一種液壓?jiǎn)㈤]機(jī)防卡阻反頂技術(shù)研究

朱佳佳，黃建，王亮

（江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

1 概述

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)廣泛地運(yùn)用在大型的泵站和水電站中，其作用為機(jī)組斷電停機(jī)時(shí)通過(guò)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)阻斷工程上下游水流，防止上游水流在重力勢(shì)能的作用下，通過(guò)流道流向下游，從而沖刷機(jī)組葉輪造成倒轉(zhuǎn)。隨著液壓?jiǎn)㈤]機(jī)裝置使用年限的增加，一些設(shè)備元器件逐漸老化，特別是閘門(mén)長(zhǎng)期埋沒(méi)在水中，浮游生物體及污垢會(huì)大量附著在活塞桿上，導(dǎo)致在啟閉門(mén)的過(guò)程中會(huì)發(fā)生機(jī)械卡阻故障，使閘門(mén)門(mén)體傾斜懸在門(mén)槽中。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)通常作為大型泵站的斷流快速門(mén)，在水利工程運(yùn)行過(guò)程中起著舉足輕重的作用，本文針對(duì)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)械卡阻故障，進(jìn)行分析并提出詳細(xì)的處理方法，可為配備同類(lèi)型液壓?jiǎn)㈤]機(jī)水利工程管理單位提供參考。

2 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)主要由油箱、電機(jī)、油泵、電磁換向閥、溢流閥、插裝閥、加壓油管、回油管、調(diào)速閥、濾芯、油缸、補(bǔ)油缸、活塞桿、閘門(mén)等組成。液壓閘門(mén)動(dòng)力部分是由液壓泵把原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體壓能，系統(tǒng)壓力油加壓后通過(guò)控制相應(yīng)的電磁閥通斷，將壓力油輸送到兩端液壓油缸中的有桿腔內(nèi)，從而推動(dòng)活塞桿帶動(dòng)閘門(mén)向上做直線運(yùn)動(dòng)，在活塞上升的過(guò)程中無(wú)桿腔中的液壓油被推至回油母管直至返回油箱中。在落門(mén)時(shí)，通過(guò)控制電磁閥，導(dǎo)通插裝閥，將有桿腔中的壓力油直接釋放到油箱中，完成泄壓，閘門(mén)在自重的情況下快速落門(mén)，同時(shí)補(bǔ)油箱將向無(wú)桿腔補(bǔ)油。只需要接通電動(dòng)機(jī)的電源，在液壓系統(tǒng)的控制下，液壓缸內(nèi)的活塞體內(nèi)壁做軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連接在活塞上的連桿和閘門(mén)做直線運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到開(kāi)啟、關(guān)閉孔口的目的。其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

具體電氣控制原理如下:

啟門(mén)時(shí)，控制電路讓電磁閥YV2得電，系統(tǒng)壓力油從油泵中經(jīng)過(guò)單項(xiàng)閥、手動(dòng)閘閥到油缸中的有桿腔，利用向上油壓力克服閘門(mén)及活塞桿的重力將閘門(mén)提起，無(wú)桿腔的液壓油壓入補(bǔ)油缸，待補(bǔ)油缸油滿后壓入回油管重新返回到油箱中。

落門(mén)時(shí)，控制電路讓電磁閥YV3得電，液控插裝閥油壓退出，在彈簧回復(fù)力的作用下，插裝閥導(dǎo)通，有桿腔壓力油通過(guò)插裝閥和緩閉溢流閥回到回油箱中，活塞失去向上的壓力后，閘門(mén)在自身重力作用下下落。

控制系統(tǒng)有完備的閘門(mén)同步控制，在閘門(mén)啟閉過(guò)程中，閘門(mén)開(kāi)度及控制裝置全程連續(xù)監(jiān)控兩個(gè)液壓缸的行程偏差，使閘門(mén)平穩(wěn)順利啟閉。當(dāng)偏差值≥10 mm時(shí)，通過(guò)調(diào)整液壓缸有桿腔進(jìn)、出油量，使雙缸趨于同步，當(dāng)偏差值≤10 mm時(shí)糾偏調(diào)節(jié)停止。

液壓控制系統(tǒng)具有完善保護(hù)，壓力保護(hù)、油位保護(hù)、油溫保護(hù)、濾清器堵塞報(bào)警為日常管理帶來(lái)安全與便捷，其快速工作閘門(mén)與事故檢修閘門(mén)互為備用，當(dāng)任一孔快速閘門(mén)閉門(mén)故障時(shí)，液壓控制系統(tǒng)發(fā)出快速閉門(mén)信號(hào)給事故檢修閘門(mén)控制系統(tǒng),相對(duì)應(yīng)的事故檢修閘門(mén)快速閉門(mén)。

