水利水電工程清污機液壓耙斗及其開合機構的設計與優化

陳佛生

(廣東江海機電工程有限公司, 廣東 廣州 510500)

1 概述

清污機是大多數水利工程不可缺少的設備，通過清污機及時清理柵前堆積的污物，不但可以維護攔污柵的安全，還可以減少因污物堆積而引起的損失[1-4]。耙斗是清污機上非常重要的部件，其對污物適應性的強弱、開合機構的合理與否，直接關系到清污效果的好壞。

隨著對水利工程攔污柵前污物特點認識的加深和向水下供電技術的進步[5-6]，對清污機耙斗的設計也在不斷地優化。液壓耙斗的開合機構具有結構小，作用力大等特點，廣泛應用于耙斗式清污機。

2 液壓耙斗及其開合機構

隨著對污物特點認識不斷加深，廣東江海機電工程有限公司(以下簡稱江海機電)先后研發了整體動耙開合機構沒有同步裝置、分段動耙開合機構有同步裝置和分段動耙開合機構不需要同步裝置3種不同的液壓耙斗，3種液壓耙斗的動耙結構和開合機構液壓系統均不同，其設計是一個不斷優化的過程。

2.1 整體動耙開合機沒有同步裝置的液壓耙斗

1)結構特點

整體動耙開合機構沒有同步裝置的液壓耙斗是早期設計的液壓耙斗，這類液壓耙斗沿用了動耙為整體的結構，為一組動耙并且在其上設置兩條或多條開合液壓油缸(簡稱“一耙多缸”，下同)的結構。耙斗主要由一組動耙、一組定耙、開合機構及其液壓系統和行走及導向裝置構成。用于控制開合的液壓系統中沒有設置多條液壓油缸的同步裝置，設兩條開合液壓油缸的液壓原理如圖1所示。

圖1 “一耙多缸”(兩條開合液壓油缸)沒有同步裝置的液壓系統

開合機構工作時，液壓油經吸油過濾器、齒輪油泵、單向閥后，通過分流閥分流，再經“M”型電磁換向閥進入對應的液壓油缸，液壓油缸另一端腔內的液壓油經回油過濾器回到油箱。液壓回路中設有壓力表顯示系統壓力。系統的壓力通過溢流閥和壓力繼電器來調節和控制，通過電磁換向閥來實現開耙閉耙。

2)優缺點分析[7-8]

在成本方面，由于采用“一耙多缸”結構，動耙可以整體制作，結構簡單，動耙生產成本較低。但設有與液壓油缸等數量的電磁換向閥，使得液壓泵站，控制、結構和布置較為復雜，原理上不合理，裝配和維護困難，生產和維護成本較高。

在結構合理性方面，對長度較大的耙斗來說，如果設置兩條液壓油缸，則其間距較大，設置多條液壓油缸則會使得動耙受力復雜。由于結構、安裝等原因，液壓油到達不同液壓油缸過程中所受的阻力是不同的，這將導致動耙上的液壓油缸伸縮不同步，液壓油缸距離越大，不同步現象越明顯。在污物不均勻，特別是局部污物較多或較大的情況下，由于動耙是整體結構、液壓油缸不同步伸出和液壓油缸所產生的較大閉耙力，耙斗動耙容易發生扭曲甚至折斷。

在實際工程案例中，潮州供水樞紐工程中的2×125 kN液壓耙斗清污機液壓耙斗的動耙長度為6.5 m，動耙上設置兩條液壓油缸，液壓油缸的距離為4.5 m。在清污機試運行過程中，由于局部有大體積且堅硬的物體，導致動耙斷裂(如圖2所示)。

圖2 “一耙多缸”結構的耙斗動耙的扭曲和折斷實況

3)建議

“一耙多缸”結構適合長度不大的耙斗，對于耙斗長度超過3 m或液壓油缸之間距離超過2 m的耙斗，其開合機構的液壓系統應盡量采用同步裝置。

2.2 分段動耙開合機構有同步裝置的液壓耙斗

在對長度超過4 m的耙斗使用狀態調查分析后，優化了長度較大液壓耙斗的設計。對液壓耙斗的動耙采用了分段設計，根據耙斗的長度不同，按2～3 m為1段對其動耙進行分段，按這一方法設計出多段動耙且在同1段動耙上設置2條或多條開合液壓油缸(簡稱“多耙多缸”，下同)結構的耙斗。圖3所示為云南省祿勸縣克田水電站2×250 kN雙向門式清污機液壓系統，該清污機耙斗長度為5.4 m，按2.7 m 為1段將耙斗的動耙分成了2段，在每段動耙上設置2條液壓油缸，同時兩條油缸設置了同步裝置[9]。

