直流电在簸箕李引黄灌区闸门启闭中的应用

刘香坤 付铁军

摘 要：簸箕李引黄灌区位于山东省北部，黄河下游左岸，黄河三角洲高效生态经济区腹地，国家新增千亿吨粮食产能区规划的重要区域。是国家大（1）型灌区。灌区现涉及滨州市惠民、阳信、无棣和德州市庆云县的23个乡镇，控制版图面积2243Km2，设计灌溉面积163.5万亩。灌区有干级渠道3条，总长161.313km，支渠144条，总长927.5km。斗农渠941条，总长2003km。灌区自2005年实施节水改造以来，已实施12期国家投资计划，批复投资3.59亿元，干渠衬砌62.39km及新建、改造沿渠桥、涵、闸等259座。

关键词：闸门启闭机；固定式直流电启闭系统；便携式提落闸

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

闸门启闭机是水利方面重要的工程设备，用于闸门的开启关闭，具有防洪、灌溉、发电、供水等功能。对灌区调水配水有着重要作用。灌区启闭机主要为螺杆式启闭机，分为：侧摇式启闭机、手动螺杆启闭机和手电两用螺杆式启闭机等。其基本工作原理是：当通过电机或者手动摇柄带动转动机构，从而带动固定在支架上的螺母旋转。和螺母配套的螺杆随之升降，螺杆与闸门通过铁销相链接，这样闸门也随之启闭。螺杆式启闭机启闭力比较小，大多低于200KN，适用于小型平面闸门和弧形闸门上。灌区支渠以上分水建筑物共有626座，基本都配有启闭机。灌区闸门启闭机可以分为三类。第一类是比较大型的手电两用双吊点启闭机，应用于灌区渡槽和节制闸。这些都配备了380V交流电。第二类是带高空排架和管理房的支渠闸门启闭机，第三类是露天的小型排水涵闸启闭机。

近年来，由于黄河部门农业和非农业引水指标频繁调整，调控支渠闸门成为灌区基层工作的重点和难点问题。而灌区的支渠闸门基本修建在无电的边远地区，虽然个别安装了手电两用启闭机，但都无法利用交流电动的固定启闭设备。提闸均靠人工，劳动强度大。紧急使用时，无法在短时间内完成启闭闸门。而直流电应用的迅猛发展给灌区电动提落闸带来了可能。灌区根据自身实际情况，针对后两类启闭机研制尝试了以下两种直流电提落闸设备。

1 固定式直流电启闭系统简介

1.1 工作原理

系统包括动力、控制、传动和限位保护四个部分，动力部分为48V锂电池或电动车自带铅酸电瓶，控制部分有电源T型插头、直流调速器、H10组合开关、三相四线四角插头依次用电源线连接而成。传动系统包括1000W直流串励电机、传动皮带、传动皮带轮等。限位保护部分包括电感式接近开关和直流接触器。

直流电通过锂电池供给经过调速器和H10组合逆变开关传导给直流电机，直流电机带动皮带轮，经过皮带传导给启闭机皮带轮，带动启闭机转动。从而实现闸门的启闭。当关闭闸门时，丝杠落到预定位置时，固定在丝杠上的铁块接近电感式接近开关，触发接近开关工作，带动直流接触器工作，从而切断直流电机电路，停止落闸。

1.2 技术参数

1.3 出现问题及解决方案

（1）启闭机皮带轮和直流电机安装问题。手电两用启闭机可以直接安装皮带轮。手摇式启闭机则需改装手摇螺杆，将手摇螺杆拆下进行焊接加长，之后到铣床开槽，选装合适的皮带轮就可以了。焊接时要注意新加部分和原螺杆旋转同心。直流电机的安装则可以事先把电机安装到可上下左右调节的支架上，然后在把支架固定在启闭机座上即可。这样安装后方便两个皮带轮对正。

（2）直流串励电机正反转切换问题。直流串励电机有A1、A2、D1、D2四个接线柱，要实现正反转不是简单的更换电源正负极就能解决的。要A1、D1分别连接电源正负极，同时把A2、D2短路才能实现电机正转。而切换到反转则需要把A1、D2连接到电源正负极，同时A2、D1短路才可以（见下图）。经过对比实验，选用HZ10组合开关进行线路改造就可以经济的实现该功能。

（3）机架桥下远程线控问题。灌区较大的支渠闸门都建有高空排架和管理房，每次启闭闸门都需要爬上近3米高的管理房。这样既效率低又造成安全隐患。再携带电瓶和控制系统上去机架桥就更不方便。三相四线四角插座成功的解决了这个问题。四角插座采用偏角设计，线序不会因为拔插而改变。系统把直流串励电机的四个接线柱通过一根4线电缆引到机架桥下方的电表箱内的三相四线四角插座上。启闭作业时只需把控制部分一头插入电瓶，一头插到机架桥下预装的插座上就完成系统的快速连接。平时控制部分和电瓶都放在生产用车上。连接后在车上就能实现启闭操作。只需一套控制部分和一块电瓶就可控制多个改装闸门。大大降低了经济成本，提高了劳动效率和安全性。同时由于串励电机控制电路的特殊性，杜绝了非安装者试图控制直流电机的可能性。在技术上有效保证了灌区调配水效果。