圖1 液壓閘門(mén)系統(tǒng)原理圖

3 故障現(xiàn)象

南水北調(diào)解臺(tái)站工程是南水北調(diào)東線一期工程的第八梯級(jí)，為I等大型泵站，采用先進(jìn)的肘形流道進(jìn)水、低駝峰流道出水，液壓閘門(mén)方式斷流。液壓閘門(mén)在日常啟閉操作過(guò)程中時(shí)常出現(xiàn)機(jī)械卡阻現(xiàn)象，導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)開(kāi)啟、關(guān)閉閘門(mén)。經(jīng)分析造成閘門(mén)無(wú)法啟閉的原因主要有：①液壓油雜質(zhì)增多導(dǎo)致的電磁閥閥芯堵塞引起電磁閥控制失靈；②液控閥閥芯彈簧永久變形，是彈簧在線圈失電自由狀態(tài)不能推動(dòng)閥芯，無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制意圖；③壓力輸油管存在漏點(diǎn)，無(wú)法建立有效的系統(tǒng)壓力；④有桿腔起落過(guò)程中異常摩擦力。通過(guò)實(shí)際故障運(yùn)行工況，發(fā)現(xiàn)在提啟閘門(mén)時(shí)，有桿腔油壓力可以建立，當(dāng)閘門(mén)提升至某一位置后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)壓力持續(xù)上升但閘門(mén)基本靜止不動(dòng)，通過(guò)閘門(mén)開(kāi)度數(shù)據(jù)顯示兩側(cè)閘門(mén)有行程偏差。呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)反應(yīng)閘門(mén)為機(jī)械卡阻。經(jīng)分析造成卡阻的原因?yàn)榭拷l門(mén)側(cè)的支撐桿有嚴(yán)重的浮游生物和污物附著，該原因經(jīng)過(guò)廠家技術(shù)人員確認(rèn)。該液壓系統(tǒng)雖然有閘門(mén)同步糾偏控制功能，僅在正常起落時(shí)能夠通過(guò)調(diào)節(jié)閥、電磁閥平衡閘門(mén)兩側(cè)開(kāi)度，但在機(jī)械卡阻時(shí)無(wú)法有效執(zhí)行。

4 處理措施

通過(guò)廠家技術(shù)人員的指導(dǎo)，現(xiàn)場(chǎng)管理單位安排人員對(duì)油缸附近50 cm的支撐桿上附著物進(jìn)行拋光清理。然后試著再次提起閘門(mén)，如果閘門(mén)能夠順利提起，待提高40 cm左右時(shí)，操作落門(mén)，有桿腔油通過(guò)插裝閥回到回油箱，閘門(mén)在重力作用下下落并通過(guò)慣性經(jīng)過(guò)卡阻點(diǎn)順利落到全關(guān)位。如果閘門(mén)不能順利提起，則關(guān)閉閘門(mén)開(kāi)度高的一側(cè)手動(dòng)球閥，再以點(diǎn)動(dòng)的方式開(kāi)啟閘門(mén)，這樣待兩側(cè)閘門(mén)基本平衡后再打開(kāi)之前操作的球閥，再次提啟閘門(mén)，之后的操作流程與以上相同。通過(guò)這種方式可以將閘門(mén)卡阻問(wèn)題解決。

5 改進(jìn)技術(shù)方案

當(dāng)閘門(mén)在啟門(mén)過(guò)程中遇到機(jī)械卡阻時(shí)，通過(guò)以上措施雖然能夠解決問(wèn)題，但耗時(shí)耗力，且人員在打磨拋光支撐桿時(shí)較為危險(xiǎn)。閘門(mén)是大型泵站的主要設(shè)備，常規(guī)設(shè)計(jì)是與機(jī)組開(kāi)停機(jī)聯(lián)動(dòng)方式啟門(mén)、落門(mén)。具體聯(lián)動(dòng)情況為，機(jī)組開(kāi)啟后，閘門(mén)聯(lián)動(dòng)啟門(mén)；機(jī)組停機(jī)后，閘門(mén)聯(lián)動(dòng)落門(mén)。在閘門(mén)聯(lián)動(dòng)啟門(mén)過(guò)程中遇到機(jī)械卡阻，則會(huì)造成水泵堵轉(zhuǎn)進(jìn)而引起機(jī)組過(guò)流保護(hù)跳閘或過(guò)負(fù)荷跳閘事故；在閘門(mén)聯(lián)動(dòng)落門(mén)過(guò)程中遇到機(jī)械卡阻，則會(huì)造成上游水流沖刷葉輪引起機(jī)組倒轉(zhuǎn)。顯然上述處理措施只是針對(duì)閘門(mén)日常試運(yùn)行時(shí)可行，在機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程中仍然不能確保安全運(yùn)行。本方案可以通過(guò)增加電磁換向閥、油管路、手動(dòng)球閥等設(shè)備，通過(guò)有桿腔泄壓回油，無(wú)桿腔建壓的方式，經(jīng)油壓與閘門(mén)重力的合力驅(qū)動(dòng)，完成閘門(mén)下落。

