我國(guó)水利水電工程中液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研討

郭云錦，王奮追

(1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研院有限公司，鄭州 450015；2.鄭州華林清污起重設(shè)備有限公司，鄭州 450052)

0 引言

目前我國(guó)水利水電工程(特別是大型水利水電工程)發(fā)展比較迅速，其規(guī)模和范圍已躍居世界之首。在水利水電工程中，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)是保證各類弧形閘門、平面閘門和船閘人字閘門正常運(yùn)行并充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益的重要水工金屬設(shè)備。

目前，我國(guó)自行設(shè)計(jì)的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)與國(guó)外公司向我國(guó)水利水電工程提供的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)相比，在運(yùn)行平穩(wěn)性、可靠性、安全性、高效率性和自動(dòng)化控制等方面還有相當(dāng)大的差距。為此，我國(guó)水利水電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造和使用單位的技術(shù)人員應(yīng)不斷汲取國(guó)外公司提供給我國(guó)水利水電工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)進(jìn)口液壓?jiǎn)㈤]機(jī)先進(jìn)液壓技術(shù)作進(jìn)一步的分析和研討，同時(shí)向國(guó)外水利專家咨詢和請(qǐng)教，到國(guó)外有關(guān)水利水電工程現(xiàn)場(chǎng)和制造、使用單位參觀考察，進(jìn)行廣泛合作，吸取先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。只有這樣，我國(guó)水利水電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造和使用單位的工程技術(shù)人員才能以更科學(xué)的思路去工作，使我國(guó)水利水電工程中液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的技術(shù)水平更上一層樓。

1 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸技術(shù)研討

1.1 密封

眾所周知，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為液壓缸，對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)劣起決定作用的也是液壓缸。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，液壓油內(nèi)外泄漏參數(shù)和液壓油內(nèi)外泄漏引起的后果是評(píng)價(jià)該產(chǎn)品的重要依據(jù)。因此，在設(shè)計(jì)和制造液壓缸時(shí)，嚴(yán)格控制液壓油內(nèi)外泄漏是行之有效的方法。

國(guó)外液壓缸中的靜密封絕大多數(shù)采用O形密封圈；動(dòng)密封采用V形密封圈和支承環(huán)組合體；防塵圈多半采用金屬嵌入式防塵組合體。我國(guó)設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)液壓缸時(shí)，大多采用德國(guó)REXROTH公司、MAKEL公司，美國(guó)PERKEL公司，意大利CARCO公司等生產(chǎn)的密封件，其主要原因是國(guó)外公司生產(chǎn)的密封件使用效果較好。實(shí)踐證明，密封件應(yīng)有合理的幾何形狀，以適合水電設(shè)備的材質(zhì)要求并與放置溝槽尺寸精度、表面粗糙度相匹配。同時(shí)，密封件專業(yè)制造商應(yīng)向水利水電設(shè)計(jì)和制造單位提供密封件材質(zhì)，相配溝槽形狀、尺寸與精度等相關(guān)資料以供選擇。

1.2 導(dǎo)向裝置

液壓缸的活塞與活塞桿依靠導(dǎo)向裝置定位和支撐，活塞桿沿缸壁中心線運(yùn)動(dòng)時(shí)還依靠導(dǎo)向裝置導(dǎo)向。液壓缸自重由活塞桿通過(guò)活塞處的導(dǎo)向裝置傳遞到液壓缸缸壁上。合理選擇導(dǎo)向裝置的配合間隙，可防止液壓缸內(nèi)外泄漏?？刂苹钊麠U的撓度、導(dǎo)向裝置的長(zhǎng)度和距離也很重要。

因此，選好導(dǎo)向裝置的材質(zhì)，有利于其尺寸和形式的設(shè)計(jì)，有利于保證液壓缸工作可靠性和穩(wěn)定性。

1.3 活塞桿

由于水利水電工程中不同的閘門，其布局、操作條件和控制要求不同，所以液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸的結(jié)構(gòu)、形式、性能、行程和推力配置不同。船閘人字門啟閉機(jī)液壓缸為水平布置，部分平面閘門的啟閉機(jī)液壓缸為垂直布置，弧形閘門的啟閉機(jī)液壓缸為傾斜布置，底孔、中孔和表孔弧形閘門啟閉機(jī)為傾斜布置，其液壓缸需要加壓才能關(guān)閉閘門，因此，液壓缸自身重量和活塞桿受壓產(chǎn)生的撓度是判斷液壓?jiǎn)㈤]機(jī)使用穩(wěn)定性的重要參數(shù)。

