水利水电工程清污机液压耙斗及其开合机构的设计与优化

陈佛生

(广东江海机电工程有限公司, 广东 广州 510500)

1 概述

清污机是大多数水利工程不可缺少的设备，通过清污机及时清理栅前堆积的污物，不但可以维护拦污栅的安全，还可以减少因污物堆积而引起的损失[1-4]。耙斗是清污机上非常重要的部件，其对污物适应性的强弱、开合机构的合理与否，直接关系到清污效果的好坏。

随着对水利工程拦污栅前污物特点认识的加深和向水下供电技术的进步[5-6]，对清污机耙斗的设计也在不断地优化。液压耙斗的开合机构具有结构小，作用力大等特点，广泛应用于耙斗式清污机。

2 液压耙斗及其开合机构

随着对污物特点认识不断加深，广东江海机电工程有限公司(以下简称江海机电)先后研发了整体动耙开合机构没有同步装置、分段动耙开合机构有同步装置和分段动耙开合机构不需要同步装置3种不同的液压耙斗，3种液压耙斗的动耙结构和开合机构液压系统均不同，其设计是一个不断优化的过程。

2.1 整体动耙开合机没有同步装置的液压耙斗

1)结构特点

整体动耙开合机构没有同步装置的液压耙斗是早期设计的液压耙斗，这类液压耙斗沿用了动耙为整体的结构，为一组动耙并且在其上设置两条或多条开合液压油缸(简称“一耙多缸”，下同)的结构。耙斗主要由一组动耙、一组定耙、开合机构及其液压系统和行走及导向装置构成。用于控制开合的液压系统中没有设置多条液压油缸的同步装置，设两条开合液压油缸的液压原理如图1所示。

图1 “一耙多缸”(两条开合液压油缸)没有同步装置的液压系统

开合机构工作时，液压油经吸油过滤器、齿轮油泵、单向阀后，通过分流阀分流，再经“M”型电磁换向阀进入对应的液压油缸，液压油缸另一端腔内的液压油经回油过滤器回到油箱。液压回路中设有压力表显示系统压力。系统的压力通过溢流阀和压力继电器来调节和控制，通过电磁换向阀来实现开耙闭耙。

2)优缺点分析[7-8]

在成本方面，由于采用“一耙多缸”结构，动耙可以整体制作，结构简单，动耙生产成本较低。但设有与液压油缸等数量的电磁换向阀，使得液压泵站，控制、结构和布置较为复杂，原理上不合理，装配和维护困难，生产和维护成本较高。

在结构合理性方面，对长度较大的耙斗来说，如果设置两条液压油缸，则其间距较大，设置多条液压油缸则会使得动耙受力复杂。由于结构、安装等原因，液压油到达不同液压油缸过程中所受的阻力是不同的，这将导致动耙上的液压油缸伸缩不同步，液压油缸距离越大，不同步现象越明显。在污物不均匀，特别是局部污物较多或较大的情况下，由于动耙是整体结构、液压油缸不同步伸出和液压油缸所产生的较大闭耙力，耙斗动耙容易发生扭曲甚至折断。

在实际工程案例中，潮州供水枢纽工程中的2×125 kN液压耙斗清污机液压耙斗的动耙长度为6.5 m，动耙上设置两条液压油缸，液压油缸的距离为4.5 m。在清污机试运行过程中，由于局部有大体积且坚硬的物体，导致动耙断裂(如图2所示)。

图2 “一耙多缸”结构的耙斗动耙的扭曲和折断实况

3)建议

“一耙多缸”结构适合长度不大的耙斗，对于耙斗长度超过3 m或液压油缸之间距离超过2 m的耙斗，其开合机构的液压系统应尽量采用同步装置。

2.2 分段动耙开合机构有同步装置的液压耙斗

在对长度超过4 m的耙斗使用状态调查分析后，优化了长度较大液压耙斗的设计。对液压耙斗的动耙采用了分段设计，根据耙斗的长度不同，按2～3 m为1段对其动耙进行分段，按这一方法设计出多段动耙且在同1段动耙上设置2条或多条开合液压油缸(简称“多耙多缸”，下同)结构的耙斗。图3所示为云南省禄劝县克田水电站2×250 kN双向门式清污机液压系统，该清污机耙斗长度为5.4 m，按2.7 m 为1段将耙斗的动耙分成了2段，在每段动耙上设置2条液压油缸，同时两条油缸设置了同步装置[9]。

