淺析平面直升閘門液壓啟閉機雙缸同步回路

陳 敏

（上海城投原水有限公司，上海 200125）

0 引言

在許多中大型水利閘門建設項目中，雙吊點平面直升閘門因其結構簡單、布置容易、運行可靠、維護方便，可以滿足雙向擋水、動水局部開啟控制流量等要求。液壓啟閉機設備體積小，結構緊湊，布置靈活，承載能力大；傳動、運行平穩性理想、噪音低；運轉磨損小；多扇閘門可共用一臺液壓啟閉機；液壓系統可以實現較高的自動化控制程度，較完善的保護功能。液壓啟閉機雖然初期投資較大，但后期只需保證定期檢查和維護，就能在相當長的一段時間內確保系統的安全可靠運行。

在啟閉機液壓系統中，雙缸同步回路控制至關重要，因為其不僅關系到設備能否正常運行，而且直接關系到設備安全，在同步失敗的情況下，會造成閘門卡死，活塞桿因過度折彎導致鉻鍍層與活塞缸蓋單邊刮擦或陶瓷鍍層崩裂，嚴重時活塞桿直接彎曲變形，甚至門體結構變形損壞等。

位于上海的青草沙水庫是大型河口江心蓄淡避咸型水庫。水庫上游取水閘設置5 孔潛孔式閘門，每孔凈寬14 m，底檻高程-1.5 m，胸墻底高程3.5 m，孔口高度5 m。閘門采用平面定輪鋼閘門14 m×5.5 m，閘門由倒掛式液壓啟閉機操作，行程5.5 m，容量2×630 kN。5 孔閘門液壓啟閉設備分別由2 套液壓泵站進行操作。

1 同步誤差的形成

結合青草沙水庫上游取水閘門實際安裝、運行情況，雙缸同步誤差的形成有以下原因：

1.1 液壓油缸

由于液壓油缸在加工或組裝過程中，各個活塞桿與缸蓋密封總成之間的摩擦力及活塞密封圈與缸體內壁之間的摩擦力本身不完全相同，并且隨著使用時間的增加而增加；在液壓油缸的現場安裝過程中，往往會造成活塞桿軸線與缸體軸線之間存在一定的夾角，不同的油缸夾角大小都不一樣，夾角的存在會造成活塞桿與缸蓋密封總成形成偏磨，且夾角會隨著閘門開度的增加而變大，夾角越大，阻力越大；液壓油缸內泄漏情況不同，造成油缸間的同步誤差。

1.2 閘門主輪

由于主輪的加工及安裝精度，導致閘門兩側主輪工作面不在同一平面內，最高點與最高點誤差超過規定范圍，導致兩側主輪工作面與軌道之間接觸情況不同，導致閘門兩側來自主輪的阻力不相同；各個主輪的輪軸與軸承間的摩擦力不同，青草沙水庫上游取水閘門主輪采用油尼龍軸承，由于油尼龍材質存在吸濕膨脹及蠕變特性，經過幾年的運行，在檢修過程中發現各別滾輪已經轉動困難或者不能轉動，造成閘門兩側滾輪阻力不同。

1.3 閘門側止水

止水帶通常采用橡膠材質，通過擠壓止水帶，產生密封壓力。在閘門啟閉過程中，兩側止水與止水座在垂直方向上發生滑動摩擦，便產生止水摩阻力。青草沙水庫上游取水閘門側止水采用的是雙頭P 型止水，止水與止水座之間留有預壓縮量，由于閘門安裝位置的偏差或止水壓板變形，造成閘門兩側止水與止水座間隙不同，兩側的密封壓力也不同，產生的止水摩擦阻力也不一樣。

1.4 液壓系統

2 個油缸液壓油管長度的差別使雙缸阻力不一致；2 個油缸液壓油路上的各個閥件的實際性能參數及泄漏情況存在差異。

雙缸同步誤差往往由多個原因同時作用產生，誤差大小會隨著閘門內外側水位差、閘門開度、使用時間等因素的變化而變化。

2 常用同步控制回路

解決雙吊點液壓啟閉機不同步問題，就要對上述因素進行深入分析，充分考慮各種因素造成的影響，才能有效控制雙缸同步精度。

2.1 開環控制回路

主要是依靠控制元件本身的工作精度實現同步控制，實際使用過程中，由于它并不能完全消除或是避免某些干擾因素的影響，所以控制精度有限，但其結構簡單、操作方便且成本低，在對同步性能要求不高的情況下可以使用，常見的開環控制回路有5 種：

（1）利用剛性聯接實現同步。優點是運行可靠性強，組件簡單；不足之處在于僅適用于距離有限、偏向較小的情況。

（2）借助同步閥實現同步。配置組成也比較簡單，使用便捷，在同步性能上處于中等；不足之處在于運行效率不高，損失較大，不宜在低壓環境下使用。

（3）通過串聯液壓缸達成同步，同時應用單向閥抵消誤差。優點是結構較為簡單，可應用于偏載，運行效率較高；不足之處在于兩缸的工作面積必須一致，否則精度將受到很大的影響。

（4）利用同步缸實現同步，其單向閥的作用是在一定程度上抵消兩缸之間的誤差。優點是可承擔較大的偏載，精度較理想，運行效率也比較高；不足之處在于對設備組件要求較高，生產成本增加，而且要求兩缸的工作面積必須一致，否則精度將受到影響，最好是用在行程有限的情況下。

