液壓傳動(dòng)在水利水電工程中的應(yīng)用

張博軒+羅紅英+白軍+姜梅

摘 要：液壓技術(shù)憑借其傳動(dòng)效率高、工況穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)被廣泛認(rèn)可，在水利水電工程中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。文章以閘門(mén)啟閉機(jī)、水輪機(jī)調(diào)節(jié)（調(diào)速器、過(guò)速保護(hù)）為例，通過(guò)原理概述、列舉實(shí)例介紹液壓傳動(dòng)技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)做出分析，為水利水電工程的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：液壓傳動(dòng)；水利水電工程；機(jī)組調(diào)節(jié)；液壓?jiǎn)㈤]機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH137.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）26-0161-02

1 液壓傳動(dòng)概述

液壓傳動(dòng)是機(jī)械工程中常用的傳動(dòng)方式之一。相比其他傳動(dòng)方式，液壓傳動(dòng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如力矩大，輸出相同功率的情況下電動(dòng)機(jī)的慣量是液壓馬達(dá)的50倍，而獲得相同的加速度電動(dòng)機(jī)所需功率是液壓馬達(dá)的1.25倍；體積小、重量輕，液壓馬達(dá)的體積僅是電動(dòng)機(jī)的1/20，重量?jī)H是電動(dòng)機(jī)的1/10；傳動(dòng)簡(jiǎn)單，液壓傳動(dòng)可以將動(dòng)力直接傳遞到目標(biāo)位置，不需要中間環(huán)節(jié)的聯(lián)系[1]。

液壓傳動(dòng)是水利水電工程中傳遞動(dòng)力的主要方式，在閘門(mén)啟閉、升降船只、機(jī)組調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮重要作用。液壓傳動(dòng)在水利水電工程中的應(yīng)用十分普遍，對(duì)其研究也有很多，其中多以液壓技術(shù)在啟閉機(jī)和機(jī)組調(diào)節(jié)中的應(yīng)用研究為主，如李力強(qiáng)、張明松等對(duì)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在水電站中的應(yīng)用的研究[2][3]，通過(guò)液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備的應(yīng)用實(shí)例，闡述了液壓傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。唐江友針對(duì)過(guò)速保護(hù)應(yīng)用的研究[4]，根據(jù)過(guò)速保護(hù)裝置在電站中的應(yīng)用現(xiàn)狀和施工問(wèn)題，討論了在今后的發(fā)展趨勢(shì)。這些研究為液壓技術(shù)應(yīng)用到水利水電工程中做出巨大貢獻(xiàn)。啟閉機(jī)是水電站壩體上的常用設(shè)備，用于壩體閘門(mén)的升降，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)是采用液壓穿銷(xiāo)的方式控制多扇閘門(mén)，利用液壓缸的缸筒或活塞桿的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)閘門(mén)吊耳的連接與分離，再通過(guò)起重機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的升降[3]。在機(jī)組調(diào)節(jié)方面，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)允許范圍時(shí)，機(jī)械液壓過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)會(huì)直接啟動(dòng)液壓回路，觸動(dòng)導(dǎo)葉接力器的開(kāi)關(guān)，使活動(dòng)導(dǎo)葉關(guān)閉，同時(shí)阻斷進(jìn)水通路，使機(jī)組停止運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。調(diào)壓閥也是一種油壓控制裝置，通過(guò)油壓裝置控制調(diào)節(jié)閥接力器、導(dǎo)葉接力器動(dòng)作，最終使導(dǎo)葉關(guān)閉[5]。

2 液壓技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用

作為一種高效的傳動(dòng)方式，液壓傳動(dòng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了水利水電工程的方方面面。這里僅以液壓?jiǎn)㈤]機(jī)和調(diào)節(jié)保護(hù)液壓系統(tǒng)為例，舉例說(shuō)明液壓技術(shù)在這些方面的應(yīng)用。

2.1 在啟閉機(jī)中的應(yīng)用

水利工程在啟閉閘門(mén)方面多采用液壓傳動(dòng)的方式，良好的應(yīng)用了液壓傳動(dòng)的傳動(dòng)比高、工作穩(wěn)定、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。在性能方面和經(jīng)濟(jì)方面也有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用到我國(guó)各類(lèi)水電站中。

