水利水电工程清污机模块化和系列化设计的研究及应用

2022-07-28陈佛生

机电工程技术 2022年6期

陈佛生

（1.广东江海机电工程有限公司，广州 510500；2.广东省建筑机械厂有限公司，广州 510500）

0 引言

在水资源开发与利用的水利水电工程中，水流一般都是流过山区和城市，开放式水流通常汇集并携带了大量的污物，这些污物被设在进水口处的拦污栅阻拦[1]。为了提高水资源的利用效率、保证工程及设备运行安全，通常都会在进水口处设置清污机[2]，用于清理被拦下的污物。水利水电工程因工程功能及其进水口布置不同，往往需要选择不同型式的清污机[3]。

国内对清污机的研究大多针对某一特定用途、特定结构研制对应的清污机。江宁等[4]研究了不同孔口尺寸回转式清污机的零部件尺寸系列化问题。陈佛生、岳桢等[5-6]介绍了不同布置的几款清污机。上述文献虽然介绍了单一型式清污机的系列化和不同型式清污机的应用情况，但没有涉及到如何提高清污机适应不同布置和零部件通用性的问题。

水利水电工程清污机属于非标设备，本文将以液压耙斗式清污机为例，介绍如何应用模块化设计方法，对模块进行划分[7]、关键模块设计、模块组合和装配，以及选择合理的参数作为设计输入来进行系列化设计[8]，以实现解决清污机及其零部件的通用性、适用性差、制造成本高和如何快速构建产品体系的等问题。

1 非标产品的模块化与系列化设计

1.1 模块化设计

在非标机械中，模块化设计是提高零部件的通用性最有效的办法之一。模块化设计是对一定范围内不同功能、或功能相同而性能不同、不同规格的产品进行功能分析并划分模块，再通过横系列化、纵系列化、横系列和跨系列、全系列模块化以及全系列和跨系列这5 种主要的设计方式[9]，设计出一系列模块，再通过不同模块的组合、装配成不同的产品，以满足市场对产品的个性化、差异化需求。非标机械的模块化设计，至少可达到以下几个目的：一是将产品分解成通用部件、通用零件，以实现将单件产品的生产转化成小批量部件、中批量零件的生产，以降低生产成本；第二是通过模块化设计，解决零部件在不同产品间的通用性问题；第三是提高非标产品的设计效率；第四是针对特定功能细分并设计成独立的模块，可解决产品使用过程中局部损坏后的维护和更换问题。在非标机械产品设计中，模块化设计主要包括对产品按目的进行模块划分，通常划分成结构模块（接口模块）、功能模块、安全模块，然后对各模块进行设计，最后对模块进行组合及装配。

1.2 系列化设计

非标机械系列化设计是对产品参数、型式、尺寸、基本结构等作出合理的安排与计划，以协调同类产品和配套产品之间的关系。通过对结构相同、主要指标参数不同的产品或零部件进行一系列尺寸或参数设计，通过改变关键参数以形成型号不同的零部件或设备，可快速构建同类产品不同规格的产品体系。系列化设计最重要的工作是选择核心的驱动参数，设计不同型号、不同力学指标的一系列模块。如在清污机中，清污宽度是清污机的最核心的设计参数，其决定了清污机的启闭力、清污容积等参数。

2 液压耙斗式清污机的模块化设计

2.1 模块划分

清污机的模块划分应考虑模块的通用性、制造的批量化和使用过程中维护的便利性等要求，划分详细程度应当适宜。在划分过程中，通常将其划分为结构模块、功能模块、安全模块3 个一级模块，然后根据不同目的决定是否需要对各级模块再度划分成更小的模块，如图1所示。

图1 液压耙斗式清污机模块划分

2.2 关键模块设计

2.2.1 抓污模块

抓污模块包括行走及导向模块、一组定耙、若干段动耙及耙斗耙齿，是实现清污功能的载体和适应不同孔口型式、决定清污机型号的关键模块。通过对水利水电工程污物特点和耙斗清污的研究[10-11]，液压耙斗的动耙分段是保证清污效果最有效的技术手段之一，动耙分段与耙斗开合模块一起构建一种自动适应污物布置的智能化液压耙斗，由抓污模块和耙斗开合模块组成的液压耙斗如图2所示。

图2 液压耙斗

因水利水电工程进水口处的污物堆积具有形状和堆积状态的不规则性、分布的不均匀性、堆积的密实性及水底污物的不可见性等特点[10]，在使用过程中耙齿容易损坏[1]，为此，在模块化设计时，为了提高耙齿维护的便利性，充分利用不同材料的力学性能，宜将定耙和动耙的耙齿设计成可拆卸的组合式结构[12]。

