一体化清污水闸结构设计与控制方法研究*

屠佳佳

(浙江机电职业技术学院,浙江 杭州 310053)

0 引 言

水闸作为基础水利设施,在水资源调度管理和防洪抗涝中发挥着重要作用。而水闸的长久稳定运行离不开定期清污[1]。大中型水闸由于资金投入大、管理集中、人力资源充足,基本都配置了自动化清污装置。

清污装置是水利工程中常用的机械设备,包括拦污栅、清污机、清淤机等。清污装置的使用,清除了水流中的主要杂物,保证了闸门以及电动机的正常使用[2]。拦污栅采用框栅式结构,一般设在进水口处,用于拦阻水流中夹带的水草、树叶、漂木等杂物(一般称污物),其常常与清污机配合使用[3]。清污机的种类可分为无障碍式、抓斗式、固定式、刮板式、全自动式[4],其作用主要是将拦污栅拦截的杂物清理出去。清淤机主要包括清淤船、水底清淤机器人等[5],用于清理水底的淤泥。

此前,很多学者已经对水闸以及清污清淤机构进行过较为深入的研究。研究主要分为以下两个方面:

(1)水闸方面。SHARAFATI A等人[6]设计了一种混合自适应模糊神经网络模型,提高了对水闸冲刷深度的预测精度。张欣等人[7]利用多源数据融合分析和预测模型等技术,实现了对灌区一体化斗口闸门的智能控制。侯文涛等人[8]从闸门水力性能、过闸流量估算、闸群联合调控技术等方面,对测控一体化闸门的研究重点进行了分析。

(2)清污清淤机构方面。李超洋等人[9]通过改变清污耙斗导向槽的方法,实现了机组不停机式的污物清理方式,提高了水资源的利用率。陈佛生等人[10]从清污机的分类入手,分析了多种类型清污机的工作原理及其特点,为清污机的设计提供了参考依据。WU Xiao-yan等人[11]对水下清污机器人进行了三维建模和调试,完成了对高效智能控制系统可行性的验证。另外,SUH等人[12]对蓄水池清污机器人的效率提升进行了研究。陈远龙等人[13]采用建模仿真的方式,对抓臂式清污机构的动态特性进行了分析,为抓臂式清污机器人的研发提供了理论基础。毛汉领等人[14]对液压清污抓斗进行了运动分析,建立了清污抓斗的模型,并通过优化抓斗设计,提高了抓斗的使用效率。

综上所述,以独立形式对一体化测控水闸和清污清淤机构进行研究的文献较多,而涉及一体化清污清淤水闸的研究较少。为此,笔者结合灌区小型水闸清污的需求,提出一种基于液压伺服控制的一体化清污水闸,并验证该水闸的可行性与可靠性。

1 设计依据及内容

在设计过程中,笔者参考水利行业标准《水闸设计规范SL265-2016》以及灌区一体化清污水闸功能需求,以此来作为其主要依据。

在水闸设计规范中,参考的具体内容为水利设计、防渗排水设计、结构设计规范等。

其中,水利设计包含闸孔总净宽、消能防冲计算以及闸门控制运行方式的拟定;防渗排水设计包括渗透压力计算和排水孔设计等;结构设计包括载荷以及组合和结构应力分析等;管理设计包括调度运行要求以及通信与自动化设置等[15]。

水闸功能需求主要包括拦污、清污、清淤、计量、闸门控制等,因此笔者采用拦污栅、清淤器与水闸一体化设计,并通过液压伺服系统实现控制。其中,拦污栅除了拦污功能,还能将污物通过滚动方式清除出渠道;清淤器能够刷洗渠道底面的淤泥,并通过抽水泵将泥水抽出至过滤装置;闸门控制器能够采集渠道水位、流量数据,并控制闸门的启闭。

2 结构设计与分析

2.1 总体结构

根据水闸设计规范和水闸功能需求,笔者设计了一体化清污水闸的总体结构,并利用SolidWorks软件设计了三维模型(该模型主要由拦污栅、清淤器和闸体组成)。

具体结构如图1所示。

图1 一体化清污水闸总体结构

图1中,拦污栅倾斜45°左右安装于左侧,清淤机位于拦污栅后方导轨上,两者均利用旋转轴和液压缸实现与闸体框架连接;闸门处于机构右侧,通过闸门立柱与闸体框架连接;

另外,控制拦污栅立杆旋转的伺服电机安装于拦污栅顶部,控制清淤器移动的伺服电机安装于液压缸底座附近,通过同步带实现清淤器沿导轨来回运动;水闸控制器、闸门伺服电机、闸位计等安装于闸门上方。