圖3 “多耙多缸(兩耙兩缸)”有同步裝置的液壓系統

開合機構工作時，液壓油經吸油過濾器、齒輪油泵、單向閥后，通過“M”型電磁換向閥后，再經自調式分流—集流閥調節流量后，進入同組動耙的2條或多條液壓油缸內。液壓回路中設有電接點壓力表顯示系統壓力。系統的壓力通過溢流閥和電接點壓力表來調節和控制，所有動耙的開合均通過1個電磁換向閥換向來實現。

1)結構特點

“多耙多缸”結構的液壓耙斗由1組定耙、若干段動耙、開合機構及其液壓系統和行走及導向裝置構成。每段動耙相對獨立，互不干涉。在每段動耙上設置了多條液壓油缸，與圖1所示的關鍵不同點是設置了同一段動耙上的液壓油缸的同步裝置。

2)優缺點分析

與圖1所示相比，液壓系統主要作了以下3個方面的改進。

① 將換向電磁換向閥前置，用1個電磁換向閥代替了多個電磁換向閥，簡化了閥組；

② 將分流閥換成了自調式分流—集流閥，通過自調式分流—集流閥的調節作用，同1段動耙上的開合液壓油缸基本實現了伸縮同步；

③ 用電接點壓力表替換了壓力繼電器，不但方便了安裝和調試[10-11]，更由于電接點壓力表帶有高低2個壓力觸點，不僅可以用其來控制系統壓力，還可以用作耙斗的開合極限保護。

3)建議

① 每段動耙不宜太長，長度控制在2～3 m范圍內，同1段動耙上的液壓油缸均勻布置，如果1段動耙上設置2條液壓油缸，則其距離適宜為動耙長度的1/2～2/3，并且最好控制在2 m以內；

② 每段動耙上設置2條液壓油缸為宜；

③ 這類耙斗在機械結構和液壓系統等方面都較為復雜，生產成本較高，但同1段動耙上的液壓油缸同步性較好，可用于整垮清污的清污機。

2.3 分段動耙開合機構不需要同步裝置的液壓耙斗

總結幾種不同液壓耙斗的使用情況后，經深入研究攔污柵前污物的特點，設計了分段動耙開合機構不需要同步裝置的液壓耙斗。耙斗采用多段動耙，1條液壓油缸操縱1段動耙(簡稱“一耙一缸”，下同)的結構。

1)結構特點

“一耙一缸”的耙斗由1組定耙，若干段動耙、開合機構及其液壓系統和行走及導向裝置構成。與圖3不同的是每段動耙只設1條液壓油缸。圖4所示為由4段動耙所組成的“一耙一缸”結構的耙斗，其對應開合機構的液壓原理如圖5所示。

開合機構工作時，液壓油經吸油過濾器、齒輪油泵、單向閥后，通過“M”型電磁換向閥后，直接進入動耙的液壓油缸內。液壓回路中設有電接點壓力表顯示系統壓力。系統的壓力通過溢流閥和電接點壓力表來調節和控制，所有動耙的開合通過1個電磁換向閥換向來實現。

圖4 由四段動耙組成的“一耙一缸”的液壓耙斗

圖5 “一耙一缸”不需要同步裝置的液壓原理

2)優缺點分析

① 開合機構的液壓系統進一步簡化，生產成本較低，裝配和維護方便；與圖3的液壓系統相比，取消了自調式分流—集流閥，液壓油直接由電磁換向閥進入液壓油缸，簡化了液壓系統。

② 動耙分段數量較多，制造成本較高。為了保證抓污圧污能力，“一耙一缸”結構的液壓耙斗每段動耙不宜太長，與相同長度的“多耙多缸”結構的耙斗相比，其分段數量更多，生產成本較高。

