雙吊點(diǎn)弧形閘門同步超差問題分析

賀小平

(三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133)

1 水電廠及其弧形閘門的基本概況

某水電廠泄洪排漂孔的主要作用是用于排泄壩前的漂浮物并參與泄洪，水庫水位高程為135.000～155.000m，設(shè)計(jì)工作水頭高程為46.341m?；⌒伍l門的推力為52030 kN，它作用在跨度10 m長(zhǎng)的承重梁支座上?？卓诮孛娉叽鐬?0m×12 m，進(jìn)水口底板高程為133.000m，弧門擋水底緣高程為128.659 m?；⌒伍l門布置在高程為157.100 m的機(jī)房?jī)?nèi)，由2×2000kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。

某水電廠水庫各種泄水設(shè)施根據(jù)樞紐下泄流量要求按以下順序開啟運(yùn)用:電站機(jī)組→深孔 →#2排漂孔→#1排漂孔→排沙孔→表孔。當(dāng)需要減少下泄流量時(shí)，按上述相反的順序關(guān)閉泄水設(shè)施。在汛期145 m水位下深孔單孔泄洪能力為1650 m3/s，排漂孔單孔泄洪能力為750 m3/s。因汛期來水量變化較大，為調(diào)節(jié)水庫水位，操作較頻繁。

2 閘門啟閉機(jī)

2.1 弧形閘門結(jié)構(gòu)

#2排漂孔弧形閘門為主橫梁式直支臂弧形閘門，雙吊點(diǎn)動(dòng)水啟閉，設(shè)計(jì)水頭為46.341m?；￠T門頁寬10000 mm，弧長(zhǎng)13600 mm，面板外緣距支鉸回轉(zhuǎn)中心距離20040 mm，支鉸為球鉸。閘門門體為焊接結(jié)構(gòu)，門葉分為5個(gè)制造運(yùn)輸單元，在現(xiàn)場(chǎng)拼裝成整體，節(jié)間采用焊接連接。支臂分為上、下支臂及縱橫支桿等制造運(yùn)輸單元，為箱形焊接結(jié)構(gòu)。支臂與鉸鏈、橫梁采用螺栓連接。閘門頂止水為圓頭P形橡塑水封，側(cè)止水為方頭P形橡塑水封，底止水為刀形水封。

2.2 啟閉機(jī)

#2排漂孔的啟閉機(jī)采用2×2 000 kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，中部擺動(dòng)機(jī)架支承，拉門點(diǎn)設(shè)在工作閘門的支臂上，吊耳中心距支鉸回轉(zhuǎn)中心水平距離為14 063 mm，垂直距離為1452 mm，采用自潤(rùn)滑球軸承連接，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)雙缸同步運(yùn)行，#2排漂孔弧形閘門啟閉機(jī)布置如圖1所示。

圖1 #2排漂孔閘門啟閉機(jī)布置簡(jiǎn)圖

液壓系統(tǒng)采用雙比例調(diào)速閥控制2套油缸的啟門、閉門速度，從而實(shí)現(xiàn)2套油缸的同步運(yùn)行。啟門和閉門時(shí)，每套油缸設(shè)置的閘門開度檢測(cè)裝置通過可編程邏輯控制器(PLC)發(fā)出閘門的位置信號(hào)，PLC采集并處理信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算出2套油缸的位置差，控制比例調(diào)速閥的開口量，以控制2套油缸同步動(dòng)作。具體運(yùn)行工況為:主控室根據(jù)閘門啟門和閉門速度的要求，給2臺(tái)比例調(diào)速閥的功率放大器輸入對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，油缸開始進(jìn)行啟閉門動(dòng)作。當(dāng)2套油缸的同步誤差超過1mm時(shí)，提高油缸動(dòng)作速度較慢那臺(tái)的比例調(diào)速閥功率放大器的電壓信號(hào)值，以增大比例調(diào)速閥的開口量進(jìn)行糾偏，當(dāng)2套油缸的同步誤差≤1 mm時(shí)，恢復(fù)其原基準(zhǔn)電壓信號(hào)的設(shè)定值。當(dāng)2套油缸的位置差再次超過1mm時(shí)，重復(fù)以上動(dòng)作，直到弧門開啟或關(guān)閉到位。若糾偏失敗，同步誤差超過15 mm時(shí)，電控系統(tǒng)報(bào)警停機(jī)。

