雙缸液壓閘門同步的優(yōu)化處理

陳金煒

（福建省九龍江北溪管理局，福建 漳州 363107）

福建省九龍江北溪引水工程主要承擔著廈門經(jīng)濟特區(qū)和國家級漳州臺商投資區(qū)的工農業(yè)用水，其中引水工程所屬的江東進水閘（左干渠渠首閘站）地處漳州臺商投資區(qū)角美鎮(zhèn)江東農場西側，東側緊挨著中國十大名橋之一的江東橋。為了使改建后的水工建筑物不影響身旁的國家級文物江東橋，所以采用倒掛式液壓啟閉機，降低鋼閘門啟閉平臺的高度。江東進水閘設計有 2 孔閘門，孔口尺寸（寬 × 高）均為 4.00 m × 4.53 m，閘門形式為潛孔式平面定輪門，單扇閘門質量約為 15.0 t。

2 扇閘門由 1 套雙缸液壓啟閉機控制，可在中控室對其進行遠程控制操作。在實際運行過程中，同一套運行程序對于不同閘門的控制引起的故障停機次數(shù)和頻繁程度都有所不同，經(jīng)對比分析和多次試驗，在充分理解原同步控制調整辦法的基礎上，有針對性地對 2 扇閘門的運行程序做出優(yōu)化調整，從而改善閘門的同步運行水平。

1 雙缸液壓閘門啟閉系統(tǒng)的組成及控制

1.1 液壓閘門啟閉系統(tǒng)組成

江東進水閘雙缸液壓閘門啟閉系統(tǒng)由 1 套液壓泵站、2 扇平面鋼閘門、2 套液壓控制閥組、4 只液壓缸、4 套閘門開度儀、1 套現(xiàn)地控制柜、液壓油管等組成，2 扇閘門共用 1 套控制柜及液壓泵站，每扇閘門由 1 套液壓控制閥組控制，左右兩側液壓缸一側采用單比例調節(jié)閥 + 板式節(jié)流閥 1（應急使用）調節(jié)液壓油流量大小，另一側則采用板式節(jié)流閥 2 調節(jié)液壓油流量大小。采用的液壓系統(tǒng)具體技術參數(shù)如表 1 所示。

表 1 液壓系統(tǒng)技術參數(shù)

1.2 液壓閘門同步控制原理

江東進水閘液壓系統(tǒng)右液壓缸采用比例閥調節(jié)液壓油流量大小，左液壓缸采用板式節(jié)流閥調節(jié)液壓油流量大小。正常工況下，右液壓缸的比例閥根據(jù)左液壓缸的板式節(jié)流閥 2 的流量值確定比例閥閥芯開啟度的大小，然后根據(jù)閘門左右兩端行程差的絕對值 △H 自動調節(jié)右液壓缸液壓油的流量大小。當比例閥出現(xiàn)故障時，關閉比例閥前后閥門，打開右液壓缸的板式節(jié)流閥 1 前后的閥門控制閘門的升降。液壓控制系統(tǒng)組成如圖 1 所示[1]。

圖 1 液壓控制系統(tǒng)組成圖

1.3 優(yōu)化前液壓閘門同步控制調整辦法

閘門控制柜（PLC）根據(jù)左右液壓缸閘門開度儀的開度值，進行比較運算，判斷比例閥電壓的增減方向，進而調整比例閥閥芯開啟度的大小，通過控制右液壓缸進出流量調節(jié)兩缸偏差值。閘門同步優(yōu)化改進前的具體調整方法如下：

1）當行程差 △H ＞ 5 mm 時，比例閥開始調節(jié)，調節(jié)時間間隔為 0.5 s。

2）當比例閥開度在 30%～70% 之間時，調節(jié)幅度為 0.6%；當比例閥開度 ＜ 30% 或 ＞ 70% 時，調節(jié)幅度為 0.1%，比例閥控制液壓缸流量，從而糾正兩缸偏差，直至糾偏到兩缸偏差值為 1 mm。

3）當行程差 △H ＞ 30 mm 時，發(fā)出報警信號，緊急停機。

2 雙缸液壓閘門運行中出現(xiàn)的問題

江東進水閘液壓閘門自 2016 年 1 月投入運行，長期保持 0.2～0.4 m 的開度值，在運行中發(fā)現(xiàn)如下幾個問題：

1）閘門開度值在 0～0.4 m 時，液壓啟閉機出現(xiàn)偶發(fā)性停機報警，導致緊急停機，現(xiàn)場查找分析后發(fā)現(xiàn)是行程差 △H ＞ 30 mm，產(chǎn)生報警信號。

