開敞式泄洪閘液壓啟閉機設(shè)計與研究

□毛明令 □楊 立 □紀(jì)冬麗 □李 鵬（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司 河南省水利水電工程建設(shè)質(zhì)量檢測監(jiān)督站）

1 概述

西霞院反調(diào)節(jié)水庫作為黃河小浪底水利樞紐的配套工程，位于黃河干流中游河南省境內(nèi)，其上游16km為小浪底水利樞紐，距洛陽33 km。開發(fā)任務(wù)以反調(diào)節(jié)為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧灌溉、供水等綜合利用，電站總裝機容量140MW。

西霞院反調(diào)節(jié)水庫由攔河大壩、21孔泄洪閘、9孔排沙閘、4臺發(fā)電機組設(shè)12孔電站進水口和8孔電站尾水口、5孔引水閘等主要建筑物組成。

2 啟閉機布置與組成

2.1 液壓啟閉機的布置

根據(jù)開敞式泄洪閘工作閘門的布置，液壓啟閉機油缸布置在每孔兩側(cè)的閘墩上，上部通過球面自潤滑關(guān)節(jié)軸承與埋設(shè)在閘墩上的支鉸埋件連接，下部通過球面自潤滑關(guān)節(jié)軸承與閘門吊耳連接。液壓泵站及電氣控制柜等布置在閘墩頂部的啟閉機室內(nèi)。

啟閉機采用雙吊點單作用液壓啟閉機操作，啟閉容量為2×1500kN，工程行程為4.10m，設(shè)計行程為4.30m。每兩扇閘門的油缸共用1套液壓泵站，各自設(shè)置獨立的閥組和控制單元，14扇閘門共設(shè)置7套泵站。

2.2 液壓啟閉機的組成

開敞式泄洪閘工作閘門2×1500kN液壓啟閉機由油缸、缸旁閥組、支鉸埋件行程檢測裝置、上下極限位置控制開關(guān)、液壓泵站、電控設(shè)備、油管及附件等組成。

液壓泵站采用旁置式，油泵電機組水平放置在安裝底座上，與油箱采用避震喉連接。控制閥組布置在油箱頂面，便于檢修和操作。油箱側(cè)面放置接線端子箱，泵站的控制電纜均接入端子箱。啟閉機具有現(xiàn)地和遠控功能，現(xiàn)地電控柜和液壓泵站布置在壩頂啟閉機室內(nèi)，以便操作和觀察，同時液壓和電氣信號傳至遠方集控室，實現(xiàn)遠方集中控制。

3 液壓啟閉機的主要技術(shù)參數(shù)

開敞式泄洪閘工作閘門液壓啟閉機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 開敞式泄洪閘工作閘門液壓啟閉機主要技術(shù)參數(shù)表

4 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

液壓泵站由不銹鋼油箱、液位計、空氣濾清器、液位傳感器、吸油過濾器、回油濾油器、油泵電機組、控制閥塊等組成。

4.1 油泵空載啟動

油泵電機組啟動過程中，延時10 s后，根據(jù)所需執(zhí)行操作情況，使相應(yīng)的電磁閥得電，系統(tǒng)空載啟動建壓完成。

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4.2 方向控制回路

本系統(tǒng)的方向控制回路主要采用三位四通電液換向閥，根據(jù)所需執(zhí)行操作情況，打開相應(yīng)回路，實現(xiàn)系統(tǒng)的方向控制。

4.3 速度及同步控制回路

本機為雙吊點單作用液壓啟閉機，液壓系統(tǒng)采用流量調(diào)速閥加整流板和比例調(diào)速閥加整流板并聯(lián)組成速度及同步控制回路，控制每扇閘門兩只油缸的啟閉速度，同時實現(xiàn)雙缸的同步運行控制。當(dāng)兩只油缸的同步誤差超過5mm時，PLC發(fā)出糾偏信號通過調(diào)整比例調(diào)速閥的開度，改變該油缸的速度，實現(xiàn)與另一只油缸的運行同步。

4.4 液壓鎖緊回路

液壓鎖緊回路由單向閥和液控單向閥組成，可滿足閘門局部開啟和任意位置停機鎖定的要求。

4.5 油泵電機組

每套液壓泵站設(shè)2套油泵電機組，互為備用，為冷備用方式。

5 液壓缸設(shè)計

5.1 缸體和活塞桿

缸體的設(shè)計主要考慮了能夠長期承受額定工作壓力及短期動態(tài)試驗壓力而不產(chǎn)生永久性變形。缸體的材料為45號鋼，采用整根無縫鋼管加工而成，缸筒法蘭采用堆焊處理，要求不對接。

活塞桿除考慮有足夠的強度、剛度外，還考慮了活塞桿的防腐要求。活塞桿采用鍍硬鉻方式進行表面處理，活塞桿的材料為45號鋼，熱處理工藝為正火處理，活塞桿直徑為220mm。