3 存在的問題

雙吊點(diǎn)弧形閘門在2003年投入使用后，操作較頻繁。在2003—2006年汛期運(yùn)行中，#2排漂孔弧門偶爾出現(xiàn)啟門同步超差報(bào)警，2007年汛期，#2排漂孔弧門啟門同步超差報(bào)警頻繁發(fā)生，在應(yīng)急處理降低啟門速度后，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)同步糾偏能力有所改善［1］，弧門可開啟到12.5 m左右，以滿足運(yùn)行要求。2套油缸負(fù)載壓力偏差達(dá)到6 MPa，有時(shí)甚至負(fù)載較大的油缸油壓達(dá)到液壓系統(tǒng)啟門安全閥開啟壓力，導(dǎo)致啟門失敗。

4 #2排漂孔弧門啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)及結(jié)果

4.1 關(guān)閉狀態(tài)下閘門及啟閉機(jī)的相關(guān)尺寸

為了進(jìn)一步了解設(shè)備狀況，解決負(fù)載不均衡問題，在隨后檢修中分別對(duì)閘門、啟閉機(jī)在關(guān)閉狀態(tài)下的關(guān)鍵控制尺寸進(jìn)行了檢測(cè)，重點(diǎn)檢測(cè)了下支臂向右、上支臂向左的偏斜情況，其中B缸側(cè)支臂的偏移較大，為10 mm;油缸吊頭中心與吊耳中心A缸向右偏斜2 mm，B缸向右偏斜5 mm;其余尺寸均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

4.2 弧門在水封拆除后兩側(cè)無約束開啟過程中的偏移及負(fù)載情況

檢測(cè)條件:弧門水封拆除，弧門由全關(guān)到13 m全開全行程運(yùn)行。

檢測(cè)方法:分別在門的一豎向直線上選取上、下2個(gè)點(diǎn)A，B，使用全站儀測(cè)量這2個(gè)點(diǎn)在弧門開啟的過程中，相對(duì)于固定點(diǎn)C的左右偏差，如圖2所示?；￠T偏移及負(fù)載情況見表1。

圖2 偏移情況檢測(cè)觀察點(diǎn)示意圖

由測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，隨著弧門開度的增加，A，B 2套缸的壓差在不斷增高，最高達(dá)到6 MPa。門體也會(huì)隨著弧門開度的增加向右偏斜，門體上部的偏差達(dá)到96 mm。

表1 弧門偏移狀況

4.3 上、下支臂與鉛垂線間的距離

對(duì)雙吊點(diǎn)弧門同步問題進(jìn)行了分析。檢測(cè)條件:弧門水封拆除。

門開度:門全關(guān)，活塞桿吊頭被取下，油缸處于自由垂直狀態(tài)。

檢測(cè)方法:在上支臂以吊耳軸線為基準(zhǔn)線，在支臂外側(cè)懸掛一鉛垂并分別在上、下支臂中點(diǎn)外緣處測(cè)量上、下支臂到這一鉛垂線的距離。

其檢測(cè)部位及數(shù)值如圖3所示。

4.4 其他檢測(cè)

另外，在弧門開啟過程中，對(duì)偏移及負(fù)載情況進(jìn)行了檢測(cè)且對(duì)弧門底緣的水平度也進(jìn)行了觀測(cè)，整個(gè)啟門過程中弧門底緣不平度誤差為±2 mm，證明開度儀測(cè)量較為準(zhǔn)確。在開啟過程中，觀測(cè)到側(cè)輪未與側(cè)軌接觸。在啟門過程中，用液壓千斤頂分別在3 m和6 m開度時(shí)進(jìn)行了右偏移矯正，頂推力達(dá)到60 kN，弧門微動(dòng)，外力撤銷后弧門復(fù)歸原位。

4.5 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

從檢測(cè)結(jié)果可以得出:

(1)全關(guān)時(shí)弧門兩側(cè)支臂出現(xiàn)上支臂向左岸方向和下支臂向右岸方向扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，扭轉(zhuǎn)值達(dá)到9 mm，機(jī)架略偏向右側(cè)。

(2)在弧門啟門過程中，A缸載荷逐漸減小、B缸負(fù)載逐漸增加，總體荷載呈增加趨勢(shì)，總值增加較小，最大為2 890 kN，最小為2 700 kN，總載荷增加190 kN，附加力矩較小。

(3)在啟門過程中，弧門整體向右岸方向偏移，最大偏移值達(dá)96 mm，實(shí)際相對(duì)位置如圖4所示，虛線部分為實(shí)際狀態(tài)，實(shí)線部分為理論狀態(tài)。

