閘、閥門液壓啟閉機設計特點綜述

翟繼民?張公略?嚴秀俊

摘 要 富春江船閘是我國首座保留原有船閘建筑物，在其下游新建一座Ⅳ級標準船閘的礙航船閘的擴建改造工程，通過對老船閘的加固及改造利用：老船閘作為新建船閘的引航道，同時作為新建船閘輸水系統的組成部分。最大設計水差20.21m，由于新、老船閘口門寬度不同，新建船閘閘室寬度23米，老閘閘室12米，經南科院水力模型試驗表明：充、泄水閥門的開啟方式決定老閘上閘首口門水跌和閘室水流流速的大小，對船閘運行的安全性有很大的影響，因此液壓啟閉機的設計必須按照閘、閥門運行特性曲線的要求進行，起、制動實現無級變速運行平穩無沖擊;左、右油缸運行同步。本文通過對電比例泵、電比例閥及兩位兩通電磁換向閥回路在無級變速、液壓系統同步控制、可靠性及經濟型等方面進行充分比選，得出比例泵最適合閘、閥門的運行要求。

關鍵詞 船閘運行安全;閘;閥門運行特性曲線;電比例泵;液壓系統同步控制

1輸水系統帶來的運行問題

1.1 口門堰流

根據船閘輸水系統整體模型試驗成果，新建船閘充水時老船閘閘室水位下降明顯，其上閘首處形成堰流，上閘首輸水閥門開啟速度過快會引起上閘首口門水跌過大，而開啟速度過慢影響船閘充水時間且對反弧門運行產生不利影響，為此，對充水閥門的開啟方式進行專門的水力學模型試驗研究非常必要，通過實驗來確定老船閘上閘首口門水流跌落和上游引航道流速的上限值確保船閘安全運行，經過南科院的物模實驗確定如圖1.1和1.2所示的閥門運行方式可以較好地解決閥門空化和口門處水跌的問題。

1.2 船閘運行安全

由于老閘兼做新建船閘的上游引航道，雖然對老閘進行了加固處理，但是根據大壩檢測中心的建議，將老閘上閘首下沉門更換并增加動水閉門功能，萬一老閘出現意外事故，可以動水關閉下沉門以保護大壩和新建船閘的安全，下沉門選用液壓啟閉機，在兩側門槽上方布置立式油缸，液壓泵站安裝在原機房內，由于左、右兩側管道長度不同帶來管路沿程損失不同，加之門槽阻力及閘門安裝精度的誤差，左、右兩側油缸極易產生運行偏差，因此下沉門液壓啟閉機同步控制是設計的關鍵因素[1]。

2人字門液壓啟閉機的運行特點

人字門選用液壓啟閉機，由于新建船閘上、下閘首人字門自重較重（下閘首人字門約350噸），如果啟、制動過猛不連續，會產生較大的啟、制動慣性力并引起人字門沖擊和振動，減少人字門使用壽命。同時人字門在臨近關閉階段由于左右兩缸運行不同步極易發生碰撞現象，因此需要在設計時考慮液壓啟閉機具有自動降速功能，根據位置傳感器的實時信號自動將運行速度均勻降至漸進速度避免發生碰撞，最終觸發行程限位開關發訊安全停機。

3閘、閥門運行特性

經過南科院數模計算和物模實驗分析得到如下運行方案：雙邊充水閥門開啟至0.43開度，停機275s后繼續開啟至0.6開度，停機100s后開啟至0.82開度，直至剩余水頭為0.3m時動水關閉雙邊工作閥門至0.4開度，并于閘室水位與上游引航道水位齊平時立即開啟上閘首人字門。雙邊泄水閥門開啟至1.0開度，待閘室水位高于下游引航道水位2.0m時，由于左岸閥門泄水口與電站下游相通，為防止反向水頭沖擊人字門，先動水關閉下閘首左岸工作閥門至全關狀態，并在剩余水頭0.4m時動水關閉右岸工作閥門至0.4開度，至閘室水位與下游引航道齊平時開啟下閘首人字門。該運行方式經過近三年的運行證明切實可靠滿足設計要求。