2）閘門開度值 ＞ 0.5 m 時，閘門運行時間稍長（＞ 50 s），停機后 △H 初始值保持在 5 mm 以內。但是在小開度（0～0.4 m）閘門運行時，由于閘門運行時間稍短（約 35 s），△H 初始值 ＞ 10 mm，使下一次閘門啟閉時初始偏差偏大，容易造成閘門動作時偏差超限。

3）液壓閘門會有下滑量，設定當液壓閘門下滑量超過 200 mm 時，閘門自動復位功能啟動，大概平均 70 h 閘門會自動復位 1 次，平均 20 d 后會產(chǎn)生偏差超限報警。

3 雙缸液壓閘門的同步優(yōu)化處理

3.1 影響開度不同步的原因

影響江東進水閘的雙缸液壓閘門左右兩端開度不同步的原因有許多，主要原因有以下幾點：

1）江東進水閘液壓啟閉機采用倒掛式液壓啟閉機，閘門設計有頂止水橡膠條，0～0.6 m 的小開度運行使頂止水橡膠條處于門楣處，造成閘門左右兩端的摩擦力不均衡；

2）閘門中心偏移，門槽安裝偏差偏大，造成閘門左右兩端的摩擦力不均衡；

3）閘門小開度運行時，運行時間短，沒有給予液壓調節(jié)閥組足夠的響應時間。

3.2 閘門兩端摩擦力不均衡的解決辦法

根據(jù)頂、側止水的橡膠條變形情況，適當微調閘門左右吊點的位置，從而保證閘門兩端摩擦力均衡；加強頂止水橡膠條的日常檢查，若出現(xiàn)輕微扭曲的變形[2]，必須及時調整該處兩邊固定螺絲的松緊度；仔細觀察閘門門槽是否有影響閘門正常運行的異物，特別是木頭、竹條等。

3.3 PLC 閘門雙缸糾偏程序的優(yōu)化

參照《雙缸液壓閘門啟閉機比例調節(jié)閥電氣控制參數(shù)調整方法》[3]，分級（3 組）控制比例閥的糾偏電壓值，快速確定比例閥閥芯開啟度的大小，從而提高比例閥在液壓系統(tǒng)中的響應速度和精度，以此分級快速有效地控制液壓缸流量。

3.3.1 糾偏電壓分級控制的相關參數(shù)

分級控制的具體參數(shù)如下：

1）電壓設定。U0為比例閥初始電壓給定值，3 組比例閥糾偏電壓分別為 U1，U2，U3（U3＞ U2＞U1），Umax為比例閥允許輸入的最大調節(jié)電壓值（Umax= 10 V）。

2）開度偏差設定。以右液壓缸有比例閥為例，設定△H 在 0～30 mm 之間，△Hmax為 △H 的最大值，設定為 30 mm。

3）糾偏系數(shù)設定。3 組比例糾偏系數(shù)分別為K1，K2，K3，△t 為液壓閘門控制系統(tǒng) PLC 每個程序掃描檢查周期（實時量，本例設定為 35 ms）。

3.3.2 電壓 U 與 △H 的函數(shù)關系式

當 △H ＞ 5 mm 時，液壓比例閥開始動作；當△H ＜ 1 mm 時，液壓比例閥停止動作。3 組控制糾偏函數(shù)關系如下：

1）第 1 組。在檢查周期 △t 時間內，檢查第 1 組行程差 △H1，如果滿足 d△H1/ d△t ＜ 0，即 △H1呈逐漸減小趨勢，取 K1= 1，則糾偏函數(shù)關系式為 U1=U0+ K1(Umax- U0) △H1/ △Hmax。

2）第 2 組。在檢查周期 △t 時間內，檢查第 2 組行程差 △H2，如果滿足 0 ＜ d△H2/ d△t ＜ 1，即 △H2呈穩(wěn)態(tài)不變趨勢，常見的為 △H2值在 6～8 mm 上下差值 1 mm 穩(wěn)態(tài)變動，取 K2= 2，則糾偏函數(shù)關系式為 U2= U0+ K2(Umax- U0) △H2/ △Hmax。