大型水電站：如三峽水利工程中，選用的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)具有規(guī)格大、數(shù)量多、技術(shù)水平高、制造難度大等特點(diǎn)。這些液壓?jiǎn)㈤]機(jī)都安裝在泄洪、通航、發(fā)電等關(guān)鍵部位，啟閉機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到三峽工程的整體效益。為方便泄洪。在泄洪壩段，設(shè)置了有23個(gè)泄洪深孔和22個(gè)導(dǎo)流底孔的弧形工作閘門(mén)，這些閘門(mén)的啟閉均是由液壓傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的；為實(shí)現(xiàn)通航。三峽船閘每線(xiàn)閘首對(duì)稱(chēng)布置中間支撐雙向擺動(dòng)、雙作用、臥式安裝的液壓直聯(lián)式人字門(mén)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，共有24臺(tái)。在每線(xiàn)船閘閘首兩側(cè)的閥門(mén)頂部布置下部銷(xiāo)軸豎缸式輸水閥門(mén)啟閉機(jī)，也是24臺(tái)[1]。在每線(xiàn)船閘閘首處設(shè)置一個(gè)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)機(jī)房，并在每個(gè)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置一個(gè)泵站。人字門(mén)與輸水廊道反弧門(mén)共用一組液壓系統(tǒng)，不僅便于操縱控制，還能節(jié)省投資[6]。該液壓系統(tǒng)設(shè)置了傳感設(shè)備，并結(jié)合PLC自動(dòng)控制，便與自我維護(hù)，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行，確保發(fā)電。三峽中有26臺(tái)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的進(jìn)水口裝有快速閘門(mén)，這些閘門(mén)的啟閉方式也采用液壓傳動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，三峽水利工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)共計(jì)120多臺(tái)，其中最大的啟門(mén)力矩達(dá)53100kN·m，最大閉門(mén)力矩為7800kN·m，相應(yīng)的啟門(mén)力為4500kN，閉門(mén)力為500kN，最大工作行程為16m，最大液壓缸內(nèi)徑為4800mm[1]。

中小型水電站：緊水灘水電站水輪機(jī)機(jī)組進(jìn)水口快速閘門(mén)處裝有6臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，液壓缸布置在壩頂194m高程處，并在該處設(shè)置了液壓泵站，由6臺(tái)液壓缸共用。中孔、淺孔泄洪道工作弧門(mén)啟閉機(jī)各2臺(tái)，由于這4臺(tái)啟閉機(jī)相距較遠(yuǎn)，所以在每臺(tái)啟閉機(jī)附近單獨(dú)設(shè)置泵站，分布在高程150m和177m處[7]。吉林省安圖縣兩江水電站，溢洪道的弧形閘門(mén)采用后拉式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，可比弧門(mén)卷?yè)P(yáng)機(jī)節(jié)省投資30萬(wàn)元[2]。

2.2 在水輪機(jī)調(diào)節(jié)的應(yīng)用

機(jī)械液壓過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)依靠壓力油對(duì)機(jī)械的一系列操作，消除自身對(duì)電力系統(tǒng)的依賴(lài)，提高了過(guò)速調(diào)節(jié)的效率，保證水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，首先是調(diào)速器進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果調(diào)速器出現(xiàn)工作故障，轉(zhuǎn)速未能進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置會(huì)立即向過(guò)速保護(hù)裝置傳遞信號(hào)，使其關(guān)閉進(jìn)水通路令機(jī)組停止運(yùn)轉(zhuǎn)。液壓調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)可以擺脫對(duì)電力的依賴(lài)，實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍更廣。國(guó)內(nèi)有多家水電站采用了液壓過(guò)速保護(hù)技術(shù)，如西霞院水電站、萬(wàn)家寨水電站、龔嘴水電站、寶珠寺水電站、官地水電站等。

在2000年發(fā)生的銅子街水電站水輪機(jī)組飛逸事故后，安裝了機(jī)械液壓過(guò)速保護(hù)裝置，在后來(lái)的兩次過(guò)速中，成功實(shí)現(xiàn)了停機(jī)，避免了飛逸事故的發(fā)生[8]；黃河小浪底的西霞院水電站采用傳統(tǒng)過(guò)速保護(hù)與機(jī)械液壓過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合的方式，為發(fā)電機(jī)組提供雙重保護(hù)[4]。在幾次過(guò)速事故后，成功得到處理，官地水電站使用的是JXB機(jī)械液壓過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)，是根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況研發(fā)的一款產(chǎn)品，該裝置利用油壓裝置切換油路，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組停止運(yùn)行[9]。

