淺析平面直升閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)雙缸同步回路

陳 敏

（上海城投原水有限公司，上海 200125）

0 引言

在許多中大型水利閘門建設(shè)項(xiàng)目中，雙吊點(diǎn)平面直升閘門因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置容易、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，可以滿足雙向擋水、動(dòng)水局部開啟控制流量等要求。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)備體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，布置靈活，承載能力大；傳動(dòng)、運(yùn)行平穩(wěn)性理想、噪音低；運(yùn)轉(zhuǎn)磨損小；多扇閘門可共用一臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)；液壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較高的自動(dòng)化控制程度，較完善的保護(hù)功能。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)雖然初期投資較大，但后期只需保證定期檢查和維護(hù)，就能在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)確保系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

在啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)中，雙缸同步回路控制至關(guān)重要，因?yàn)槠洳粌H關(guān)系到設(shè)備能否正常運(yùn)行，而且直接關(guān)系到設(shè)備安全，在同步失敗的情況下，會(huì)造成閘門卡死，活塞桿因過度折彎導(dǎo)致鉻鍍層與活塞缸蓋單邊刮擦或陶瓷鍍層崩裂，嚴(yán)重時(shí)活塞桿直接彎曲變形，甚至門體結(jié)構(gòu)變形損壞等。

位于上海的青草沙水庫是大型河口江心蓄淡避咸型水庫。水庫上游取水閘設(shè)置5 孔潛孔式閘門，每孔凈寬14 m，底檻高程-1.5 m，胸墻底高程3.5 m，孔口高度5 m。閘門采用平面定輪鋼閘門14 m×5.5 m，閘門由倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，行程5.5 m，容量2×630 kN。5 孔閘門液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備分別由2 套液壓泵站進(jìn)行操作。

1 同步誤差的形成

結(jié)合青草沙水庫上游取水閘門實(shí)際安裝、運(yùn)行情況，雙缸同步誤差的形成有以下原因：

1.1 液壓油缸

由于液壓油缸在加工或組裝過程中，各個(gè)活塞桿與缸蓋密封總成之間的摩擦力及活塞密封圈與缸體內(nèi)壁之間的摩擦力本身不完全相同，并且隨著使用時(shí)間的增加而增加；在液壓油缸的現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中，往往會(huì)造成活塞桿軸線與缸體軸線之間存在一定的夾角，不同的油缸夾角大小都不一樣，夾角的存在會(huì)造成活塞桿與缸蓋密封總成形成偏磨，且夾角會(huì)隨著閘門開度的增加而變大，夾角越大，阻力越大；液壓油缸內(nèi)泄漏情況不同，造成油缸間的同步誤差。

1.2 閘門主輪

由于主輪的加工及安裝精度，導(dǎo)致閘門兩側(cè)主輪工作面不在同一平面內(nèi)，最高點(diǎn)與最高點(diǎn)誤差超過規(guī)定范圍，導(dǎo)致兩側(cè)主輪工作面與軌道之間接觸情況不同，導(dǎo)致閘門兩側(cè)來自主輪的阻力不相同；各個(gè)主輪的輪軸與軸承間的摩擦力不同，青草沙水庫上游取水閘門主輪采用油尼龍軸承，由于油尼龍材質(zhì)存在吸濕膨脹及蠕變特性，經(jīng)過幾年的運(yùn)行，在檢修過程中發(fā)現(xiàn)各別滾輪已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)困難或者不能轉(zhuǎn)動(dòng)，造成閘門兩側(cè)滾輪阻力不同。

1.3 閘門側(cè)止水

止水帶通常采用橡膠材質(zhì)，通過擠壓止水帶，產(chǎn)生密封壓力。在閘門啟閉過程中，兩側(cè)止水與止水座在垂直方向上發(fā)生滑動(dòng)摩擦，便產(chǎn)生止水摩阻力。青草沙水庫上游取水閘門側(cè)止水采用的是雙頭P 型止水，止水與止水座之間留有預(yù)壓縮量，由于閘門安裝位置的偏差或止水壓板變形，造成閘門兩側(cè)止水與止水座間隙不同，兩側(cè)的密封壓力也不同，產(chǎn)生的止水摩擦阻力也不一樣。

1.4 液壓系統(tǒng)

2 個(gè)油缸液壓油管長度的差別使雙缸阻力不一致；2 個(gè)油缸液壓油路上的各個(gè)閥件的實(shí)際性能參數(shù)及泄漏情況存在差異。

雙缸同步誤差往往由多個(gè)原因同時(shí)作用產(chǎn)生，誤差大小會(huì)隨著閘門內(nèi)外側(cè)水位差、閘門開度、使用時(shí)間等因素的變化而變化。

