閘、閥門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)綜述

翟繼民?張公略?嚴(yán)秀俊

摘 要 富春江船閘是我國(guó)首座保留原有船閘建筑物，在其下游新建一座Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)船閘的礙航船閘的擴(kuò)建改造工程，通過(guò)對(duì)老船閘的加固及改造利用：老船閘作為新建船閘的引航道，同時(shí)作為新建船閘輸水系統(tǒng)的組成部分。最大設(shè)計(jì)水差20.21m，由于新、老船閘口門寬度不同，新建船閘閘室寬度23米，老閘閘室12米，經(jīng)南科院水力模型試驗(yàn)表明：充、泄水閥門的開(kāi)啟方式?jīng)Q定老閘上閘首口門水跌和閘室水流流速的大小，對(duì)船閘運(yùn)行的安全性有很大的影響，因此液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的設(shè)計(jì)必須按照閘、閥門運(yùn)行特性曲線的要求進(jìn)行，起、制動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)沖擊;左、右油缸運(yùn)行同步。本文通過(guò)對(duì)電比例泵、電比例閥及兩位兩通電磁換向閥回路在無(wú)級(jí)變速、液壓系統(tǒng)同步控制、可靠性及經(jīng)濟(jì)型等方面進(jìn)行充分比選，得出比例泵最適合閘、閥門的運(yùn)行要求。

關(guān)鍵詞 船閘運(yùn)行安全;閘;閥門運(yùn)行特性曲線;電比例泵;液壓系統(tǒng)同步控制

1輸水系統(tǒng)帶來(lái)的運(yùn)行問(wèn)題

1.1 口門堰流

根據(jù)船閘輸水系統(tǒng)整體模型試驗(yàn)成果，新建船閘充水時(shí)老船閘閘室水位下降明顯，其上閘首處形成堰流，上閘首輸水閥門開(kāi)啟速度過(guò)快會(huì)引起上閘首口門水跌過(guò)大，而開(kāi)啟速度過(guò)慢影響船閘充水時(shí)間且對(duì)反弧門運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，為此，對(duì)充水閥門的開(kāi)啟方式進(jìn)行專門的水力學(xué)模型試驗(yàn)研究非常必要，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定老船閘上閘首口門水流跌落和上游引航道流速的上限值確保船閘安全運(yùn)行，經(jīng)過(guò)南科院的物模實(shí)驗(yàn)確定如圖1.1和1.2所示的閥門運(yùn)行方式可以較好地解決閥門空化和口門處水跌的問(wèn)題。

1.2 船閘運(yùn)行安全

由于老閘兼做新建船閘的上游引航道，雖然對(duì)老閘進(jìn)行了加固處理，但是根據(jù)大壩檢測(cè)中心的建議，將老閘上閘首下沉門更換并增加動(dòng)水閉門功能，萬(wàn)一老閘出現(xiàn)意外事故，可以動(dòng)水關(guān)閉下沉門以保護(hù)大壩和新建船閘的安全，下沉門選用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，在兩側(cè)門槽上方布置立式油缸，液壓泵站安裝在原機(jī)房?jī)?nèi)，由于左、右兩側(cè)管道長(zhǎng)度不同帶來(lái)管路沿程損失不同，加之門槽阻力及閘門安裝精度的誤差，左、右兩側(cè)油缸極易產(chǎn)生運(yùn)行偏差，因此下沉門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)同步控制是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素[1]。

2人字門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)

人字門選用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，由于新建船閘上、下閘首人字門自重較重（下閘首人字門約350噸），如果啟、制動(dòng)過(guò)猛不連續(xù)，會(huì)產(chǎn)生較大的啟、制動(dòng)慣性力并引起人字門沖擊和振動(dòng)，減少人字門使用壽命。同時(shí)人字門在臨近關(guān)閉階段由于左右兩缸運(yùn)行不同步極易發(fā)生碰撞現(xiàn)象，因此需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮液壓?jiǎn)㈤]機(jī)具有自動(dòng)降速功能，根據(jù)位置傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)自動(dòng)將運(yùn)行速度均勻降至漸進(jìn)速度避免發(fā)生碰撞，最終觸發(fā)行程限位開(kāi)關(guān)發(fā)訊安全停機(jī)。