3 發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)在《水利發(fā)展改革十三五規(guī)劃》中提出，將進(jìn)一步完善水利基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，大力發(fā)展水利建設(shè)。液壓技術(shù)作為水利水電工程中重要的傳動(dòng)方式，發(fā)展趨勢(shì)也是值得我們探討的。本文以液壓技術(shù)在啟閉機(jī)和機(jī)組保護(hù)這兩個(gè)方面為主，介紹液壓技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 液壓技術(shù)在啟閉機(jī)中的發(fā)展趨勢(shì)endprint

隨著我國(guó)水電行業(yè)的迅猛發(fā)展，水電領(lǐng)域?qū)τ谝簤簡(jiǎn)㈤]機(jī)的需求量也越來(lái)越大，要求也越來(lái)越高，這也促進(jìn)了液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的發(fā)展。其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)主要與水電站的需求相結(jié)合，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）向大型和超大型化發(fā)展[10]：當(dāng)今，水電站正朝巨型水電站方向發(fā)展，例如三峽水利工程，裝機(jī)容量達(dá)2240萬(wàn)千瓦；規(guī)劃中的雅江大拐彎水利工程，水頭高達(dá)2190米。這也反映了未來(lái)水電站會(huì)朝著巨型化方向發(fā)展，水頭高勢(shì)必會(huì)影響到閘門(mén)的高度，這也對(duì)未來(lái)液壓?jiǎn)㈤]裝置所能承受的荷載提出了更高的要求，可以預(yù)見(jiàn)到液壓?jiǎn)㈤]機(jī)會(huì)向大型化發(fā)展。

（2）應(yīng)用廣泛化：近年來(lái)，我國(guó)液壓式啟閉機(jī)市場(chǎng)發(fā)展迅速，國(guó)家鼓勵(lì)液壓式啟閉機(jī)產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在國(guó)際上啟閉機(jī)也露出了表面化、液壓化的發(fā)展方向。這都源于液壓式啟閉機(jī)的優(yōu)點(diǎn)眾多：傳動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的外形、單位和載重量比其他類(lèi)型啟閉機(jī)要好；液壓元件可自主潤(rùn)滑，效率高，壽命長(zhǎng)；易于實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。

3.2 液壓技術(shù)在水輪機(jī)調(diào)節(jié)中的發(fā)展趨勢(shì)

（1）機(jī)電一體化。當(dāng)液壓過(guò)速保護(hù)裝置完成保護(hù)任務(wù)后，需要依靠人工力量將裝置調(diào)回正常工作狀態(tài)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著科技水平的發(fā)展，機(jī)械和電子技術(shù)的聯(lián)系越來(lái)越緊密，液壓系統(tǒng)在機(jī)組調(diào)節(jié)方面應(yīng)該逐漸擺脫人力。液壓系統(tǒng)作為水電站中的主要傳動(dòng)系統(tǒng)，需要與計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)等電子技術(shù)協(xié)同工作，保證水電站穩(wěn)定運(yùn)行。

為了保證在轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)能夠快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)，對(duì)離心探測(cè)器、柱塞、切換閥之間的距離要求很高。大力發(fā)展微機(jī)電子技術(shù)對(duì)機(jī)件之間的校核成為該領(lǐng)域的發(fā)展方向。

減少油路控制環(huán)節(jié)，降低事故率，提高調(diào)節(jié)效率。

液壓油和油管的清潔問(wèn)題，油路的通暢是保證液壓系統(tǒng)正常工作的重要條件。如何高效便捷地清理油路油管也是日后液壓系統(tǒng)研究進(jìn)步的方向之一。

（2）液壓缸密封圈的改進(jìn)。液壓缸密封圈具有維持壓力、防止漏油、阻擋外界異物進(jìn)入液壓油中等作用。我們希望密封圈的使用壽命長(zhǎng)、耐磨損、耐高溫，這也對(duì)其選材和制作提出了更高的要求。

