地下（污）水廠突發(fā)事件的保護(hù)性速閉閘門研究

方躍飛，夏玉雪，孟元龍，陳 俊，李雪濤

[1.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092；2.四川省遂寧市財政局，四川 遂寧 629000]

0 引 言

目前，在國內(nèi)大部分污水廠、自來水廠和匯合泵站的進(jìn)出口處、工農(nóng)業(yè)水渠的進(jìn)出口處，所設(shè)置的閘門多不具備緊急情況下的自動速閉功能，需依靠人工干預(yù)后作出響應(yīng)。特別是地下（污）水廠，如遭遇突發(fā)停電、暴雨災(zāi)情而閘門無法速閉時，將導(dǎo)致整個（污）水廠淹沒、停運(yùn)，從而造成重大財產(chǎn)損失。目前國內(nèi)市場上已有應(yīng)用于地下（污）水廠的明桿式速閉閘門，但暗桿式速閉閘門的應(yīng)用卻少之又少。本研究主旨是開發(fā)針對地下（污）水廠突發(fā)事件的保護(hù)性速閉閘門新產(chǎn)品，使其成為保護(hù)（污）水處理廠安全正常運(yùn)行的第一道屏障，作為地下（污）水廠的安全鎖，保護(hù)地下（污）水廠財產(chǎn)和人員安全。

1 暗桿式速閉閘門的工作原理和主要結(jié)構(gòu)

暗桿式速閉閘門一般用于污水廠、自來水廠和匯合泵站的進(jìn)出口處、工農(nóng)業(yè)水渠的進(jìn)出口處，更適合于地下（污）水廠。速閉啟閉機(jī)一般與暗桿式速閉閘門配套使用，主要用于事故性（意外停電等）緊急關(guān)閉閘門，正常情況下也可當(dāng)閘門使用[1]。

驅(qū)動裝置形成額定轉(zhuǎn)矩，用來驅(qū)動主傳動軸及小齒輪旋轉(zhuǎn)。暗桿式速閉閘門主要實(shí)現(xiàn)傳動裝置與主傳動軸的結(jié)合與分離，工作時分正常模式和速閉模式。

正常模式：電動開啟與關(guān)閉閘門嚙合，此時啟閉機(jī)與暗桿式速閉閘門形成一個整體，與普通閘門的開啟和閉合完全相同，手動和電動都能操作。閘門開啟時由于單向離合器嚙合驅(qū)動閘門上升，上升到一定位置觸碰到行程開關(guān)，上升停止；下降時由于始終有正常通電，單向離合器處于正常嚙合狀態(tài)，當(dāng)閘門下降至最低時，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)觸碰行程開關(guān)，下降停止。

速閉模式：遭遇突發(fā)情況（意外停電等）時，閘門會進(jìn)入速閉模式。下降關(guān)閉時由于突發(fā)事件使單向離合器失電后脫離嚙合，閘門門體依靠自重迅速關(guān)閉，當(dāng)門體接近最底端約300～500mm時進(jìn)行緩沖，降低速度以防止門體被擊碎，同時防止絲桿被擊彎。此模式通過控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換開關(guān)或其他信號來實(shí)現(xiàn)，此時電動裝置與傳動主軸完全分開，上升和下降力矩控制不再有效，但開度指示行程仍然保持聯(lián)接狀態(tài)。

速閉的控制存在手剎和電剎2種型式。手剎型式下，手動操作上升后，速閉機(jī)處于非速閉模式，需要人員手動沿下降方向搖動約10～13圈后，進(jìn)入速閉模式，此后松開手剎會立即形成速閉。電剎型式下，在單向離合器通電后，即會對主軸形成制動，一旦失電，它就會使上下傳動軸迅速脫開，形成速閉。通電電源為24V安全電壓，電動裝置提升閘門到位時可將電磁制動器同時通電。

暗桿式速閉閘門總體結(jié)構(gòu)和啟閉機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖見圖1、圖2。