3閘、閥門運(yùn)行特性

經(jīng)過(guò)南科院數(shù)模計(jì)算和物模實(shí)驗(yàn)分析得到如下運(yùn)行方案：雙邊充水閥門開(kāi)啟至0.43開(kāi)度，停機(jī)275s后繼續(xù)開(kāi)啟至0.6開(kāi)度，停機(jī)100s后開(kāi)啟至0.82開(kāi)度，直至剩余水頭為0.3m時(shí)動(dòng)水關(guān)閉雙邊工作閥門至0.4開(kāi)度，并于閘室水位與上游引航道水位齊平時(shí)立即開(kāi)啟上閘首人字門。雙邊泄水閥門開(kāi)啟至1.0開(kāi)度，待閘室水位高于下游引航道水位2.0m時(shí)，由于左岸閥門泄水口與電站下游相通，為防止反向水頭沖擊人字門，先動(dòng)水關(guān)閉下閘首左岸工作閥門至全關(guān)狀態(tài)，并在剩余水頭0.4m時(shí)動(dòng)水關(guān)閉右岸工作閥門至0.4開(kāi)度，至閘室水位與下游引航道齊平時(shí)開(kāi)啟下閘首人字門。該運(yùn)行方式經(jīng)過(guò)近三年的運(yùn)行證明切實(shí)可靠滿足設(shè)計(jì)要求。

4閘、閥門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)計(jì)

4.1 人字門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)

人字門運(yùn)行特性詳見(jiàn)圖3所示。由于人字門門葉自重較大，上閘首人字門自重約100噸;下閘首人字門自重約350噸。為防止人字門提速過(guò)快產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，需要限制啟動(dòng)加速度，起步需要緩慢均勻加速;在人字門臨近關(guān)閉，左、右兩扇人字門接近時(shí)要求人字門用10秒鐘時(shí)間將速度從2m/min均勻降至30～50cm/min，人字門進(jìn)入導(dǎo)卡后緩慢運(yùn)行防止劇烈碰撞，對(duì)門體產(chǎn)生破壞作用。常規(guī)的齒輪泵、葉片泵和軸向柱塞泵均無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變量，且齒輪泵流量和壓力脈動(dòng)大，運(yùn)行不穩(wěn)定。而葉片泵雖然流量和壓力脈動(dòng)小，但是其轉(zhuǎn)速范圍窄，吸油條件苛刻，工作可靠性差，只能做成定量泵，適用于高速低負(fù)荷的工況。軸向柱塞泵構(gòu)造上的特點(diǎn)具有斜盤結(jié)構(gòu)，隨著斜盤角度的變化，泵的流量相應(yīng)變化，容積效率高、工作壓力高，增加變量機(jī)構(gòu)可以根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出流量，非常適合人字門運(yùn)行特性?？紤]節(jié)約設(shè)備投資，同一閘首同一側(cè)閘、閥門共用一套液壓泵站，油泵選用軸向柱塞電比例泵，電比例泵可以根據(jù)閘閥門運(yùn)行特性預(yù)先設(shè)置控制程序，如啟制動(dòng)時(shí)間、各檔額定運(yùn)行速度及運(yùn)行時(shí)間、自動(dòng)啟停（配合水位計(jì)信號(hào)）等。為了減少閘門等待時(shí)間，保證左右閘、閥門同步運(yùn)行，在閘、閥門油缸內(nèi)均安裝位移傳感器，設(shè)置同步精度1cm，運(yùn)行全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，雖然電比例泵響應(yīng)速度不如電比例閥快，但是完全滿足人字門及反弧門運(yùn)行特性的要求。如果選用定量泵+電比例閥調(diào)速系統(tǒng)，電比例閥調(diào)速的工作原理是通過(guò)電信號(hào)的強(qiáng)弱控制比例閥開(kāi)度從而改變出口流量達(dá)到調(diào)速的目的，雖然相應(yīng)速度快，但是需要配置溢流閥，多余的油從溢流閥流回油箱，

系統(tǒng)發(fā)熱增加且能耗高、低效。因此選用電比例泵更適合于閘、閥門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。電比例泵液壓原理圖如圖4所示，