3）第 3 組。在檢查周期 △t 時間內，檢查第 3 組行程差△H3，如果 △H3逐漸增大，取 K3為 2～5 之間的自然數(shù)，直至 K3(Umax- U0) = Umax，則糾偏函數(shù)關系式為 U3= U0+ K3( Umax- U0) △H3/△Hmax。

3.3.3 比例閥糾偏函數(shù)關系式的確定

江東進水閘的 2 扇閘門，在閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)中左、右閘門分別設定為 1# 和 2# 閘門，相關參數(shù)確定如下：

1）U0的確定。a. 將閘門控制方式調整為應急控制（此控制方式日常不用），先關閉 1# 閘門右液壓缸的比例閥油路，然后開啟 1# 閘門右液壓缸的板式節(jié)流閥油路，此時液壓比例閥不參與工作，依靠左右液壓缸的板式節(jié)流閥調節(jié)閘門啟閉速度及左右兩端同步。以 0.65 m/min 啟門速度，1.00 m/min 閉門速度為要求，調整好液壓控制閥組中的 1# 閘門左右兩液壓缸的板式節(jié)流閥的開度大小。

b. 將閘門控制方式調整為手動控制（此控制方式日常也不用），先關閉 1# 閘門右液壓缸的板式節(jié)流閥油路，然后開啟 1# 閘門右液壓缸的比例閥油路，此時右液壓缸的板式節(jié)流閥 1 不參與工作，右液壓缸的比例閥參與工作，預置 30%～60% 的比例閥閥芯開啟度，小開度點動開啟閘門，多次試驗運行找出最小的 △H ＜ 5 mm 時的比例閥電壓值。

c.1# 閘門比例閥最優(yōu)值為 50%，對應的比例閥初始電壓值 U0= 5.0 V；2# 閘門比例閥最優(yōu)值為40%，對應的比例閥初始電壓值 U0= 4.0 V。

2）K 值的確定。K1= 1，K2= 2，K3值根據(jù)現(xiàn)地多次往復運行閘門，從 2～5 自然數(shù)中選取取得兩液壓缸糾偏效果最優(yōu)的數(shù)值 3。

3）1# 閘門 3 組糾偏函數(shù)關系式分別為

3.4 優(yōu)化處理后的成效

江東進水閘液壓系統(tǒng)雙液壓缸同步優(yōu)化前，閘門運行 123 次，出現(xiàn)故障報警的信號次數(shù)為 9 次，故障率為 7.32%；同步優(yōu)化改造后，閘門運行 213 次，出現(xiàn)故障報警的信號次數(shù)為 2 次，故障率為0.94%。江東進水閘 1# 和 2# 閘門小開度及自復位的超限報警的故障信號大幅度降低，減輕了運行維護人員的勞動強度，提高了工作效率。

4 結語

雙吊點液壓閘門左右兩端的不同步是閘門運行中比較常見的，造成不同步的原因有很多，有比例閥等電氣元器件的精度不夠，有閘門左右兩端摩擦力不均衡，有 PLC 程序閘門同步控制調整辦法的差異等原因，只要有針對性的具體問題具體分析，從中找出原因，一定能解決問題。

利用雙缸液壓閘門分級控制比例閥糾偏電壓的辦法，可以實現(xiàn)江東進水閘液壓系統(tǒng)雙缸閘門跳躍調整比例閥閥芯開啟度大小，達到分級控制比例閥流量大小，保證閘門左右兩端平穩(wěn)快速同步。針對行程差 △H 呈逐漸減小、穩(wěn)態(tài)不變、逐漸增大 3 種閘門不同步運動趨勢，分 3 個區(qū)間調節(jié)閘門左右兩端的同步，相比較于常見的逐級調節(jié)的液壓系統(tǒng)同步比例閥調節(jié)辦法[4]，有效提高了比例閥在液壓系統(tǒng)中的響應速度和精度。

隨著科學技術飛速發(fā)展，國內外一些水利工程已經(jīng)采用雙缸雙比例閥液壓閘門同步調節(jié)系統(tǒng)，建議今后進一步研究雙缸雙比例閥調節(jié)液壓系統(tǒng)同步優(yōu)化處理的措施，以最少的投資成本達到液壓閘門更高精度控制、更強穩(wěn)定性的運行效果。