根据一体化水闸在农业灌区小型渠道中的应用要求,笔者确定主要设计指标为:整体宽度0.6 m,长度2 m,拦污栅最大提升垃圾重量20 kg,清淤器清淤速度为50 mm/s,水闸开启最大高度1 m。

2.2 拦污栅

拦污栅是一体化清污水闸的核心机构之一。与传统拦污栅相比,笔者设计的拦污栅自动化程度高,可独立完成拦污、清污功能。其主要由旋转轴、纵向栏杆、旋转轴底座、液压缸和伺服电机等部件组成。

其具体结构如图2所示。

图2中,旋转轴通过可旋转底座与闸体框架相连接,因此拦污栅可在液压缸带动下实现旋转式提升和下降。当液压缸伸长时,拦污栅下降;当液压缸缩短时,拦污栅上升。

拦污栅纵向栏杆的传动结构示意图如图3所示。

图3 拦污栅纵向栏杆传动结构

图3中,纵向栏杆上端利用皮带轮两两相连,最左侧皮带轮与伺服电机相连,下端安装轴承,通过伺服电机驱动实现同方向同步旋转。因此,当拦污栅提升至水平时,再控制纵向栏杆朝某个方向旋转,即可将垃圾运送至渠道旁回收桶内,从而实现水闸附近渠道内全自动垃圾清理的功能;

根据农业灌区小型渠道垃圾类型及尺寸,设计纵向栏杆直径为5 cm,栏杆间隙为1 cm,防止栏杆旋转时垃圾挂住或重新掉至渠道内,具低成本优势。

2.3 清淤器

清淤器用于清除渠道底部淤泥,保障水闸的安全正常运行,也是水闸的核心机构。由于市场上没有安装在水闸上的清淤器,因此,在参考现有清淤设备的基础上,笔者设计了适用于灌区渠道的清淤器结构,其主要由旋转轴、吸嘴、水泵、过滤箱、导轨、可旋转底座、液压缸和伺服电机等部件组成。

其具体结构如图4所示。

旋转轴通过可旋转底座与闸体框架相连接,因此清淤器吸嘴可在液压缸带动下实现旋转式提升和下降。当液压缸伸长时,吸嘴下降;当液压缸缩短时,吸嘴上升。

清淤器毛刷与吸嘴结构示意图如图5所示。

图5中,吸嘴通过3根空心杆连接至旋转轴,其中两侧空心杆为皮带通道,内部设计有皮带轮传动机构,通过伺服电机驱动控制吸嘴内部滚动毛刷清刷渠底淤泥;

中间空心杆为吸管通道,一侧通向吸嘴,一侧通过可伸缩管连接至水泵;水泵再连接至过滤箱,如此将抽取后的泥水过滤变成清水,然后重新进入渠道。过滤箱和水泵则安装在平台上。

2.4 液压缸

液压缸是将液压能转变为机械能,做直线往复运动的液压执行元件,具有结构简单、工作可靠等优点。将其安装在拦污栅和清淤器上作为控制升降的机构,不仅免去了减速装置,并且没有传动间隙,运行十分平稳,有利于拦污栅和清淤器的长久运行。

液压缸安装示意图如图6所示。

图6 液压缸安装示意图

由图6可知,液压缸主要由前端底座、缸体、液压杆和后端底座组成。

2.5 闸体

闸体主要包含闸门、伺服电机、控制箱、以及相关传感器等。由于闸体结构已经非常成熟,此处笔者直接参考一体化测控水闸进行设计。

闸门开启时,清淤器可沿渠道上的轨道来回运行,清除闸门附近渠道底面的淤泥,以保证闸门的正常启闭,提高水量计量精度,延长其使用寿命。

3 受力分析与校核

3.1 液压缸受力分析

液压缸作为装置的核心受力部件,有必要进行受力分析。此处以拦污栅为例,根据液压缸的实际负载情况,绘制出液压缸的非工作状态简图,如图7所示。

图7 非工作状态简图

由图7可知,液压缸后端底座固定,选用HSG型双作用单杆液压缸,尾部吊耳与后端底座铰接,活塞杆吊耳与前端底座铰接,前端底座与拦污栅采用螺栓连接,拦污栅底部与固定基座铰接。

液压缸工作状态受力简图如图8所示。

图8 工作状态受力简图

在实际工作时,拦污栅与渠道底面呈45°夹角,水流流向由左向右,拦污栅主要承受重力G与水流冲力F水。重力为拦污栅自重、漂浮垃圾重量与水的压力(忽略浮力影响)之和,在O点进行受力分析,主要是竖直向下的重力G,水平向右的水流冲力F水和沿着前端底座的支撑力F支。