图3 “多耙多缸(两耙两缸)”有同步装置的液压系统

开合机构工作时，液压油经吸油过滤器、齿轮油泵、单向阀后，通过“M”型电磁换向阀后，再经自调式分流—集流阀调节流量后，进入同组动耙的2条或多条液压油缸内。液压回路中设有电接点压力表显示系统压力。系统的压力通过溢流阀和电接点压力表来调节和控制，所有动耙的开合均通过1个电磁换向阀换向来实现。

1)结构特点

“多耙多缸”结构的液压耙斗由1组定耙、若干段动耙、开合机构及其液压系统和行走及导向装置构成。每段动耙相对独立，互不干涉。在每段动耙上设置了多条液压油缸，与图1所示的关键不同点是设置了同一段动耙上的液压油缸的同步装置。

2)优缺点分析

与图1所示相比，液压系统主要作了以下3个方面的改进。

① 将换向电磁换向阀前置，用1个电磁换向阀代替了多个电磁换向阀，简化了阀组；

② 将分流阀换成了自调式分流—集流阀，通过自调式分流—集流阀的调节作用，同1段动耙上的开合液压油缸基本实现了伸缩同步；

③ 用电接点压力表替换了压力继电器，不但方便了安装和调试[10-11]，更由于电接点压力表带有高低2个压力触点，不仅可以用其来控制系统压力，还可以用作耙斗的开合极限保护。

3)建议

① 每段动耙不宜太长，长度控制在2～3 m范围内，同1段动耙上的液压油缸均匀布置，如果1段动耙上设置2条液压油缸，则其距离适宜为动耙长度的1/2～2/3，并且最好控制在2 m以内；

② 每段动耙上设置2条液压油缸为宜；

③ 这类耙斗在机械结构和液压系统等方面都较为复杂，生产成本较高，但同1段动耙上的液压油缸同步性较好，可用于整垮清污的清污机。

2.3 分段动耙开合机构不需要同步装置的液压耙斗

总结几种不同液压耙斗的使用情况后，经深入研究拦污栅前污物的特点，设计了分段动耙开合机构不需要同步装置的液压耙斗。耙斗采用多段动耙，1条液压油缸操纵1段动耙(简称“一耙一缸”，下同)的结构。

1)结构特点

“一耙一缸”的耙斗由1组定耙，若干段动耙、开合机构及其液压系统和行走及导向装置构成。与图3不同的是每段动耙只设1条液压油缸。图4所示为由4段动耙所组成的“一耙一缸”结构的耙斗，其对应开合机构的液压原理如图5所示。

开合机构工作时，液压油经吸油过滤器、齿轮油泵、单向阀后，通过“M”型电磁换向阀后，直接进入动耙的液压油缸内。液压回路中设有电接点压力表显示系统压力。系统的压力通过溢流阀和电接点压力表来调节和控制，所有动耙的开合通过1个电磁换向阀换向来实现。

图4 由四段动耙组成的“一耙一缸”的液压耙斗

图5 “一耙一缸”不需要同步装置的液压原理

2)优缺点分析

① 开合机构的液压系统进一步简化，生产成本较低，装配和维护方便；与图3的液压系统相比，取消了自调式分流—集流阀，液压油直接由电磁换向阀进入液压油缸，简化了液压系统。

② 动耙分段数量较多，制造成本较高。为了保证抓污圧污能力，“一耙一缸”结构的液压耙斗每段动耙不宜太长，与相同长度的“多耙多缸”结构的耙斗相比，其分段数量更多，生产成本较高。

