一種輔助魚類洄游上溯的閘門水下啟閉裝置及啟閉方法與流程

本發明涉及閘門啟閉技術領域，特別涉及一種輔助魚類洄游上溯的閘門水下啟閉裝置及啟閉方法。

背景技術：

閘門通常用于溢流壩、岸邊溢洪道、泄水孔和水工隧洞等水工建筑物，具有攔截水流、控制水位、調節流量、控制航運、排放泥沙和漂浮物等功能。隨著我國經濟的飛速發展，我國建設水利工程的規模越來越大，壩體越來越高。大壩建設對河流生態系統的影響也越來越嚴重，雖然魚閘、升魚機等過魚設施已經運用于中、高水頭水利樞紐，但是由于魚閘和升魚機中的水流與天然河道中的水流其運動方式差別太大，誘魚效果并不理想。魚道是水利樞紐中常用的過魚建筑物，但傳統的魚道一般只適用壩高在20～25m以下的低水頭水利樞紐，且魚上溯過程中需要耗費很大的體能。多級助驅式魚道是一種通過多級水閘啟閉控制多級魚道單元逐漸形成臨時性池室的新型魚道，為了避免閘門啟閉時在水面形成不利于魚類洄游上溯的閘下水躍現象，同時避免閘門升降設備對魚的干擾，通常采用閘門水下啟閉的方式，但閘門水下啟閉對啟閉裝置的防水性要求很高，防水措施處理不好會直接影響到水閘的運行安全。電動升降桿能夠應用于閘門啟閉過程，但是普通的電動升降桿防水性能普遍不佳，難以用于水下環境中的升降作業，限制了其在閘門水下啟閉過程中的應用。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種輔助魚類洄游上溯的閘門水下啟閉裝置及啟閉方法，解決現有電動升降桿水下啟閉閘門時防水性能不足的技術難題，既保障閘門水下啟閉的安全，又輔助洄游魚類及時過壩、提高魚道的過魚效果、保護天然漁業資源。

技術方案：本發明解決其技術問題所采用的一種輔助魚類洄游上溯的閘門水下啟閉裝置及啟閉方法，包括電源線、電動升降桿、水封座和方鋼。

所述電源線連接魚道的控制系統和電動升降桿。魚道由多級臺階式魚道單元組成，魚道單元之間設有調節水位的閘門，每個魚道單元安裝有紅外感應器。控制系統負責接收各個魚道單元的紅外感應器信號并控制各個電動升降桿通斷電的時間和正負極的切換過程。

所述電動升降桿由驅動電機、減速齒輪組、滾珠絲桿、螺母、推桿、導套、內部線路、上限位開關、下限位開關和外殼組成。驅動電機的軸上安裝著齒輪，驅動電機由外接的電源線供電；減速齒輪組由若干個直徑不同的齒輪由大到小相互嚙合組成，其中，最小的齒輪與驅動電機的齒輪相互嚙合，最大的齒輪與滾珠絲桿相互嚙合；滾珠絲桿套接在螺母內并伸入推桿內部，螺母上端與推桿下端固定連接，推桿、滾珠絲桿和螺母共軸。導套包括螺母的卡槽、推桿的伸縮軌道和內部線路的鋪設管道；內部線路設有上限位開關和下限位開關；外殼包裹著導套、驅動電機和減速齒輪組，推桿頂端形狀為上平、下凸的圓盤。

所述水封座由上下兩段圓鋼、油封A、油封B和若干螺栓組成，圓鋼的中心軸線上設有與推桿外徑相同的孔、與油封外徑相同的洞，油封內徑等于孔的直徑，圓鋼的軸線方向上靠近側面位置設有擰螺栓的螺紋，油封A、油封B嵌套在圓鋼的洞內，螺栓擰入圓鋼的螺紋以固定。

所述方鋼套在電動升降桿外側，方鋼的下端和電動升降桿的底部均密封固定在閘室底部，方鋼的上端與電動升降桿的外殼頂端固定，方鋼與電動升降桿之間填充細沙，方鋼的頂部與水封座上段的圓鋼頂部齊平焊接為一體。

在本發明中，所述螺母的卡槽為直角和120°棱角的兩條槽，螺母的外緣由圓弧段、直角段和120°棱角段圍合而成，螺母正好卡入卡槽并能夠在卡槽中上下移動。

在本發明中，所述圓鋼正好外切于所述方鋼；所述水封座上段的圓鋼頂部與方鋼的頂部之間用鐵片焊接密封并涂有防水膠，水封座的上下兩段圓鋼之間涂有粘鋼結構膠。

在本發明中，所述油封A正面向內嵌套在上段圓鋼的洞中，油封B背面向內嵌套在下段圓鋼的洞中，油封A、油封B形成上下同向雙密封結構防止水沿著推桿進入電動升降桿內損壞驅動電機。