经受力分析可得:

F支=(F水+G)cosθ1

(1)

式中:θ1—拦污栅与渠道底面夹角;F水—水流冲力;G—总重力。

对O1点进行受力分析,主要是竖直向下的重力G1,沿活塞杆方向的拉力F和支撑力F支,可得:

F=F支cos(θ1-θ2)

(2)

式中:θ2—液压缸与水平位置的夹角;F支—前端底座的支撑力。

其中,G=400 N,F水=200 N,θ1=45°,θ2=5°,将其代入公式,可得液压缸所需拉力为F=325 N。

3.2 液压缸校核

整个装置中受力的主要部件是液压缸,其结构在清淤器和拦污栅工作时的受力情况将直接影响其安全性与稳定性。

笔者采用ANSYS Workbench软件对液压缸进行静力学分析,主要分析它的应力与变形情况。首先,选择材料属性,液压缸结构选定材料为45钢,在Engineeing Data中选取材料structural steel,并更改相应参数;然后,在SolidWorks软件中对液压缸进行建模,另存为x_t格式,导入ANSYS Workbench中;接着,进行网格划分,对模型施加边界条件及载荷;最后,对其进行求解。

3.2.1 模型建立

SolidWorks软件是现在最为常用的三维绘图软件之一,考虑到它与ANSYS软件可以实现无缝衔接,所以笔者利用SolidWorks软件建立液压缸的三维模型,如图9所示。

图9 三维模型

图9中,模型主要参数如下:液压缸缸体直径40 mm,壁厚5.5 mm,活塞杆直径22 mm。

然后,笔者将模型导入ANSYS Workbench中。

3.2.2 材料属性与网格划分

HSG液压缸材料大多为45钢,其弹性模量为220 GPa,泊松比为0.3。

笔者对液压缸进行网格划分,其网格划分效果如图10所示。

图10 网格划分效果

图10中,液压缸采用四面体单元,单元长度为5 mm。其中,笔者对主要受力面进行细密化处理,其指数为2,单元长度2.5 mm,最终划分的结果为:模型节点数44 767个,实体单元数26 037个。

3.2.3 约束和载荷的施加

液压缸约束和载荷的施加情况如图11所示。

图11 液压缸的约束和载荷

在对液压缸进行有限元分析时,为了使其数值解存在且唯一,其两端吊耳的位移需要消除,笔者所以对两吊耳圆柱面施加各个方向的位移约束;

由于液压缸的实际工作压力为0.5 MPa,根据规定的加载方式,笔者对液压缸进行2倍载荷的施加,即对液压缸施加1.0 MPa的力,分别对液压缸缸体内表面、缸体底部和活塞杆底部施加载荷。

3.2.4 液压缸变形情况

经过求解,得到液压缸变形放大图如图12所示。

图12 变形放大图

液压缸受载时,液压缸会出现微小变形,将其变形放大,可以更直观地看出液压缸各部分的变形情况。

从图12中可以看出:两端吊耳的位移为0,说明约束条件与分析的结果是一致的。另外,液压缸主要变形部位发生在缸体内表面上,最大变形发生在缸体内表面靠近活塞杆底部处,且最大变形量是5.5×10-7m,即0.000 55 mm(变形值很小,可以忽略不计),从而验证了液压缸材料选型的正确性。

3.2.5 液压缸等效应力分布情况

液压缸模型的等效应力分布如图13所示。

图13 等效应力分布

从图13中可以看出:缸体内表面受力最大,最大值为4.5×106Pa,约等于4.5 MPa。45钢的屈服强度为315 MPa,所以液压缸的安全系数n为70。

由于45钢的安全系数为1.2～1.5,所以液压缸的设计完全满足应力要求。

3.3 底座校核

一体化水闸装置中主要受力部件还包括液压缸前、后端底座,其结构在拦污栅和清淤器工作时的受力情况将直接影响其安全性与稳定性。

因此,笔者参考液压缸步骤进行校核,得到底座校核分析图如图14所示。

图14 底座校核分析图

图14(a)为底座模型的网格划分后的结果,其中,笔者对主要受力面进行了细密化处理;

图14(b)为底座模型的位移变化趋势,边界条件设置在左端4个圆孔面,载荷施加在右端两圆孔处,方向垂直圆孔轴线向上;载荷大小为F=400 N,最大位移发生在最右侧,最大值为7.427×10-6m(由于位移很小,可忽略不计);