在設(shè)計(jì)活塞桿直徑時(shí)，其抗彎能力一是取決于活塞桿的材質(zhì)，二是取決于活塞桿的應(yīng)力。在設(shè)計(jì)理論上，還需要按活塞桿所受軸向載荷進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核。設(shè)計(jì)人員在液壓?jiǎn)㈤]機(jī)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)，大多數(shù)采取保守的設(shè)計(jì)方法和保守的參數(shù)，其結(jié)果是活塞桿直徑加大并使液壓缸缸徑加大，導(dǎo)致液壓缸自身質(zhì)量加大和活塞桿施壓撓度加大，又導(dǎo)致液壓系統(tǒng)使用的液壓元件、附件、管件、油箱容積和用油量加大，進(jìn)而導(dǎo)致液壓?jiǎn)㈤]機(jī)造價(jià)增高，從而帶來(lái)一系列負(fù)面影響。因此，活塞桿的材質(zhì)最好選用優(yōu)質(zhì)鋼材，設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡量到液壓?jiǎn)㈤]機(jī)使用單位和工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研，詳細(xì)商討和測(cè)量液壓缸的實(shí)際推力與剪切力，以更科學(xué)的思路進(jìn)行液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的設(shè)計(jì)。對(duì)于我國(guó)大型水利水電工程中的大型液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的設(shè)計(jì)而言，更應(yīng)高度重視。

目前，活塞桿表面保護(hù)層大多數(shù)采用鍍鉻或鍍鎳工藝，德國(guó)力士樂(lè)公司近幾年提供給我國(guó)水利水電工程使用的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，其液壓缸活塞桿表面的保護(hù)層均為工業(yè)陶瓷噴涂層。工業(yè)陶瓷保護(hù)層具有耐磨、耐腐蝕、抗刮削和耐沖擊性能，實(shí)踐證明，工業(yè)陶瓷噴涂層優(yōu)于鍍鉻和鍍鎳層，工業(yè)陶瓷保護(hù)層的硬度、彈性及與活塞桿合在一起的撓曲性比鍍鉻和鍍鎳層更優(yōu)越。

1.4 液壓缸支承

我國(guó)水利水電工程絕大多數(shù)弧形閘門都采用傾斜式液壓缸操作。在設(shè)計(jì)時(shí)，操作閘門的液壓缸支點(diǎn)常配有球面滑動(dòng)軸承。如果液壓缸活塞桿上有彎曲應(yīng)力，為了避免密封件漏油，通常在液壓缸底座和活塞桿端部采用無(wú)力矩和自動(dòng)調(diào)心的球面滑動(dòng)軸承。液壓缸中間設(shè)置支承，可減少活塞桿和缸體彎折處的折彎量。

底孔和進(jìn)水口閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸活塞桿端部長(zhǎng)期浸泡在水中，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮活塞桿端部防水措施，以防止水進(jìn)入球面滑動(dòng)軸承內(nèi)。對(duì)軸承來(lái)說(shuō)，附加采用V型環(huán)外密封可起到防水作用，在內(nèi)密封和外密封之間的自由空間放置鋰基潤(rùn)滑脂。這種結(jié)構(gòu)的軸承亦稱球面自潤(rùn)滑軸承，無(wú)需維護(hù)和維修，其結(jié)構(gòu)如1圖所示。

圖1 球面自潤(rùn)滑軸承結(jié)構(gòu)

國(guó)外斯凱孚(SKF)公司在水利水電工程中的閘門和液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸的鉸支座處采用能適應(yīng)工況的球面滑動(dòng)軸承，并且在多個(gè)國(guó)家水利水電工程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，值得我國(guó)水利水電工程相關(guān)技術(shù)人員借鑒。

1.5 其他

液壓缸的活塞與導(dǎo)向裝置、密封裝置設(shè)計(jì)時(shí)最好采用組合式結(jié)構(gòu)，這樣可使在活塞處的導(dǎo)向裝置、密封裝置裝配更為合理；導(dǎo)向裝置和密封裝置之間的間隙調(diào)整更為合理，拆換、維修較方便。