（1）電比例泵主要元件

序號(hào)10：帶壓力補(bǔ)償越權(quán)監(jiān)控的電液比例排量柱塞泵，比例排量泵上的主要排量控制零件及功能：①伺服控制活塞：控制斜盤擺角;②線性位置傳感器：檢測(cè)并反饋伺服活塞位置（也就是檢測(cè)泵的實(shí)際排量）到PQD中;③斜盤;④壓力補(bǔ)償器：輔助壓力閥實(shí)現(xiàn)泵的壓力補(bǔ)償控制;⑤比例排量控制閥：直接用于控制伺服控制活塞的位置;

序號(hào)11：壓力補(bǔ)償變量控制閥，主要是在油泵出口壓力變化時(shí)保持出口流量輸出不變，增加閘閥門油缸運(yùn)行速度的穩(wěn)定性;

序號(hào)12（左側(cè)）：預(yù)加載閥，具有在外荷載壓力低于2MPa工況下，同樣可以維持泵內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)行變流量輸出，這種特性在人字門無(wú)水調(diào)試時(shí)非常有用;

序號(hào)12（右側(cè)）：P/Q控制用數(shù)字式電子控制模塊，閉環(huán)控制器可實(shí)現(xiàn)液壓泵的比例排量控制和壓力補(bǔ)償變量控制（也就是恒壓變量控制）。

（2）電液比例排量控制功能：通過(guò)上位控制器（PLC等）向PQD電子控制模塊發(fā)送排量指令電信號(hào)（0～10V模擬量，對(duì)應(yīng)0～100%排量值）;PQD控制比例排量閥驅(qū)動(dòng)伺服活塞運(yùn)動(dòng)，并最終推動(dòng)斜盤改變擺角，實(shí)現(xiàn)排量控制。線性位置傳感器（LVDT）實(shí)時(shí)檢測(cè)泵的實(shí)際排量，并將該實(shí)際排量信號(hào)反饋至 PQD電子控制模塊，而電子控制模塊（閉環(huán)控制器）不斷對(duì)輸入指令和實(shí)際排量反饋進(jìn)行比較，并調(diào)整比例排量閥電磁鐵的供電，將被控制的排量的偏差轉(zhuǎn)換成比例電磁鐵的模擬輸入電流，控制比例閥調(diào)整伺服活塞的位置，至正確的排量。

1）壓力補(bǔ)償變量控制（恒壓變量控制）：UDR型比例排量控制除了電液比例排量控制閥和一個(gè)壓力補(bǔ)償變量控制閥，其轉(zhuǎn)接閥塊頂部配置有一個(gè)先導(dǎo)閥安裝界面。該電液比例排量液壓泵總成在先導(dǎo)安裝界面上配置了壓力補(bǔ)償變量控制閥，并且與壓力補(bǔ)償器一同實(shí)現(xiàn)柱塞泵的壓力補(bǔ)償變量控制。

2）預(yù)加載閥：對(duì)于比例排量控制泵，在任何條件下，其出口均需要建立一個(gè)起始?jí)毫?，以向先?dǎo)控制回路提供基本的控制壓力油，一種解決方案是使用預(yù)加載閥。預(yù)加載閥直接安裝在泵的壓力油口上，預(yù)加載閥的開(kāi)啟壓力約為20bar，在壓力達(dá)到25bar左右時(shí)完全打開(kāi)，此時(shí)閥芯壓降小于1bar 。

在閘門無(wú)水調(diào)試階段閘門油缸閉門工作壓力低于2MPa，如果沒(méi)有電比例泵會(huì)造成閉門階段無(wú)法自動(dòng)降速，閘門閉門速度不可控，發(fā)生撞擊事故。如果采用普通軸向柱塞泵需要借助于變頻器才能實(shí)現(xiàn)變量輸出，不僅占地面積增大，而且增加了投資。有水調(diào)試工作壓力大于2MPa，電比例泵工作更加精準(zhǔn)經(jīng)調(diào)試后完全滿足閘閥門的運(yùn)行特性。

4.2 輸水閥門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)

