船閘人字閘門液壓啟閉機(jī)設(shè)計(jì)研究

周 兵

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林省長春市 130021）

1 概述

大藤峽水利樞紐工程地屬廣西自治區(qū)桂平市，位于珠江流域西江水系黔江干流上，本工程的開發(fā)任務(wù)為綜合開發(fā)利用，主要有防洪、航運(yùn)、發(fā)電、補(bǔ)水壓咸、灌溉等功能。

大藤峽黔江船閘級別為Ⅰ級，船閘設(shè)計(jì)最大通航船舶噸級為3000t，船隊(duì)噸級為2×2000t。大藤峽單級船閘布置在工程主壩左岸，由引航道、上下閘首、閘室等組成。

船閘系統(tǒng)主要包括閘室系統(tǒng)和輸水系統(tǒng)兩部分。在閘室系統(tǒng)的上、下閘首均設(shè)有人字工作閘門，船閘的閘室兩側(cè)各設(shè)一條充泄水廊道，廊道進(jìn)水口設(shè)在閘室進(jìn)水段側(cè)面，最前端設(shè)一道攔污柵，閘室充泄水廊道鵝頸管下平段和閘室輸水廊道尾部各設(shè)有一道反向弧形閥門。

下閘首工作閘門選用一道雙扇平面人字閘門。人字閘門單扇寬度20.2m，最大擋水高度46.05m，最大淹沒水深26.29m，門高為47.50m。底檻高程14.95m。人字閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單吊點(diǎn)，操作條件為靜水啟閉。人字閘門由液壓式啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)型式為臥式直聯(lián)液壓啟閉機(jī)，采用無級變速的比例變量泵與PLC（可編程控制器）閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)，啟閉門力均為3200kN（該指標(biāo)目前為國內(nèi)最大容量），工作行程7272mm，最大行程7600mm。啟閉機(jī)可現(xiàn)地控制和中央集中控制室控制，電氣同步控制運(yùn)行。

2 布置

船閘下閘首共設(shè)置2套液壓啟閉機(jī)，操作啟閉2扇下閘首人字閘門。液壓啟閉機(jī)總體布置形式為單吊點(diǎn)、中間鉸接支承型式，油缸中部的支鉸通過自潤滑球面軸承固定在能雙向擺動(dòng)的U形機(jī)架上，U形機(jī)架直接支承在二期混凝土上，使油缸能夠水平、垂直或同時(shí)水平、垂直擺動(dòng)，以滿足人字閘門運(yùn)行時(shí)操作要求，同時(shí)彌補(bǔ)閘門及啟閉機(jī)的安裝誤差和人字閘門運(yùn)行期間的垂直變位。下吊頭內(nèi)置自潤滑球面滑動(dòng)軸承通過鉸軸與直接連接人字閘門，滿足人字閘門正常運(yùn)行要求并適應(yīng)其微小變位。每臺啟閉機(jī)采用“一機(jī)一站”的布置形式，每臺液壓啟閉機(jī)設(shè)一套泵站（同側(cè)輸水系統(tǒng)弧形工作閥門液壓啟閉機(jī)共用泵站），油缸及泵站裝設(shè)于船閘下閘首兩側(cè)的高程65.00m啟閉機(jī)機(jī)房內(nèi)。液壓啟閉機(jī)采用兩種控制方式，分別為現(xiàn)地控制和中央集中控制，中央集中控制連接于現(xiàn)地電控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制接口，且現(xiàn)地控制系統(tǒng)優(yōu)先。在任何一種控制方式下，啟閉機(jī)均可停止在任意位置，也可在任意位置開始運(yùn)行，且在全行程范圍內(nèi)人字閘門可全程或局部開啟或關(guān)閉。具體布置詳見圖1。

圖1 船閘下閘首人字閘門及啟閉機(jī)布置圖Figure 1 Layout of miter gate and hoist at lower ship lock head