在本發明中，所述滾珠絲桿采用優質合金鋼制成，滾珠絲桿的滾道表面經淬火熱處理增強硬度；所述滾珠絲桿和螺母齒面之間為線接觸嚙合，承載能力高于普通交錯軸斜齒輪嚙合。

在本發明中，所述下限位開關位置離推桿底部的距離等于或略大于水封座的上下兩段圓鋼高度總和，防止推桿過度下行損壞電動升降桿。

作為優選，所述螺母的卡槽為直角和120°棱角的兩條槽，螺母的外緣由圓弧段、直角段和120°棱角段圍合而成。

作為優選，所述圓鋼正好外切于所述方鋼。

作為優選，所述水封座上段的圓鋼頂部與方鋼的頂部之間用鐵片焊接密封并涂有防水膠，水封座的上下兩段圓鋼之間涂有粘鋼結構膠。

作為優選，所述油封A正面向內嵌套在上段圓鋼的洞中，油封B背面向內嵌套在下段圓鋼的洞中，以使油封A、油封B形成上下同向雙密封結構。

作為優選，所述滾珠絲桿采用優質合金鋼制成，滾珠絲桿的滾道表面經淬火熱處理增強硬度。

作為優選，所述滾珠絲桿和螺母齒面之間為線接觸嚙合，承載能力高于普通交錯軸斜齒輪嚙合。

作為優選，所述下限位開關位置離推桿底部的距離等于或略大于水封座的上下兩段圓鋼高度總和，防止推桿過度下行損壞電動升降桿。

本發明提供的技術方案還包括基于上述一種輔助魚類洄游上溯的閘門水下啟閉裝置的啟閉方法，其特征在于包括以下步驟：

①非魚類洄游季節時，各級魚道單元的閘門垂直位于相應的魚道單元底部，上游的水流在魚道中不受閘門控制；

②魚類洄游季節時，當魚進入最下游的魚道單元后，該魚道單元外側設置的紅外感應器接收到信號，信號處理系統將探測的信號進行放大、濾波并輸送到控制系統，控制系統接通驅動電機的電源；

③驅動電機開始工作，帶動減速齒輪組最小的齒輪旋轉，減速齒輪組通過相鄰齒輪的驅動傳遞動力，減速齒輪組最大的齒輪驅動滾珠絲桿在螺母內轉動，滾珠絲桿將回轉運動轉化為螺母的直線運動從而推動推桿上升，同時，推桿推動閘門上升擋水，當螺母的120°棱角段觸壓在內部線路的上限位開關時，推桿停止上升運動，閘門達到最高位；

④在閘門上升過程中，魚道單元中的水位升高，相鄰的上游魚道單元中的水位也逐漸升高，魚能夠自然地進入相鄰的上游魚道單元，當上游魚道單元外側設置的紅外感應器接收到信號后，信號處理系統將探測的信號進行放大、濾波并輸送到控制系統，控制系統接通上游該魚道單元的驅動電機的電源；

⑤各個魚道單元的驅動電機按照第③和④步的工作過程驅動相應的閘門上升擋水，逐級抬升水位將魚輸送到大壩上游；

⑥在執行第⑤步的同時，當下游的魚道單元中沒有魚時，紅外感應器長時間接收不到信號，控制系統反向接通驅動電機的電源，滾珠絲桿反向旋轉，推桿和閘門開始下降，當螺母的120°棱角段觸壓在內部線路的下限位開關時，推桿停止下降運動，閘門回到原始位置；

⑦當下一群魚進入最下游的魚道單元后，重復上述過程的啟閉過程。

有益效果：本發明的一種輔助魚類洄游上溯的閘門水下啟閉裝置及啟閉方法，具有以下有益效果：

(1)本發明中的上下同向雙密封結構能夠防止水流沿著推桿進入電動升降桿，水封座頂部與方鋼頂部之間用鐵片焊接密封并涂有防水膠，電動升降桿底部和方鋼下端均密封固定在閘室底部，這些密封措施保障了驅動電機的長期安全運行；

(2)本發明中的電動升降桿下限位開關位移改裝措施使得下限位開關位置離推桿底部的距離等于或略大于水封座的上下兩段圓鋼高度總和，有利于水封座與電動升降桿合理銜接，滿足水封要求，同時，能夠防止推桿過度下行損壞電動升降桿；