本次輸水閥門委托南京水利科學(xué)研究院得到如圖1.1和1.2兩種開(kāi)啟方式。同樣要求啟動(dòng)初始和制動(dòng)階段可以無(wú)級(jí)變速，降低起制動(dòng)慣性力，減少反弧門沖擊和振動(dòng)?？紤]到最高設(shè)計(jì)水頭差21.2m，如果開(kāi)啟方式不當(dāng)會(huì)引起反弧門空化及振動(dòng)，且充水閥門開(kāi)啟速度不當(dāng)容易引起老閘上閘首口門水跌過(guò)大，上游引航道流速過(guò)快造成船舶安全事故，根據(jù)南科院物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合富春江船閘有水調(diào)試實(shí)際情況進(jìn)行綜合分析，最終推薦圖1及圖2所示的充、泄水閥門運(yùn)行方式。選用具有圖4功能的電比例泵可以根據(jù)控制信號(hào)0～10V來(lái)控制比例泵流量輸出，計(jì)算出間歇運(yùn)行各階段油泵所需輸出流量值換算成相應(yīng)的電信號(hào)，將控制電信號(hào)和各階段運(yùn)行時(shí)間寫入運(yùn)行控制程序，并輸入PLC對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，即可實(shí)現(xiàn)圖示的運(yùn)行模式。閥門左右油缸同步控制原理同人子門油缸在此不再重述。 綜上所述：對(duì)于工作級(jí)別較高的船閘工作閘、閥門啟閉機(jī)選用電比例泵雖然一次性投資較多，但是相對(duì)于普通軸向柱塞泵更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變量滿足各種復(fù)雜運(yùn)行工況的變速要求，且節(jié)能高效，長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用比定量泵及電比例泵費(fèi)用低，可靠性高。

4.3 下沉門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)計(jì)

老船閘上閘首工作閘門是下沉式平面閘門，由于上下游水位最大相差約20米以上，上閘首底檻18.5米，老閘閘室頂面高程0.5米，具有天然帷墻，選用下沉門可以節(jié)約投資，考慮到改造后老閘作為新建船閘的組成部分，增加下沉門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)動(dòng)水閉門功能，萬(wàn)一老閘漏水或發(fā)生其他事故，利用下沉門動(dòng)水關(guān)閉口門增加船閘運(yùn)行的安全性。下沉門完全關(guān)閉閘門頂標(biāo)高24.7米，門低緣標(biāo)高18.0米，上游最高設(shè)計(jì)水位23.5m閉門力按照最大水頭6.5m計(jì)算值為2×630KN。油缸布置在兩側(cè)門槽內(nèi)，油缸支座安裝在閘首32.16米的頂面上，立式垂直布置。動(dòng)水閉門時(shí)油缸缸筒受壓，壓力通過(guò)支座傳遞給閘首頂面砼油缸穩(wěn)定。船閘通航時(shí)下沉門完全開(kāi)啟下落至11.8米的地檻上，下落依靠自重。下沉門啟閉同步依靠油缸中安裝的內(nèi)置式位移傳感器，全過(guò)程實(shí)時(shí)傳送信號(hào)至PLC，程序設(shè)置兩缸位移偏差值小于1cm，大于設(shè)定值糾偏回路自動(dòng)放油直至滿足精度要求。糾偏回路不同于閘閥門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，考慮下沉門僅僅偶爾使用，節(jié)能不是主要考慮的問(wèn)題，安全可靠是首要問(wèn)題，由于左、右兩側(cè)油缸設(shè)置同步精度較高，如果選用比例泵其響應(yīng)速度不如電磁閥會(huì)繼續(xù)加大運(yùn)行偏斜造成門槽阻力增大或卡死的情況對(duì)運(yùn)行不利。而選用兩位兩通電磁閥并聯(lián)在有桿腔回路簡(jiǎn)單明了，當(dāng)兩邊油缸位移傳感器偏差大于1cm，PLC向快的一側(cè)電磁閥發(fā)訊，電磁閥接通并泄油，待左右速度偏差滿足精度要求，PLC停止發(fā)訊電磁閥關(guān)閉，兩側(cè)油缸同步運(yùn)行。

5結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于偶爾開(kāi)啟的垂直提升平面閘門的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)選用兩位兩通電磁換向閥泄油既能快速糾偏同時(shí)節(jié)能，比電比例泵節(jié)省投資，簡(jiǎn)單可靠;比電比例閥節(jié)能高效。

參考文獻(xiàn)

[1] 嚴(yán)秀俊，安建峰，鄭飛東，等.富春江船閘擴(kuò)建改造工程閘室輸水水力特性及優(yōu)化[J].水運(yùn)工程，2016，（12）：188-193.