官國焱

（福建省九龍江北溪管理局，福建 龍海 363107）

0 引言

福建省九龍江北溪水閘工程位于漳州市境內(nèi)，主要由南、北港各 2 座攔河閘，船閘，左干渠和中干渠組成。其主要任務(wù)是攔河蓄水，引水至漳州、龍海和廈門市等地，解決這些地區(qū)的農(nóng)田灌溉，并兼顧城鄉(xiāng)供水及下游地區(qū)防洪及航運等。南、北港水閘和船閘為液壓啟閉機，左干渠隧洞進出口為卷揚式啟閉機，中干渠進水閘及左干渠沿線部分站點水閘為螺桿式啟閉機。

九龍江北溪水閘在自動化控制系統(tǒng)改造后，南、北港水閘已實現(xiàn)了系統(tǒng)集中控制，極大地提高了運行管理水平和效率，減輕了運行人員的工作強度，左干渠引水改造工程二期后的各個站點也朝著無人值班少人值守的自動化控制目標(biāo)實施。中干渠進水閘閘門控制系統(tǒng)雖然也經(jīng)過了自動化改造，但是由于沒有進一步有效預(yù)防閘門頂閘事故保護措施，以致由于人為或非人為因素引發(fā)的頂閘或螺桿被頂彎等事故時有發(fā)生[1]。在啟閉機運行過程中如果運行人員操作不當(dāng)或監(jiān)管不到位，極易發(fā)生頂閘事故，導(dǎo)致螺桿壓彎、啟閉機端蓋被頂碎、啟閉機梁被頂斷，混凝土梁上緣開裂，嚴(yán)重時啟閉機臺發(fā)生移位、傾覆，甚至造成人員傷亡[2]。現(xiàn)場螺桿已被頂彎嚴(yán)重，發(fā)生塑性變形而無法恢復(fù)。同時，在運行管理上也無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，必須要 2 個以上運行人員到現(xiàn)場運行操作，以保障運行的安全。因此，深入開展螺桿式啟閉機預(yù)防頂閘事故的研究保護，具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

1 軸銷荷載保護原理

1.1 螺桿式啟閉機預(yù)防頂閘事故現(xiàn)有主要措施

目前，螺桿式啟閉機預(yù)防頂閘事故的措施主要有：加大啟閉機連桿與閘門門葉的連接間隙；在電動機與電機皮帶輪間加裝超載安全裝置[3]；在啟閉機與啟閉機臺安裝處加裝彈簧；利用直流電機的機電特性，加裝電流保護器[4]等。不過，這些措施或多或少都存在一些不足，自動化程度不高，受使用環(huán)境影響較大，無法全面推廣使用。

北溪水閘中干渠進水閘經(jīng)過綜合自動化改造后，主要保護只有限位開關(guān)及 PLC 程序控制，通過閘位儀采集開度數(shù)據(jù)進行運行控制，遠(yuǎn)程集控和現(xiàn)地程控只能按設(shè)定開度運行，啟門上行時可精準(zhǔn)運行，但在閉門下行時卻無法判斷水下狀況，無法有效預(yù)防頂閘事故的發(fā)生。

1.2 軸銷荷載保護原理

軸銷荷載保護的思路來源于固定卷揚式啟閉機的荷載保護，北溪引水左干渠改造二期進水口和出水口的啟閉機均為固定卷揚式啟閉機，其保護中含有荷載保護一項。受此啟發(fā)，通過分析螺桿啟閉機在無閉門力的運行過程中，螺桿與閘門吊點處軸銷的荷載受力情況可知，閘門在運行過程中，軸銷受力隨阻力的變化而變化，具體公式如下：

式中：Fa為閘門啟門上行時螺桿軸銷處的拉力；Fb為閘門閉門下移時螺桿軸銷處的拉力；G為閘門自重；Ff為運行過程中水壓及摩擦等的綜合阻力。

具體受力分析如圖1 所示。

圖1 閘門運行時軸銷受力圖

在下行過程中，軸銷受到的拉力與阻力之和小于等于閘門自重，閘門堵卡時阻力增大，拉力減小，當(dāng)堵卡到一定程度，拉力值將減小到某一數(shù)值時，保護動作，切斷電源，從而達到保護目的。