3.3 液壓技術(shù)在其他方面的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

改變水輪機(jī)主軸槳葉的方向，可以調(diào)節(jié)水對(duì)的轉(zhuǎn)輪沖擊，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。槳葉的調(diào)節(jié)，也可以通過(guò)液壓的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)節(jié)方式不需要電力支持，穩(wěn)定可靠。液壓傳動(dòng)在水利水電工程中應(yīng)用廣泛，廠(chǎng)房中有專(zhuān)門(mén)的油路，用黃色表示。

總的來(lái)說(shuō)，液壓裝置在水電水電工程中的主要發(fā)展趨勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

（1）基礎(chǔ)學(xué)科的進(jìn)步帶動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。基礎(chǔ)學(xué)科，尤其是材料科學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越趨于與多種技術(shù)結(jié)合向一體化、智能化的發(fā)展，應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域。材料科學(xué)的發(fā)展，使液壓裝置朝著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、耐高溫、耐磨損的方向發(fā)展；對(duì)于液壓油的選取，遵循粘度小、耐高溫、不易揮發(fā)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的原則。現(xiàn)代液壓技術(shù)的發(fā)展與突破，很大程度上取決于基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，也為工業(yè)技術(shù)的未來(lái)帶來(lái)無(wú)限可能。

（2）人工智能化。人工智能是一門(mén)拓展人的思維、技術(shù)、方法的新興科學(xué)技術(shù)。液壓技術(shù)在水電站中的人工智能化是指，機(jī)器可以平穩(wěn)、準(zhǔn)確的完成調(diào)節(jié)、啟閉等任務(wù)，甚至可以實(shí)現(xiàn)自我維護(hù)，從而達(dá)到自主控制無(wú)人看守的目的。機(jī)械的人工智能化也是當(dāng)今科技發(fā)展的一大趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）隨著水電站的巨型化，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)會(huì)朝大型化方向發(fā)展。由于傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒(méi)有特殊適用要求，使得液壓?jiǎn)㈤]機(jī)適用于各類(lèi)水電站，會(huì)廣泛應(yīng)用道閘門(mén)啟閉中。

（2）過(guò)速保護(hù)裝置、調(diào)速器正常工作是機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，液壓系統(tǒng)因其穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)得到業(yè)內(nèi)認(rèn)可。除了要對(duì)密封圈、油路油管進(jìn)行改進(jìn)，機(jī)組調(diào)保中的液壓系統(tǒng)還可以與電子技術(shù)相結(jié)合，提高調(diào)節(jié)效率。

（3）液壓技術(shù)憑借其傳動(dòng)效率高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用到水利水電工程當(dāng)中。水電站是一項(xiàng)巨型工程，利用液壓傳遞能量充分體現(xiàn)在了各個(gè)方面，液壓傳動(dòng)對(duì)于水電行業(yè)來(lái)講，現(xiàn)在需要，未來(lái)更是不可缺少。

（4）現(xiàn)代液壓技術(shù)的發(fā)展與突破，很大程度上取決于基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]董必欽.三峽樞紐工程中的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)[J].液壓與氣動(dòng)，1998（1）：3-6.

[2]李力強(qiáng)，李躍年.液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在水利水電工程中的應(yīng)用[J].吉林水利，1996（3）：22-24.

[3]張明松，何旭若.水下液壓系統(tǒng)在水電站的應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2007（8）：9-10.

[4]唐江友.水電站中機(jī)械液壓過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用分析[J].機(jī)電信息，2011（24）：73-74.

[5]高中明，楊輝躍.一種水電站調(diào)壓閥液壓控制系統(tǒng)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（8）：153.

[6]陳坤，王東.液壓技術(shù)在三峽船閘的應(yīng)用[J].流體傳動(dòng)與控制，2007（6）：42-44.

[7]汪云祥.緊水灘水電站液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的液壓系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電，1988（9）：67-69.

[8]李銀鐺.純機(jī)械液壓過(guò)速保護(hù)裝置在西霞院水電站的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2008（2）：153-154.

[9]余后培.官地水電站機(jī)械液壓過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用探析[J].科技展望，2016（17）：122.

[10]吳杰.水電廠(chǎng)閘門(mén)單吊液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2015（12）：153-154.endprint