水廠用閘板開(kāi)啟不動(dòng)作原因分析及電動(dòng)執(zhí)行器的選型方法研究

任玉雙，包文杰

（蘭州城市供水（集團(tuán)）有限公司，甘肅 蘭州 730060）

蘭州城市供水（集團(tuán)）有限公司第一水廠是通過(guò)凈化黃河水來(lái)提供工業(yè)和居民生活用水的企業(yè)，共有φ100m輻流式沉淀池18座，每座沉淀池都由進(jìn)水閥門、出水閘板、刮泥桁架、排泥系統(tǒng)等組成。沉淀池的作用是將濁度極高的黃河源水經(jīng)沉淀、降低濁度后，在出水閘板的調(diào)節(jié)下流向下一道凈化系統(tǒng)。

1 閘板的工作原理與故障現(xiàn)象

沉淀池出水閘板起著調(diào)節(jié)沉淀池出水量的作用，安裝在每座沉淀池的出水溝內(nèi)。13#～18#沉淀池出水閘板是近年新安裝的設(shè)備，閘板是由δ=5mm的不銹鋼板制作而成，出水溝兩側(cè)安裝導(dǎo)槽，導(dǎo)槽的出水側(cè)安裝橡膠密封條，閘板在進(jìn)水側(cè)水壓作用下與密封條貼合可起到密封的作用。閘板的上部與絲桿連接，絲桿與絲母配合連接，絲母安裝在電動(dòng)執(zhí)行器內(nèi)。工作時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行器工作使絲母做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲母的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲桿及閘板做上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)閘板的啟閉。

圖1

這6臺(tái)出水閘板在無(wú)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，均啟閉正常，在帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)閘板開(kāi)啟時(shí)不動(dòng)作的現(xiàn)象，在關(guān)閉時(shí)，沒(méi)有此現(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)過(guò)多次運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)當(dāng)閘板的進(jìn)出水水位差不大時(shí)，閘板啟閉正常，當(dāng)閘板的進(jìn)水側(cè)與出水側(cè)的水位差大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)啟不動(dòng)作的現(xiàn)象。

2 閘板的位置及受力分析

要解決閘板開(kāi)啟不動(dòng)作的問(wèn)題，需要對(duì)閘板在導(dǎo)槽內(nèi)的位置及啟閉時(shí)的受力情況進(jìn)行分析。

⑴閘板在導(dǎo)槽內(nèi)的位置有2種情況：當(dāng)閘板無(wú)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，閘板位于導(dǎo)槽的中間位置（如圖2）。

圖2

閘板在帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于進(jìn)水側(cè)的水壓作用，閘板會(huì)偏向出水側(cè)并與出水側(cè)的橡膠密封條緊貼（如圖3）。

圖3

⑵閘板無(wú)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行器開(kāi)啟閘板所需的啟閉力等于閘板的重力G，即T=G；由于重力的作用，電動(dòng)執(zhí)行器不需要施加啟閉力就可以實(shí)現(xiàn)閘板的關(guān)閉,即T=0。

⑶閘板帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，閘板在開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)都會(huì)與橡膠密封條之間產(chǎn)生摩擦力f，摩擦力f的方向與閘板的運(yùn)動(dòng)方向相反。當(dāng)閘板開(kāi)啟時(shí)，摩擦力f的方向向下，電動(dòng)執(zhí)行器的啟閉力T向上，啟閉力T的大小為摩擦力f與閘板的重力G之和（如圖4），即T=f+G。

圖4

當(dāng)閘板關(guān)閉時(shí)，摩擦力f的方向向上，電動(dòng)執(zhí)行器的啟閉力T向下，啟閉力T的大小為摩擦力f與閘板的重力G之差（如圖5），即T=f-G。以上分析均不考慮機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力。

圖5

綜上所述，當(dāng)閘板帶負(fù)荷開(kāi)啟時(shí)，所需電動(dòng)執(zhí)行器的啟閉力T和扭矩MA是最大的。閘板在帶負(fù)荷開(kāi)啟時(shí)，出現(xiàn)不動(dòng)作現(xiàn)象可能是電動(dòng)執(zhí)行器額定輸出啟閉力T和扭矩MA過(guò)小，達(dá)不到閘板開(kāi)啟要求造成的。

