三峽船閘反弧門位置傳感器受工況影響的分析★

余 燦，侯 博，李涵釗，何 軍，周 慧

（長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443000）

引言

三峽雙線五級船閘通過布置在24個閥門井的反向弧形門，控制輸水廊道的通斷，實現各級閘室以及與上下游間的水位控制[1]。閥門的位置信號由安裝在上吊桿頂部導槽上且呈上下布置的位置傳感器觸發傳送給電控系統，實現閥門的啟停、下滑等動作。每個反弧門設置上下兩套，南北線船閘所有閥門共計48套閥門位置傳感器。由于閥門工作的最大水位差達45.2 m，啟閉機吊桿單吊點與閥門連接，長度達70 m，運行工況較差，閥門井旋流水流對三角形支撐架沖擊，導致吊桿系統橫向振動，使得安裝在上吊桿吊頭上的感應板超出位置傳感器感應距離，造成位置信號丟失，或者感應板碰擦傳感器本體，損壞位置傳感器。現場換損反弧門位置傳感器如圖1所示。

通過統計2016—2019年三峽船閘反弧門電氣設備故障頻次，如表1所示，反弧門限位開關更換次數居高不下，反弧門限位開關故障在反弧門電氣設備故障中占比也由2016年的40%攀升至2019年的100%。

表1 三峽船閘2016—2019年反弧門電氣設備故障頻次統計表

三峽船閘反弧門系統作為三峽船閘的重要設備之一，對船閘的安全高效運行有著十分重要的意義，因此，亟需研究解決反弧門限位開關更換頻次過高的方法。

1 三峽船閘反弧門系統構成與工作原理

如圖2所示，這種深井式工作反弧門系統由工作油壓缸、吊桿系和門葉構成，最大水頭達45.2 m，啟閉機吊桿單吊點與反弧門連接，長度達70 m。各吊桿之間、吊桿與門葉之間通過鉸軸連接。油缸吊頭處安裝有導輪，導輪通過導向滑槽限制油缸活塞桿，保持垂直往復運動。

反弧門油缸活塞桿沿導槽往復伸縮運動，拖動與反弧門吊桿組相連的反弧門門體，實現反弧門的門葉開啟和關閉[2]。

從水力學方面，反弧門在開啟過程中由于尾水頂托及底緣主流的強剪作用，門后形成漩滾，水流流線受底緣切割影響較大，水流不流暢，反弧門受到水流上托力作用。

從反弧門結構方面，反弧門受力比較復雜，反弧門開啟過程水流沖擊支臂、梁系、底緣、支鉸和鉸座等部位，由于動水壓力的合力不通過支鉸中心，對反弧門常產生不穩定的上浮力或下吸力，且啟閉機吊桿位于水體波動的反弧門井中，也受到水流沖擊擾動，可能導致啟閉力的波動和反弧門與吊桿的振動。

由于受水流的上托力及反弧門與吊桿的振動，直接影響現有接近感應式限位開關是否能有效感應到感應板信號，感應距離太近，則有感應板擦碰開關本體的風險，感應距離太遠，則無法準確感應限位信號。

2 三峽船閘反弧門限位裝置構成及工作原理

現有反弧門限位裝置結構及安裝形式如圖3所示。

油缸運行的全行程可分為開終位、中間位、下滑位和關終位4個部分，在開終位、下滑位和關終位分別設有接近開關。限位裝置位置信號檢測由安裝在油缸活塞桿頭部的感應板在隨活塞桿往復運動過程中觸發安裝在上、下導槽上的限位裝置中的接近開關，從而實現反弧門門葉的啟停、下滑等動作[3-5]。

船閘在歷次檢修時，均發現工作反弧門吊耳孔銹蝕嚴重、變形，吊孔與軸的間隙在逐漸加大。2018年3月船閘檢修時，對北五工作反弧門吊耳孔進行數據檢測，發現吊耳孔經歷了十多年不斷地銹蝕、磨損以及碰撞變形，吊耳孔與吊軸之間由初始間隙0.852 mm增大到6.2 mm。且隨著吊耳孔與吊軸之間間隙的加大，門吊耳板與吊軸間的相互約束變小，必然加劇吊耳孔與吊軸的碰撞、變形，加速吊耳孔變形和間隙變大。反弧門門葉在到達關終位置瞬間，門體受到底部上托力而失重，吊耳板與吊軸間隙進一步增大，吊桿活動范圍增加，必然會對限位開關感應產生影響。