5.2 密封圈

油缸的動密封采用MERKEL公司的V型組合密封圈，該密封圈密封性能好、承壓能力高、耐磨性強、低摩擦、抗老化，壽命可達10a以上。靜密封采用MERKEL公司的O型密封圈。為防止外界細小雜質(zhì)對油缸及密封圈的損害，在端蓋處還設(shè)置了MERKEL公司的防塵圈。

5.3 導(dǎo)向帶

活塞和活塞桿的導(dǎo)向采用MERKEL公司的非金屬導(dǎo)向環(huán)，材料為HGW。該非金屬導(dǎo)向環(huán)承載能力高，易于扣壓裝配，金屬與塑料材料配合，可有效防止“滯塞”和“咬死”現(xiàn)象。由于該導(dǎo)向套為標(biāo)準(zhǔn)配件，相比青銅導(dǎo)向套成本低廉，檢修方便，且易于更換。

5.4 吊頭

吊頭作為液壓啟閉機的主要受力部件，設(shè)計上除滿足強度要求外，還從制造工藝方面進行了考慮。吊頭可采用鑄造工藝和鍛造工藝，鑄造易于鑄出比較復(fù)雜形狀的吊頭，鍛造則相對鍛出形狀簡單的吊頭；鑄造相比鍛造毛坯缺陷較多。該啟閉機吊頭結(jié)構(gòu)簡單，故采用鍛造工藝，材料為40Cr。

5.5 刮污環(huán)

為防止外界雜質(zhì)對油缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)及密封圈等零件的損傷，在油缸端蓋后部設(shè)置了青銅刮污環(huán)。由于青銅材質(zhì)較軟，可以防止刮污環(huán)對活塞桿的損害。

6 設(shè)計特點

6.1 油缸安裝支撐形式

為了便于安裝和補償安裝誤差，油缸吊頭與支鉸埋件和閘門吊耳的連接采用了球面自潤滑關(guān)節(jié)軸承的連接形式，關(guān)節(jié)軸承沿其徑向中心線的擺動角度為±1°，同時軸承兩端設(shè)有密封裝置，可以適應(yīng)潮濕環(huán)境。

6.2 內(nèi)置式行程測量系統(tǒng)

根據(jù)安裝形式，行程測量裝置分為外置式和內(nèi)置式兩種。外置式是指將行程測量裝置安裝在油缸的外側(cè)，特點是安裝、檢修方便，但是容易受外界環(huán)境的干擾，影響其測量精度。內(nèi)置式指行程測量裝置安裝在油缸內(nèi)部，不易受外界影響，測量準(zhǔn)確可靠。本機采用的是德國巴魯夫的微脈沖位移傳感器，型號為BTL5-E17-M4400，輸出信號為0～20 mA的模擬信號，最大線性誤差為±0.02%，防護等級為IP67。傳感器固定安裝在上蓋，感應(yīng)測桿通過套管穿在活塞桿內(nèi)部，感應(yīng)磁環(huán)安裝在活塞上，磁環(huán)跟隨活塞移動在測桿上滑動，達到行程測量的效果。

6.3 同步糾偏系統(tǒng)

雙吊點液壓啟閉機，同步控制是保證閘門正常工作的關(guān)鍵技術(shù)。水利工程中常用的同步控制技術(shù)主要有3種：一是旁通泄油糾偏控制（開環(huán)控制）；二是電液比例流量糾偏控制（閉環(huán)控制）；三是電液伺服閥糾偏控制。

旁通泄油糾偏控制主要是通過在液壓缸壓油管路上旁路設(shè)置一電磁換向閥，通過雙缸設(shè)置的行程檢測系統(tǒng)，檢測雙缸運行偏差，根據(jù)偏差信號，開啟電磁換向閥調(diào)節(jié)雙缸的相對速度，以達到同步糾偏的效果。該技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、成本低，但同步糾偏精度不高。

電液比例流量糾偏控制主要是通過流量調(diào)速閥和比例調(diào)速閥并聯(lián)組成的同步糾偏控制技術(shù)。根據(jù)偏差信號，利用連續(xù)的電信號量通過比例調(diào)速閥調(diào)節(jié)流量，以達到同步糾偏的效果。該技術(shù)控制系統(tǒng)具有簡單、精度高、連續(xù)調(diào)節(jié)性能強、互換性強、成本較低等特點，常被用于雙缸同步控制的閉環(huán)控制。

電液伺服閥糾偏控制是利用電氣模擬信號控制的電液伺服閥作為流量控制的系統(tǒng)。它是自動控制系統(tǒng)中的功率轉(zhuǎn)換或信號放大元件，能將小功率的電信號轉(zhuǎn)換成大功率的油液輸出信號，電液伺服閥能與位移、速度和壓力等傳感器組成高精度的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該技術(shù)動、靜態(tài)特性高，控制精度高。

依據(jù)上述分析，綜合考慮，本機采用的是電液比例流量糾偏閉環(huán)控制系統(tǒng)。

7 結(jié)語

小浪底西霞院反調(diào)節(jié)水庫14孔開敞式泄洪閘工作閘門2×1500 kN液壓啟閉機已投入運行多年，設(shè)備運行良好，設(shè)備各項性能指標(biāo)均達到了設(shè)計要求。