一種液壓啟閉機防卡阻反頂技術研究

朱佳佳，黃建，王亮

（江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

1 概述

液壓啟閉機廣泛地運用在大型的泵站和水電站中，其作用為機組斷電停機時通過液壓啟閉機阻斷工程上下游水流，防止上游水流在重力勢能的作用下，通過流道流向下游，從而沖刷機組葉輪造成倒轉。隨著液壓啟閉機裝置使用年限的增加，一些設備元器件逐漸老化，特別是閘門長期埋沒在水中，浮游生物體及污垢會大量附著在活塞桿上，導致在啟閉門的過程中會發生機械卡阻故障，使閘門門體傾斜懸在門槽中。液壓啟閉機通常作為大型泵站的斷流快速門，在水利工程運行過程中起著舉足輕重的作用，本文針對液壓啟閉機啟閉運行過程中的機械卡阻故障，進行分析并提出詳細的處理方法，可為配備同類型液壓啟閉機水利工程管理單位提供參考。

2 液壓啟閉機結構及原理

液壓啟閉機主要由油箱、電機、油泵、電磁換向閥、溢流閥、插裝閥、加壓油管、回油管、調速閥、濾芯、油缸、補油缸、活塞桿、閘門等組成。液壓閘門動力部分是由液壓泵把原動機輸出的機械能轉換為液體壓能，系統壓力油加壓后通過控制相應的電磁閥通斷，將壓力油輸送到兩端液壓油缸中的有桿腔內，從而推動活塞桿帶動閘門向上做直線運動，在活塞上升的過程中無桿腔中的液壓油被推至回油母管直至返回油箱中。在落門時，通過控制電磁閥，導通插裝閥，將有桿腔中的壓力油直接釋放到油箱中，完成泄壓，閘門在自重的情況下快速落門，同時補油箱將向無桿腔補油。只需要接通電動機的電源，在液壓系統的控制下，液壓缸內的活塞體內壁做軸向往復運動，從而帶動連接在活塞上的連桿和閘門做直線運動，以達到開啟、關閉孔口的目的。其系統原理圖如圖1所示。

具體電氣控制原理如下:

啟門時，控制電路讓電磁閥YV2得電，系統壓力油從油泵中經過單項閥、手動閘閥到油缸中的有桿腔，利用向上油壓力克服閘門及活塞桿的重力將閘門提起，無桿腔的液壓油壓入補油缸，待補油缸油滿后壓入回油管重新返回到油箱中。

落門時，控制電路讓電磁閥YV3得電，液控插裝閥油壓退出，在彈簧回復力的作用下，插裝閥導通，有桿腔壓力油通過插裝閥和緩閉溢流閥回到回油箱中，活塞失去向上的壓力后，閘門在自身重力作用下下落。

控制系統有完備的閘門同步控制，在閘門啟閉過程中，閘門開度及控制裝置全程連續監控兩個液壓缸的行程偏差，使閘門平穩順利啟閉。當偏差值≥10 mm時，通過調整液壓缸有桿腔進、出油量，使雙缸趨于同步，當偏差值≤10 mm時糾偏調節停止。

液壓控制系統具有完善保護，壓力保護、油位保護、油溫保護、濾清器堵塞報警為日常管理帶來安全與便捷，其快速工作閘門與事故檢修閘門互為備用，當任一孔快速閘門閉門故障時，液壓控制系統發出快速閉門信號給事故檢修閘門控制系統,相對應的事故檢修閘門快速閉門。

圖1 液壓閘門系統原理圖

3 故障現象

南水北調解臺站工程是南水北調東線一期工程的第八梯級，為I等大型泵站，采用先進的肘形流道進水、低駝峰流道出水，液壓閘門方式斷流。液壓閘門在日常啟閉操作過程中時常出現機械卡阻現象，導致無法及時開啟、關閉閘門。經分析造成閘門無法啟閉的原因主要有：①液壓油雜質增多導致的電磁閥閥芯堵塞引起電磁閥控制失靈；②液控閥閥芯彈簧永久變形，是彈簧在線圈失電自由狀態不能推動閥芯，無法實現控制意圖；③壓力輸油管存在漏點，無法建立有效的系統壓力；④有桿腔起落過程中異常摩擦力。通過實際故障運行工況，發現在提啟閘門時，有桿腔油壓力可以建立，當閘門提升至某一位置后發現系統壓力持續上升但閘門基本靜止不動，通過閘門開度數據顯示兩側閘門有行程偏差。呈現的數據反應閘門為機械卡阻。經分析造成卡阻的原因為靠近閘門側的支撐桿有嚴重的浮游生物和污物附著，該原因經過廠家技術人員確認。該液壓系統雖然有閘門同步糾偏控制功能，僅在正常起落時能夠通過調節閥、電磁閥平衡閘門兩側開度，但在機械卡阻時無法有效執行。