4閘、閥門液壓啟閉機設計

4.1 人字門液壓啟閉機

人字門運行特性詳見圖3所示。由于人字門門葉自重較大，上閘首人字門自重約100噸;下閘首人字門自重約350噸。為防止人字門提速過快產生沖擊和振動，需要限制啟動加速度，起步需要緩慢均勻加速;在人字門臨近關閉，左、右兩扇人字門接近時要求人字門用10秒鐘時間將速度從2m/min均勻降至30～50cm/min，人字門進入導卡后緩慢運行防止劇烈碰撞，對門體產生破壞作用。常規的齒輪泵、葉片泵和軸向柱塞泵均無法實現自動變量，且齒輪泵流量和壓力脈動大，運行不穩定。而葉片泵雖然流量和壓力脈動小，但是其轉速范圍窄，吸油條件苛刻，工作可靠性差，只能做成定量泵，適用于高速低負荷的工況。軸向柱塞泵構造上的特點具有斜盤結構，隨著斜盤角度的變化，泵的流量相應變化，容積效率高、工作壓力高，增加變量機構可以根據需要自動調節輸出流量，非常適合人字門運行特性。考慮節約設備投資，同一閘首同一側閘、閥門共用一套液壓泵站，油泵選用軸向柱塞電比例泵，電比例泵可以根據閘閥門運行特性預先設置控制程序，如啟制動時間、各檔額定運行速度及運行時間、自動啟停（配合水位計信號）等。為了減少閘門等待時間，保證左右閘、閥門同步運行，在閘、閥門油缸內均安裝位移傳感器，設置同步精度1cm，運行全過程實時監測，雖然電比例泵響應速度不如電比例閥快，但是完全滿足人字門及反弧門運行特性的要求。如果選用定量泵+電比例閥調速系統，電比例閥調速的工作原理是通過電信號的強弱控制比例閥開度從而改變出口流量達到調速的目的，雖然相應速度快，但是需要配置溢流閥，多余的油從溢流閥流回油箱，

系統發熱增加且能耗高、低效。因此選用電比例泵更適合于閘、閥門液壓啟閉機。電比例泵液壓原理圖如圖4所示，

（1）電比例泵主要元件

序號10：帶壓力補償越權監控的電液比例排量柱塞泵，比例排量泵上的主要排量控制零件及功能：①伺服控制活塞：控制斜盤擺角;②線性位置傳感器：檢測并反饋伺服活塞位置（也就是檢測泵的實際排量）到PQD中;③斜盤;④壓力補償器：輔助壓力閥實現泵的壓力補償控制;⑤比例排量控制閥：直接用于控制伺服控制活塞的位置;

序號11：壓力補償變量控制閥，主要是在油泵出口壓力變化時保持出口流量輸出不變，增加閘閥門油缸運行速度的穩定性;

序號12（左側）：預加載閥，具有在外荷載壓力低于2MPa工況下，同樣可以維持泵內系統進行變流量輸出，這種特性在人字門無水調試時非常有用;

序號12（右側）：P/Q控制用數字式電子控制模塊，閉環控制器可實現液壓泵的比例排量控制和壓力補償變量控制（也就是恒壓變量控制）。

（2）電液比例排量控制功能：通過上位控制器（PLC等）向PQD電子控制模塊發送排量指令電信號（0～10V模擬量，對應0～100%排量值）;PQD控制比例排量閥驅動伺服活塞運動，并最終推動斜盤改變擺角，實現排量控制。線性位置傳感器（LVDT）實時檢測泵的實際排量，并將該實際排量信號反饋至 PQD電子控制模塊，而電子控制模塊（閉環控制器）不斷對輸入指令和實際排量反饋進行比較，并調整比例排量閥電磁鐵的供電，將被控制的排量的偏差轉換成比例電磁鐵的模擬輸入電流，控制比例閥調整伺服活塞的位置，至正確的排量。

1）壓力補償變量控制（恒壓變量控制）：UDR型比例排量控制除了電液比例排量控制閥和一個壓力補償變量控制閥，其轉接閥塊頂部配置有一個先導閥安裝界面。該電液比例排量液壓泵總成在先導安裝界面上配置了壓力補償變量控制閥，并且與壓力補償器一同實現柱塞泵的壓力補償變量控制。

2）預加載閥：對于比例排量控制泵，在任何條件下，其出口均需要建立一個起始壓力，以向先導控制回路提供基本的控制壓力油，一種解決方案是使用預加載閥。預加載閥直接安裝在泵的壓力油口上，預加載閥的開啟壓力約為20bar，在壓力達到25bar左右時完全打開，此時閥芯壓降小于1bar 。