3 設(shè)備功能

船閘運(yùn)用基本條件是每年通航天數(shù)為330天，日雙向過閘次數(shù)為24次，如此高的運(yùn)行頻率對液壓啟閉機(jī)整體性能提出了較高的要求，這也要求設(shè)計(jì)時(shí)對液壓機(jī)提出滿足船閘人字閘門運(yùn)行要求的設(shè)計(jì)方案，使其具備滿足運(yùn)行要求的功能。該液壓機(jī)正常工作時(shí)全行程開、關(guān)人字閘門；調(diào)試、檢修及事故狀態(tài)時(shí)可局部開、關(guān)人字閘門；在同一閘首一側(cè)機(jī)房可同時(shí)控制雙側(cè)或另一側(cè)啟閉機(jī)（包括輸水廊道工作閥門的單邊充、泄水）。具體所具備如下功能：開啟和關(guān)閉閘門功能（根據(jù)控制命令，在開關(guān)閘門過程中可在任意位置停門）；閘門同步控制功能（采用電氣同步控制系統(tǒng)，在閘門啟閉過程中，左右兩側(cè)安裝于缸體上的行程控制裝置全程、實(shí)時(shí)、連續(xù)檢測油缸的行程，且控制比例調(diào)速閥自動(dòng)調(diào)整相應(yīng)油缸進(jìn)、出油量，使閘門同步。若調(diào)整失敗，液壓系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出報(bào)警信號）；檢修操作功能（手動(dòng)執(zhí)行閘門關(guān)閉操作，使活塞桿伸出）。還具備液壓系統(tǒng)壓力保護(hù)功能（液壓系統(tǒng)工作壓力過高，應(yīng)有聲光報(bào)警，停泵檢修。液壓泵工作異常，應(yīng)有聲光報(bào)警，啟動(dòng)備用泵或停泵檢修。油缸有桿腔高壓軟管破裂，應(yīng)有聲光報(bào)警，停泵檢修）。電氣部分控制包括濾油器堵滿、油箱液位過高、油箱液位過低、油箱油溫過高等故障報(bào)警信號，并能發(fā)出聲光報(bào)警，具有完善的啟閉機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)全程監(jiān)測、故障診斷和報(bào)警顯示功能，并具有與集中控制系統(tǒng)接口功能。同時(shí)遠(yuǎn)傳至廠內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)，提請運(yùn)行人員進(jìn)行現(xiàn)場處理。閘門操作閉鎖除由 PLC軟件實(shí)現(xiàn)外，還可通過電氣硬接線實(shí)現(xiàn)。

4 試驗(yàn)研究

大藤峽船閘是目前我國水頭最高的單級船閘。船閘人字工作閘門只能承受單向水頭，但船閘在運(yùn)行過程中，由于輸水時(shí)的超灌、超泄，航道中的船行波、涌浪等，會(huì)產(chǎn)生反向水頭，此時(shí)人字門受反向推力，當(dāng)液壓啟閉機(jī)的推力小于反向推力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生人字門漂移現(xiàn)象，但啟閉機(jī)持住力設(shè)計(jì)過大，則造成啟閉設(shè)備過于龐大，造價(jià)昂貴。

人字閘門漂移現(xiàn)象可分為靜態(tài)漂移和動(dòng)態(tài)漂移兩種情況。靜態(tài)漂移是人字門在非運(yùn)行狀態(tài)下靜置一段時(shí)間后的漂移，一般是指啟閉設(shè)備及電氣控制設(shè)備的質(zhì)量問題及先天設(shè)計(jì)缺陷造成的。動(dòng)態(tài)漂移是指人字閘門關(guān)終位置停機(jī)后閘室充泄水過程中在超灌、超泄、涌浪等外力作用下漂離關(guān)終位置，致使控制閉鎖信號丟失、自動(dòng)關(guān)閥保護(hù)程序啟動(dòng)而運(yùn)行中止的故障現(xiàn)象。動(dòng)態(tài)漂移故障不僅會(huì)影響自動(dòng)程序的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在關(guān)閥保護(hù)程序失效或出現(xiàn)電氣故障的情況下，還有可能會(huì)產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果，甚至?xí)?dǎo)致事故的發(fā)生。有時(shí)靜態(tài)漂移與動(dòng)態(tài)漂移混合出現(xiàn)時(shí)，將會(huì)成為船閘安全運(yùn)行的重大隱患。為了人字閘門運(yùn)行安全，除控制輸水時(shí)的超灌、超泄，航道中的船行波、涌浪力等，還有必要在人字閘門啟閉機(jī)及其啟閉液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造過程及電氣控制軟件程序編制中采取相應(yīng)的措施，從而有效應(yīng)對實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生人字門漂移故障現(xiàn)象。因此，開展了人字門漂移特性及對策研究工作。

研究結(jié)論認(rèn)為：人字閘門關(guān)終位置時(shí)外因產(chǎn)生的反向水頭不大于0.20m時(shí)，通過液壓啟閉機(jī)推力抵抗反向水頭作用力，大于0.20m采取安全退讓措施，依據(jù)反向水頭確認(rèn)啟閉機(jī)持住力；選用合理的鎖定回路和保壓回路，閘門關(guān)到位時(shí)，油缸無桿腔應(yīng)保持一定的背壓，從而確定合適的液壓系統(tǒng)；裝設(shè)全套檢測設(shè)備，關(guān)門末期不預(yù)留縫隙，根據(jù)人字閘門實(shí)際運(yùn)行位置確定液壓機(jī)行程；行程檢測裝置采用絕對值的位移傳感器使兩扇閘門在運(yùn)行過程中保持同步；電氣程序自動(dòng)控制方面要求反向水頭小于0.20m時(shí)，通過液壓啟閉機(jī)推力抵抗反向水頭作用力，保持人字閘門處于關(guān)閉狀態(tài)，反向水頭達(dá)到0.20m或以上并小于0.40m時(shí)，控制系統(tǒng)開始一級退讓，作為故障進(jìn)行人工處理；當(dāng)反向水頭達(dá)到0.40m或以上時(shí)，控制系統(tǒng)開始二級退讓，人字門打開，水位齊平后再關(guān)終，船閘充泄水末期得到人字門前后水位齊平信號瞬間，發(fā)出開閘信號。