2 軸銷荷載保護實驗

2.1 實驗方法

軸銷荷載保護實驗方法為采用一臺軸銷式稱重傳感器代替原螺桿和閘門間的連接軸，并模擬螺桿啟閉機正常的啟閉運行及頂閘狀況，通過實驗儀表記錄軸銷的實時受力情況，最后分析數(shù)據(jù)，看是否符合保護原理。

2.2 實驗設(shè)備

軸銷荷載保護實驗主要設(shè)備為 1 臺軸銷式稱重傳感器及監(jiān)測儀表。

2.2.1 軸銷式稱重傳感器

軸銷式稱重傳感器綜合了多種測力機構(gòu)，直接將軸上的力變送成 4～20 mA 或者其他多種工業(yè)信號，以適應(yīng)不同工況的需求，體積小巧，安裝方便。適用于港口和碼頭貨物的計量及啟閉機、起吊設(shè)備的安全檢測及保護。軸銷式稱重傳感器是 1 根承受剪力作用圓軸，應(yīng)變計嵌在中心孔內(nèi)凹槽中心，通過組橋測量方式，即 2 個凹槽處的應(yīng)變計共同組成 1 個惠斯通電橋，或分別組成惠斯通電橋再并聯(lián)進行測量[5]，其具有以下特點：

1）彈性元件為整體圓軸，結(jié)構(gòu)緊湊，外形簡單，可加工出各種尺寸和形位精度；

2）軸截面具有很強的抗彎曲、抗扭轉(zhuǎn)能力，并且軸銷中心軸處的應(yīng)力最大；

3）與相關(guān)承力部件安裝簡便；

4）采用定制化生產(chǎn)，可根據(jù)不同客戶需求定制專屬方案。

本實驗根據(jù)現(xiàn)場實際情況，定制了 1 個量程為100 kN 的軸銷式傳感器，材質(zhì)采用不銹鋼，具體技術(shù)參數(shù)如表 1 所示。

表1 技術(shù)參數(shù)表

在本實驗中采用軸銷式稱重傳感器取代原軸銷，工裝如圖2 所示。

2.2.2 監(jiān)測儀表

檢測儀表采用 TY5D/A 數(shù)字式智能儀表，它與各類模擬量輸出的傳感器、變送器配合，完成壓力、溫度、液位、流量及力和位移等物理量的測量，變換，顯示，傳送，記錄和控制。它具有以下特點：

1）誤差小于 0.05%F·S，同時具備調(diào)校、數(shù)字濾波等功能，可有效減小傳感器、變送器的誤差，提高系統(tǒng)的測量和控制精度；

2）適用范圍廣，可用于電壓、電流、熱電阻、熱電偶、電位器等信號類型；

圖2 軸銷式稱重傳感器工裝圖

3）具有 2 路報警輸出，以及 2 種報警方式；

4）高速、高效的網(wǎng)絡(luò)化通信接口，實現(xiàn)計算機與儀表間完全的數(shù)據(jù)傳送和控制。

本實驗主要利用該儀表完成軸承式稱重傳感器的受力信號的測量、顯示、傳送、記錄和控制功能。

2.3 實驗數(shù)據(jù)分析

通過監(jiān)測儀表實時監(jiān)測螺桿式啟閉機啟、閉門運行過程及模擬發(fā)生頂閘事故時的受力情況，得到軸銷受力曲線如圖3 所示。

圖3 軸銷受力曲線圖

圖3 中 ab 段為閘門從全關(guān)狀態(tài)啟門上升到設(shè)定開度階段，bc 段為閉門下降到全關(guān)位階段，cd 段為模擬頂閘事故受力情況。

本實驗中，鋼閘門自重 5 t，從曲線分析可知，軸銷受力完全符合受力公式（1）和（2），證明了此保護原理是正確可行的。

同時，從實驗監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，該軸銷式稱重傳感器受力具有方向性，這使其應(yīng)用范圍更為廣泛，不僅可應(yīng)用于無閉門力的運行工況，也可以應(yīng)用于有閉門力的運行工況，保護中只需設(shè)定相應(yīng)的保護值即可。