（5）使用2 個液壓馬達實現同步。可在行程末端抵消2 缸之間的誤差，不足之處在于會在很大程度上受到馬達排量的影響，因此在精度上不好控制，且要求2 缸的工作面積一致，可在行程較長的情況下使用。

2.2 閉環控制回路

可對液壓缸輸出進行高效檢測，以構成閉環控制，雖然在構成上較為復雜，成本也比較高，但同步性能更為理想，尤其是在計算機技術以及信息化技術高速發展的今天，這類控制方法在智能化水平較高的同步回路中能夠得到更為廣泛的使用。

（1）首先是放油式同步回路，這種模式當前應用較為普遍。其運行原理是，當液壓缸出現不同步的狀態時，將運行速度較快的缸中的油液導入到油箱，直至兩缸的誤差達到設定好的閾值。其次是補油式同步回路，其運行原理是，當出現不同步的狀態時，利用特定裝置對速度較慢的缸進行油液補充，直至兩缸的誤差達到設定好的閾值。實踐表明，補油式回路在總體性能上更加突出，對干擾的抑制能力較強，造成的沖擊較小，完成補油所需時間更短，對系統性能影響較小。

（2）首先是由伺服閥實現的閉環回路。伺服閥屬于精度較高的控制器件，但在實際使用時必須考慮其結構的復雜性，所需成本較高，且容易產生污染，因此這種回路更多的被用在對精度要求較高的系統。其次是由比例閥實現的閉環回路。比例閥是一種比較新穎的控制器件，能夠實現對液流參數的有效控制，其在使用性能上要優于開關式控制，但在精度方面不如伺服控制，且反應速度較慢。盡管如此，但其成本較低，抗污染能力強，總體性能更為理想，因此這種回路已得到了普遍應用，尤其是在頻率響應適中且需要較高精度的系統中，有著很好的推廣前景。

（3）由數字閥實現的閉環回路。數字閥是近年逐漸發展成熟的一種控制器件。它最大特征就是能與高速發展的計算機技術相結合，以實現智能化控制，同時還有著較為強大的抗污染能力。因此，這種回路應用方便，安全穩定，組成簡單，精度高，且易于實現智能化控制。

青草沙水庫上游閘門啟閉機雙缸同步回路采用的是手動調速閥加旁通分流糾偏的閉合控制回路。先通過手動調節控制液壓油缸有桿腔進、出油量的帶壓力補償的調速閥，使兩油缸基本達到同步。然后在閘門啟閉過程中，通過開度儀，實時監測2 個液壓油缸的位移偏差值變化情況，當2 個油缸偏差值超過設定值時，通過PLC 的開關量輸出，打開相對應的電磁糾偏閥進行旁通分流，在啟門過程中，對移動較快的油缸有桿腔油路進行分流，降低其進油量，達到減速上升的效果；在閉門過程中，對移動較慢的油缸有桿腔油路進行分流，增加其出油量，達到加速下降的效果，從而實現雙缸同步。在運行期間要注意以下事項：糾偏閥的旁通流量要設定合理，設定過大會導致流量過調，引起糾偏閥頻繁換向動作，系統壓力波動，設定過小會引起糾偏不足，糾偏閥持續得電動作，但2 個油缸無法達到同步。因此，只有前期手動調速閥的調到2 個油缸基本同步后，整個同步回路才能穩定運行。

3 誤差的檢測

在閉環控制回路中，油液輸出在很大程度上受到誤差信號的影響，因此要想實現理想的同步性能，就要盡可能減少位置誤差的產生。目前，常用的誤差檢測方法有靜磁柵開度儀、拉繩式開度儀等，這些傳感器通常裝在油缸外部，也可以裝在油缸缸體內部。還有專門針對陶瓷桿活塞桿的CIMS 開度儀，精度高，但需要專用配套的陶瓷活塞桿，成本較高，有些閘門還開始嘗試使用激光測距儀等更為先進的測量裝置。

青草沙水庫上游取水閘門最初采用靜磁柵開度儀，但由于江面漂浮垃圾較多，極易纏繞在開度儀上，在啟閉過程中，造成開度儀損壞，給閘門正常運行造成隱患，后改用拉繩式開度儀至今，拉繩式開度儀設備結構簡單緊湊，安裝方便，價格適中，性能穩定，使用效果良好，但需要注意的是，一般水閘基本都處于關閉或小開度開啟狀態時間較長，此時拉繩開度儀鋼絲繩往往處于最大伸長量，長時間容易造成卷簧疲勞，當閘門全開時，拉繩器在最后一段，因失去彈性，無法收回，直接造成開度值無變化，因此選擇拉繩器規格時，一般至少要在閘門行程的1.5 倍以上。

4 結語

目前，液壓啟閉機因其良好的性能在越來越多的水利閘門建設項目中得到應用。本文重點分析雙吊點平面直升閘門的雙缸同步誤差形成的原因，探討常用的同步回路及誤差檢測方法。在實際應用中，液壓開環控制精度較低，無法滿足對于同步精度要求較高的設備系統。閉環控制的精度則非常高，通過與目前先進自控技術、計算機網絡技術相結合之后，使得同步性能得到了進一步的改善，運行效率更高，投資、運行成本更具有優勢，在對同步性能要求較高的各類系統已經得到廣泛應用。近年來，電液比例技術得到了快速的發展，其生產成本較低、抗污染能力強、總體性能良好，可達到比較理想的同步性能，在未來有著非常好的應用前景，也是水庫將來液壓系統同步回路優化、升級的方向。