液壓缸缸體國(guó)外大多數(shù)采用優(yōu)質(zhì)無(wú)縫鋼管，缸體兩端不用法蘭，直接在管壁上鉆孔攻絲，用螺釘連接上、下端蓋，既提高了缸體的剛度，又減小了缸體的質(zhì)量。在液壓缸上、下端蓋處設(shè)置排氣測(cè)壓裝置，用于液壓缸安裝和使用過(guò)程中方便排氣。在液壓缸工作時(shí)，要對(duì)有桿腔和無(wú)桿腔壓力進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)油液污染也應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。在液壓缸缸頭下側(cè)設(shè)置安全鎖定閥組，對(duì)液壓缸安全、超載起保護(hù)作用。國(guó)外設(shè)計(jì)的液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 國(guó)外設(shè)計(jì)的液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.6 缸體加工

對(duì)于液壓缸缸體和活塞桿的加工工藝，作者建議采用大型數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工并配合導(dǎo)向進(jìn)行珩磨，這樣，不僅保證了工件軸向的直線度，而且在缸體內(nèi)珩磨加工形成網(wǎng)格，易儲(chǔ)油且活塞桿在缸體內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)側(cè)向受力不旋轉(zhuǎn)，還可延長(zhǎng)密封件的使用壽命。對(duì)于缸體最終加工質(zhì)量，國(guó)外公司大多數(shù)采用GYF-1內(nèi)孔光學(xué)測(cè)徑儀、GL86-01窺鏜儀、EMD-150-32數(shù)顯粗糙測(cè)量?jī)x進(jìn)行環(huán)節(jié)檢測(cè)，可嚴(yán)格控制缸體任何部位的加工質(zhì)量，嚴(yán)把缸體圓度、同軸度、直線度和粗糙度的質(zhì)量關(guān)。

2 雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)雙缸同步的技術(shù)研討

我國(guó)自行設(shè)計(jì)和制造的雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)(特別是啟用弧形閘門的雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī))，多年來(lái)雙缸不同步問(wèn)題普遍存在。究其原因，一方面與弧形閘門的結(jié)構(gòu)、剛度、側(cè)面位移、鉸接座安裝質(zhì)量、曲率半徑偏差密切相關(guān)，另一方面與液壓缸、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)密切相關(guān)。

受我國(guó)液壓技術(shù)和液壓元件制造技術(shù)水平的限制，目前國(guó)產(chǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的設(shè)計(jì)和制造水平還達(dá)不到雙缸同步要求。為此，我國(guó)大型水利水電工程中的大型弧形閘門啟閉機(jī)一般采用進(jìn)口雙點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。

2.1 液壓缸

進(jìn)口雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在我國(guó)水利水電工程市場(chǎng)多年的運(yùn)行結(jié)果證明：雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求2個(gè)液壓缸整體結(jié)構(gòu)相同，制造過(guò)程中的尺寸精度、幾何精度、幾何形狀和形位公差近似。油缸集成必須在垂直裝置試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行性能試驗(yàn)，使活塞桿與缸體能夠達(dá)到同心裝配的要求。液壓缸需要在臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)做性能試驗(yàn)。靜密封處應(yīng)一滴不漏，動(dòng)密封處泄漏控制效果應(yīng)較好，液壓缸行程測(cè)量裝置應(yīng)具有先進(jìn)的技術(shù)水平。

2.2 行程測(cè)量裝置

液壓缸行程測(cè)量裝置可分為外置和內(nèi)置2種形式，在我國(guó)水利水電工程中，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸行程檢測(cè)裝置大部分采用外置式，其特點(diǎn)是摒棄了傳統(tǒng)的重錘式行程測(cè)量裝置，采用了鋼絲繩恒張力卷?yè)P(yáng)行程測(cè)量裝置。外置式行程測(cè)量裝置的缺點(diǎn)是占用了一定的液壓缸外圍空間，感應(yīng)器易被碰壞。因此，在我國(guó)水利水電工程市場(chǎng)中，大多數(shù)采用國(guó)外公司生產(chǎn)的液壓缸內(nèi)置式行程測(cè)量裝置。內(nèi)置式行程測(cè)量裝置有的采用絕對(duì)型位移傳感器，有的采用絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)式傳感器。