3 啟閉力T及扭矩MA計(jì)算

對(duì)閘板開(kāi)啟時(shí)所需最大啟閉力及扭矩進(jìn)行計(jì)算。

⑴計(jì)算方法與說(shuō)明。由于摩擦力f的大小等于橡膠密封條對(duì)閘板的支持力N與閘板和密封條之間的摩擦系數(shù)μ的乘積，即f=μ·N，支持力N等于閘板進(jìn)水側(cè)的水對(duì)閘板的壓力F壓，即N=F壓。當(dāng)閘板進(jìn)水側(cè)水位達(dá)到閘板的高度，而閘板出水側(cè)沒(méi)水時(shí)，閘板進(jìn)出水兩側(cè)的壓力差最大，此時(shí)水對(duì)閘板的壓力F壓最大，密封條對(duì)閘板的支持力N和兩者之間的摩擦力f也是最大值。支持力N等于進(jìn)水側(cè)水的平均壓強(qiáng)P與閘板面積S的乘積，平均壓強(qiáng)為水在最高水位高度一半時(shí)（即閘板高度）的壓強(qiáng)。閘板的重量G由δ=5mm的鋼板的比重ρ鋼=39.25㎏/㎡與閘板的面積的乘積獲得，電動(dòng)執(zhí)行器的扭矩由啟閉力T、絲桿螺紋的螺旋角、絲桿螺紋的節(jié)圓半徑、摩擦角等代入扭矩計(jì)算公式獲得。

⑵計(jì)算所需公式如下：

壓強(qiáng)P的計(jì)算公式：P=ρ水·g·h。

壓力N的計(jì)算公式：N=P·S。

滑動(dòng)摩擦力f的計(jì)算公式：f=μ·N。

閘板的重量G的計(jì)算公式： G=L·H·ρ鋼。

啟閉力T的計(jì)算公式：T=f+G。

扭矩計(jì)算公式：MA=T·Rm·tan(α+ρ)。

其中：T—啟閉力(N)。

Rm—絲桿螺紋的節(jié)圓半徑（m）。

α—絲桿螺紋的螺旋角(°)。

ρ—摩擦角（9～14°）。

L—閘板寬度（m）。

H—閘板高度（m）。

h—平均水位高度（本例按閘板高度的一半）。

⑶閘板相關(guān)參數(shù)如下：

閘板寬度L=1.7m，高H=1.5m，閘板（δ=5mm）比重ρ鋼=39.25㎏/㎡， 滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.65，水的比重ρ水=1000㎏/m3,g=9.8N/㎏, 絲桿螺紋的螺旋角α=20°, 摩擦角ρ取10°, 絲桿螺紋的節(jié)圓半徑Rm=0.016m。

⑷扭矩計(jì)算如下：

4 計(jì)算結(jié)果

71.2 N·M（現(xiàn)用電動(dòng)執(zhí)行器額定輸出扭矩）＜121.60N·M（計(jì)算所需電動(dòng)執(zhí)行器最大扭矩）。

閘板所用電動(dòng)執(zhí)行器扭矩過(guò)小會(huì)導(dǎo)致在閘板進(jìn)出水水位差較高時(shí)，出現(xiàn)閘板開(kāi)啟不動(dòng)作的現(xiàn)象發(fā)生；電動(dòng)執(zhí)行器的啟閉力應(yīng)大于閘板在進(jìn)出水水位差最大時(shí)，閘板與密封條的摩擦力與閘板的重量之和。

5 電動(dòng)執(zhí)行器選型

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工廠自動(dòng)化程度的增高，為方便操作、安全運(yùn)行和自動(dòng)化控制，閘板在使用時(shí)，需要有手動(dòng)、電動(dòng)的操作和轉(zhuǎn)換，要有開(kāi)、關(guān)限位，要滿足就地操作和遠(yuǎn)程控制。因此，閘板電動(dòng)執(zhí)行器在選型時(shí)，需滿足如下要求：

⑴額定輸出扭矩需大于閘板帶負(fù)荷運(yùn)行開(kāi)啟時(shí)所需的最大扭矩MA。

⑵執(zhí)行器開(kāi)足、關(guān)閉觸點(diǎn)至少2副。

⑶執(zhí)行器必須帶就地開(kāi)、關(guān)、停3個(gè)狀態(tài)按鈕及遠(yuǎn)程開(kāi)、關(guān)、停3個(gè)狀態(tài)操作接線端子。

⑷執(zhí)行器需帶開(kāi)度指示。

⑸執(zhí)行器工作電壓、控制電壓為380V。

⑹執(zhí)行器須帶手輪及手動(dòng)、電動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置。

6 結(jié)語(yǔ)

采用上述方法購(gòu)買了新的電動(dòng)執(zhí)行器，既解決了這6臺(tái)閘板電動(dòng)執(zhí)行器扭矩不足的問(wèn)題，也能實(shí)現(xiàn)這些閘板的遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化操作。通過(guò)實(shí)踐證明，此方法方便、實(shí)用，適合在行業(yè)內(nèi)推廣借鑒。