直流電在簸箕李引黃灌區閘門啟閉中的應用

劉香坤 付鐵軍

摘 要：簸箕李引黃灌區位于山東省北部，黃河下游左岸，黃河三角洲高效生態經濟區腹地，國家新增千億噸糧食產能區規劃的重要區域。是國家大（1）型灌區。灌區現涉及濱州市惠民、陽信、無棣和德州市慶云縣的23個鄉鎮，控制版圖面積2243Km2，設計灌溉面積163.5萬畝。灌區有干級渠道3條，總長161.313km，支渠144條，總長927.5km。斗農渠941條，總長2003km。灌區自2005年實施節水改造以來，已實施12期國家投資計劃，批復投資3.59億元，干渠襯砌62.39km及新建、改造沿渠橋、涵、閘等259座。

關鍵詞：閘門啟閉機；固定式直流電啟閉系統；便攜式提落閘

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.148

閘門啟閉機是水利方面重要的工程設備，用于閘門的開啟關閉，具有防洪、灌溉、發電、供水等功能。對灌區調水配水有著重要作用。灌區啟閉機主要為螺桿式啟閉機，分為：側搖式啟閉機、手動螺桿啟閉機和手電兩用螺桿式啟閉機等。其基本工作原理是：當通過電機或者手動搖柄帶動轉動機構，從而帶動固定在支架上的螺母旋轉。和螺母配套的螺桿隨之升降，螺桿與閘門通過鐵銷相鏈接，這樣閘門也隨之啟閉。螺桿式啟閉機啟閉力比較小，大多低于200KN，適用于小型平面閘門和弧形閘門上。灌區支渠以上分水建筑物共有626座，基本都配有啟閉機。灌區閘門啟閉機可以分為三類。第一類是比較大型的手電兩用雙吊點啟閉機，應用于灌區渡槽和節制閘。這些都配備了380V交流電。第二類是帶高空排架和管理房的支渠閘門啟閉機，第三類是露天的小型排水涵閘啟閉機。

近年來，由于黃河部門農業和非農業引水指標頻繁調整，調控支渠閘門成為灌區基層工作的重點和難點問題。而灌區的支渠閘門基本修建在無電的邊遠地區，雖然個別安裝了手電兩用啟閉機，但都無法利用交流電動的固定啟閉設備。提閘均靠人工，勞動強度大。緊急使用時，無法在短時間內完成啟閉閘門。而直流電應用的迅猛發展給灌區電動提落閘帶來了可能。灌區根據自身實際情況，針對后兩類啟閉機研制嘗試了以下兩種直流電提落閘設備。

1 固定式直流電啟閉系統簡介

1.1 工作原理

系統包括動力、控制、傳動和限位保護四個部分，動力部分為48V鋰電池或電動車自帶鉛酸電瓶，控制部分有電源T型插頭、直流調速器、H10組合開關、三相四線四角插頭依次用電源線連接而成。傳動系統包括1000W直流串勵電機、傳動皮帶、傳動皮帶輪等。限位保護部分包括電感式接近開關和直流接觸器。

直流電通過鋰電池供給經過調速器和H10組合逆變開關傳導給直流電機，直流電機帶動皮帶輪，經過皮帶傳導給啟閉機皮帶輪，帶動啟閉機轉動。從而實現閘門的啟閉。當關閉閘門時，絲杠落到預定位置時，固定在絲杠上的鐵塊接近電感式接近開關，觸發接近開關工作，帶動直流接觸器工作，從而切斷直流電機電路，停止落閘。

1.2 技術參數

1.3 出現問題及解決方案

（1）啟閉機皮帶輪和直流電機安裝問題。手電兩用啟閉機可以直接安裝皮帶輪。手搖式啟閉機則需改裝手搖螺桿，將手搖螺桿拆下進行焊接加長，之后到銑床開槽，選裝合適的皮帶輪就可以了。焊接時要注意新加部分和原螺桿旋轉同心。直流電機的安裝則可以事先把電機安裝到可上下左右調節的支架上，然后在把支架固定在啟閉機座上即可。這樣安裝后方便兩個皮帶輪對正。

（2）直流串勵電機正反轉切換問題。直流串勵電機有A1、A2、D1、D2四個接線柱，要實現正反轉不是簡單的更換電源正負極就能解決的。要A1、D1分別連接電源正負極，同時把A2、D2短路才能實現電機正轉。而切換到反轉則需要把A1、D2連接到電源正負極，同時A2、D1短路才可以（見下圖）。經過對比實驗，選用HZ10組合開關進行線路改造就可以經濟的實現該功能。

（3）機架橋下遠程線控問題。灌區較大的支渠閘門都建有高空排架和管理房，每次啟閉閘門都需要爬上近3米高的管理房。這樣既效率低又造成安全隱患。再攜帶電瓶和控制系統上去機架橋就更不方便。三相四線四角插座成功的解決了這個問題。四角插座采用偏角設計，線序不會因為拔插而改變。系統把直流串勵電機的四個接線柱通過一根4線電纜引到機架橋下方的電表箱內的三相四線四角插座上。啟閉作業時只需把控制部分一頭插入電瓶，一頭插到機架橋下預裝的插座上就完成系統的快速連接。平時控制部分和電瓶都放在生產用車上。連接后在車上就能實現啟閉操作。只需一套控制部分和一塊電瓶就可控制多個改裝閘門。大大降低了經濟成本，提高了勞動效率和安全性。同時由于串勵電機控制電路的特殊性，杜絕了非安裝者試圖控制直流電機的可能性。在技術上有效保證了灌區調配水效果。