德國(guó)力士樂(lè)公司生產(chǎn)的液壓缸為內(nèi)置式行程測(cè)量裝置(CIMS)。液壓缸活塞桿工業(yè)陶瓷保護(hù)層外表面下設(shè)有平頭齒槽，行程測(cè)量絕對(duì)型位移傳感器安裝在液壓缸缸頭部位，當(dāng)活塞桿移動(dòng)時(shí)，傳感器與活塞桿內(nèi)表面之間發(fā)生磁場(chǎng)變化，利用霍爾(A.H.Hall)效應(yīng)，進(jìn)而測(cè)得活塞桿的具體位置。這種傳感器可準(zhǔn)確測(cè)量液壓缸的全部行程，將傳感器收集的信號(hào)放大傳到液控柜處，控制電液比例調(diào)速閥，實(shí)現(xiàn)雙缸同步，德國(guó)生產(chǎn)的內(nèi)置式行程測(cè)量裝置如圖3所示。

圖3 德國(guó)生產(chǎn)的內(nèi)置式行程測(cè)量裝置

法國(guó)CCE公司生產(chǎn)液壓缸為內(nèi)置式行程測(cè)量裝置(型號(hào)為CAP2000)， 安裝在液壓缸尾部。該裝置外伸軟質(zhì)鋼絲繩與活塞桿端部帶軸承連接盤固定在一起，鋼絲繩的另一端受螺旋式高強(qiáng)度彈簧拉伸控制，確保了鋼絲繩與油缸縱向軸線平行。同時(shí)，鋼絲繩受螺旋式高強(qiáng)度彈簧控制使帶槽轂及橫向軸旋轉(zhuǎn)，橫向軸穿過(guò)絕對(duì)型編碼器的空心軸使之旋轉(zhuǎn)。通過(guò)同步系統(tǒng)轉(zhuǎn)向器(SSI)將相應(yīng)的信號(hào)放大傳送到液控柜處，控制電液比例調(diào)速閥，以實(shí)現(xiàn)雙缸同步，法國(guó)生產(chǎn)的內(nèi)置式行程測(cè)量裝置如圖4所示。

圖4 法國(guó)生產(chǎn)的內(nèi)置式行程測(cè)量裝置

國(guó)外2家公司生產(chǎn)的內(nèi)置式油缸行程檢測(cè)裝置都優(yōu)于我國(guó)長(zhǎng)期使用的外置式油缸行程檢測(cè)裝置。特別是德國(guó)力樂(lè)公司的內(nèi)置式行程檢測(cè)裝置，其結(jié)構(gòu)緊湊，性能優(yōu)越，更主要是利用了活塞桿工業(yè)陶瓷保護(hù)層，使傳感器與活塞桿內(nèi)表面之間發(fā)生磁場(chǎng)變化。這種保護(hù)層更優(yōu)于鍍鉻或鍍鎳活塞桿的保護(hù)層，故我國(guó)黃河小浪底水利樞紐壩區(qū)表孔弧形閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)就是采用發(fā)德國(guó)力樂(lè)公司的產(chǎn)品。

圖5 液壓原理圖1

2.3 雙缸同步液壓原理

國(guó)外公司為我國(guó)水利水電工程中提供的表孔弧形閘門的雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)同步運(yùn)行的液壓原理：第1種是雙側(cè)油缸采用2套獨(dú)立的橋式整流回路+帶壓力補(bǔ)償?shù)亩ㄐ驼{(diào)速閥作為同步回路。通過(guò)對(duì)油缸相對(duì)位移的同步檢測(cè)，由三位四通電磁閥與單向節(jié)流閥組成糾偏旁路泄油的閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)雙缸同步，其原理如圖5所示。

第2種是雙側(cè)油缸采用2套獨(dú)立的橋式整流回路+帶壓力補(bǔ)償?shù)谋壤{(diào)速閥為同步回路，油缸相對(duì)位移同步檢測(cè)信號(hào)放大器與電液比例調(diào)速閥組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可使左右油缸同步，其原理如圖6所示。

實(shí)踐證明：對(duì)于如何知曉液壓系統(tǒng)的先進(jìn)性和科學(xué)性，一方面要看系統(tǒng)的形式，另一方面要看關(guān)鍵液壓元件是否適應(yīng)系統(tǒng)的功能。