(3)本發明中的方鋼與電動升降桿之間填充細沙，方鋼下端固定在閘室底部，減輕了閘門升降過程中發生振動的幅度，能夠避免電動升降桿運行時出現不穩定晃動而損壞推桿；

(4)本發明中的防水技術和電動升降桿下限位開關改造技術使得普通電動升降桿能夠應用于閘下水下啟閉作業，對促進電動升降桿的生產工藝創新和拓展應用范圍具有重要意義。

附圖說明

圖1是本發明的輔助魚類洄游上溯的閘門水下啟閉裝置結構示意圖；

圖2是圖1中的電動升降桿結構示意圖；

圖3是圖1中的兩個水封座分離時的結構示意圖；

圖4是圖1中的油封結構示意圖；

圖5是本發明的閘門水下啟閉裝置運行環境示意圖。

圖中：1-電源線，2-電動升降桿，21-驅動電機，22-減速齒輪組，23-滾珠絲桿，24-螺母，25-推桿，26-導套，270-內部線路，271-上限位開關，272-下限位開關，28-外殼，3-水封座，30-圓鋼，301-孔，302-洞，31-油封A，32-油封B，33-螺栓，4-方鋼，5-魚道單元，51-紅外感應器，52-閘門，6-控制系統。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

實施例：

如圖1至圖5所示，本發明的一種輔助魚類洄游上溯的閘門水下啟閉裝置，包括電源線、電動升降桿、水封座和方鋼。

如圖1和圖5所示，電源線1連接魚道的控制系統6和電動升降桿2。魚道由多級臺階式魚道單元5組成，魚道單元5之間設有調節水位的閘門52，每個魚道單元5安裝有紅外感應器51。控制系統6負責接收各個魚道單元5的紅外感應器51信號并控制各個電動升降桿2通斷電的時間和正負極的切換過程。

如圖1、圖2和圖5所示電動升降桿2由驅動電機21、減速齒輪組22、滾珠絲桿23、螺母24、推桿25、導套26、內部線路270、上限位開關271、下限位開關272和外殼28組成。驅動電機21的軸上安裝著齒輪，驅動電機21由外接的電源線1供電，減速齒輪組22由若干個直徑不同的齒輪由大到小相互嚙合組成，其中，最小的齒輪與驅動電機21的齒輪相互嚙合，最大的齒輪與滾珠絲桿23相互嚙合。滾珠絲桿23套接在螺母24內并伸入推桿25內部，滾珠絲桿23采用優質合金鋼制成，滾珠絲桿23的滾道表面經淬火熱處理增強硬度，滾珠絲桿23和螺母24齒面之間為線接觸嚙合。螺母24上端與推桿25下端固定連接，推桿25、滾珠絲桿23和螺母24共軸。導套26包括螺母24的卡槽、推桿25的伸縮軌道和內部線路270的鋪設管道，螺母24的卡槽為直角和120°棱角的兩條槽，螺母24的外緣由圓弧段、直角段和120°棱角段圍合而成，螺母24正好卡入卡槽并能夠在卡槽中上下移動。內部線路270設有上限位開關271和下限位開關272，下限位開關272位置離推桿25底部的距離等于或略大于水封座3的上下兩段圓鋼30高度總和，防止推桿25過度下行損壞電動升降桿2。外殼28包裹著導套26、驅動電機21和減速齒輪組22，推桿25頂端與閘門52固定。

如圖1、圖3和圖4所示，水封座3由上下兩段圓鋼30、油封A 31、油封B 32和若干螺栓33組成，上下兩段圓鋼30之間涂有粘鋼結構膠，圓鋼30的中心軸線上設有與推桿25外徑相同的孔301、與油封外徑相同的洞302，油封內徑等于孔301的直徑，圓鋼30的軸線方向上靠近側面位置設有擰螺栓33的螺紋，油封A 31、油封B 32嵌套在圓鋼30的洞302內，螺栓33擰入圓鋼30的螺紋以固定。油封A 31正面向內嵌套在上段圓鋼30的洞302中，油封B 32背面向內嵌套在下段圓鋼30的洞302中，油封A 31、油封B 32形成上下同向雙密封結構防止水沿著推桿25進入電動升降桿2內損壞驅動電機21。

如圖1所示，方鋼4套在電動升降桿2外側，方鋼4的下端和電動升降桿2的底部均密封固定在閘室底部，方鋼4的上端與電動升降桿2的外殼28頂端固定，方鋼4與電動升降桿2之間填充細沙，方鋼4的頂部與水封座3上段的圓鋼30頂部齊平焊接為一體。方鋼4正好內切于圓鋼30，方鋼4的頂部與水封座3的上段圓鋼30頂部之間用鐵片焊接密封并涂有防水膠。

