三峽船閘反弧門位置傳感器受工況影響的分析★

余 燦，侯 博，李涵釗，何 軍，周 慧

（長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443000）

引言

三峽雙線五級(jí)船閘通過布置在24個(gè)閥門井的反向弧形門，控制輸水廊道的通斷，實(shí)現(xiàn)各級(jí)閘室以及與上下游間的水位控制[1]。閥門的位置信號(hào)由安裝在上吊桿頂部導(dǎo)槽上且呈上下布置的位置傳感器觸發(fā)傳送給電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閥門的啟停、下滑等動(dòng)作。每個(gè)反弧門設(shè)置上下兩套，南北線船閘所有閥門共計(jì)48套閥門位置傳感器。由于閥門工作的最大水位差達(dá)45.2 m，啟閉機(jī)吊桿單吊點(diǎn)與閥門連接，長(zhǎng)度達(dá)70 m，運(yùn)行工況較差，閥門井旋流水流對(duì)三角形支撐架沖擊，導(dǎo)致吊桿系統(tǒng)橫向振動(dòng)，使得安裝在上吊桿吊頭上的感應(yīng)板超出位置傳感器感應(yīng)距離，造成位置信號(hào)丟失，或者感應(yīng)板碰擦傳感器本體，損壞位置傳感器?，F(xiàn)場(chǎng)換損反弧門位置傳感器如圖1所示。

通過統(tǒng)計(jì)2016—2019年三峽船閘反弧門電氣設(shè)備故障頻次，如表1所示，反弧門限位開關(guān)更換次數(shù)居高不下，反弧門限位開關(guān)故障在反弧門電氣設(shè)備故障中占比也由2016年的40%攀升至2019年的100%。

表1 三峽船閘2016—2019年反弧門電氣設(shè)備故障頻次統(tǒng)計(jì)表

三峽船閘反弧門系統(tǒng)作為三峽船閘的重要設(shè)備之一，對(duì)船閘的安全高效運(yùn)行有著十分重要的意義，因此，亟需研究解決反弧門限位開關(guān)更換頻次過高的方法。

1 三峽船閘反弧門系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

如圖2所示，這種深井式工作反弧門系統(tǒng)由工作油壓缸、吊桿系和門葉構(gòu)成，最大水頭達(dá)45.2 m，啟閉機(jī)吊桿單吊點(diǎn)與反弧門連接，長(zhǎng)度達(dá)70 m。各吊桿之間、吊桿與門葉之間通過鉸軸連接。油缸吊頭處安裝有導(dǎo)輪，導(dǎo)輪通過導(dǎo)向滑槽限制油缸活塞桿，保持垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

反弧門油缸活塞桿沿導(dǎo)槽往復(fù)伸縮運(yùn)動(dòng)，拖動(dòng)與反弧門吊桿組相連的反弧門門體，實(shí)現(xiàn)反弧門的門葉開啟和關(guān)閉[2]。

從水力學(xué)方面，反弧門在開啟過程中由于尾水頂托及底緣主流的強(qiáng)剪作用，門后形成漩滾，水流流線受底緣切割影響較大，水流不流暢，反弧門受到水流上托力作用。

從反弧門結(jié)構(gòu)方面，反弧門受力比較復(fù)雜，反弧門開啟過程水流沖擊支臂、梁系、底緣、支鉸和鉸座等部位，由于動(dòng)水壓力的合力不通過支鉸中心，對(duì)反弧門常產(chǎn)生不穩(wěn)定的上浮力或下吸力，且啟閉機(jī)吊桿位于水體波動(dòng)的反弧門井中，也受到水流沖擊擾動(dòng)，可能導(dǎo)致啟閉力的波動(dòng)和反弧門與吊桿的振動(dòng)。

由于受水流的上托力及反弧門與吊桿的振動(dòng)，直接影響現(xiàn)有接近感應(yīng)式限位開關(guān)是否能有效感應(yīng)到感應(yīng)板信號(hào)，感應(yīng)距離太近，則有感應(yīng)板擦碰開關(guān)本體的風(fēng)險(xiǎn)，感應(yīng)距離太遠(yuǎn)，則無法準(zhǔn)確感應(yīng)限位信號(hào)。

2 三峽船閘反弧門限位裝置構(gòu)成及工作原理

現(xiàn)有反弧門限位裝置結(jié)構(gòu)及安裝形式如圖3所示。

油缸運(yùn)行的全行程可分為開終位、中間位、下滑位和關(guān)終位4個(gè)部分，在開終位、下滑位和關(guān)終位分別設(shè)有接近開關(guān)。限位裝置位置信號(hào)檢測(cè)由安裝在油缸活塞桿頭部的感應(yīng)板在隨活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中觸發(fā)安裝在上、下導(dǎo)槽上的限位裝置中的接近開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)反弧門門葉的啟停、下滑等動(dòng)作[3-5]。

船閘在歷次檢修時(shí)，均發(fā)現(xiàn)工作反弧門吊耳孔銹蝕嚴(yán)重、變形，吊孔與軸的間隙在逐漸加大。2018年3月船閘檢修時(shí)，對(duì)北五工作反弧門吊耳孔進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)吊耳孔經(jīng)歷了十多年不斷地銹蝕、磨損以及碰撞變形，吊耳孔與吊軸之間由初始間隙0.852 mm增大到6.2 mm。且隨著吊耳孔與吊軸之間間隙的加大，門吊耳板與吊軸間的相互約束變小，必然加劇吊耳孔與吊軸的碰撞、變形，加速吊耳孔變形和間隙變大。反弧門門葉在到達(dá)關(guān)終位置瞬間，門體受到底部上托力而失重，吊耳板與吊軸間隙進(jìn)一步增大，吊桿活動(dòng)范圍增加，必然會(huì)對(duì)限位開關(guān)感應(yīng)產(chǎn)生影響。