4 處理措施

通過廠家技術人員的指導，現場管理單位安排人員對油缸附近50 cm的支撐桿上附著物進行拋光清理。然后試著再次提起閘門，如果閘門能夠順利提起，待提高40 cm左右時，操作落門，有桿腔油通過插裝閥回到回油箱，閘門在重力作用下下落并通過慣性經過卡阻點順利落到全關位。如果閘門不能順利提起，則關閉閘門開度高的一側手動球閥，再以點動的方式開啟閘門，這樣待兩側閘門基本平衡后再打開之前操作的球閥，再次提啟閘門，之后的操作流程與以上相同。通過這種方式可以將閘門卡阻問題解決。

5 改進技術方案

當閘門在啟門過程中遇到機械卡阻時，通過以上措施雖然能夠解決問題，但耗時耗力，且人員在打磨拋光支撐桿時較為危險。閘門是大型泵站的主要設備，常規設計是與機組開停機聯動方式啟門、落門。具體聯動情況為，機組開啟后，閘門聯動啟門；機組停機后，閘門聯動落門。在閘門聯動啟門過程中遇到機械卡阻，則會造成水泵堵轉進而引起機組過流保護跳閘或過負荷跳閘事故；在閘門聯動落門過程中遇到機械卡阻，則會造成上游水流沖刷葉輪引起機組倒轉。顯然上述處理措施只是針對閘門日常試運行時可行，在機組開停機過程中仍然不能確保安全運行。本方案可以通過增加電磁換向閥、油管路、手動球閥等設備，通過有桿腔泄壓回油，無桿腔建壓的方式，經油壓與閘門重力的合力驅動，完成閘門下落。

將YV2電磁閥更換成雙線圈換向電磁閥，通過增設管路將換向閥的出油通道與無桿腔聯系起來，在兩端無桿腔與2號回油管支管上各增加一個手動球閥，在運用反頂技術解決機械卡阻時，通過關閉兩端無桿腔與補油箱之間的手動球閥讓無桿腔建立反頂壓力。其技術方案設計見圖2。

圖2 反頂技術系統圖

具體操作流程如下：

（1）關閉無桿腔與補油箱之間的手動球閥。（2）啟動油泵，建立系統壓力。

（3）控制電磁閥YV4得電，系統壓力油進入無桿腔，有桿腔壓力油返回回油箱。通過油壓和閘門重力促使閘門下落。

為了使上述的方案更可行地在工程管理中取得實效，可以在閘門兩側無桿腔與2號回油管支管各加裝一個常開電磁閥YV5、YV6，通過兩端閘門開度儀判斷兩邊閘門的傾斜情況，自動控制相應電磁閥的通斷，即閘門開度高的一側的無桿腔與2號回油管支管上的電磁閥打開，閘門開度低的一側的無桿腔與2號回油管支管之間電磁閥關閉，這樣啟動油泵后的系統油壓就可以將閘門調至兩端平衡狀態。當閘門兩邊開度達到控制系統設定的允許差值后，上述閘門開度高和開度低兩側無桿腔，與2號回油管支管上電磁閥YV5、YV6均打開，保證閘門順利平穩下落。電氣控制方面的過程為：當發生機械卡阻后，按液壓反頂啟動按鈕，控制系統自動判斷并控制相應電磁閥的通斷，當閘門開度達到系統設定允許差值后，控制系統打開電磁閥YV5、YV6，系統油壓均勻穩定進入兩端無桿腔內，當閘門下落至下限全關位，完成反頂操作流程。