將YV2電磁閥更換成雙線圈換向電磁閥，通過(guò)增設(shè)管路將換向閥的出油通道與無(wú)桿腔聯(lián)系起來(lái)，在兩端無(wú)桿腔與2號(hào)回油管支管上各增加一個(gè)手動(dòng)球閥，在運(yùn)用反頂技術(shù)解決機(jī)械卡阻時(shí)，通過(guò)關(guān)閉兩端無(wú)桿腔與補(bǔ)油箱之間的手動(dòng)球閥讓無(wú)桿腔建立反頂壓力。其技術(shù)方案設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 反頂技術(shù)系統(tǒng)圖

具體操作流程如下：

（1）關(guān)閉無(wú)桿腔與補(bǔ)油箱之間的手動(dòng)球閥。（2）啟動(dòng)油泵，建立系統(tǒng)壓力。

（3）控制電磁閥YV4得電，系統(tǒng)壓力油進(jìn)入無(wú)桿腔，有桿腔壓力油返回回油箱。通過(guò)油壓和閘門(mén)重力促使閘門(mén)下落。

為了使上述的方案更可行地在工程管理中取得實(shí)效，可以在閘門(mén)兩側(cè)無(wú)桿腔與2號(hào)回油管支管各加裝一個(gè)常開(kāi)電磁閥YV5、YV6，通過(guò)兩端閘門(mén)開(kāi)度儀判斷兩邊閘門(mén)的傾斜情況，自動(dòng)控制相應(yīng)電磁閥的通斷，即閘門(mén)開(kāi)度高的一側(cè)的無(wú)桿腔與2號(hào)回油管支管上的電磁閥打開(kāi)，閘門(mén)開(kāi)度低的一側(cè)的無(wú)桿腔與2號(hào)回油管支管之間電磁閥關(guān)閉，這樣啟動(dòng)油泵后的系統(tǒng)油壓就可以將閘門(mén)調(diào)至兩端平衡狀態(tài)。當(dāng)閘門(mén)兩邊開(kāi)度達(dá)到控制系統(tǒng)設(shè)定的允許差值后，上述閘門(mén)開(kāi)度高和開(kāi)度低兩側(cè)無(wú)桿腔，與2號(hào)回油管支管上電磁閥YV5、YV6均打開(kāi)，保證閘門(mén)順利平穩(wěn)下落。電氣控制方面的過(guò)程為：當(dāng)發(fā)生機(jī)械卡阻后，按液壓反頂啟動(dòng)按鈕，控制系統(tǒng)自動(dòng)判斷并控制相應(yīng)電磁閥的通斷，當(dāng)閘門(mén)開(kāi)度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定允許差值后，控制系統(tǒng)打開(kāi)電磁閥YV5、YV6，系統(tǒng)油壓均勻穩(wěn)定進(jìn)入兩端無(wú)桿腔內(nèi)，當(dāng)閘門(mén)下落至下限全關(guān)位，完成反頂操作流程。

6 系統(tǒng)電氣控制原理

6.1 控制系統(tǒng)設(shè)備說(shuō)明（圖3）

（1） ZK1為控制電路空氣開(kāi)關(guān)；SA為“本地、聯(lián)動(dòng)”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)；KA1、KA2、KA3為中間繼電器電磁線圈；KA1-1、KA1-2、KA2-1、KA2-3、KA3-1、KA3-2為中間繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)；KA1-3、KA1-4、KA2-2、KA2-4為中間繼電器常閉觸點(diǎn)；KM為交流接觸器電磁線圈；KM-1為交流接觸器常開(kāi)觸點(diǎn)。

（2） SB1為油泵啟動(dòng)按鈕；SB2為油泵停止按鈕；SB3為閘門(mén)啟門(mén)按鈕；SB4為閘門(mén)啟落門(mén)停止按鈕（SB4-1、SB4-2為一個(gè)按鈕SB4的兩副接點(diǎn)）；SB5為閘門(mén)本地方式落門(mén)按鈕；SB6為閘門(mén)反頂啟動(dòng)按鈕；SB7為閘門(mén)反頂停止按鈕；

（3） SQ1為閘門(mén)上限位行程開(kāi)關(guān)；SQ2為閘門(mén)下限位行程開(kāi)關(guān)；SQ3為閘門(mén)下限位行程開(kāi)關(guān)；