2.2.2 耙斗开合模块

在清污过程中，耙斗要在水上先打开，待进入水下并插入污物后闭合，以抓取并压缩污物，耙斗的开合是通过液压系统[13]来实现的。耙斗的开合时间与整个清污过程的时间相比，开合所占用的时间几乎可以忽略。为了提高开合模块的通用性，特别是提高液压泵站和执行元件的通用性，如只要清污宽度在一定的范围内，均可以选用同一套液压泵站和相同规格的执行元件，以降低其制造成本并提高零件的互换性，为此，适宜将耙斗开合模块划分成液压泵站、执行元件和连接管路。如图3所示，不同清污宽度的液压耙斗的开合模块分别设置了4 条、3 条和2 条液压油缸（执行元件），但采用的是同一套液压泵站。

图3 不同清污宽度的耙斗开合模块

2.2.3 供电模块

耙斗开合模块中的液压泵站是整体的密封结构，其内部包括电动机和电磁换向阀等。液压泵站固定在耙斗的定耙上，随耙斗同步升降，耙斗的开合是通过多芯潜水电缆来传递动力及控制指令来实现的。

液压泵站供电系统如图4 所示，主要包括电缆卷筒、潜水电缆、水密封接头。电缆卷筒固定在清污机结构模块上，设计时应选择具有打滑功能的电缆卷筒，其滑环的环数应大于动力电缆和控制电缆的根数之和，最大卷取（释放）速度应大于耙斗升降的最大速度，并在最大升降速度范围内可自动打滑，保证电缆不承受过大的拉力，保证收放速度与耙斗升降速度一致。潜水电缆和水密封接头为一体结构，具有防水功能，潜水电缆通过水密封接头与液压泵站密封连接，使其在运行过程中不会因进水而出现漏电现象。潜水电缆及其水密封接头的环数应根据电机和控制指令及信息反馈通道数量之和进行选择，图3 所示的液压系统的电缆芯数建议不少于13芯。潜水电缆应带有钢丝绳，防止在耙斗升降过程中，起升钢丝绳与电缆收放不同步时，电缆出现承受较大拉力而被拉断的现象。

图4 液压泵站供电模块

2.2.4 结构模块

结构模块是各功能模块安装或支撑的基础，也是适用不同工程布置的关键模块，在水利水电工程耙斗式清污机中，根据结构模块的型式和是否可以移动，通常分成门式、台车式、悬挂式（此3 种常为移动式）和固定式清污机。

3 液压耙斗式清污机的系列化设计

根据《水利水电工程清污机型式基本参数技术条件》（SL 382-2007），清污宽度是确定清污机型号的关键参数。

液压耙斗式清污机的系列化设计主要包括根据清污宽度（耙斗长度）确定耙斗的动耙的分段数量和启闭容量等参数。为追求较好的清污效果，液压耙斗应根据不同的工程种类，按长度0.8～2 m 为一段对耙斗动耙进行分段，耙斗重20～30 kN/m，耙斗质量占整体启闭力的50%～70%等方面进行系列化设计，如清污宽度为2.5 m的水电站清污机，耙斗动耙宜分成两段，每段约为1.2 m，耙斗总质量为40～60 kN，启闭力为2×40～2×50 kN。不同清污宽度的液压耙斗式清污机系列化参数如表1所示。

表1 不同清污宽度的液压耙斗式清污机系列化参数

4 模块选择与装配及其应用

将液压耙斗式清污机划分成各种模块后，借助三维设计软件的实体建模和系列化设计功能对各模块进行设计，然后根据工程布置、技术要求和标准规范进行模块选择和装配，通过不同模块的组合、装配成不同型式的清污机。

4.1 门式清污机

门式清污机的结构模块为门式，配备图1所示模块，常用在需要来回于多个孔口的移动式清污，通常兼有启闭拦污栅、清污甚至更多的功能，如图5（a）所示。在水电站等工程中，通常会设置一台门式启闭机来启闭闸门和拦污栅，这时只要在门式启闭机上增加清污功能模块，便可利用门式启闭机清污，使门式启闭机功能更加多样化、集成化。门式清污机的多个功能和安全模块，亦可以通过横系列和跨系列设计，将对应的功能模块（如行走模块、安全模块等）应用于各类启闭机、起重机上，将模块化零部件最大程度应用在不同的产品中，形成批量化生产，以降低成本。

图5 不同型式的液压耙斗式清污机

4.2 台车式清污机

台车式清污机一般应用于泵站等各类带排架的水利水电工程中，清污机的结构模块为台车式，配备图1 所有的模块，常用在需要来回于多个孔口的移动式清污，通常兼有启闭拦污栅、清污甚至更多的功能，如图5（b）所示。台车式清污机模块化设计、应用与门式清污机相似，不同之处在于门式清污机不需要设置钢筋混凝土排架，通过门架自身的高度便能实现卸污或将闸门、拦污栅提出门槽、栅槽。