2.4 關(guān)鍵液壓元件

我國(guó)水利水電工程中的大型液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)最關(guān)鍵的液壓元件是集成式二位插裝閥組，帶壓力補(bǔ)償與溫度補(bǔ)償?shù)谋壤{(diào)速閥和電液比例調(diào)速閥。集成式二位插裝閥組已取代過(guò)去我國(guó)液壓系統(tǒng)用的滑閥組，其原因是集成二通插裝閥組將系統(tǒng)的通流性大大改善，使系統(tǒng)響應(yīng)快、集成快、密封性好、可靠性更為出色。帶壓力補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償?shù)谋壤{(diào)速閥與液壓橋組成同步回路，其性能更優(yōu)越。由電液比例調(diào)速閥控制液壓缸運(yùn)行速度的閉環(huán)回路，使雙缸同步精度更高。現(xiàn)今液壓系統(tǒng)采用比例控制技術(shù)，一方面實(shí)現(xiàn)了位置的精度控制，另一方面實(shí)現(xiàn)了位置的同步控制。

對(duì)于我國(guó)關(guān)鍵液壓元件，從設(shè)計(jì)到制造質(zhì)量等方面與國(guó)外產(chǎn)品相比，其質(zhì)量欠佳，因此，必須選擇進(jìn)口產(chǎn)品。

2.5 電控系統(tǒng)

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)電控系統(tǒng)大多采用可編程控制系統(tǒng)(PLC)，雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)糾偏電液控制系統(tǒng)采用PLC最優(yōu)越，其原因是液壓缸行程檢測(cè)裝置可將測(cè)量的行程數(shù)據(jù)反饋給PLC糾偏信號(hào)。當(dāng)雙缸行程之差超過(guò)設(shè)定值時(shí)，PLC系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，控制電液比例調(diào)速閥，調(diào)整跟蹤液壓缸運(yùn)行速度，進(jìn)行糾偏，從而使左右液壓缸運(yùn)行速度接近一致，保持閘門良好的啟閉性能。采用PLC能夠增強(qiáng)液壓系統(tǒng)工作可靠性和抗干擾性，可延長(zhǎng)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的使用壽命，大大提高液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度。

圖6 液壓原理圖2

3 液壓油的清潔度

在我國(guó)水利水電工程中，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)多年來(lái)故障頻出，究其原因，也不完全是液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量問(wèn)題。據(jù)國(guó)外液壓專家對(duì)液壓設(shè)備中有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，70%～80%的故障是由來(lái)自液壓系統(tǒng)的內(nèi)部和外部污染物污染了液壓油造成的。污染物主要來(lái)自于液壓設(shè)備的制造、裝配、安裝、調(diào)試和運(yùn)行過(guò)程。因此，要吸取我國(guó)水利水電工程中液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油液污染的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。今后在設(shè)計(jì)、制造、裝配、安裝、調(diào)試和運(yùn)行諸多環(huán)節(jié)對(duì)液壓油污染應(yīng)采取嚴(yán)密的控制措施和預(yù)防措施，以提高液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的使用壽命和運(yùn)行的可靠性。

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)長(zhǎng)期使用結(jié)果表明，對(duì)于液壓缸總成、液壓系統(tǒng)和液壓泵站總成的液壓油清潔度，必須達(dá)到NAS9級(jí)以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)機(jī)、電、液技術(shù)加速融合，比例控制技術(shù)正迅速拓展。我國(guó)自行設(shè)計(jì)和制造的液壓油缸總成及動(dòng)密封結(jié)構(gòu)、形式、液壓缸內(nèi)置式行程測(cè)量裝置有待早日趕上世界先進(jìn)水平。經(jīng)過(guò)我國(guó)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)技術(shù)人員的不斷努力，早日實(shí)現(xiàn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)機(jī)、電、液緊密結(jié)合的設(shè)備創(chuàng)優(yōu)目標(biāo)，符合機(jī)、電、液一體化發(fā)展的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]焦玉峰，代永信，楊繼斌.反調(diào)節(jié)水庫(kù)泄洪閘液壓?jiǎn)㈤]機(jī)原理及故障處理[J].華電技術(shù)，2008，30(12):58-61.

[2]詹磊.新型雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2011.

[3]汪云祥.水利水電工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用及發(fā)展[J].華東水電技術(shù),2002(2)22-25.