(4)在水封拆裝前后的啟門過程中，A缸、B缸偏載和載荷變化情況接近，可排除水封對(duì)弧門偏載的影響。

圖3 上、下支臂與鉛垂線間的距離示意圖

圖4 啟閉機(jī)弧門相對(duì)位置關(guān)系示意圖

(5)油缸吊頭中心與吊耳中心A缸向右偏斜2 mm，B缸向右偏斜5 mm;其余尺寸均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)?；￠T同步，達(dá)到了門槽內(nèi)按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，對(duì)弧門支臂抗扭強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周，而吊點(diǎn)設(shè)在支臂上，偏載對(duì)支臂的抗扭轉(zhuǎn)能力要求較高。當(dāng)啟閉機(jī)中心與吊點(diǎn)中心偏差較大時(shí)導(dǎo)致支臂扭轉(zhuǎn)。

(3)球鉸導(dǎo)致支臂扭轉(zhuǎn)。采用球鉸的弧形閘門能夠使門葉產(chǎn)生一定量的微動(dòng)，只是側(cè)向的移動(dòng)使門葉運(yùn)行軌跡適應(yīng)門槽的情況改善。在實(shí)際運(yùn)行中，必然會(huì)有支臂的扭轉(zhuǎn)。若支臂扭轉(zhuǎn)，球鉸會(huì)導(dǎo)致支臂的回轉(zhuǎn)中心軸改變，如圖5所示。若弧門運(yùn)動(dòng)軌跡改變，啟閉機(jī)偏載就會(huì)增大，反過來說，偏載會(huì)進(jìn)一步使支臂扭轉(zhuǎn)，從而使弧門運(yùn)行陷入惡性循環(huán)，導(dǎo)致啟門失敗。

5 偏載原因分析和解決方法

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行狀況分析，筆者初步判斷為液壓?jiǎn)㈤]機(jī)降低啟門速度、增加系統(tǒng)糾偏冗余量后可滿足運(yùn)行要求。

5.1 偏載原因分析

(1)控制精度過高導(dǎo)致偏載較大。#2排漂孔弧門在啟門過程中啟閉機(jī)控制精度要求很高，達(dá)到±2 mm，啟閉機(jī)控制啟門運(yùn)行軌跡與理論計(jì)算軌跡高度吻合，閘門單項(xiàng)安裝尺寸控制精度為1～2 mm。實(shí)際運(yùn)行軌跡偏離理論計(jì)算軌跡較大，導(dǎo)致啟閉機(jī)2套油缸負(fù)載偏載較大。

(2)吊支臂偏載導(dǎo)致支臂扭轉(zhuǎn)。#2排漂孔弧門支臂在設(shè)計(jì)時(shí)考慮為雙吊點(diǎn)弧門，通過啟閉機(jī)控制

圖5 回轉(zhuǎn)中心偏轉(zhuǎn)示意圖

(4)弧門剛度較大。設(shè)計(jì)水頭較高的大型雙吊點(diǎn)弧門，因弧門自身剛度很高，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)與弧門運(yùn)動(dòng)軌跡的微小偏差就會(huì)產(chǎn)生很大的偏載，偏載過大導(dǎo)致啟門糾偏失敗。

5.2 初步解決方法

通過上述分析可知，若要保證啟門正常，保證油缸油壓不超過安全閥設(shè)定壓力，必須降低啟門時(shí)2套油缸的偏載值，若降低偏載就必須使啟閉機(jī)控制啟門運(yùn)行軌跡與理論計(jì)算軌跡高度吻合。

為了減小運(yùn)行軌跡與理論計(jì)算軌跡的偏差值，需要對(duì)啟門過程中弧門理論開度與實(shí)際開度進(jìn)行補(bǔ)償，即人為預(yù)先給定一個(gè)負(fù)偏差值，使零偏差點(diǎn)離開全關(guān)位，移到約1/2弧門開度，改變弧門啟閉門的實(shí)際運(yùn)行軌跡，減小弧門運(yùn)行實(shí)際偏差與理論偏差的絕對(duì)值，改善啟閉機(jī)油缸偏載情況。

