卷帘式防鸟装置的研究与应用

于鹏辉，季艳茹，邢 通，陈赫朋

(黄河机械有限责任公司，河南 郑州 450006)

0 引言

南水北调中线工程干渠全长1 432 km，沿线共有53座退水闸站[1]。退水闸站上游的交通桥与水面形成闸室内外空间的通道。由于南水北调中线干渠水质较好，有多种鸟类在附近活动，经常由此通道飞入闸室，在隐蔽处筑巢、孵卵。鸟类活动不仅对闸室内环境造成破坏，且严重影响闸室运行安全，为解决该问题，结合某处退水闸孔口结构，研制了卷帘式防鸟装置。

1 方案比选

退水闸通道宽度6 600 mm，最低水位时露出闸前铺盖，通道高度变化范围1 700～3 650 mm。为阻止鸟类进入退水闸室，对比多种形式、不同材料的拦网，首先考虑最常见的尼龙网，四周使用膨胀螺栓固定在通道三边，试验发现尼龙网孔径太大，不具备拦鸟作用；孔径太小，容易缠绕并伤害鸟类，而且长期雨淋、日晒易造成尼龙网老化损坏，产生废弃塑料污染水体。相比尼龙网，不锈钢丝编织网坚固耐用，但研究发现，有些小体型鸟类会抓住钢丝钻过拦网。此外，不锈钢编织网不能适应闸前水位变化情况。防鸟方案经过数次优化，最终确定采用卷帘式防鸟装置，整个装置安装在交通桥下面，能实现通道全封闭，并根据水位变化调整高度。

2 卷帘式防鸟装置设计

卷帘式防鸟装置示意图见图1，主要包括电机、链传动机构、卷轴、帘片、轨道、弧形护板、操作柜等装置。电机、链传动机构共用座板安装在通道一侧墙上，卷轴横跨通道，一端连接驱动机构，另一端通过墙上轴承支撑，首个帘片沿轴向与卷轴铰接，后续多个帘片相互勾连，卷轴两端下方墙面固定安装轨道。

水位降低，控制驱动机构使卷轴旋转，帘片在重力的作用下沿轨道依次展开；水位升高，控制电机反转，卷轴提升卷帘片，避免水流冲击。在帘片最底端安装一排硅胶片，始终处于半入水状态，既可以达到全封闭的效果，又能消解水流冲力。卷帘式防鸟装置选配倒链电机，停电情况下可以手动升降。轨道使用304不锈钢板制作成特殊形状断面，上游安装弧形护板，改善流态，防止水流直接冲击轨道。

图1 卷帘式防鸟装置示意图

3 帘片有限元静力分析

帘片封闭通道，主要承受风载荷，通道在渠道内边坡上，低于路面，独特的建筑结构使该处受风力影响较小，帘片能正面抵抗5级风即可。帘片采用双层结构的1.3 mm厚的6063-T5铝合金型材，质量轻，强度高。认为风力均匀垂直作用在帘片表面且每个帘片受力相同。单个帘片宽b，高h，则固定时间t内拦截空气质量m计算公式：

m=b×h×v×t×ρ

(1)

已知动量守恒公式：

Ft=m×v

(2)

将式(1)代入式(2)，得到式(3)：

Ft=b×h×v2×t×ρ

(3)

式中：F为单个帘片受到的风载荷，N；t为风载荷作用时间，取1 s；b为单个帘片宽度，6.5 m；h为单个帘片高度，0.1 m；v为5级风最大风速，10.7 m/s；ρ为空气密度，取-10℃干空气，1.342 kg/m3。

计算式(3)得：F=99.87 N。

对帘片进行有限元静力分析。应力分析结果见图2，材料屈服强度215 MPa，最大应力在轨道支撑位置，为142.9 MPa，满足要求；变形云图见图3，最大值在帘片中间位置，为27.18 mm，满足铝型材形变要求。

图2 帘片有限元分析应力云图

图3 帘片有限元分析形变云图

4 卷轴校核

卷轴采用φ140 mm×4 mm钢管制作，两端焊接实心轴，轴承支撑点距离6 540 mm，卷轴重87.31 kg。卷轴悬挂36个帘片，单个帘片重6.76 kg，总重243.36 kg。根据帘片重量和使用工况，使用提升力1 000 kg，功率0.55 kW的驱动机构，经过链传动减速，卷轴转速3.5 r/min。按弯扭合成强度条件校核卷轴，两端轴承具有滑动余量，按照简支梁模型计算弯矩，卷轴和帘片重量视为均布载荷，假设卷轴各处扭矩相等。作出卷轴载荷图见图4，中心断面A为危险截面，校核该处[2]。

参看图4，式(4)计算A处弯矩M：

(4)

计算得M=2 649.17 N·m。

查阅资料[2]，卷轴的扭矩T计算公式：

(5)

式中：P为卷轴的输入功率，0.55 kW；n为卷轴的转速，3.5 r/min。

计算得：T=1 500.71 N·m。

查阅资料[2]，空心轴抗弯截面系数W:

(6)

式中：d为卷轴外径，140 mm；d1为卷轴内径，132 mm。

计算结果：W=56 466.89 mm3。

以第三强度理论计算当量弯曲应力σc：

(7)

式中：α为单向转动系数，取0.6。

将公式(7)单位转换成N、mm计算，得结果：σc=46.92 MPa。乘以安全系数1.3，约为61 MPa，小于碳素钢许用弯曲应力σ0p(70 MPa)，所以，卷轴满足使用要求。

图4 卷轴载荷图

5 防鸟装置的应用

卷帘式防鸟装置于2020年4月安装在南水北调中线干渠某处退水闸(见图5)，其封闭式设计有效地防止了鸟类进入闸站内部。特殊设计轨道适应在水流中使用，帘片最底部用柔性硅胶封闭，有效缓解水流冲击力。

该装置整体外形美观、材料安全、结构可靠，利于闸站卫生管理和标准化建设，以后还可以根据南水北调退水闸需求进行智能化升级改造，具备推广应用价值。

图5 卷帘式防鸟装置现场调试