圖1 暗桿式速閉閘門總體結(jié)構(gòu)

圖2 暗桿式速閉閘門啟閉機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

暗桿式速閉閘門啟閉機(jī)的總體結(jié)構(gòu)及其工作原理如下：

（1）驅(qū)動裝置。采用相關(guān)廠的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其功能包括：力矩保護(hù)、行程控制、開度指示、機(jī)上開停按鈕及手動和電動切換等。傳動副主要是蝸輪蝸桿，其工作特性為短時間工作（一般小于10min）。該裝置分戶內(nèi)型和戶外型，戶外型一般用于無易燃易爆和強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的場所。

（2）單向離合器。為了確保閘門快速關(guān)閉，閘門在關(guān)閉時需與驅(qū)動裝置快速脫開，提升時使驅(qū)動裝置與閘門緊固連接，為此選用的單向離合器工作原理見圖3[2]。

圖3 單向離合器原理圖

（3）離心限速器。閘門利用傳動副，依靠閘門門體自重快速關(guān)閉。由于關(guān)閉速度很大，為此設(shè)計研發(fā)了利用偏心楔塊式棘輪機(jī)構(gòu)的離心限速器（見圖4）[2]。偏心楔塊式棘輪機(jī)構(gòu)的基本原理為：利用楔塊與摩擦輪間的摩擦力與楔塊偏心的幾何條件來實(shí)現(xiàn)摩擦輪的單向間歇轉(zhuǎn)動；偏心扇形楔塊在離心力作用下，可限制閘門的關(guān)閉速度處于一定范圍，以保護(hù)閘門不因撞擊力過大而損壞。

圖4 偏心楔塊式棘輪機(jī)構(gòu)原理圖

（4）手動制動裝置[2]。主要用于設(shè)備維修、更換電磁制動器、清理閘門渠底的污泥等一些特殊工況。作為最后一道防護(hù)，該手動裝置在檢修時可防止閘門自動關(guān)閉，采用輪齒式外嚙合單向形式。這是為人工鎖掛閘門專門設(shè)置的機(jī)構(gòu)，能起到雙保險作用，一般情況下不需要動作。當(dāng)人工拉上手剎，機(jī)構(gòu)中所裝的接近開關(guān)會自動切斷電動裝置電源，所有電動不能工作，但不影響閘門手動提升，此時不允許有任何下降操作，否則會損壞機(jī)件。在速閉啟閉機(jī)已形成速閉趨勢的情況下，脫開手剎，閘門會自行速閉。手動制動裝置示意圖見圖5。

圖5 手動制動裝置示意圖

（5）電磁制動器。暗桿式速閉閘門在正常情況下與普通閘門功能一致，只在突發(fā)情況和停電情況下可迅速關(guān)閉閘門，因此在其正常工作時應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動化控制。閘門在任何位置上應(yīng)可自動停止開啟或關(guān)閉，為此設(shè)計采用的電磁制動器見圖6。該電磁制動器裝于主傳動軸下端、箱體之外（下部），主要是考慮方便檢修與更換（或調(diào)整間隙約0.5mm）。當(dāng)磁軛中線圈通電時會產(chǎn)生電磁吸力，使旋轉(zhuǎn)的摩擦盤與固定的磁軛吸合發(fā)生摩擦，產(chǎn)生摩擦力矩達(dá)到制動效果，對主軸形成制動，一但失電則會迅速脫開，形成速閉。一般通電電源為24V安全電壓。它的通電與電動裝置提升到位同時進(jìn)行。