在閘門無水調試階段閘門油缸閉門工作壓力低于2MPa，如果沒有電比例泵會造成閉門階段無法自動降速，閘門閉門速度不可控，發生撞擊事故。如果采用普通軸向柱塞泵需要借助于變頻器才能實現變量輸出，不僅占地面積增大，而且增加了投資。有水調試工作壓力大于2MPa，電比例泵工作更加精準經調試后完全滿足閘閥門的運行特性。

4.2 輸水閥門液壓啟閉機

本次輸水閥門委托南京水利科學研究院得到如圖1.1和1.2兩種開啟方式。同樣要求啟動初始和制動階段可以無級變速，降低起制動慣性力，減少反弧門沖擊和振動。考慮到最高設計水頭差21.2m，如果開啟方式不當會引起反弧門空化及振動，且充水閥門開啟速度不當容易引起老閘上閘首口門水跌過大，上游引航道流速過快造成船舶安全事故，根據南科院物模實驗結果結合富春江船閘有水調試實際情況進行綜合分析，最終推薦圖1及圖2所示的充、泄水閥門運行方式。選用具有圖4功能的電比例泵可以根據控制信號0～10V來控制比例泵流量輸出，計算出間歇運行各階段油泵所需輸出流量值換算成相應的電信號，將控制電信號和各階段運行時間寫入運行控制程序，并輸入PLC對液壓系統進行控制，即可實現圖示的運行模式。閥門左右油缸同步控制原理同人子門油缸在此不再重述。 綜上所述：對于工作級別較高的船閘工作閘、閥門啟閉機選用電比例泵雖然一次性投資較多，但是相對于普通軸向柱塞泵更容易實現自動變量滿足各種復雜運行工況的變速要求，且節能高效，長期運行費用比定量泵及電比例泵費用低，可靠性高。

4.3 下沉門液壓啟閉機設計

老船閘上閘首工作閘門是下沉式平面閘門，由于上下游水位最大相差約20米以上，上閘首底檻18.5米，老閘閘室頂面高程0.5米，具有天然帷墻，選用下沉門可以節約投資，考慮到改造后老閘作為新建船閘的組成部分，增加下沉門液壓啟閉機動水閉門功能，萬一老閘漏水或發生其他事故，利用下沉門動水關閉口門增加船閘運行的安全性。下沉門完全關閉閘門頂標高24.7米，門低緣標高18.0米，上游最高設計水位23.5m閉門力按照最大水頭6.5m計算值為2×630KN。油缸布置在兩側門槽內，油缸支座安裝在閘首32.16米的頂面上，立式垂直布置。動水閉門時油缸缸筒受壓，壓力通過支座傳遞給閘首頂面砼油缸穩定。船閘通航時下沉門完全開啟下落至11.8米的地檻上，下落依靠自重。下沉門啟閉同步依靠油缸中安裝的內置式位移傳感器，全過程實時傳送信號至PLC，程序設置兩缸位移偏差值小于1cm，大于設定值糾偏回路自動放油直至滿足精度要求。糾偏回路不同于閘閥門液壓啟閉機，考慮下沉門僅僅偶爾使用，節能不是主要考慮的問題，安全可靠是首要問題，由于左、右兩側油缸設置同步精度較高，如果選用比例泵其響應速度不如電磁閥會繼續加大運行偏斜造成門槽阻力增大或卡死的情況對運行不利。而選用兩位兩通電磁閥并聯在有桿腔回路簡單明了，當兩邊油缸位移傳感器偏差大于1cm，PLC向快的一側電磁閥發訊，電磁閥接通并泄油，待左右速度偏差滿足精度要求，PLC停止發訊電磁閥關閉，兩側油缸同步運行。

5結束語

對于偶爾開啟的垂直提升平面閘門的液壓啟閉機選用兩位兩通電磁換向閥泄油既能快速糾偏同時節能，比電比例泵節省投資，簡單可靠;比電比例閥節能高效。

參考文獻

[1] 嚴秀俊，安建峰，鄭飛東，等.富春江船閘擴建改造工程閘室輸水水力特性及優化[J].水運工程，2016，（12）：188-193.