3 保護應(yīng)用及安全性

3.1 保護應(yīng)用

福建省九龍江北溪水閘中干渠進水閘于 2013 年對螺桿式啟閉機進行了改造，在加大螺桿與閘門門葉間隙的同時，采用了軸銷式稱重傳感器替代原螺桿軸銷，應(yīng)用軸銷荷載保護作為預(yù)防螺桿式啟閉機頂閘事故發(fā)生的主要保護措施，利用軸銷式承重傳感器和監(jiān)測儀表進行實時受力數(shù)據(jù)監(jiān)測，并將其報警輸出繼電器接入啟閉機啟、閉門控制回路。

根據(jù)正常運行時軸銷的受力情況，設(shè)定相應(yīng)的保護動作值。在啟門上升階段，如果閘門門槽有異物卡阻導(dǎo)致啟門異常，實測數(shù)值大于設(shè)定的上限值，保護啟動；在閉門下行階段，如果閘門門槽或底部有石塊、木頭等異物卡阻導(dǎo)致閉門異常時，實測數(shù)值小于設(shè)定的下限值，保護啟動。保護啟動時，報警輸出繼電器動作，控制回路接觸器線圈失電，主觸頭斷開，電機停機。

在正式的保護應(yīng)用中，軸銷式稱重傳感器將軸上的力變送成 4～20 mA 或者其他多種工業(yè)信號，直接傳送到 PLC 的模擬量信號處理模塊，并進行相應(yīng)程序處理，即可完成閘門自動化控制系統(tǒng)對該保護的實時檢測，實現(xiàn)對螺桿式啟閉機安全可靠的遠(yuǎn)程控制。

由于軸銷式稱重傳感器具有方向性，該保護不但對無閉門力露頂式閘門啟閉機有效，對于需要一定閉門力的場合同樣適用。

3.2 安全性分析

3.2.1 保護動作迅速可靠

軸銷式稱重傳感器具有優(yōu)良的技術(shù)特性，綜合精度高，靈敏性好，且作用于螺桿和門葉的連接，荷載變化更能直接反映出閘門的運行狀況。相比其他保護，軸銷荷載保護能在螺桿還未發(fā)生反向受力時即可啟動，保護動作迅速可靠，不僅避免閘門發(fā)生頂閘事故，還能極大減少螺桿被壓彎的情形，大大減小維護工作。

3.2.2 環(huán)境適應(yīng)性強，性能穩(wěn)定

軸銷式稱重傳感器的一體化圓軸設(shè)計，加上采用不銹鋼材質(zhì)制作，在北溪水閘這種沿海高溫、高濕、腐蝕性較強的感潮河段，表現(xiàn)出了良好的環(huán)境適應(yīng)性，有效避免了元器件因銹蝕老化導(dǎo)致保護誤動或拒動的狀況。軸銷荷載保護的數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示正常，保護反應(yīng)靈敏，動作迅速。

3.3 多措并舉，確保安全

通過增加軸銷荷載保護，并通過有效及時的維護技術(shù)措施，加強運行人員安全操作技術(shù)培訓(xùn)[6]，徹底杜絕了螺桿啟閉機頂閘事故的發(fā)生，大大提高了水閘綜合自動化遠(yuǎn)程控制的安全性、可靠性和時效性。

4 結(jié)語

通過對軸銷荷載保護在螺桿式啟閉機預(yù)防頂閘事故中的研究和應(yīng)用，該保護措施改裝經(jīng)濟便捷、安全可靠及可定制化的靈活性，完善了北溪水閘閘門綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，徹底杜絕了啟閉頂閘事故的發(fā)生，對于九龍江北溪引水左干渠沿線閘站的螺桿式啟閉機頂閘事故的預(yù)防，以及下階段實現(xiàn)水閘管理的進一步自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化具有重要的應(yīng)用價值。