水利工程中閘門啟閉機的運行管理研究

劉典鵬

(萊州市水利工程建設養護中心，山東 萊州 261400)

0 引言

為了提高水資源的保有量和利用率，我國實施了大量的水利工程建設項目，隨著現代化技術與科研水平的不斷創新，水利工程配套設施與安全設備功能也更加完善。閘門啟閉機屬于水利工程中的主要設備，可以實現對水利工程閘門的開關控制[1]。因此，要保證水利工程的穩定運行與有序實施，必須管理好啟閉機，關注設備在運行中出現的多種誘發故障因素，確保工程在一個相對優化的狀態下運行。

1 閘門啟閉機的分類與工作原理

為了規范管理閘門啟閉機，需要對不同類型的啟閉機進行分類，較為常見的3種類型啟閉機如表1所示。

表1 水利工程中3種較為常見的閘門啟閉機

1)液壓式啟閉機是通過對液體進行施壓，從而產生一個在機械內傳動可用于控制閘門開關的動力，對閘門進行控制，此種方式屬于水利工程中閘門控制的一種較為常見的方式[2]。液壓式啟閉機裝置在使用中具有操作簡單、管理難度低、性價比高、操作安全等優勢。在此過程中產生的動力主要由電機產生，并通過回水閥門連通液壓缸內的驅動裝置，使其與活塞保持連通，液壓缸內產生的壓力將轉換成裝置穩定運行的支撐能量，此種能量包括機械能、動能等，不同能量在運行中可以發生相互轉化，為水利工程的持續化運行提供保障。

2)螺桿式啟閉機的運行是以螺紋桿的旋轉作用力為支撐，在安裝螺桿式啟閉機時，可以采用滑塊與連接桿連接、門葉與導向滑塊連接的方式，實現對閘門的有效控制。可將上述連接控制過程作為導向滑塊移動控制過程，即前端通過對導向滑塊的升降處理，實現對水利工程中流經閘門水流的集中控制[3]。在水利工程規模以中小型為主時，此種類型的啟閉機在制造方面的優勢比較突出，并且具有占用空間小、運行安全、維護簡單等特點，在水利工程建設中應用廣泛，但研究發現，螺桿式啟閉機在使用中具有無法減速的缺陷，使得啟閉運行效率無法得到保障。因此，目前螺桿式啟閉機大多被應用在小型水利工程中。

3)卷揚式啟閉機具有操作自動化的特點，相比其他兩種類型啟閉設備，此種設備的可靠性相對較高，加之卷揚式結構的維修難度較小，使其成為了水利工程中利用價值最高的啟閉裝置。可將此類裝置劃分為左半機、右半機與中央機，不同結構之間由中心軸連接，當啟閉機使用右半機運行時，需要先用電動機打開減速裝置，并在減速裝置的助力下，繩鼓執行作業行為，此時，繩鼓發生滾動，滾動行為的產生可帶動后鋼絲繩在裝置中出現伸縮反應[4]。對應的閘門在鋼絲繩伸縮下，進行閘門的提升或降低，從而達到開啟閘門的目的。

2 閘門啟閉機常見運行問題

當水利工程建設技術隨著社會發展而不斷更新時，工程對應的技術應當隨之更新，但綜合我國目前水利工程建設與發展現狀可知，大部分工程中的啟閉機無法滿足工程實際應用需求，有必要投入資金進一步改善設備。根據工程的實際規模，增加啟閉機的數量，并在集成使用前，進行啟閉機型號與工程的匹配測試，只有做好前期準備工作，才能確保啟閉機在水利工程中發揮既定工作效果。閘門啟閉機在運行中的常見問題如圖1所示。

任何一個裝置與設備在運行一段時間后，都需要對其進行更新與改造，一旦忽視了此方面工作，啟閉機在工作中便會出現與預期使用效果偏離的問題[5]。根據水利市場的調查與反饋數據可知，目前我國現有的水利工程正在逐步向大規模方向發展，但現有的水利工程中，有超過1 500個工程的閘門啟閉機處于停運狀態，即需要進行設備的更新，如果不及時處理，便會對工程的持續化運行造成較大的安全隱患。

除此之外，在對閘門啟閉機的安裝運行分析發現，超過半數的水利工程啟閉機不符合使用標準，但卻仍在工程中使用。同時，考慮到啟閉機的重要性，有必要建立一個單獨的機房進行裝置運行保護，避免啟閉機完全暴露在外界環境中，運行時受到影響與干擾[6]。但根據工程運行現狀可知，大部分水利工程無法建立專用資金進行機房建議與啟閉機保護，導致啟閉機勞損嚴重，嚴重地縮短了啟閉機的使用壽命。

圖1 閘門啟閉機在運行中的常見問題

3 閘門啟閉機的運行管理方法設計

3.1 水利工程閘門運行前啟閉機準備

根據上述綜合分析，在明確水利工程中閘門啟閉機常見的運行問題后，為了實現對其有效管理，首先從準備環節入手，針對水利工程閘門運行前啟閉機準備內容進行設計，必須嚴格按照水利工程管理相關規定的內容執行，并根據水利工程管理處的指示執行各項準備工作。在準備階段，還需要完成對閘門啟閉機的檢查工作，檢查工作的主要內容如圖2所示。

