水利水電工程清污機模塊化和系列化設計的研究及應用

陳佛生

（1.廣東江海機電工程有限公司，廣州 510500；2.廣東省建筑機械廠有限公司，廣州 510500）

0 引言

在水資源開發與利用的水利水電工程中，水流一般都是流過山區和城市，開放式水流通常匯集并攜帶了大量的污物，這些污物被設在進水口處的攔污柵阻攔[1]。為了提高水資源的利用效率、保證工程及設備運行安全，通常都會在進水口處設置清污機[2]，用于清理被攔下的污物。水利水電工程因工程功能及其進水口布置不同，往往需要選擇不同型式的清污機[3]。

國內對清污機的研究大多針對某一特定用途、特定結構研制對應的清污機。江寧等[4]研究了不同孔口尺寸回轉式清污機的零部件尺寸系列化問題。陳佛生、岳楨等[5-6]介紹了不同布置的幾款清污機。上述文獻雖然介紹了單一型式清污機的系列化和不同型式清污機的應用情況，但沒有涉及到如何提高清污機適應不同布置和零部件通用性的問題。

水利水電工程清污機屬于非標設備，本文將以液壓耙斗式清污機為例，介紹如何應用模塊化設計方法，對模塊進行劃分[7]、關鍵模塊設計、模塊組合和裝配，以及選擇合理的參數作為設計輸入來進行系列化設計[8]，以實現解決清污機及其零部件的通用性、適用性差、制造成本高和如何快速構建產品體系的等問題。

1 非標產品的模塊化與系列化設計

1.1 模塊化設計

在非標機械中，模塊化設計是提高零部件的通用性最有效的辦法之一。模塊化設計是對一定范圍內不同功能、或功能相同而性能不同、不同規格的產品進行功能分析并劃分模塊，再通過橫系列化、縱系列化、橫系列和跨系列、全系列模塊化以及全系列和跨系列這5 種主要的設計方式[9]，設計出一系列模塊，再通過不同模塊的組合、裝配成不同的產品，以滿足市場對產品的個性化、差異化需求。非標機械的模塊化設計，至少可達到以下幾個目的：一是將產品分解成通用部件、通用零件，以實現將單件產品的生產轉化成小批量部件、中批量零件的生產，以降低生產成本；第二是通過模塊化設計，解決零部件在不同產品間的通用性問題；第三是提高非標產品的設計效率；第四是針對特定功能細分并設計成獨立的模塊，可解決產品使用過程中局部損壞后的維護和更換問題。在非標機械產品設計中，模塊化設計主要包括對產品按目的進行模塊劃分，通常劃分成結構模塊（接口模塊）、功能模塊、安全模塊，然后對各模塊進行設計，最后對模塊進行組合及裝配。

1.2 系列化設計

非標機械系列化設計是對產品參數、型式、尺寸、基本結構等作出合理的安排與計劃，以協調同類產品和配套產品之間的關系。通過對結構相同、主要指標參數不同的產品或零部件進行一系列尺寸或參數設計，通過改變關鍵參數以形成型號不同的零部件或設備，可快速構建同類產品不同規格的產品體系。系列化設計最重要的工作是選擇核心的驅動參數，設計不同型號、不同力學指標的一系列模塊。如在清污機中，清污寬度是清污機的最核心的設計參數，其決定了清污機的啟閉力、清污容積等參數。

2 液壓耙斗式清污機的模塊化設計

2.1 模塊劃分

清污機的模塊劃分應考慮模塊的通用性、制造的批量化和使用過程中維護的便利性等要求，劃分詳細程度應當適宜。在劃分過程中，通常將其劃分為結構模塊、功能模塊、安全模塊3 個一級模塊，然后根據不同目的決定是否需要對各級模塊再度劃分成更小的模塊，如圖1所示。

圖1 液壓耙斗式清污機模塊劃分

2.2 關鍵模塊設計

2.2.1 抓污模塊

抓污模塊包括行走及導向模塊、一組定耙、若干段動耙及耙斗耙齒，是實現清污功能的載體和適應不同孔口型式、決定清污機型號的關鍵模塊。通過對水利水電工程污物特點和耙斗清污的研究[10-11]，液壓耙斗的動耙分段是保證清污效果最有效的技術手段之一，動耙分段與耙斗開合模塊一起構建一種自動適應污物布置的智能化液壓耙斗，由抓污模塊和耙斗開合模塊組成的液壓耙斗如圖2所示。

圖2 液壓耙斗

因水利水電工程進水口處的污物堆積具有形狀和堆積狀態的不規則性、分布的不均勻性、堆積的密實性及水底污物的不可見性等特點[10]，在使用過程中耙齒容易損壞[1]，為此，在模塊化設計時，為了提高耙齒維護的便利性，充分利用不同材料的力學性能，宜將定耙和動耙的耙齒設計成可拆卸的組合式結構[12]。

2.2.2 耙斗開合模塊

在清污過程中，耙斗要在水上先打開，待進入水下并插入污物后閉合，以抓取并壓縮污物，耙斗的開合是通過液壓系統[13]來實現的。耙斗的開合時間與整個清污過程的時間相比，開合所占用的時間幾乎可以忽略。為了提高開合模塊的通用性，特別是提高液壓泵站和執行元件的通用性，如只要清污寬度在一定的范圍內，均可以選用同一套液壓泵站和相同規格的執行元件，以降低其制造成本并提高零件的互換性，為此，適宜將耙斗開合模塊劃分成液壓泵站、執行元件和連接管路。如圖3所示，不同清污寬度的液壓耙斗的開合模塊分別設置了4 條、3 條和2 條液壓油缸（執行元件），但采用的是同一套液壓泵站。

