卷簾式防鳥裝置的研究與應用

于鵬輝，季艷茹，邢 通，陳赫朋

(黃河機械有限責任公司，河南 鄭州 450006)

0 引言

南水北調中線工程干渠全長1 432 km，沿線共有53座退水閘站[1]。退水閘站上游的交通橋與水面形成閘室內外空間的通道。由于南水北調中線干渠水質較好，有多種鳥類在附近活動，經常由此通道飛入閘室，在隱蔽處筑巢、孵卵。鳥類活動不僅對閘室內環境造成破壞，且嚴重影響閘室運行安全，為解決該問題，結合某處退水閘孔口結構，研制了卷簾式防鳥裝置。

1 方案比選

退水閘通道寬度6 600 mm，最低水位時露出閘前鋪蓋，通道高度變化范圍1 700～3 650 mm。為阻止鳥類進入退水閘室，對比多種形式、不同材料的攔網，首先考慮最常見的尼龍網，四周使用膨脹螺栓固定在通道三邊，試驗發現尼龍網孔徑太大，不具備攔鳥作用；孔徑太小，容易纏繞并傷害鳥類，而且長期雨淋、日曬易造成尼龍網老化損壞，產生廢棄塑料污染水體。相比尼龍網，不銹鋼絲編織網堅固耐用，但研究發現，有些小體型鳥類會抓住鋼絲鉆過攔網。此外，不銹鋼編織網不能適應閘前水位變化情況。防鳥方案經過數次優化，最終確定采用卷簾式防鳥裝置，整個裝置安裝在交通橋下面，能實現通道全封閉，并根據水位變化調整高度。

2 卷簾式防鳥裝置設計

卷簾式防鳥裝置示意圖見圖1，主要包括電機、鏈傳動機構、卷軸、簾片、軌道、弧形護板、操作柜等裝置。電機、鏈傳動機構共用座板安裝在通道一側墻上，卷軸橫跨通道，一端連接驅動機構，另一端通過墻上軸承支撐，首個簾片沿軸向與卷軸鉸接，后續多個簾片相互勾連，卷軸兩端下方墻面固定安裝軌道。

水位降低，控制驅動機構使卷軸旋轉，簾片在重力的作用下沿軌道依次展開；水位升高，控制電機反轉，卷軸提升卷簾片，避免水流沖擊。在簾片最底端安裝一排硅膠片，始終處于半入水狀態，既可以達到全封閉的效果，又能消解水流沖力。卷簾式防鳥裝置選配倒鏈電機，停電情況下可以手動升降。軌道使用304不銹鋼板制作成特殊形狀斷面，上游安裝弧形護板，改善流態，防止水流直接沖擊軌道。

圖1 卷簾式防鳥裝置示意圖

3 簾片有限元靜力分析

簾片封閉通道，主要承受風載荷，通道在渠道內邊坡上，低于路面，獨特的建筑結構使該處受風力影響較小，簾片能正面抵抗5級風即可。簾片采用雙層結構的1.3 mm厚的6063-T5鋁合金型材，質量輕，強度高。認為風力均勻垂直作用在簾片表面且每個簾片受力相同。單個簾片寬b，高h，則固定時間t內攔截空氣質量m計算公式：

m=b×h×v×t×ρ

(1)

已知動量守恒公式：

Ft=m×v

(2)

將式(1)代入式(2)，得到式(3)：

Ft=b×h×v2×t×ρ

(3)

式中：F為單個簾片受到的風載荷，N；t為風載荷作用時間，取1 s；b為單個簾片寬度，6.5 m；h為單個簾片高度，0.1 m；v為5級風最大風速，10.7 m/s；ρ為空氣密度，取-10℃干空氣，1.342 kg/m3。

計算式(3)得：F=99.87 N。

對簾片進行有限元靜力分析。應力分析結果見圖2，材料屈服強度215 MPa，最大應力在軌道支撐位置，為142.9 MPa，滿足要求；變形云圖見圖3，最大值在簾片中間位置，為27.18 mm，滿足鋁型材形變要求。

圖2 簾片有限元分析應力云圖

圖3 簾片有限元分析形變云圖

4 卷軸校核

卷軸采用φ140 mm×4 mm鋼管制作，兩端焊接實心軸，軸承支撐點距離6 540 mm，卷軸重87.31 kg。卷軸懸掛36個簾片，單個簾片重6.76 kg，總重243.36 kg。根據簾片重量和使用工況，使用提升力1 000 kg，功率0.55 kW的驅動機構，經過鏈傳動減速，卷軸轉速3.5 r/min。按彎扭合成強度條件校核卷軸，兩端軸承具有滑動余量，按照簡支梁模型計算彎矩，卷軸和簾片重量視為均布載荷，假設卷軸各處扭矩相等。作出卷軸載荷圖見圖4，中心斷面A為危險截面，校核該處[2]。

參看圖4，式(4)計算A處彎矩M：

(4)

計算得M=2 649.17 N·m。

查閱資料[2]，卷軸的扭矩T計算公式：

(5)

式中：P為卷軸的輸入功率，0.55 kW；n為卷軸的轉速，3.5 r/min。

計算得：T=1 500.71 N·m。

查閱資料[2]，空心軸抗彎截面系數W:

(6)

式中：d為卷軸外徑，140 mm；d1為卷軸內徑，132 mm。

計算結果：W=56 466.89 mm3。

以第三強度理論計算當量彎曲應力σc：

(7)

式中：α為單向轉動系數，取0.6。

將公式(7)單位轉換成N、mm計算，得結果：σc=46.92 MPa。乘以安全系數1.3，約為61 MPa，小于碳素鋼許用彎曲應力σ0p(70 MPa)，所以，卷軸滿足使用要求。

圖4 卷軸載荷圖

5 防鳥裝置的應用

卷簾式防鳥裝置于2020年4月安裝在南水北調中線干渠某處退水閘(見圖5)，其封閉式設計有效地防止了鳥類進入閘站內部。特殊設計軌道適應在水流中使用，簾片最底部用柔性硅膠封閉，有效緩解水流沖擊力。

該裝置整體外形美觀、材料安全、結構可靠，利于閘站衛生管理和標準化建設，以后還可以根據南水北調退水閘需求進行智能化升級改造，具備推廣應用價值。

圖5 卷簾式防鳥裝置現場調試