2 常用同步控制回路

解決雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)不同步問題，就要對(duì)上述因素進(jìn)行深入分析，充分考慮各種因素造成的影響，才能有效控制雙缸同步精度。

2.1 開環(huán)控制回路

主要是依靠控制元件本身的工作精度實(shí)現(xiàn)同步控制，實(shí)際使用過程中，由于它并不能完全消除或是避免某些干擾因素的影響，所以控制精度有限，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便且成本低，在對(duì)同步性能要求不高的情況下可以使用，常見的開環(huán)控制回路有5 種：

（1）利用剛性聯(lián)接實(shí)現(xiàn)同步。優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行可靠性強(qiáng)，組件簡(jiǎn)單；不足之處在于僅適用于距離有限、偏向較小的情況。

（2）借助同步閥實(shí)現(xiàn)同步。配置組成也比較簡(jiǎn)單，使用便捷，在同步性能上處于中等；不足之處在于運(yùn)行效率不高，損失較大，不宜在低壓環(huán)境下使用。

（3）通過串聯(lián)液壓缸達(dá)成同步，同時(shí)應(yīng)用單向閥抵消誤差。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可應(yīng)用于偏載，運(yùn)行效率較高；不足之處在于兩缸的工作面積必須一致，否則精度將受到很大的影響。

（4）利用同步缸實(shí)現(xiàn)同步，其單向閥的作用是在一定程度上抵消兩缸之間的誤差。優(yōu)點(diǎn)是可承擔(dān)較大的偏載，精度較理想，運(yùn)行效率也比較高；不足之處在于對(duì)設(shè)備組件要求較高，生產(chǎn)成本增加，而且要求兩缸的工作面積必須一致，否則精度將受到影響，最好是用在行程有限的情況下。

（5）使用2 個(gè)液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)同步?？稍谛谐棠┒说窒? 缸之間的誤差，不足之處在于會(huì)在很大程度上受到馬達(dá)排量的影響，因此在精度上不好控制，且要求2 缸的工作面積一致，可在行程較長的情況下使用。

2.2 閉環(huán)控制回路

可對(duì)液壓缸輸出進(jìn)行高效檢測(cè)，以構(gòu)成閉環(huán)控制，雖然在構(gòu)成上較為復(fù)雜，成本也比較高，但同步性能更為理想，尤其是在計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信息化技術(shù)高速發(fā)展的今天，這類控制方法在智能化水平較高的同步回路中能夠得到更為廣泛的使用。

（1）首先是放油式同步回路，這種模式當(dāng)前應(yīng)用較為普遍。其運(yùn)行原理是，當(dāng)液壓缸出現(xiàn)不同步的狀態(tài)時(shí)，將運(yùn)行速度較快的缸中的油液導(dǎo)入到油箱，直至兩缸的誤差達(dá)到設(shè)定好的閾值。其次是補(bǔ)油式同步回路，其運(yùn)行原理是，當(dāng)出現(xiàn)不同步的狀態(tài)時(shí)，利用特定裝置對(duì)速度較慢的缸進(jìn)行油液補(bǔ)充，直至兩缸的誤差達(dá)到設(shè)定好的閾值。實(shí)踐表明，補(bǔ)油式回路在總體性能上更加突出，對(duì)干擾的抑制能力較強(qiáng)，造成的沖擊較小，完成補(bǔ)油所需時(shí)間更短，對(duì)系統(tǒng)性能影響較小。

（2）首先是由伺服閥實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)回路。伺服閥屬于精度較高的控制器件，但在實(shí)際使用時(shí)必須考慮其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，所需成本較高，且容易產(chǎn)生污染，因此這種回路更多的被用在對(duì)精度要求較高的系統(tǒng)。其次是由比例閥實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)回路。比例閥是一種比較新穎的控制器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液流參數(shù)的有效控制，其在使用性能上要優(yōu)于開關(guān)式控制，但在精度方面不如伺服控制，且反應(yīng)速度較慢。盡管如此，但其成本較低，抗污染能力強(qiáng)，總體性能更為理想，因此這種回路已得到了普遍應(yīng)用，尤其是在頻率響應(yīng)適中且需要較高精度的系統(tǒng)中，有著很好的推廣前景。

（3）由數(shù)字閥實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)回路。數(shù)字閥是近年逐漸發(fā)展成熟的一種控制器件。它最大特征就是能與高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)智能化控制，同時(shí)還有著較為強(qiáng)大的抗污染能力。因此，這種回路應(yīng)用方便，安全穩(wěn)定，組成簡(jiǎn)單，精度高，且易于實(shí)現(xiàn)智能化控制。