（4）闸门关闭的限位問题。电力启闭机为了防止水利闸门落到位后不能及时停止，造成启闭机和机架桥损坏，通常都会有行程开关切断电路。但是机械式的行程开关因为在闸门关闭后长期处于工作临界状态，行程开关经常损坏或灵敏度下降。本系统改为非接触式的光电接近开关和直流接触器来作为限位保护部分，大大提高了限位的灵敏度和耐用性。

1.4 优缺点

（1）调速性能好，过载能力强。直流电动机可以在重负载条件下，均匀而经济地实施转速调节，而且调速范围较宽。

（2）具有较大的起动转矩，起动性能好。启动力矩大，可针对不同吨位启闭机选装不同功率直流电机，可以拖动大型启闭机。

（3）只需插上插头就能完成系统的连接，不用上机架桥就能实现对闸门的启闭控制，快速安全高效。

（4）采用非接触的光电接近开关作为落闸限位，准确耐用。

（5）用皮带这种软介质作为动力传输，安全性能好。

（6）缺点是每台启闭机都需改装和配备一个直流电机，前期投入较大。

2 便携式提落闸机械简介

2.1 工作原理

本机械是有电动三轮车后桥部分经过改装而成，主要有500w无刷直流电机、差速器、差速器固定把手、套管半轴、调速转把、控制器、切换接头等部件构成。动力有48v锂电瓶或普通48v电动车电瓶驱动，直流电经过直流电机转化为旋转动力，再经过差速器降速传递给经过改装的半轴，通过不同型号的快速接头带动手摇启闭机手摇杆，从而实现对闸门的启闭功能。

2.2 技术参数

2.3 出现问题及解决方案

（1）差速器的一段锁定问题。差速器用作平衡两端半轴转速，当差速器一段被固定时，行星齿轮只能跟着壳体一起绕着半轴齿轮公转，同时自身还会自转。这样的话就会把动力全部传递到另一端半轴。如何固定差速器成为首先要解决的问题，本机械把16齿半轴头和差速器外壳连接，同时和16mm光轴连接，焊接为一个固定把手。这样既固定住了差速器一头，又便于对机械的掌控。同时为了方便拆装维修，把手采用了套管设计。

（2）不同型号启闭机接头快速切换问题。灌区运行五十多年来，随着启闭机闸门批次的更换，手摇启闭机手摇柄有近20种。不同类型启闭机通用成为该机械的必须具备的特征。设备和启闭机的接头快速切换也决定设备的工作效率。根据16齿半轴直径尺寸最大处为31mm，将工作半轴头改造为方便快速切换的3/4寸19mm方形套筒接头，配合3/4寸套筒接杆，在车床旋转同心焊接不同启闭机接头。实现了该设备的快速切换。

（3）改造后方形半轴接头磨损问题。经过长期实验发现，改造后的方形半轴接头经过频繁切换和使用，磨损严重。半轴材料为45#钢，属于优质中碳钢。45#钢具有较高的强度和较好的切削加工性。经过热处理以后可获得一定的韧性、塑形和耐磨性。所以对接头进行热处理成功的解决了这个问题。

（4）电机正反转和转速调节问题。无刷直流电机取消了碳刷、滑环结构，具有启动转矩大、启动电流小、体积小、重量轻、软起软停、稳定性好等优点，但是需要控制器控制。该机械采用48V500W通用无刷控制器，控制器有转把控制转速，转把下方的前进倒退切换开关控制正反转。因为倒转速度慢，控制器去除多余线路后保留学习线，以切换正反转转速。

（5）便于携带问题。便携式设备的优点就是要携带方便。机械在保证动力的同时尽量减轻重量。控制在15kg。把控制器固定在半轴套管上，同时在机械重心位置安装提手，方便了作业。

2.4 优缺点

（1）机械可通过快速切换接头适用于不同型号启闭机。

（2）机械体积小、重量轻，配备12A锂电瓶，携带方便。

（3）无刷直流电机启动电流小、启动转矩大、调速范围广。

（4）耐颠簸震动，噪音低、运转平滑、寿命长。

（5）缺点是没有限位部分，落闸安全性差。

3 效益评价

3.1 经济效益

灌区常用有涵闸近200座，其中带机架桥管理房的约50座，小型的涵闸约150座。每闸每年平均启闭14次，每次启闭高度按1米计算。

（1）设备建安费：固定式启闭系统每台1000W直流串励电机每台安装费用500元，灌区安装费用共需500×50=25000元。控制系统部分每台100元。灌区7个管理所供需100×7=700。便携式提落闸机械每台造价2000元。灌区7个管理所共需7×2000=14000元。两种设备投资共需39700元。运行费：固定式系统每次工作5分钟，1人操作，需要费用6.25元（其中一类电费0.55×2=1.1，二类人工费0.05×103=5.15）。全年费用14×50×6.25=4375元。便携式机械每次工作10分钟，1人操作，需要费用11.4元（其中一类费用0.55×2=1.1，二类人工费0.1×103=10.3）。全年费用14×150×11.4=23940元。两项全年运行费用共需28315元。

（2）人工启闭闸门3人操作，每次人工费（按0.5个工作日计算）3人×103元/工日×0.5工日=154.5元/次，则全年费用为154.5元/次×14次×200=432600元。

比较可知，利用直流电启闭闸门，灌区投入使用当年就能节约经费36.4585万元。以后每年节约资金比例93.45%。

4 结束语

两种直流系统提高了啟闭涵闸的工作效率，加速了灌区有传统管理向现代化管理的转变过程。提高了灌区的科技化水平。