图14(c)为底座模型的等效应力分布图,从中可以看出,底座受力最大处发生在左侧4圆孔处,最大值为1.490 1×107Pa,约等于15 MPa;与45钢的屈服强度315 MPa相比,底座模型所受最大应力远小于材料的屈服强度。由此可见,底座结构满足装置工作时的应力要求。

3.4 液压设备与伺服电机选型

3.4.1 液压设备选型

液压泵和液压缸是一体化清污水闸控制系统的关键机构。液压泵的主要功能是为液压传动提供加压液体,在工作过程中依靠电机驱动;液压缸属于液压系统的末端执行装置,用于控制拦污栅和清淤器的位置。

下面笔者以宽度为0.6 m的拦污栅为例进行计算分析,并假设拦污栅自重和水的压力总重为20 kg,最大清污重量为20 kg。

(1)液压泵选型

液压泵流量计算公式如下[16]:

q=VnηPV

(3)

式中:q—泵流量;V—泵排量;n—泵转速;ηPV—泵效率。

选型时,根据泵排量、泵转速、泵效率,计算得到相应泵流量q2,只要计算得到的泵流量q2大于设计泵流量q1即满足工作要求。

(2)液压缸选型

以拦污栅为例,若是空载时被提升,需要的拉力为F1;若是满载时被提升,需要的拉力为F2。根据液压缸正常工作需要,选择液压缸的缸径D和活塞杆直径d。

根据上述液压缸受力分析结果可知:液压缸拉力F为325 N,液压缸行程L=120 mm,要求液压缸的动作时间t为2 s。取工作压力P为0.5 MPa,可得液压缸的平均速度为0v=60 mm/s。由此可得:

F0=F/β

(4)

式中:F0—理论拉力;F—实际拉力;β—负荷率值。

液压压力P为:

P=F0/A

(5)

式中:A—活塞杆腔面积。

活塞杆腔面积A:

A=π[(D/2)2-(d/2)2]

(6)

式中:D—液压缸缸体直径;d—活塞杆直径。

取d=0.5D,由式(4～6)推导可得:

(7)

由于此处速度较低,负载力较小,所以惯性力较小,故取β=80%,计算得到液压缸缸径D为37.1 mm,所以选择液压缸缸径D为40 mm,活塞杆直径d为20mm。

3.4.2 伺服电机选型

伺服电机按照如下常规原则进行选型:

(1)连续工作扭矩小于伺服电机额定扭矩;

(2)瞬时最大扭矩小于伺服电机最大扭矩;

(3)惯量比小于电机规定的惯量比;

(4)连续工作速度小于电机额定转速。

基于上述原则,笔者以拦污栅纵向栏杆伺服电机为例进行计算、分析与选型[17],其具体步骤如下:

(1)确定传动类型,纵向栏杆伺服电机为同步带传动;

(2)确定同步带轮直径D为0.05 m,质量m为0.25 kg,负载质量W为40 kg,最大速度Vmax为0.2 m/s,同步带效率η为0.95,加速时间t为0.1 s,安全系数为h;

(3)计算总转动惯量,具体公式如下:

JL=JW+JD

(8)

(9)

(10)

式中:JW—负载转动惯量;JD—带轮转动惯量;JL—总转动惯量。

代入参数可得JW=250×10-4kg·m2,JD=0.78×10-4kg·m2(可忽略不计),因此,JL≈JW=250×10-4kg·m2。

若设减速比为i=10,则按照如下公式计算:

JL1=JL/i2

(11)

式中:JL1—伺服电机匹配惯量。

代入i计算可得到JL1=2.5×10-4kg·m2;

(4)预选亿星750 W伺服电机,查表得到电机惯量Jm=2.45×10-4kg·m2,计算惯量比JL1/Jm=1.02;

(5)计算伺服电机额定转速:

N=i*(Vmax/πD)

(12)

式中:N—伺服电机额定转速;Vmax—带轮最大速度;D—同步带轮直径。

代入参数,经计算可得N=12.74 r/s;

(6)计算移动转矩和最大转矩,具体公式如下:

(13)

(14)

式中:Tf—移动转矩;W—负载质量;g—重力加速度;Ta—最大转矩;Jm—电机惯量。

代入参数计算可得Tf=1.05 N·M,Ta=1.45 N·M;

4 液压伺服控制系统

4.1 系统组成

液压伺服控制系统结构框图如图15所示。

图15 系统组成框图

由图15可知:该液压伺服控制系统包括液压系统和伺服系统。其中,液压系统主要由液压驱动器、液压缸、拦污栅和清淤器等组成;伺服系统由伺服驱动器、伺服电机、纵向栏杆、滚动毛刷和闸门等组成。