在反弧門檢修中，發現吊桿導槽普遍存在銹蝕磨損現象，尤其是北六閘首下節導槽，銹蝕磨損量達到18.5 mm。分析原因為下部吊桿工作時會隨反弧門的開啟而擺動，其導輪需要承受吊桿傳來的橫向荷載。同時反弧門井水力條件紊亂，反弧門及吊桿產生振動，導輪與導槽必然發生碰撞，使導槽磨損、變形。由于導槽的銹蝕磨損，導槽與導輪間隙會逐漸加大，導槽對導輪的約束變小，進一步降低了限位開關感應距離對傳感器感應的影響[6]。

3 反弧門位置傳感器適應性分析

三峽船閘反弧門限位裝置目前采用的位置傳感器型號為倍加福NBN8-18GK50-A2，該位置傳感器額定動作距離Sn為8 mm[7-8]。位置傳感器實際傳感距離Sr要求在額定電壓、額定溫度下，必須在額定傳感距離的90%～110%之間，即0.9Sn≤Sr≤1.1Sn。可用傳感距離Su為周圍環境溫度和電源電壓在允許變化范圍內，所測真正傳感距離，它必須在實際傳感距離的90%～110%之間，即0.9Sr≤Su≤1.1Sr。確保動作距離Sa為0～81%額定傳感距離之間，即0≤Sa≤0.81Sn。由此得出倍加福NBN8-18GK50-A2限位開關實際傳感距離Sr、可用傳感距離Su、確保動作距離Sa分別為：7.2 mm≤Sr≤8.8 mm、6.48 mm≤Su≤9.68 mm和0≤Sa≤6.48 mm。

當傳感距離≤6.48 mm，限位裝置一定動作。當周圍環境溫度和電源電壓在允許變化范圍內，傳感距離≤9.68 mm時，位置傳感器理論上可以動作。

4 三峽船閘反弧門吊桿擺動原型觀測

根據原型觀測，反弧門吊桿在運行過程中，特別是處于運行末段時存在擺動，影響位置開關感應。通過設計吊桿擺動曲線測量裝置，刻畫反弧門吊桿擺動曲線痕跡，測量反弧門擺動最大幅值[9-10]。

經過分析比對，反弧門擺動最大幅值出現在反弧門關終到位位置信號附近，最大幅值達22.4 mm。且反弧門吊桿吊頭在鉸軸軸向上的擺動量顯著小于鉸軸徑向上的擺動量[11-12]。具體擺動曲線見圖4。

5 應對措施

在不改變原有位置傳感器感應方式的前提下，將限位裝置位置傳感器感應方向由原平行于吊頭鉸軸中心線方向旋轉90°，改為垂直于吊頭鉸軸中心線方向，使其感應面與閥門擺動面呈平行狀態，從而減小或消除傳感器感應面與感應板的相對位移，降低位置傳感器故障率，見下頁圖5。

同時將感應板由原有高碳鋼優化為感應端鐵質材料與非感應端304不銹鋼結合，從而提高感應板整體銹蝕更換周期，降低人工勞動強度。

自限位裝置更新后一年來，未出現感應板擦碰本體現象，位置傳感器故障率較更新前明顯下降。

6 結語

通過對反弧門限位裝置傳感器的工況分析，得出三峽船閘反弧門運行工況滿足現行位置傳感器產品許可使用范圍，基本排除了由環境因素影響造成的直接失效情況。位置傳感器的失效主要是由反弧門的運行曲線特點造成的，在開閥曲線的初段和關閥曲線的末段，都有感應面與感應板的相對位移。通過對限位裝置的改型，減少或消除了傳感器感應面與感應板間的相對位移對傳感器感應的影響，使位置傳感器壞損率得到大幅度降低，有力地保障了三峽船閘反弧門的正常運行以及船閘通航效率。