在反弧門檢修中，發(fā)現(xiàn)吊桿導(dǎo)槽普遍存在銹蝕磨損現(xiàn)象，尤其是北六閘首下節(jié)導(dǎo)槽，銹蝕磨損量達(dá)到18.5 mm。分析原因?yàn)橄虏康鯒U工作時(shí)會(huì)隨反弧門的開啟而擺動(dòng)，其導(dǎo)輪需要承受吊桿傳來的橫向荷載。同時(shí)反弧門井水力條件紊亂，反弧門及吊桿產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)輪與導(dǎo)槽必然發(fā)生碰撞，使導(dǎo)槽磨損、變形。由于導(dǎo)槽的銹蝕磨損，導(dǎo)槽與導(dǎo)輪間隙會(huì)逐漸加大，導(dǎo)槽對(duì)導(dǎo)輪的約束變小，進(jìn)一步降低了限位開關(guān)感應(yīng)距離對(duì)傳感器感應(yīng)的影響[6]。

3 反弧門位置傳感器適應(yīng)性分析

三峽船閘反弧門限位裝置目前采用的位置傳感器型號(hào)為倍加福NBN8-18GK50-A2，該位置傳感器額定動(dòng)作距離Sn為8 mm[7-8]。位置傳感器實(shí)際傳感距離Sr要求在額定電壓、額定溫度下，必須在額定傳感距離的90%～110%之間，即0.9Sn≤Sr≤1.1Sn?？捎脗鞲芯嚯xSu為周圍環(huán)境溫度和電源電壓在允許變化范圍內(nèi)，所測(cè)真正傳感距離，它必須在實(shí)際傳感距離的90%～110%之間，即0.9Sr≤Su≤1.1Sr。確保動(dòng)作距離Sa為0～81%額定傳感距離之間，即0≤Sa≤0.81Sn。由此得出倍加福NBN8-18GK50-A2限位開關(guān)實(shí)際傳感距離Sr、可用傳感距離Su、確保動(dòng)作距離Sa分別為：7.2 mm≤Sr≤8.8 mm、6.48 mm≤Su≤9.68 mm和0≤Sa≤6.48 mm。

當(dāng)傳感距離≤6.48 mm，限位裝置一定動(dòng)作。當(dāng)周圍環(huán)境溫度和電源電壓在允許變化范圍內(nèi)，傳感距離≤9.68 mm時(shí)，位置傳感器理論上可以動(dòng)作。

4 三峽船閘反弧門吊桿擺動(dòng)原型觀測(cè)

根據(jù)原型觀測(cè)，反弧門吊桿在運(yùn)行過程中，特別是處于運(yùn)行末段時(shí)存在擺動(dòng)，影響位置開關(guān)感應(yīng)。通過設(shè)計(jì)吊桿擺動(dòng)曲線測(cè)量裝置，刻畫反弧門吊桿擺動(dòng)曲線痕跡，測(cè)量反弧門擺動(dòng)最大幅值[9-10]。

經(jīng)過分析比對(duì)，反弧門擺動(dòng)最大幅值出現(xiàn)在反弧門關(guān)終到位位置信號(hào)附近，最大幅值達(dá)22.4 mm。且反弧門吊桿吊頭在鉸軸軸向上的擺動(dòng)量顯著小于鉸軸徑向上的擺動(dòng)量[11-12]。具體擺動(dòng)曲線見圖4。

5 應(yīng)對(duì)措施

在不改變?cè)形恢脗鞲衅鞲袘?yīng)方式的前提下，將限位裝置位置傳感器感應(yīng)方向由原平行于吊頭鉸軸中心線方向旋轉(zhuǎn)90°，改為垂直于吊頭鉸軸中心線方向，使其感應(yīng)面與閥門擺動(dòng)面呈平行狀態(tài)，從而減小或消除傳感器感應(yīng)面與感應(yīng)板的相對(duì)位移，降低位置傳感器故障率，見下頁圖5。

同時(shí)將感應(yīng)板由原有高碳鋼優(yōu)化為感應(yīng)端鐵質(zhì)材料與非感應(yīng)端304不銹鋼結(jié)合，從而提高感應(yīng)板整體銹蝕更換周期，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

自限位裝置更新后一年來，未出現(xiàn)感應(yīng)板擦碰本體現(xiàn)象，位置傳感器故障率較更新前明顯下降。

6 結(jié)語

通過對(duì)反弧門限位裝置傳感器的工況分析，得出三峽船閘反弧門運(yùn)行工況滿足現(xiàn)行位置傳感器產(chǎn)品許可使用范圍，基本排除了由環(huán)境因素影響造成的直接失效情況。位置傳感器的失效主要是由反弧門的運(yùn)行曲線特點(diǎn)造成的，在開閥曲線的初段和關(guān)閥曲線的末段，都有感應(yīng)面與感應(yīng)板的相對(duì)位移。通過對(duì)限位裝置的改型，減少或消除了傳感器感應(yīng)面與感應(yīng)板間的相對(duì)位移對(duì)傳感器感應(yīng)的影響，使位置傳感器壞損率得到大幅度降低，有力地保障了三峽船閘反弧門的正常運(yùn)行以及船閘通航效率。