驗(yàn)證分析結(jié)果，檢測(cè)最大偏差值為δ，在全關(guān)位時(shí)弧門開度按1/2δ進(jìn)行補(bǔ)償。在閘門全開且手動(dòng)調(diào)整2套油缸負(fù)載均衡時(shí)，根據(jù)開度儀顯示值計(jì)算出油缸的不同步偏差值(即B缸開度減去A缸開度值)，檢測(cè)結(jié)果為δ=12 mm。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，在弧門全關(guān)時(shí)，設(shè)定B缸側(cè)初始開度為6 mm，A缸初始開度為零。正常啟門試驗(yàn)記錄結(jié)果見表2。

從表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，補(bǔ)償后，因弧門實(shí)際運(yùn)行軌跡與理論軌跡偏差產(chǎn)生的載荷不均衡大大改善，最大偏載差值為2.5 MPa。B缸載荷逐漸增加，A缸載荷逐漸減小，變?yōu)橛葾缸、B缸載荷都逐漸增加，補(bǔ)償后總載荷略有上升。

問題處理后，#2排漂孔在近2年汛期多次運(yùn)行中未發(fā)生一次故障，且動(dòng)水啟閉中A缸、B缸壓力與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相近，證明筆者的判斷是正確的。

表2 正常啟門試驗(yàn)記錄

6 結(jié)論與建議

大型閘門制造安裝尺寸誤差在安裝運(yùn)行初期可調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi)，但運(yùn)行軌跡誤差控制在1 mm之內(nèi)的可能性較小。采用比例同步控制系統(tǒng)和高精度開度儀的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)對(duì)弧門啟閉位置同步誤差控制比較容易，可達(dá)到1 mm內(nèi)。這就要求弧門運(yùn)行時(shí)運(yùn)行軌跡高度符合理論設(shè)計(jì)要求，若有偏離便會(huì)產(chǎn)生偏載現(xiàn)象。偏載值與弧門的剛性成正比，與弧門實(shí)際運(yùn)行軌跡及理論軌跡誤差成正比。綜上所述，建議如下:

(1)剛度較大的弧門取消高精度比例同步控制。對(duì)于剛度較大的雙吊點(diǎn)弧門，建議取消弧門同步控制，建議計(jì)算閘門可承受的最大變形量，參考最大變形量給出同步超差報(bào)警值。在安裝調(diào)試階段和投運(yùn)后，根據(jù)弧門實(shí)際自由運(yùn)行情況，再次確認(rèn)弧門不同步報(bào)警停機(jī)保護(hù)值，同時(shí)增設(shè)啟門力報(bào)警值、停機(jī)值，防止啟門力過大損壞閘門。在制造安裝啟閉機(jī)時(shí)，應(yīng)注意回路對(duì)稱布置，使2臺(tái)啟閉機(jī)2套油缸載荷均衡，充分利用弧門自身剛性實(shí)現(xiàn)剛性同步。在弧門運(yùn)行時(shí)，解除同步控制系統(tǒng)對(duì)弧門自身運(yùn)行軌跡的束縛，使閘門門葉在門槽內(nèi)可有一定量的微動(dòng)，這種微動(dòng)對(duì)弧門制造安裝誤差有一定的補(bǔ)償作用，避免產(chǎn)生附加力矩而導(dǎo)致閘門運(yùn)行狀態(tài)惡化。

(2)剛性較好的雙吊點(diǎn)弧門支鉸應(yīng)采用圓柱鉸或錐鉸。剛性較好的雙吊點(diǎn)弧門采用球鉸時(shí)，閘門在啟閉過程中產(chǎn)生的同步誤差必然會(huì)導(dǎo)致支臂扭轉(zhuǎn)，球鉸對(duì)支臂的扭轉(zhuǎn)沒有約束，支臂回轉(zhuǎn)中心的改變會(huì)導(dǎo)致剛性較好弧門偏載過大，運(yùn)行工況惡化。采用圓柱鉸或圓錐鉸的弧門，當(dāng)弧門支臂扭轉(zhuǎn)時(shí)，圓柱鉸和圓錐鉸可保持支臂回轉(zhuǎn)中心不變，對(duì)雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)有一定的剛性同步作用。

(3)弧門吊點(diǎn)盡量不采用吊支臂形式。弧門吊點(diǎn)若采用吊支臂形式，沒有充分利用弧門的抗扭轉(zhuǎn)性能，僅在單根上箱梁式支臂抗扭轉(zhuǎn)，偏載較大時(shí)易導(dǎo)致支臂扭轉(zhuǎn)。支臂扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致弧門啟閉時(shí)扭轉(zhuǎn)變形增大，使弧門運(yùn)行工況惡化。

［1］賀小平.三峽大壩液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析及故障診斷［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2007(6):46－49.