水厂用闸板开启不动作原因分析及电动执行器的选型方法研究

任玉双，包文杰

（兰州城市供水（集团）有限公司，甘肃 兰州 730060）

兰州城市供水（集团）有限公司第一水厂是通过净化黄河水来提供工业和居民生活用水的企业，共有φ100m辐流式沉淀池18座，每座沉淀池都由进水阀门、出水闸板、刮泥桁架、排泥系统等组成。沉淀池的作用是将浊度极高的黄河源水经沉淀、降低浊度后，在出水闸板的调节下流向下一道净化系统。

1 闸板的工作原理与故障现象

沉淀池出水闸板起着调节沉淀池出水量的作用，安装在每座沉淀池的出水沟内。13#～18#沉淀池出水闸板是近年新安装的设备，闸板是由δ=5mm的不锈钢板制作而成，出水沟两侧安装导槽，导槽的出水侧安装橡胶密封条，闸板在进水侧水压作用下与密封条贴合可起到密封的作用。闸板的上部与丝杆连接，丝杆与丝母配合连接，丝母安装在电动执行器内。工作时，电动执行器工作使丝母做旋转运动，丝母的旋转带动丝杆及闸板做上下运动，从而实现闸板的启闭。

图1

这6台出水闸板在无负荷运行时，均启闭正常，在带负荷运行时，有时会出现闸板开启时不动作的现象，在关闭时，没有此现象发生。经过多次运行，发现当闸板的进出水水位差不大时，闸板启闭正常，当闸板的进水侧与出水侧的水位差大时，就会出现开启不动作的现象。

2 闸板的位置及受力分析

要解决闸板开启不动作的问题，需要对闸板在导槽内的位置及启闭时的受力情况进行分析。

⑴闸板在导槽内的位置有2种情况：当闸板无负荷运行时，闸板位于导槽的中间位置（如图2）。

图2

闸板在带负荷运行时，由于进水侧的水压作用，闸板会偏向出水侧并与出水侧的橡胶密封条紧贴（如图3）。

图3

⑵闸板无负荷运行时，电动执行器开启闸板所需的启闭力等于闸板的重力G，即T=G；由于重力的作用，电动执行器不需要施加启闭力就可以实现闸板的关闭,即T=0。

⑶闸板带负荷运行时，闸板在开启和关闭时都会与橡胶密封条之间产生摩擦力f，摩擦力f的方向与闸板的运动方向相反。当闸板开启时，摩擦力f的方向向下，电动执行器的启闭力T向上，启闭力T的大小为摩擦力f与闸板的重力G之和（如图4），即T=f+G。

图4

当闸板关闭时，摩擦力f的方向向上，电动执行器的启闭力T向下，启闭力T的大小为摩擦力f与闸板的重力G之差（如图5），即T=f-G。以上分析均不考虑机械传动系统的摩擦力。

图5

综上所述，当闸板带负荷开启时，所需电动执行器的启闭力T和扭矩MA是最大的。闸板在带负荷开启时，出现不动作现象可能是电动执行器额定输出启闭力T和扭矩MA过小，达不到闸板开启要求造成的。

3 启闭力T及扭矩MA计算

对闸板开启时所需最大启闭力及扭矩进行计算。

⑴计算方法与说明。由于摩擦力f的大小等于橡胶密封条对闸板的支持力N与闸板和密封条之间的摩擦系数μ的乘积，即f=μ·N，支持力N等于闸板进水侧的水对闸板的压力F压，即N=F压。当闸板进水侧水位达到闸板的高度，而闸板出水侧没水时，闸板进出水两侧的压力差最大，此时水对闸板的压力F压最大，密封条对闸板的支持力N和两者之间的摩擦力f也是最大值。支持力N等于进水侧水的平均压强P与闸板面积S的乘积，平均压强为水在最高水位高度一半时（即闸板高度）的压强。闸板的重量G由δ=5mm的钢板的比重ρ钢=39.25㎏/㎡与闸板的面积的乘积获得，电动执行器的扭矩由启闭力T、丝杆螺纹的螺旋角、丝杆螺纹的节圆半径、摩擦角等代入扭矩计算公式获得。

⑵计算所需公式如下：

压强P的计算公式：P=ρ水·g·h。

压力N的计算公式：N=P·S。

滑动摩擦力f的计算公式：f=μ·N。

闸板的重量G的计算公式： G=L·H·ρ钢。

启闭力T的计算公式：T=f+G。

扭矩计算公式：MA=T·Rm·tan(α+ρ)。

其中：T—启闭力(N)。

Rm—丝杆螺纹的节圆半径（m）。

α—丝杆螺纹的螺旋角(°)。

ρ—摩擦角（9～14°）。

L—闸板宽度（m）。

H—闸板高度（m）。

h—平均水位高度（本例按闸板高度的一半）。

⑶闸板相关参数如下：

闸板宽度L=1.7m，高H=1.5m，闸板（δ=5mm）比重ρ钢=39.25㎏/㎡， 滑动摩擦系数μ=0.65，水的比重ρ水=1000㎏/m3,g=9.8N/㎏, 丝杆螺纹的螺旋角α=20°, 摩擦角ρ取10°, 丝杆螺纹的节圆半径Rm=0.016m。

⑷扭矩计算如下：

4 计算结果

71.2 N·M（现用电动执行器额定输出扭矩）＜121.60N·M（计算所需电动执行器最大扭矩）。

闸板所用电动执行器扭矩过小会导致在闸板进出水水位差较高时，出现闸板开启不动作的现象发生；电动执行器的启闭力应大于闸板在进出水水位差最大时，闸板与密封条的摩擦力与闸板的重量之和。

5 电动执行器选型

随着科学技术的发展和工厂自动化程度的增高，为方便操作、安全运行和自动化控制，闸板在使用时，需要有手动、电动的操作和转换，要有开、关限位，要满足就地操作和远程控制。因此，闸板电动执行器在选型时，需满足如下要求：

⑴额定输出扭矩需大于闸板带负荷运行开启时所需的最大扭矩MA。

⑵执行器开足、关闭触点至少2副。

⑶执行器必须带就地开、关、停3个状态按钮及远程开、关、停3个状态操作接线端子。

⑷执行器需带开度指示。

⑸执行器工作电压、控制电压为380V。

⑹执行器须带手轮及手动、电动转换装置。

6 结语

采用上述方法购买了新的电动执行器，既解决了这6台闸板电动执行器扭矩不足的问题，也能实现这些闸板的远程控制和自动化操作。通过实践证明，此方法方便、实用，适合在行业内推广借鉴。