（4） QF1為機(jī)組斷路器常開(kāi)輔助觸點(diǎn)；QF2為機(jī)組斷路器常閉輔助觸點(diǎn)；

（5）YV2為啟門(mén)控制電磁閥；YV3為落門(mén)控制電磁閥；YV4為反頂控制電磁閥；

圖3 系統(tǒng)電氣原理圖

6.2 系統(tǒng)控制原理（圖4）

（1）按油泵啟動(dòng)按鈕SB1，交流接觸器電磁線圈KM帶電，交流接觸器常開(kāi)觸點(diǎn)KM-1閉合形成回路自鎖，油泵運(yùn)行。按油泵停止按鈕SB2，交流接觸器電磁線圈KM失電，油泵停止運(yùn)行。

（2）油泵啟動(dòng)運(yùn)行后，將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA打到“本地”位置，按閘門(mén)啟門(mén)按鈕SB3，中間繼電器KA1電磁線圈帶電，中間繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)KA1-2閉合，常閉觸點(diǎn)KA2-2閉合，啟門(mén)控制電磁閥YV2動(dòng)作，執(zhí)行啟門(mén)指令。在執(zhí)行啟門(mén)指令過(guò)程中按閘門(mén)啟門(mén)停止按鈕SB4，閘門(mén)啟門(mén)停止，若未發(fā)出啟門(mén)停止指令，則當(dāng)閘門(mén)上升至上限位時(shí)，SQ1觸點(diǎn)斷開(kāi)，中間繼電器KA1電磁線圈失電，中間繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)KA1-2斷開(kāi)，啟門(mén)控制電磁閥YV2電磁線圈失電，啟門(mén)停止。

（3）將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA打到“本地”位置，按閘門(mén)落門(mén)按鈕SB5，中間繼電器KA2電磁線圈帶電，中間繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)KA2-3閉合，常閉觸點(diǎn)KA1-3閉合，啟門(mén)控制電磁閥YV3動(dòng)作，執(zhí)行落門(mén)指令。在執(zhí)行落門(mén)指令過(guò)程中按閘門(mén)啟落門(mén)停止按鈕SB4，閘門(mén)落門(mén)停止，若未發(fā)出落門(mén)停止指令，則當(dāng)閘門(mén)下降至下限位時(shí)，SQ2觸點(diǎn)斷開(kāi)，中間繼電器KA2電磁線圈失電，中間繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)KA2-3斷開(kāi)，落門(mén)控制電磁閥YV3電磁線圈失電，落門(mén)停止。

（4）把轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到“聯(lián)動(dòng)”位置，機(jī)組開(kāi)機(jī)合斷路器后，斷路器輔助觸點(diǎn)QF1閉合，發(fā)出啟門(mén)信號(hào)；當(dāng)機(jī)組停機(jī)分?jǐn)嗦菲骱?，斷路器輔助觸點(diǎn)QF2閉合，發(fā)出落門(mén)信號(hào)；啟門(mén)控制回路和落門(mén)控制回路通過(guò)中間繼電器常閉觸點(diǎn)KA1-3、KA2-2互為閉鎖；

（5）當(dāng)閘門(mén)發(fā)生機(jī)械卡阻無(wú)法執(zhí)行啟落門(mén)指令后，按閘門(mén)啟落門(mén)停止按鈕SB4，中間繼電器常閉觸點(diǎn)KA1-4、KA2-4閉合，按閘門(mén)反頂啟動(dòng)按鈕SB6，中間繼電器電磁線圈KA3帶電，中間繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)KA3-2閉合，反頂控制電磁閥YV4電磁線圈帶電，電磁閥打開(kāi)執(zhí)行反頂指令，待閘門(mén)到下限位開(kāi)關(guān)SQ3動(dòng)作時(shí)，反頂控制電磁閥YV4電磁線圈失電，反頂流程完畢。

（6）液壓反頂系統(tǒng)的自動(dòng)糾偏控制利用兩只閘門(mén)開(kāi)度傳感器分別監(jiān)測(cè)閘門(mén)左右開(kāi)高，通過(guò)PLC模擬量輸入模塊和內(nèi)部梯形圖程序控制電磁閥YV5、YV6，通過(guò)電磁閥YV5、YV6的控制來(lái)調(diào)節(jié)改善閘門(mén)機(jī)械阻力以達(dá)到閘門(mén)平穩(wěn)下落。

圖4 系統(tǒng)自動(dòng)糾偏控制圖

7 結(jié)語(yǔ)

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)是大型泵站的關(guān)鍵設(shè)備，靈活可靠的操作運(yùn)用對(duì)泵站斷流阻水、安全運(yùn)行具有重要意義。本文提出上述反頂技術(shù)改造方案，同時(shí)結(jié)合自身水利工程的特點(diǎn)，技術(shù)發(fā)展水平及安全性先進(jìn)性的綜合考量，來(lái)最終確定這一方案，供同行業(yè)參考。