③ 在“一耙一缸”的结构中，每段动耙只包括两处与定耙的铰接和一处与液压油缸的铰接，约束和受力条件简单、明确，动作灵活可靠。

④ 对污物的适应性好，清污效果好，动耙的自我保护能力强。

3)建议

① 尽量避免因制造成本增加而减少动耙分段的数量。在水利工程中，拦污栅前的污物分布不均或污物形状、大小不同是普遍存在的现象，抓污时，不同位置的动耙需要有不同的开度，即油缸不同的伸出长度，以适应的污物不均匀布置需要，同时有利于压紧污物。

② 开合机构液压系统中选择中位机能为“M”型的电磁换向阀。液压系统设计时，要根据作业特点合理选择电磁换向阀的中位机能，不同的选择会影响液压系统的工作过程、操作模式和电动机工作时间。在一些设计中，耙斗开合机构的液压系统选择中位机能为“H”型的电磁换向阀，选择“H”型电磁换向阀，使得耙斗在开耙下降或闭耙上升过程中，液压系统的电动机都必须保持在工作状态。选择中位机能为“M”型的电磁换向阀，这样即便是电动机停止工作，只要阀芯回到中位，则电磁换向阀后的液压油无法形成通路[12-13]，可以将耙斗控制在任意开度；可以保持闭耙上升或开耙下降；油泵电动机可以停止运转。电磁换向阀阀芯处于中位时，如果电动机继续转动，则液压油直接通过电磁换向阀回到油箱。

③ 在“一耙一缸”结构的耙斗中，在其开合机构的液压系统中设置同步系统是多余的。基于污物分布不均衡等现实，每段动耙内的污物数量各不相同，有的满耙，有的少甚至没有，有的动耙所对应的部位可能是大木头或其他大体积的污物，而其他动耙所对应的部位却是普通的城市生活垃圾(如图6所示)。

如果在“一耙一缸”结构中设置油缸的同步装置，在污物分布不均的情况下，可能产生的后果是污物较少的动耙无法压紧污物，因为污物多的动耙所在的油缸会先达到系统压力的上限，这时系统进行保护，污物少的动耙上的液压油缸无法继续伸出，导致污物无法被压紧。而没有同步装置的液压系统，允许不同的液压油缸有不同的伸出长度，从而保证每段动耙都能压紧污物(见图6)。

图6 污物分布不均示意

4)应用情况

“一耙一缸”结构是江海机电清污机耙斗主要推进的结构，在甘肃中部生态移民工程等数十个工程中得到应用，图7是在河源市东源县柳城水电站YPQ52(2×70 kN)清污机上的应用情况，此耙斗的动耙分为3段，每段长度为1.62 m。从使用情况来看，清污效果非常理想，得到了业主极高得评价。

3 结论

1)“一耙一缸”结构的液压耙斗对污物的适用性强，具有良好的清污效果。从污物的适应性考虑，动耙分段越多越好，但从成本和运行维护方便考虑，建议动耙长度控制在0.8～2 m之间。

图7 使用“一耙一缸”结构耙斗的清污效果示意

2)不设同步装置“一耙一缸”结构的液压耙斗在保护耙斗不被破坏、污物适用性和抓污圧污方面具有明显的优势。

3)在开合机构的液压系统中，优先选择中位机能为“M”型的电磁换向阀，可延长电动机和液压元件使用寿命。

4)耙斗的结构、使用条件、操作方式和电动机的工作模式均会影响液压系统的设计和液压元件的选择。耙斗在运行过程的震动大小、保持开闭的时间长短和操作方式都是液压系统设计必须考虑的因素，如果震动较大或保持开闭的时间在1 h以上，建议在液压系统中加设液压锁。

4 结语

在耙斗分段式设计中，理论上动耙分段长度越小，适应污物的分布不均的状态越好，越有利于清污，但是分段越多，耙斗的生产成本越高。在考虑耙斗动耙分段长度时，要综合考虑污物的特点和抓污圧污力的大小，同时应该在经济性与保证清污效果下取得平衡。