表孔液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟門(mén)失敗原因分析及處理

蹇萬(wàn)祥，梁 恒，劉細(xì)輝

（雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川涼山 615704）

0 引言

官地電站樞紐建筑物主要由左右岸擋水壩、中孔壩段、溢流壩段、消力池、右岸引水系統(tǒng)及地下廠房發(fā)電系統(tǒng)組成。表孔閘門(mén)啟閉機(jī)系統(tǒng)是電站泄水建筑物中的一個(gè)重要組成部分，擔(dān)負(fù)著庫(kù)區(qū)泄洪的主要任務(wù)。在開(kāi)展2020年表孔防汛設(shè)備汛前檢查維護(hù)過(guò)程中，由于雙缸失步引發(fā)啟門(mén)失敗的問(wèn)題日益突出，給表孔閘門(mén)正常運(yùn)行帶來(lái)較大的安全隱患。

為深入研究啟門(mén)失敗的原因，徹底消除設(shè)備隱患，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次對(duì)比試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)造成啟門(mén)時(shí)雙缸失步的主要原因?yàn)閱㈤T(mén)時(shí)，由于油管中殘存壓力，導(dǎo)致整流迭加板單向閥受力不均勻，加之單向閥活塞與孔徑之間間隙過(guò)大，活塞回彈易卡阻，導(dǎo)致未完全復(fù)歸，再次啟門(mén)時(shí)，旁通路打開(kāi)，無(wú)法通過(guò)比列流量控制閥進(jìn)行精準(zhǔn)控制，導(dǎo)致啟門(mén)失敗。

1 液壓控制系統(tǒng)

官地水電站表孔使用某公司制造的5 套2 × 2500 kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 表孔液壓系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

表孔液壓系統(tǒng)控制方式分為現(xiàn)地手動(dòng)啟落門(mén)、現(xiàn)地自動(dòng)啟落門(mén)、現(xiàn)地電手動(dòng)啟落門(mén)以及遠(yuǎn)程自動(dòng)啟落門(mén)4 種控制方式。表孔液壓系統(tǒng)原理如圖1 所示。在現(xiàn)地自動(dòng)啟落門(mén)方式下，當(dāng)運(yùn)行人員發(fā)出啟門(mén)令時(shí)，油泵電機(jī)組空載啟動(dòng)，經(jīng)延時(shí)10 s后，電磁溢流閥得電建壓，同時(shí)電磁換向閥得電，壓力油經(jīng)換向閥、比例流量控制閥、整流迭加板、液控單向閥分別進(jìn)入左、右兩只液壓缸有桿腔，無(wú)桿腔液壓油經(jīng)高壓球閥、單向閥及回油過(guò)濾器流回油箱，閘門(mén)上升［1］。

圖1 表孔液壓系統(tǒng)原理

自動(dòng)控制系統(tǒng)中設(shè)置糾偏開(kāi)始為兩缸同步誤差大于10 mm，停止糾偏為同步誤差小于5 mm，當(dāng)兩只油缸的同步誤差大于20 mm時(shí)，系統(tǒng)同步超差，自動(dòng)停機(jī)［2］。

2 歷年來(lái)故障缺陷統(tǒng)計(jì)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，表孔液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟門(mén)失敗次數(shù)中，約有50%以上的故障是由于雙缸失步導(dǎo)致，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2 所示。因此，通過(guò)問(wèn)題處理提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性顯得尤為重要。

表2 表孔啟落門(mén)失敗故障缺陷統(tǒng)計(jì)

2020年3 月，在開(kāi)展表孔無(wú)水啟落門(mén)試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)了啟門(mén)失敗現(xiàn)象，監(jiān)控系統(tǒng)顯示：“＃3 表孔裝置故障動(dòng)作、＃3 表孔閘門(mén)偏差過(guò)大動(dòng)作” 信號(hào)，左右缸行程偏差已大于20 mm。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)閘門(mén)已傾斜，左缸桿腔壓力顯示為11 MPa，右缸桿腔壓力顯示為5 MPa，且均緩慢下降。

3 過(guò)程分析

油缸精準(zhǔn)同步過(guò)程主要依靠比例流量控制閥實(shí)現(xiàn)，該閥是介于普通液壓閥和電液伺服閥之間的一種液壓控制閥，其既是電液轉(zhuǎn)換原件，又是功率放大原件。電子放大器根據(jù)一個(gè)輸入電信號(hào)電壓值的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)，這個(gè)電流信號(hào)作為比例閥的輸入量被送入比例電磁鐵，電磁鐵將此電流轉(zhuǎn)換為作用于閥芯上的力，以克服彈簧的彈力［3］。電流增大，輸出的力相應(yīng)增大，該力或位移又作為輸入量加給液壓閥，后者產(chǎn)生一個(gè)與前者成比例的流量。通過(guò)控制閥芯開(kāi)度的大小，繼而控制通過(guò)閥芯的流量，其流量特性公式為：

式中：q為通過(guò)流量；Cd為流量系數(shù)；A為閥口通流面積；ρ為油液密度；Δp為進(jìn)出口壓差。

式（1）準(zhǔn)確地表達(dá)了通過(guò)流量與閥芯開(kāi)口大小（閥口開(kāi)度或通流面積）及進(jìn)出口壓差之間的關(guān)系［4］。

