雙吊點倒掛式液壓啟閉機關鍵技術問題研究與實踐

毛明令，姚 雷，袁 鈮

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450000）

1 項目概況

小盤河水庫是一座以供水為主的中型水庫，工程位于涇河的一級支流蒲河下游，下距蒲河與涇河匯合口約10 km，位于甘肅省慶陽市寧縣。壩址控制流域面積7 466 km2，幾乎控制蒲河流域的全部。壩址距離慶陽市約30 km，距寧縣長慶橋鎮約10 km，長慶橋～慶陽市區有青蘭高速G22 和省級公路S202 相連。福銀高速G70 及國道312 公路從長慶橋經過，向東可至西安，向西可至蘭州及平涼。壩址至長慶橋有新修公路連接，對外交通條件較好。

樞紐建筑物從左岸到右岸依次由混凝土重力壩、底孔泄洪排沙閘、表孔泄洪閘、引水管壩段、右岸均質土壩段等建筑物組成，壩頂總長度268.0 m。大壩、泄水及取水建筑物為3 級；次要建筑物為4 級；臨時建筑物為5 級。

2 液壓啟閉機的方案布置

作為擋水擋沙的底孔工作閘門，通常采用弧形閘門的形式，但小盤河水庫泄洪底孔因下游水位較高，布置成弧形閘門時，閘門的支鉸將會淹沒于水下，經過研究分析，最終確定采用平面定輪閘門，止水采用上游止水形式。

泄洪底孔工作閘門為平面定輪閘門，孔口尺寸9 m×8 m（寬×高），底坎高程963.00 m，設計水頭19 m，運用方式為動水啟閉，平時關閉用于擋水擋沙，當需要沖沙或泄水時開啟閘門，有局部開啟要求。泄洪底孔共5 孔，設置5 扇閘門。

閘門形式確定后，最初的啟閉設備采用的是固定式卷揚機，經分析發現，該項目的泄洪底孔工作閘門在啟閉過程中，閘門可能發生振動現象，這樣對閘門結構的整體穩定及運行都是不利的，而固定式卷揚機是通過纏繞在卷筒和滑輪組上的鋼絲繩進行閘門起吊，因鋼絲繩是柔性的，所以不能控制閘門的振動。液壓啟閉機是通過活塞桿的伸縮進行閘門的起吊，活塞桿本身具有一定的剛性，可以有效控制閘門的振動現象，故最終確定采用液壓啟閉機來操作閘門。

3 液壓缸的結構特點

3.1 液壓缸的支撐形式

倒掛式液壓缸的支撐在活塞桿端部，通過帶有螺紋的支撐軸配合軸承座固定在機架上，支撐軸兩端的軸承采用自潤滑軸套。液壓缸的缸體插入閘門開孔的主梁內與閘門通過類似十字鉸的結構連接，吊頭與油缸的支承軸承采用自潤滑球面關節軸承[1]，吊頭與閘門的支撐軸承采用自潤滑滑動軸承。該固定形式，可以使油缸整體沿水流方向擺動，以補償油缸和閘門與門槽的安裝誤差。

因油缸的支撐和行程測量傳感器在戶外，為防止沙塵等雜物的侵蝕，機架上設有防護罩，閘門孔口上設有活動蓋板，對缸旁閥塊和油缸行程測量傳感器進行防護。

為減少閘門運行時振動的影響，油缸與閘門主梁開孔之間設置有橡膠墊圈。

3.2 活塞桿的特殊結構

常規油缸的有桿腔和無桿腔油口均設在缸體兩端，油管通過管夾固定在油缸外部。倒掛式油缸的結構較為特殊，缸體整體插入閘門內部，油缸有桿腔和無桿腔油管不便布置在缸體兩端，只能布置在活塞桿上端部。為了滿足油口的布置，倒掛式液壓缸的活塞桿采用三段對接而成的空心結構，將活塞桿分為前、后活塞桿和中間活塞桿三段，前、后活塞桿中心加工孔，利用無縫鋼管[2]加支撐環穿孔后焊接加工而成。前、后活塞桿較短，為空心桿件，同時設有桿腔和無桿腔的進出油口。無縫鋼管長達十幾米，無縫鋼管使活塞桿中間成為兩層空心桿件，其中無縫鋼管作為連通無桿腔的油路，無縫鋼管外壁與中間活塞桿內壁的空腔作為連通有桿腔的油路。