③ 在“一耙一缸”的結構中，每段動耙只包括兩處與定耙的鉸接和一處與液壓油缸的鉸接，約束和受力條件簡單、明確，動作靈活可靠。

④ 對污物的適應性好，清污效果好，動耙的自我保護能力強。

3)建議

① 盡量避免因制造成本增加而減少動耙分段的數量。在水利工程中，攔污柵前的污物分布不均或污物形狀、大小不同是普遍存在的現象，抓污時，不同位置的動耙需要有不同的開度，即油缸不同的伸出長度，以適應的污物不均勻布置需要，同時有利于壓緊污物。

② 開合機構液壓系統中選擇中位機能為“M”型的電磁換向閥。液壓系統設計時，要根據作業特點合理選擇電磁換向閥的中位機能，不同的選擇會影響液壓系統的工作過程、操作模式和電動機工作時間。在一些設計中，耙斗開合機構的液壓系統選擇中位機能為“H”型的電磁換向閥，選擇“H”型電磁換向閥，使得耙斗在開耙下降或閉耙上升過程中，液壓系統的電動機都必須保持在工作狀態。選擇中位機能為“M”型的電磁換向閥，這樣即便是電動機停止工作，只要閥芯回到中位，則電磁換向閥后的液壓油無法形成通路[12-13]，可以將耙斗控制在任意開度；可以保持閉耙上升或開耙下降；油泵電動機可以停止運轉。電磁換向閥閥芯處于中位時，如果電動機繼續轉動，則液壓油直接通過電磁換向閥回到油箱。

③ 在“一耙一缸”結構的耙斗中，在其開合機構的液壓系統中設置同步系統是多余的?；谖畚锓植疾痪獾痊F實，每段動耙內的污物數量各不相同，有的滿耙，有的少甚至沒有，有的動耙所對應的部位可能是大木頭或其他大體積的污物，而其他動耙所對應的部位卻是普通的城市生活垃圾(如圖6所示)。

如果在“一耙一缸”結構中設置油缸的同步裝置，在污物分布不均的情況下，可能產生的后果是污物較少的動耙無法壓緊污物，因為污物多的動耙所在的油缸會先達到系統壓力的上限，這時系統進行保護，污物少的動耙上的液壓油缸無法繼續伸出，導致污物無法被壓緊。而沒有同步裝置的液壓系統，允許不同的液壓油缸有不同的伸出長度，從而保證每段動耙都能壓緊污物(見圖6)。

圖6 污物分布不均示意

4)應用情況

“一耙一缸”結構是江海機電清污機耙斗主要推進的結構，在甘肅中部生態移民工程等數十個工程中得到應用，圖7是在河源市東源縣柳城水電站YPQ52(2×70 kN)清污機上的應用情況，此耙斗的動耙分為3段，每段長度為1.62 m。從使用情況來看，清污效果非常理想，得到了業主極高得評價。

3 結論

1)“一耙一缸”結構的液壓耙斗對污物的適用性強，具有良好的清污效果。從污物的適應性考慮，動耙分段越多越好，但從成本和運行維護方便考慮，建議動耙長度控制在0.8～2 m之間。

圖7 使用“一耙一缸”結構耙斗的清污效果示意

2)不設同步裝置“一耙一缸”結構的液壓耙斗在保護耙斗不被破壞、污物適用性和抓污圧污方面具有明顯的優勢。

3)在開合機構的液壓系統中，優先選擇中位機能為“M”型的電磁換向閥，可延長電動機和液壓元件使用壽命。

4)耙斗的結構、使用條件、操作方式和電動機的工作模式均會影響液壓系統的設計和液壓元件的選擇。耙斗在運行過程的震動大小、保持開閉的時間長短和操作方式都是液壓系統設計必須考慮的因素，如果震動較大或保持開閉的時間在1 h以上，建議在液壓系統中加設液壓鎖。

4 結語

在耙斗分段式設計中，理論上動耙分段長度越小，適應污物的分布不均的狀態越好，越有利于清污，但是分段越多，耙斗的生產成本越高。在考慮耙斗動耙分段長度時，要綜合考慮污物的特點和抓污圧污力的大小，同時應該在經濟性與保證清污效果下取得平衡。