青草沙水庫上游閘門啟閉機(jī)雙缸同步回路采用的是手動(dòng)調(diào)速閥加旁通分流糾偏的閉合控制回路。先通過手動(dòng)調(diào)節(jié)控制液壓油缸有桿腔進(jìn)、出油量的帶壓力補(bǔ)償?shù)恼{(diào)速閥，使兩油缸基本達(dá)到同步。然后在閘門啟閉過程中，通過開度儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)2 個(gè)液壓油缸的位移偏差值變化情況，當(dāng)2 個(gè)油缸偏差值超過設(shè)定值時(shí)，通過PLC 的開關(guān)量輸出，打開相對(duì)應(yīng)的電磁糾偏閥進(jìn)行旁通分流，在啟門過程中，對(duì)移動(dòng)較快的油缸有桿腔油路進(jìn)行分流，降低其進(jìn)油量，達(dá)到減速上升的效果；在閉門過程中，對(duì)移動(dòng)較慢的油缸有桿腔油路進(jìn)行分流，增加其出油量，達(dá)到加速下降的效果，從而實(shí)現(xiàn)雙缸同步。在運(yùn)行期間要注意以下事項(xiàng)：糾偏閥的旁通流量要設(shè)定合理，設(shè)定過大會(huì)導(dǎo)致流量過調(diào)，引起糾偏閥頻繁換向動(dòng)作，系統(tǒng)壓力波動(dòng)，設(shè)定過小會(huì)引起糾偏不足，糾偏閥持續(xù)得電動(dòng)作，但2 個(gè)油缸無法達(dá)到同步。因此，只有前期手動(dòng)調(diào)速閥的調(diào)到2 個(gè)油缸基本同步后，整個(gè)同步回路才能穩(wěn)定運(yùn)行。

3 誤差的檢測(cè)

在閉環(huán)控制回路中，油液輸出在很大程度上受到誤差信號(hào)的影響，因此要想實(shí)現(xiàn)理想的同步性能，就要盡可能減少位置誤差的產(chǎn)生。目前，常用的誤差檢測(cè)方法有靜磁柵開度儀、拉繩式開度儀等，這些傳感器通常裝在油缸外部，也可以裝在油缸缸體內(nèi)部。還有專門針對(duì)陶瓷桿活塞桿的CIMS 開度儀，精度高，但需要專用配套的陶瓷活塞桿，成本較高，有些閘門還開始嘗試使用激光測(cè)距儀等更為先進(jìn)的測(cè)量裝置。

青草沙水庫上游取水閘門最初采用靜磁柵開度儀，但由于江面漂浮垃圾較多，極易纏繞在開度儀上，在啟閉過程中，造成開度儀損壞，給閘門正常運(yùn)行造成隱患，后改用拉繩式開度儀至今，拉繩式開度儀設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，安裝方便，價(jià)格適中，性能穩(wěn)定，使用效果良好，但需要注意的是，一般水閘基本都處于關(guān)閉或小開度開啟狀態(tài)時(shí)間較長，此時(shí)拉繩開度儀鋼絲繩往往處于最大伸長量，長時(shí)間容易造成卷簧疲勞，當(dāng)閘門全開時(shí)，拉繩器在最后一段，因失去彈性，無法收回，直接造成開度值無變化，因此選擇拉繩器規(guī)格時(shí)，一般至少要在閘門行程的1.5 倍以上。

4 結(jié)語

目前，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)因其良好的性能在越來越多的水利閘門建設(shè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用。本文重點(diǎn)分析雙吊點(diǎn)平面直升閘門的雙缸同步誤差形成的原因，探討常用的同步回路及誤差檢測(cè)方法。在實(shí)際應(yīng)用中，液壓開環(huán)控制精度較低，無法滿足對(duì)于同步精度要求較高的設(shè)備系統(tǒng)。閉環(huán)控制的精度則非常高，通過與目前先進(jìn)自控技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合之后，使得同步性能得到了進(jìn)一步的改善，運(yùn)行效率更高，投資、運(yùn)行成本更具有優(yōu)勢(shì)，在對(duì)同步性能要求較高的各類系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。近年來，電液比例技術(shù)得到了快速的發(fā)展，其生產(chǎn)成本較低、抗污染能力強(qiáng)、總體性能良好，可達(dá)到比較理想的同步性能，在未來有著非常好的應(yīng)用前景，也是水庫將來液壓系統(tǒng)同步回路優(yōu)化、升級(jí)的方向。