（4）閘門關閉的限位問題。電力啟閉機為了防止水利閘門落到位后不能及時停止，造成啟閉機和機架橋損壞，通常都會有行程開關切斷電路。但是機械式的行程開關因為在閘門關閉后長期處于工作臨界狀態，行程開關經常損壞或靈敏度下降。本系統改為非接觸式的光電接近開關和直流接觸器來作為限位保護部分，大大提高了限位的靈敏度和耐用性。

1.4 優缺點

（1）調速性能好，過載能力強。直流電動機可以在重負載條件下，均勻而經濟地實施轉速調節，而且調速范圍較寬。

（2）具有較大的起動轉矩，起動性能好。啟動力矩大，可針對不同噸位啟閉機選裝不同功率直流電機，可以拖動大型啟閉機。

（3）只需插上插頭就能完成系統的連接，不用上機架橋就能實現對閘門的啟閉控制，快速安全高效。

（4）采用非接觸的光電接近開關作為落閘限位，準確耐用。

（5）用皮帶這種軟介質作為動力傳輸，安全性能好。

（6）缺點是每臺啟閉機都需改裝和配備一個直流電機，前期投入較大。

2 便攜式提落閘機械簡介

2.1 工作原理

本機械是有電動三輪車后橋部分經過改裝而成，主要有500w無刷直流電機、差速器、差速器固定把手、套管半軸、調速轉把、控制器、切換接頭等部件構成。動力有48v鋰電瓶或普通48v電動車電瓶驅動，直流電經過直流電機轉化為旋轉動力，再經過差速器降速傳遞給經過改裝的半軸，通過不同型號的快速接頭帶動手搖啟閉機手搖桿，從而實現對閘門的啟閉功能。

2.2 技術參數

2.3 出現問題及解決方案

（1）差速器的一段鎖定問題。差速器用作平衡兩端半軸轉速，當差速器一段被固定時，行星齒輪只能跟著殼體一起繞著半軸齒輪公轉，同時自身還會自轉。這樣的話就會把動力全部傳遞到另一端半軸。如何固定差速器成為首先要解決的問題，本機械把16齒半軸頭和差速器外殼連接，同時和16mm光軸連接，焊接為一個固定把手。這樣既固定住了差速器一頭，又便于對機械的掌控。同時為了方便拆裝維修，把手采用了套管設計。

（2）不同型號啟閉機接頭快速切換問題。灌區運行五十多年來，隨著啟閉機閘門批次的更換，手搖啟閉機手搖柄有近20種。不同類型啟閉機通用成為該機械的必須具備的特征。設備和啟閉機的接頭快速切換也決定設備的工作效率。根據16齒半軸直徑尺寸最大處為31mm，將工作半軸頭改造為方便快速切換的3/4寸19mm方形套筒接頭，配合3/4寸套筒接桿，在車床旋轉同心焊接不同啟閉機接頭。實現了該設備的快速切換。

（3）改造后方形半軸接頭磨損問題。經過長期實驗發現，改造后的方形半軸接頭經過頻繁切換和使用，磨損嚴重。半軸材料為45#鋼，屬于優質中碳鋼。45#鋼具有較高的強度和較好的切削加工性。經過熱處理以后可獲得一定的韌性、塑形和耐磨性。所以對接頭進行熱處理成功的解決了這個問題。

（4）電機正反轉和轉速調節問題。無刷直流電機取消了碳刷、滑環結構，具有啟動轉矩大、啟動電流小、體積小、重量輕、軟起軟停、穩定性好等優點，但是需要控制器控制。該機械采用48V500W通用無刷控制器，控制器有轉把控制轉速，轉把下方的前進倒退切換開關控制正反轉。因為倒轉速度慢，控制器去除多余線路后保留學習線，以切換正反轉轉速。

（5）便于攜帶問題。便攜式設備的優點就是要攜帶方便。機械在保證動力的同時盡量減輕重量。控制在15kg。把控制器固定在半軸套管上，同時在機械重心位置安裝提手，方便了作業。

2.4 優缺點

（1）機械可通過快速切換接頭適用于不同型號啟閉機。

（2）機械體積小、重量輕，配備12A鋰電瓶，攜帶方便。

（3）無刷直流電機啟動電流小、啟動轉矩大、調速范圍廣。

（4）耐顛簸震動，噪音低、運轉平滑、壽命長。

（5）缺點是沒有限位部分，落閘安全性差。

3 效益評價

3.1 經濟效益

灌區常用有涵閘近200座，其中帶機架橋管理房的約50座，小型的涵閘約150座。每閘每年平均啟閉14次，每次啟閉高度按1米計算。

（1）設備建安費：固定式啟閉系統每臺1000W直流串勵電機每臺安裝費用500元，灌區安裝費用共需500×50=25000元。控制系統部分每臺100元。灌區7個管理所供需100×7=700。便攜式提落閘機械每臺造價2000元。灌區7個管理所共需7×2000=14000元。兩種設備投資共需39700元。運行費：固定式系統每次工作5分鐘，1人操作，需要費用6.25元（其中一類電費0.55×2=1.1，二類人工費0.05×103=5.15）。全年費用14×50×6.25=4375元。便攜式機械每次工作10分鐘，1人操作，需要費用11.4元（其中一類費用0.55×2=1.1，二類人工費0.1×103=10.3）。全年費用14×150×11.4=23940元。兩項全年運行費用共需28315元。

（2）人工啟閉閘門3人操作，每次人工費（按0.5個工作日計算）3人×103元/工日×0.5工日=154.5元/次，則全年費用為154.5元/次×14次×200=432600元。

比較可知，利用直流電啟閉閘門，灌區投入使用當年就能節約經費36.4585萬元。以后每年節約資金比例93.45%。

4 結束語

兩種直流系統提高了啟閉涵閘的工作效率，加速了灌區有傳統管理向現代化管理的轉變過程。提高了灌區的科技化水平。