圖3 不同清污寬度的耙斗開合模塊

2.2.3 供電模塊

耙斗開合模塊中的液壓泵站是整體的密封結構，其內部包括電動機和電磁換向閥等。液壓泵站固定在耙斗的定耙上，隨耙斗同步升降，耙斗的開合是通過多芯潛水電纜來傳遞動力及控制指令來實現的。

液壓泵站供電系統如圖4 所示，主要包括電纜卷筒、潛水電纜、水密封接頭。電纜卷筒固定在清污機結構模塊上，設計時應選擇具有打滑功能的電纜卷筒，其滑環的環數應大于動力電纜和控制電纜的根數之和，最大卷取（釋放）速度應大于耙斗升降的最大速度，并在最大升降速度范圍內可自動打滑，保證電纜不承受過大的拉力，保證收放速度與耙斗升降速度一致。潛水電纜和水密封接頭為一體結構，具有防水功能，潛水電纜通過水密封接頭與液壓泵站密封連接，使其在運行過程中不會因進水而出現漏電現象。潛水電纜及其水密封接頭的環數應根據電機和控制指令及信息反饋通道數量之和進行選擇，圖3 所示的液壓系統的電纜芯數建議不少于13芯。潛水電纜應帶有鋼絲繩，防止在耙斗升降過程中，起升鋼絲繩與電纜收放不同步時，電纜出現承受較大拉力而被拉斷的現象。

圖4 液壓泵站供電模塊

2.2.4 結構模塊

結構模塊是各功能模塊安裝或支撐的基礎，也是適用不同工程布置的關鍵模塊，在水利水電工程耙斗式清污機中，根據結構模塊的型式和是否可以移動，通常分成門式、臺車式、懸掛式（此3 種常為移動式）和固定式清污機。

3 液壓耙斗式清污機的系列化設計

根據《水利水電工程清污機型式基本參數技術條件》（SL 382-2007），清污寬度是確定清污機型號的關鍵參數。

液壓耙斗式清污機的系列化設計主要包括根據清污寬度（耙斗長度）確定耙斗的動耙的分段數量和啟閉容量等參數。為追求較好的清污效果，液壓耙斗應根據不同的工程種類，按長度0.8～2 m 為一段對耙斗動耙進行分段，耙斗重20～30 kN/m，耙斗質量占整體啟閉力的50%～70%等方面進行系列化設計，如清污寬度為2.5 m的水電站清污機，耙斗動耙宜分成兩段，每段約為1.2 m，耙斗總質量為40～60 kN，啟閉力為2×40～2×50 kN。不同清污寬度的液壓耙斗式清污機系列化參數如表1所示。

表1 不同清污寬度的液壓耙斗式清污機系列化參數

4 模塊選擇與裝配及其應用

將液壓耙斗式清污機劃分成各種模塊后，借助三維設計軟件的實體建模和系列化設計功能對各模塊進行設計，然后根據工程布置、技術要求和標準規范進行模塊選擇和裝配，通過不同模塊的組合、裝配成不同型式的清污機。

4.1 門式清污機

門式清污機的結構模塊為門式，配備圖1所示模塊，常用在需要來回于多個孔口的移動式清污，通常兼有啟閉攔污柵、清污甚至更多的功能，如圖5（a）所示。在水電站等工程中，通常會設置一臺門式啟閉機來啟閉閘門和攔污柵，這時只要在門式啟閉機上增加清污功能模塊，便可利用門式啟閉機清污，使門式啟閉機功能更加多樣化、集成化。門式清污機的多個功能和安全模塊，亦可以通過橫系列和跨系列設計，將對應的功能模塊（如行走模塊、安全模塊等）應用于各類啟閉機、起重機上，將模塊化零部件最大程度應用在不同的產品中，形成批量化生產，以降低成本。

圖5 不同型式的液壓耙斗式清污機

4.2 臺車式清污機

臺車式清污機一般應用于泵站等各類帶排架的水利水電工程中，清污機的結構模塊為臺車式，配備圖1 所有的模塊，常用在需要來回于多個孔口的移動式清污，通常兼有啟閉攔污柵、清污甚至更多的功能，如圖5（b）所示。臺車式清污機模塊化設計、應用與門式清污機相似，不同之處在于門式清污機不需要設置鋼筋混凝土排架，通過門架自身的高度便能實現卸污或將閘門、攔污柵提出門槽、柵槽。

4.3 懸掛式清污機

懸掛式清污機為懸掛在軌道上的一種清污機，具有很高的性價比，其結構模塊、功能模塊中的起升、行走功能和安全模塊等多個模塊集成在雙吊點電動葫蘆上，只要在雙吊點電動葫蘆的中間增設一輔助機架以安裝供電及控制模塊即可，如圖5（c）所示。

5 結束語

通過對水利水電工程液壓耙斗式清污機的模塊化和系列化設計的研究，結合三維設計軟件的特點和應用實踐，可以得出以下結論。

（1）通過對液壓耙斗式清污機的模塊化設計，將清污模塊與不同型式的結構模塊進行組合，可組合成門式、臺車式和懸掛式等各類清污機，能滿足不同布置的需要。

（2）通過對液壓耙斗式清污機零部件的模塊化設計，可以提高模塊的通用性和互換性，有利于降低制造和使用成本。

（3）以清污寬度為關鍵參數對液壓耙斗式清污機進行系列化設計，有利于構建完整的產品體系。

（4）三維設計軟件的系列化、裝配化設計和干涉檢查功能，為產品的模塊化、系列化設計帶來極大的便利，可高效地對各模塊組合、裝配，并且通過對零部件的各種屬性進行設置，可實現模塊信息的自動傳遞，保證信息傳遞的準確性。