圖2 水利工程閘門啟閉機準備階段檢查工作主要內容

按照圖1中所示的內容，完成對水利工程閘門啟閉機準備階段的檢查工作。除此之外，針對閘門啟閉機在運行前接收的指令信息需要在所連接的上位機服務器中完成存儲，并根據運行規范流程，對其運行方式和啟閉次序進行合理選擇，在具體執行時，還應當明確其運行順序[7]。當啟閉機控制指令沒有得到合理管控，會造成閘門開度較大，進而造成泄流和水位劇烈變化，對水利工程上下游而言都會造成嚴重的危害和影響。因此，為了避免這一問題產生，在準備階段需要針對可能出現的危險事故給出明確的預警方案，同時規定在閘門啟閉機運行過程中，水利工程上下游200 m范圍內，不得停靠船只，以免對周圍人員和船只造成進一步破壞。

3.2 啟閉機運行中的糾偏與控制管理流程

在完成水利工程閘門運行前啟閉機準備的相關工作后，為了進一步提高啟閉機的運行質量，運行過程中需要對其進行糾偏控制管理。當閘門出現左偏時啟閉機運行過程中閘門左端會明顯高于閘門右端；當閘門出現右偏時，啟閉機運行過程中閘門右端會明顯高于閘門左端。為了防止閘門偏離問題產生，在啟閉機中設置2個用于對閘門左偏和右偏的糾偏裝置。利用自動糾偏機構發出糾正左偏或右偏的指令，并分別實現對啟閉機中油缸活塞的加速和減速運動控制[8]。在實際應用中，啟閉機的糾偏流程如圖3所示。

圖3 水利工程閘門啟閉機運行糾偏流程示意圖

圖3中，H表示為水利工程閘門啟閉機運行過程中合理的偏差控制范圍；h1表示為啟閉機中啟動糾偏裝置的偏差值；h2表示為啟閉機中糾偏裝置停止的偏差值；h3表示為停閘糾偏時的差值；h4表示為停閘后處理的偏差值。根據圖2中的流程，完成對啟閉機的糾偏控制。

為進一步實現對閘門啟閉機的自動化控制管理，引入自動化單元完成對啟閉機開關量和模擬量信號的獲取，開關量和模擬量對應信號及表達符號如表2所示。

根據表2中的開關量信號和模擬量信號完成對閘門啟閉機運行過程中各項狀態及參數的獲取，在引入之后完成對所有信號數據的處理。針對自動化單元獲取到的電氣量進行工程變換和預處理，并對閘門啟閉機的開度信號進行越限對比。同時，為了確保閘門啟閉機的安全運行，在運行過程中通過運行速度計算程序，針對可能發生的液壓沖擊強度進行預測，并根據預測結果對運行速度進行調整，從而確保運行過程中液壓沖擊始終在閘門啟閉機可承受的安全限值內。

表2 開關量和模擬量對應信號及表達符號表

3.3 閘門啟閉機運行中零部件養護與維護管理

在實現對啟閉機運行中的糾偏與控制管理后，為了進一步提高運行質量，還需要對其零部件進行養護，并實現對啟閉機的維護管理。閘門啟閉機中的零部件主要包括螺栓連接部件、鍵連接部件、彈性聯軸節部件和制動器。針對不同零部件給出對應的養護與維護方案如下。

1)針對螺栓連接位置上的零部件進行養護，需要對其定期進行加固處理，并確保啟閉機在使用過程中，螺栓能夠露出螺母3～4個絲扣。根據這一養護方案，一方面可以有效提高螺栓連接的穩定性，另一方面也能夠有效降低后續對其他零部件維護的難度。

2)針對鍵連接部件的養護和維護，應當對其進行更加全面的檢查，并針對存在松動或磨損的部件進行替換，避免對啟閉機的運行造成影響。

3)針對彈性聯軸節部件，若部件大量磨損，則需要及時修理或直接更換。同時，對這類部件，在使用過程中必須確保其具有更大的靈活性和潤滑度，為閘門啟閉機的正常運行提供條件。

4)對制動器進行養護。若制動器軸表面的磨損超過2 mm，則會造成整個設備的硬度無法達到硬度指標。因此，為了避免這一問題產生，在養護和維護過程中，需要不定期檢查制動軸結構表面的磨損情況，并對硬度進行檢測，若磨損超過40%，則需要直接更換制動器。

根據上述論述內容，完成對4種不同閘門啟閉機零部件的養護和維護，從而為閘門啟閉機整體運行提供保障條件。

4 結語

為了發揮啟閉機的更高效率與穩定作用，本文對水利工程中常見閘門啟閉機的類型、運行原理、運行問題、運行管理方法進行了研究，但此次研究在完成后沒有采取措施進行實踐檢驗。因此，可以在后續研究中，采用增設實驗的方式，對設計的管理方法進行檢驗，掌握啟閉機在運行中存在的不足與缺陷，將實踐后的結果作為參照依據，進一步完善優化設計管理運行方案。