采用倒掛式布置降低了啟閉機伸出壩面的高度，使壩面整體布置整齊、干凈。圖1 為泄洪底孔工作閘門倒掛式液壓啟閉機布置圖。

圖1 泄洪底孔工作閘門倒掛式液壓啟閉機布置圖

4 液壓啟閉機設計方案

4.1 液壓啟閉機的組成

小盤河水庫倒掛式液壓啟閉機由油缸、液壓缸行程傳感器、液壓泵站及管道、機架和電控系統等構成。油缸主要由缸筒、活塞桿、支撐軸、軸承座、導向帶、吊頭、密封圈、防塵圈、刮污環等組成。油缸行程傳感器為內置式鋼絲繩傳感器，該裝置自帶上、下極限開關。液壓泵站包括電機油泵組、閥組、油箱及其附件等。

4.2 液壓啟閉機主要技術參數

泄洪底孔工作閘門液壓啟閉機的主要技術參數見表1。

表1 泄洪底孔工作閘門雙吊點倒掛式液壓啟閉機主要技術參數

5 液壓系統雙缸同步控制方式

小盤河水庫倒掛式液壓啟閉機為雙吊點液壓啟閉機，其雙缸同步控制至關重要，同步控制的精度直接影響閘門的平穩運行及液壓缸的結構穩定。本項目液壓系統設有同步糾偏回路，其同步糾偏采用閉環控制[3]，由整流板+電液比例調速閥和整流板+手動調速閥組成同步回路，根據偏差信號，利用連續的電信號量通過比例調速閥調節流量，以達到同步糾偏的效果。當啟閉機運行時，左右兩只油缸的同步誤差超過5 mm 時（同步精度可根據實際需求調整），PLC 發出糾偏信號，通過調整比例調速閥的開度，改變一個油缸的速度，實現與另一個油缸的運行同步。

為保證雙缸同步控制的精度，本工程液壓油[4]的污染等級為GB/T 14039-/17/14。

6 液壓缸行程測量傳感器的布置

液壓缸行程測量傳感器主要有外置式和內置式兩種形式，外置式行程測量傳感器主要有外置拉繩式和外置靜磁柵行程測量傳感器，因小盤河水庫泄洪底孔工作閘門液壓啟閉機為倒掛式結構，且下游水位較高，外置式行程測量裝置不易布置。內置式行程測量傳感器主要有磁致伸縮式、與陶瓷活塞桿配套和內置鋼絲繩式行程測量傳感器，目前磁致伸縮式的行程測量傳感器最大的有效測量行程為7.6 m 左右，而該項目的泄洪底孔工作閘門液壓啟閉機的設計行程為11.4 m，且磁致伸縮式行程測量傳感器大部分為剛性結構，通常安裝在上蓋處，后期檢修維護較為麻煩，故磁致伸縮式行程測量裝置不能滿足該項目要求；與陶瓷活塞桿配套的行程測量傳感器通常安裝在油缸下蓋處，本工程下游水位較高，閘門全閉時，油缸缸體將淹沒水下，對行程測量裝置的防水性能要求較高，故未選用與陶瓷活塞桿配套的行程測量傳感器；內置鋼絲繩式行程測量傳感器，整體安裝在油缸上部，鋼絲繩通過專用裝置固定在活塞桿端部，后期檢修維護只需拆掉上蓋即可，檢修維護方便快捷。通過對比分析，本項目的行程測量傳感器采用內置鋼絲繩式行程測量傳感器。

內置鋼絲繩式行程測量傳感器固定在活塞桿端部，鋼絲繩穿過活塞桿的無桿腔油管，固定在油缸端法蘭上，隨著油缸的移動，鋼絲繩拉長或縮短帶動傳感器旋轉，輸出4~20 mA 模擬信號。

該液壓缸設置有工作原理不同于行程測量裝置的上、下限位行程限制器[5]，用于控制閘門的上、下極限位置，當油缸位移傳感器失靈時起保護作用。

7 總結

根據小盤河水庫泄洪底孔工作閘門的實際運行情況，采用雙吊點倒掛式液壓啟閉機操作平面工作閘門的布置形式，可以有效避免閘門振動，精確測量閘門開度及控制流量[6]，實現閘門遠方監控及自動化操作，同時降低啟閉機伸出壩面的高度，整體提升壩面景觀效果。