利用一体化清污水闸控制器可实现液压系统和伺服系统的自动化运行,实现自动清污和清淤功能,保障水闸的安全正常运行。

4.2 PID控制器设计

目前,PID控制算法在工程实践中得到了广泛应用。因此,此处笔者将PID算法用作液压系统的主要控制模型,其具体公式如下:

(15)

笔者以闭式直驱式液压系统为例,结合液压系统本身的特点,以及液压缸运行过程中腔体容积的时变等因素,对直驱式电液伺服系统的动态响应特性和控制精度进行分析[18]。

其PID控制策略框图如图16所示。

图16 闭式直驱式液压系统PID控制策略框图

系统通过控制电机的转速改变液压油泵的输出流量,进而改变油压,最终实现对液压缸速度和精度的控制。

参考闭式直驱式液压控制系统实验平台[19-22],可得到系统传递函数:

(16)

笔者利用MATLAB7.0进行PID控制和非PID控制的系统仿真。

Simulink仿真模型如图17所示。

图17 PID控制和非PID控制的Simulink仿真模型图

PID控制算法中,在液压缸运动初始阶段,P环节可以使其快速响应并达到一定行程;I环节的作用是减小静态时的误差,让液压缸的行程尽可能接近设定值。

当液压缸越接近设定行程,P环节的控制作用就越小,D环节的作用就是让液压缸的速度趋于0,减小误差,提高运行精度。而且Kp越大,调节作用越激进,Kp调小则调节作用更保守;Ki的值越大,积分时乘的系数也就越大,积分效果越明显;Kd参数越大,向速度相反方向的加速度就越大。

结合经验测试和文献查询,笔者设置PID控制器的比例增益Kp为0.3,积分增益Ki为10,微分增益Kd为0.01。

笔者分别对液压系统采用PID控制和非PID控制进行阶跃响应测试仿真,并对输出信号进行对比。

其阶跃响应仿真结果如图18所示。

图18 阶跃响应仿真曲线

根据仿真结果可知:在阶跃响应条件下,采用PID控制的系统曲线在0.38 s左右达到稳定,超调量仅为20%左右,同时稳态误差极小;而非PID控制的系统曲线呈减幅振荡趋势,但在1 s后仍未达到稳定,且超调量超过60%,系统性能较差。

因此,采用PID控制的优势明显,而且通过优化PID控制算法的3个参数能进一步提升系统性能。

由此可见,采用PID控制器能够提高液压缸的跟随能力、响应速度和控制精度,保证拦污栅在清理不同重量垃圾的情况下,尽可能提升至水平位置,将垃圾清理出渠道,以及在清淤器下降时能恰好接触渠道底面,增强清淤效果,保证清污和清淤过程中拦污栅和清淤器的平稳升降与运行。

4.3 控制流程设计

拦污栅清污工作控制流程如图19所示。

图19 拦污栅控制流程

拦污栅多数时间处于自由拦污状态,当达到清污条件时,系统控制液压缸抬起拦污栅至水平状态,然后利用伺服电机控制纵向栏杆朝同一个方向匀速转动,将拦截的垃圾、树叶、树枝等污物清理出渠道。其中,清污条件可灵活设置,可以简单采用定时清理,也可以采用摄像头进行污物的实时监控与图像识别,等待达到一定量后再进行清理。

清淤器工作控制流程如图20所示。

图20 清淤器控制流程

初始条件下,清淤器处于水平状态,吸嘴远离水面且与渠道底面平行。清淤时保持闸门开启,系统控制液压缸下放吸嘴至紧贴渠道底面,然后开启水泵和滚动毛刷进行渠道底面的刷洗并抽出泥水,同时沿着轨道在水闸附近来回运动,直至清淤结束。

5 结束语

在灌区渠道自动化管理中,由于传统水闸无法实现渠道清污和清淤功能,造成水闸损坏和泄露现象。笔者在参考水闸设计规范和管理需求的基础上,提出了一体化清污水闸;该水闸集成拦污栅和清淤器实现了渠道内污物的自动清理,利用PID控制的液压伺服系统提升了动态性能。

研究结果表明:

(1)一体化清污水闸利用拦污栅和清淤器,可实现渠道内污物的自动清理,实现自动化管理;

(2)通过对液压缸等核心机构的受力分析与校核分析,表明一体化水闸的结构符合设计要求;

(3)通过液压伺服测试平台模型的仿真,表明PID控制算法能够提升一体化水闸液压伺服系统的控制性能,保证拦污栅和清淤器的定位精度。

在后续的研究工作中,笔者将对一体化清污水闸进行轻量化设计,以提高拦污栅和清淤器的工作效率;同时,对其液压伺服控制算法进行优化。