開、關、停3個狀態(tài)按鈕及遠程開、關、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、電動轉換裝置。

6 結語

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。