圖6 電磁制動器原理圖

（6）暗桿式緩沖裝置。由于閘門靠自重下降有一定速度，若不設(shè)緩沖裝置，則閘門可能會因撞擊而損壞，為此設(shè)計研發(fā)了暗桿式緩沖裝置（見圖7）。該裝置采用了空氣緩沖，其基本原理是：在閘門即將接近建筑物底板底部（約200mm）時，緩沖器下部與緩沖座接觸，緩沖器腔內(nèi)的空氣形成壓力來抵消外部沖力，腔內(nèi)空氣限流溢出，形成阻壓，時間約1～2s；當(dāng)負(fù)載的速度比較高時，緩沖腔內(nèi)的壓力上升，形成氣墊，以吸收負(fù)載的動能，達(dá)到吸能緩沖的目的；當(dāng)負(fù)載的速度比較低時，緩沖腔內(nèi)的高壓氣體能迅速排空以避免末端反彈，使負(fù)載平穩(wěn)停止。

圖7 暗桿式緩沖裝置

2 暗桿式速閉閘門設(shè)計舉例

所研發(fā)的2種方案為：方案一，采用滾珠絲桿型啟閉閘門；方案二，采用大導(dǎo)程滑動螺桿型啟閉閘門。國外此類閘門大多采用滾珠絲桿型，雖然其價格較高，但可靠度明顯提升。因此，本項目采用方案一，即滾珠絲桿型啟閉閘門。

2.1 滾珠絲桿型啟閉閘門的計算依據(jù)

最大啟門力10t，工作行程h按2.4m，關(guān)閉前水頭按小于等于3m水頭，閘門自重及絲桿質(zhì)量m=2500kg等。一般緊急情況下需要閘門在1min內(nèi)自動關(guān)閉，所以本項目按1min內(nèi)能將閘門關(guān)閉即滿足要求。

滾珠絲桿采用南京絲桿工藝廠的滾珠絲桿。經(jīng)過查表得滾珠絲桿副規(guī)格為FFZD6320-4，絲桿外徑d1=60mm，絲桿底徑d2=52.8mm，絲桿導(dǎo)程Ph=20mm，絲桿效率η=0.85，電動頭輸出轉(zhuǎn)速為18r/min，摩擦系數(shù)取f=（1/5～1/10）f滑（f滑為滑動螺紋摩擦系數(shù)，0.15）[3]。

2.2 滾珠絲桿型啟閉閘門的計算過程

（1）閘門關(guān)閉時扭矩M的計算公式[4]為：

式中：m為閘門和絲桿質(zhì)量，取2500kg；r0為絲桿半徑mm（d’為中徑，mm）；λ為螺旋升角；?滾為滾珠絲桿摩擦角

（2）閘門開啟所需時間t1為：

（3）閘門關(guān)閉時所需時間t2及垂直速度v[4]為：

式中：a為加速度，a=g·tan（λ-?滾）=9.8×tan（6.44°-1.07°）=0.92N/m，其中g(shù)為重力加速度。

式中：v0為初速度，v0=at2。

閘門開啟時間計算圖見圖8，閘門關(guān)閉速度計算圖見圖9。

圖8 閘門開啟時間計算圖

圖9 閘門關(guān)閉速度計算圖

由此可見，閘門關(guān)閉時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1min，完全滿足突發(fā)情況下迅速關(guān)閉閘門的要求。

3 結(jié) 語

本項目組所研發(fā)的針對地下（污）水廠突發(fā)事件的保護(hù)性速閉閘門目前已運(yùn)用于長三角某污水處理廠。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試發(fā)現(xiàn)并解決了一些實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生的問題。比如：由于建筑物施工工藝所限，洞口中心至平臺標(biāo)高存有誤差，需要調(diào)整啟閉設(shè)備的有效行程長度，因而采取了在緩沖裝置外面設(shè)置螺紋來上下調(diào)節(jié)裝置的措施，完美解決了標(biāo)高誤差問題；另外，為確保閘門啟閉平順，在絲桿內(nèi)設(shè)置注油管與平臺上的注油裝置連接，注油裝置可將潤滑脂便捷注進(jìn)絲桿內(nèi)的注油管，對絲桿起到了持續(xù)的潤滑保護(hù)作用。本項目組研發(fā)的保護(hù)性速閉閘門現(xiàn)狀使用狀況較佳，業(yè)主反映良好。