6 系統電氣控制原理

6.1 控制系統設備說明（圖3）

（1） ZK1為控制電路空氣開關；SA為“本地、聯動”轉換開關；KA1、KA2、KA3為中間繼電器電磁線圈；KA1-1、KA1-2、KA2-1、KA2-3、KA3-1、KA3-2為中間繼電器常開觸點；KA1-3、KA1-4、KA2-2、KA2-4為中間繼電器常閉觸點；KM為交流接觸器電磁線圈；KM-1為交流接觸器常開觸點。

（2） SB1為油泵啟動按鈕；SB2為油泵停止按鈕；SB3為閘門啟門按鈕；SB4為閘門啟落門停止按鈕（SB4-1、SB4-2為一個按鈕SB4的兩副接點）；SB5為閘門本地方式落門按鈕；SB6為閘門反頂啟動按鈕；SB7為閘門反頂停止按鈕；

（3） SQ1為閘門上限位行程開關；SQ2為閘門下限位行程開關；SQ3為閘門下限位行程開關；

（4） QF1為機組斷路器常開輔助觸點；QF2為機組斷路器常閉輔助觸點；

（5）YV2為啟門控制電磁閥；YV3為落門控制電磁閥；YV4為反頂控制電磁閥；

圖3 系統電氣原理圖

6.2 系統控制原理（圖4）

（1）按油泵啟動按鈕SB1，交流接觸器電磁線圈KM帶電，交流接觸器常開觸點KM-1閉合形成回路自鎖，油泵運行。按油泵停止按鈕SB2，交流接觸器電磁線圈KM失電，油泵停止運行。

（2）油泵啟動運行后，將轉換開關SA打到“本地”位置，按閘門啟門按鈕SB3，中間繼電器KA1電磁線圈帶電，中間繼電器常開觸點KA1-2閉合，常閉觸點KA2-2閉合，啟門控制電磁閥YV2動作，執行啟門指令。在執行啟門指令過程中按閘門啟門停止按鈕SB4，閘門啟門停止，若未發出啟門停止指令，則當閘門上升至上限位時，SQ1觸點斷開，中間繼電器KA1電磁線圈失電，中間繼電器常開觸點KA1-2斷開，啟門控制電磁閥YV2電磁線圈失電，啟門停止。

（3）將轉換開關SA打到“本地”位置，按閘門落門按鈕SB5，中間繼電器KA2電磁線圈帶電，中間繼電器常開觸點KA2-3閉合，常閉觸點KA1-3閉合，啟門控制電磁閥YV3動作，執行落門指令。在執行落門指令過程中按閘門啟落門停止按鈕SB4，閘門落門停止，若未發出落門停止指令，則當閘門下降至下限位時，SQ2觸點斷開，中間繼電器KA2電磁線圈失電，中間繼電器常開觸點KA2-3斷開，落門控制電磁閥YV3電磁線圈失電，落門停止。

（4）把轉換開關打到“聯動”位置，機組開機合斷路器后，斷路器輔助觸點QF1閉合，發出啟門信號；當機組停機分斷路器后，斷路器輔助觸點QF2閉合，發出落門信號；啟門控制回路和落門控制回路通過中間繼電器常閉觸點KA1-3、KA2-2互為閉鎖；

（5）當閘門發生機械卡阻無法執行啟落門指令后，按閘門啟落門停止按鈕SB4，中間繼電器常閉觸點KA1-4、KA2-4閉合，按閘門反頂啟動按鈕SB6，中間繼電器電磁線圈KA3帶電，中間繼電器常開觸點KA3-2閉合，反頂控制電磁閥YV4電磁線圈帶電，電磁閥打開執行反頂指令，待閘門到下限位開關SQ3動作時，反頂控制電磁閥YV4電磁線圈失電，反頂流程完畢。

（6）液壓反頂系統的自動糾偏控制利用兩只閘門開度傳感器分別監測閘門左右開高，通過PLC模擬量輸入模塊和內部梯形圖程序控制電磁閥YV5、YV6，通過電磁閥YV5、YV6的控制來調節改善閘門機械阻力以達到閘門平穩下落。

圖4 系統自動糾偏控制圖

7 結語

液壓啟閉機是大型泵站的關鍵設備，靈活可靠的操作運用對泵站斷流阻水、安全運行具有重要意義。本文提出上述反頂技術改造方案，同時結合自身水利工程的特點，技術發展水平及安全性先進性的綜合考量，來最終確定這一方案，供同行業參考。