本實施例中，通過上下兩段圓鋼30封閉油封A 31和油封B 32形成同向雙密封結構的水封座3，防止水沿著推桿25進入電動升降桿2內損壞驅動電機21；通過在電動升降桿2外側套接方鋼4，并將方鋼4的下端和電動升降桿2的底部均密封固定在閘室底部，將方鋼4的頂部與水封座3上段的圓鋼30頂部齊平焊接為一體，防止水進入方鋼4從電動升降桿2底部滲入驅動電機21。同時，將方鋼4的上端與電動升降桿2的外殼28頂端固定，方鋼4與電動升降桿2之間填充細沙，減少閘門52啟閉時發生振動而損壞啟閉裝置。

本實施例中，閘門52及其啟閉裝置始終處于水下環境。魚進入魚道之前，各級魚道單元5的閘門52垂直位于相應的魚道單元5底部，魚道中的水流不受閘門52控制。當魚進入魚道單元5后，通過紅外感應器51接收信號，信號處理系統將探測的信號進行放大、濾波并輸送到控制系統6，控制系統6接通驅動電機21的電源，驅動電機21開始工作，帶動減速齒輪組22最小的齒輪旋轉，減速齒輪組通過相鄰齒輪的驅動傳遞動力，減速齒輪組最大的齒輪驅動滾珠絲桿23在螺母24內轉動，滾珠絲桿23將回轉運動轉化為螺母24的直線運動從而推動推桿25上升，同時，推桿25推動閘門52上升擋水，當螺母24的120°棱角段觸壓在內部線路270的上限位開關271時，推桿25停止上升運動，閘門52達到最高位，實現水下啟閉裝置的開啟過程。當魚道單元5中沒有魚時，紅外感應器51長時間接收不到信號，控制系統6反向接通驅動電機21的電源，滾珠絲桿23反向旋轉，推桿25和閘門52開始下降，當螺母24的120°棱角段觸壓在內部線路270的下限位開關272時，推桿25停止下降運動，閘門52回到原始位置，實現水下啟閉裝置的關閉過程。

一種基于上述輔助魚類洄游上溯的閘門水下啟閉裝置的啟閉方法，是在對電動升降桿2進行水下防水改造及限位改裝后應用到魚道單元5水下環境輔助魚類洄游上溯的方法，通過驅動電機21的齒輪轉動產生扭力帶動推桿25上下伸縮啟閉閘門52，本實施例中啟閉方法包括以下步驟：

①非魚類洄游季節時，各級魚道單元5的閘門52垂直位于相應的魚道單元5底部，上游的水流在魚道中不受閘門52控制；

②魚類洄游季節時，當魚進入最下游的魚道單元5后，該魚道單元5外側設置的紅外感應器51接收到信號，信號處理系統將探測的信號進行放大、濾波并輸送到控制系統6，控制系統6接通驅動電機21的電源；

③驅動電機21開始工作，帶動減速齒輪組22最小的齒輪旋轉，減速齒輪組通過相鄰齒輪的驅動傳遞動力，減速齒輪組最大的齒輪驅動滾珠絲桿23在螺母24內轉動，滾珠絲桿23將回轉運動轉化為螺母24的直線運動從而推動推桿25上升，同時，推桿25推動閘門52上升擋水，當螺母24的120°棱角段觸壓在內部線路270的上限位開關271時，推桿25停止上升運動，閘門52達到最高位；

④在閘門52上升過程中，魚道單元5中的水位升高，相鄰的上游魚道單元5中的水位也逐漸升高，魚能夠自然地進入相鄰的上游魚道單元5，當上游魚道單元5外側設置的紅外感應器51接收到信號后，信號處理系統將探測的信號進行放大、濾波并輸送到控制系統6，控制系統6接通上游該魚道單元5的驅動電機21的電源；

⑤各個魚道單元5的驅動電機21按照第③和④步的工作過程驅動相應的閘門52上升擋水，逐級抬升水位將魚輸送到大壩上游；

⑥在執行第⑤步的同時，當下游的魚道單元5中沒有魚時，紅外感應器51長時間接收不到信號，控制系統6反向接通驅動電機21的電源，滾珠絲桿23反向旋轉，推桿25和閘門52開始下降，當螺母24的120°棱角段觸壓在內部線路270的下限位開關272時，推桿25停止下降運動，閘門52回到原始位置；

⑦當下一群魚進入最下游的魚道單元5后，重復上述過程的啟閉過程。

本發明的一種輔助魚類洄游上溯的閘門水下啟閉裝置及啟閉方法適用于水下啟閉閘門，能夠在啟閉裝置內部營造出無水環境，保障普通電動升降桿水下作業的安全性，提高多級助驅式魚道的過魚效率，保護洄游性魚類順利上溯產卵，有利于保護天然漁業資源、保障河流水生生態系統的連續性和多樣性。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。