表孔閘門(mén)起升過(guò)程中，通過(guò)整流迭加板實(shí)現(xiàn)對(duì)油缸供油與回油的控制與穩(wěn)流，通過(guò)比例流量控制閥閥芯開(kāi)度的大小對(duì)進(jìn)入油缸桿腔流量進(jìn)行精準(zhǔn)控制，進(jìn)而控制油缸行程［5］。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)觀察，第一次啟門(mén)過(guò)程比較順利，無(wú)論增加左油缸或右油缸行程，系統(tǒng)均可以自動(dòng)進(jìn)行糾偏，使得兩缸行程偏差控制在5 mm以內(nèi)，啟門(mén)結(jié)束后，桿腔存在一定的壓力，且下降緩慢［6］。當(dāng)再次落門(mén)時(shí)（油缸桿腔壓力未完全歸零），增加油缸行程時(shí)，系統(tǒng)已無(wú)法糾偏，且雙缸偏差已擴(kuò)大至20 mm，引發(fā)裝置故障停機(jī)。

通過(guò)現(xiàn)地自動(dòng)（通過(guò)比例流量控制閥進(jìn)行流量控制）與現(xiàn)地手動(dòng)（通過(guò)機(jī)械式二通流量控制閥進(jìn)行流量控制）兩種不同模式下，啟門(mén)0.5 m試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，無(wú)論啟門(mén)還是落門(mén)，動(dòng)作結(jié)束后桿腔壓力立即降為零才不致于影響后續(xù)起落門(mén)過(guò)程的執(zhí)行。現(xiàn)地自動(dòng)啟門(mén)過(guò)程結(jié)束后，桿腔仍存在壓力示值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，影響桿腔壓力下降過(guò)程即為比例流量控制閥閥芯位置。

表3 試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)記錄表及壓力變化圖

不同模式下啟門(mén)結(jié)束后右桿腔壓力變化如圖2 所示。分析兩種模式下閘門(mén)啟升后，油缸有桿腔壓力示值為影響后續(xù)閘門(mén)啟落的關(guān)鍵因素。結(jié)合液壓原理系統(tǒng)圖及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備工況判斷，無(wú)法進(jìn)行糾偏的原因?yàn)樵俅螁㈤T(mén)時(shí)，由于油管中殘存壓力，導(dǎo)致整流迭加板單向閥受力不均勻，加之單向閥活塞與孔徑之間間隙過(guò)大，活塞回彈易卡阻，導(dǎo)致未完全復(fù)歸，再次啟門(mén)時(shí)，旁通路打開(kāi)，無(wú)法通過(guò)比列流量控制閥進(jìn)行精準(zhǔn)控制，導(dǎo)致啟門(mén)失敗。解決思路即在啟門(mén)動(dòng)作結(jié)束后，立即對(duì)管路壓力進(jìn)行泄壓（或等待桿腔壓力表顯示為零），以保證再次落門(mén)時(shí)，整流迭加板單向閥完全關(guān)閉。整流迭加板簡(jiǎn)圖及單向閥如圖3所示。

圖2 不同模式下啟門(mén)結(jié)束后右桿腔壓力變化

圖3 整流迭加板簡(jiǎn)圖及單向閥

表孔液壓系統(tǒng)現(xiàn)行程序中，當(dāng)閘門(mén)起升至對(duì)應(yīng)開(kāi)度時(shí)，比例流量控制閥閥芯復(fù)歸，電磁換向閥同時(shí)動(dòng)作，改變油路通向，延遲3 s后，油泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。結(jié)合程序運(yùn)行圖，分析主要原因?yàn)楸壤髁靠刂崎y動(dòng)作較快，導(dǎo)致比例流量控制閥至缸旁單向閥之間管路未及時(shí)泄壓，繼而影響后續(xù)整流迭加板正常動(dòng)作。

4 處理措施與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

根據(jù)分析過(guò)程，對(duì)現(xiàn)有程序中比例流量控制閥關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)閘門(mén)起升至對(duì)應(yīng)開(kāi)度時(shí)，電磁換向閥、溢流閥動(dòng)作，改變油路通向，比例流量控制閥延遲3 s 后閥芯復(fù)歸，油泵同時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

程序優(yōu)化后，通過(guò)現(xiàn)地手動(dòng)啟門(mén)及現(xiàn)地自動(dòng)啟門(mén)現(xiàn)場(chǎng)不同狀態(tài)下啟落門(mén)試驗(yàn)，油缸有桿腔壓力示值均立即下降至2 MPa，均未出現(xiàn)因閘門(mén)雙缸偏差過(guò)大而導(dǎo)致啟門(mén)失敗現(xiàn)象，證實(shí)了問(wèn)題分析與處理措施是正確的，啟門(mén)結(jié)束后桿腔存在壓力問(wèn)題已得到了解決。程序優(yōu)化后再次進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 程序優(yōu)化后試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)記錄表

5 結(jié)束語(yǔ)

表孔弧形閘門(mén)及液壓?jiǎn)㈤]機(jī)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著庫(kù)區(qū)泄洪的主要任務(wù)，是主要的防洪設(shè)備，保證閘門(mén)正常開(kāi)啟關(guān)閉，是保證大壩安全，引水發(fā)電系統(tǒng)安全的前提。啟門(mén)失敗問(wèn)題的排查治理，成功解決了雙缸偏差過(guò)大導(dǎo)致啟門(mén)失敗的隱患，大大提升了表孔弧門(mén)動(dòng)作的安全性和穩(wěn)定性，降低了啟門(mén)失敗的頻次，在一定程度上完善了表孔液壓系統(tǒng)控制程序，為電廠安全度汛打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。