人字閘門運(yùn)行最大淹沒水深為26.29m，額定啟/閉門力為3200kN，啟閉機(jī)工作行程為7272mm，啟門/閉門時(shí)間為2～4min。大藤峽水利樞紐工程船閘下閘首人字閘門液壓啟閉機(jī)的臥式液壓缸伸出時(shí)的總長度已達(dá)約18m，全伸出狀態(tài)的鉸點(diǎn)距長達(dá)近12m，屬于典型細(xì)長臥式液壓缸，細(xì)長液壓缸的撓度與穩(wěn)定性問題是液壓技術(shù)中的關(guān)鍵課題之一，其撓度與縱向受壓穩(wěn)定性是需要研究的重要課題之一，因此開展了該液壓啟閉機(jī)撓度與穩(wěn)定性試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)結(jié)論認(rèn)為人字閘門液壓啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)（閘門全關(guān)時(shí)液壓缸長度18400mm、鉸點(diǎn)距11210mm、液壓缸內(nèi)徑640mm、液壓缸外徑770mm、液壓缸長度9500mm、活塞桿直徑380mm、活塞桿長度10241mm、工作載荷3200kN、工作壓力9.948MPa），滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求，穩(wěn)定安全系數(shù)為5.45～9.24，從而最終確定了液壓機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)。另外，液壓缸在活塞桿全部外伸時(shí)的撓曲狀態(tài)是缸體尾部下?lián)?，鉸點(diǎn)中部上撓。影響撓度的主要因素是液壓缸自重，其次是液壓缸活塞桿與導(dǎo)套、活塞與液壓缸內(nèi)壁間隙，再次是軸向工作載荷。缸尾部增加彈性支承后，缸尾和活塞桿的最大撓度均大幅下降，能提高液壓啟閉機(jī)的穩(wěn)定性?；钊麠U直徑為380mm，推薦采用剛度為2000～3000N/mm的缸尾彈性支承。

5 液壓系統(tǒng)及配置

液壓啟閉機(jī)使用功能需通過液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，不同型式的液壓啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)原理不盡相同，但都設(shè)置有壓力回路、流量回路、控制回路、保護(hù)回路及電氣保護(hù)接口。人字閘門3200/3200kN液壓啟閉機(jī)液壓缸為雙作用液壓缸，液壓系統(tǒng)亦為雙向液壓系。液壓系統(tǒng)系統(tǒng)具有完善的測量、監(jiān)視、控制和保護(hù)等裝置。包括壓力檢測、油位檢測、油溫檢測、濾油器堵塞報(bào)警、閘門開度檢測等，滿足油泵空載啟動(dòng)與穩(wěn)壓的要求。系統(tǒng)設(shè)置避免振動(dòng)、液壓沖擊措施，能滿足液壓機(jī)全行程運(yùn)行要求，且可局開、局關(guān)。液壓機(jī)桿腔連接油路設(shè)置液壓單向閥作為可靠的閉鎖裝置，系統(tǒng)元件的選擇滿足計(jì)算機(jī)監(jiān)控的要求。

該液壓機(jī)容量大（雙向3200kN），運(yùn)行速度快（最大4.32m/min），要求油泵電機(jī)組容量相應(yīng)與之匹配，選擇單臺油泵電機(jī)組工作，其容量過大，所以該人字閘門及輸水系統(tǒng)工作閥門液壓啟閉機(jī)每套液壓系統(tǒng)設(shè)有3套型號相同的油泵電機(jī)組，兩套工作一套備用，工作時(shí)輪換啟動(dòng)其中2套油泵電機(jī)組，備用泵與工作泵應(yīng)能無干擾自動(dòng)切換。

系統(tǒng)配置決定了液壓系統(tǒng)的使用性能及使用壽命。液壓系統(tǒng)的配置設(shè)計(jì)在滿足工程使用的前提下，更突顯了本設(shè)備的特點(diǎn)，針對人字閘門液壓啟閉機(jī)的特性，泵組、閥件及其附件選取了國內(nèi)外知名公司的優(yōu)質(zhì)品牌產(chǎn)品，并使其相互之間匹配，設(shè)計(jì)出一套高性能液壓啟閉設(shè)備。

比例變量柱塞泵及比例放大板均選用REXROTH產(chǎn)品，電動(dòng)機(jī)選用SIEMENS產(chǎn)品，主要閥件采用TOKYO KEIKI液壓元件，測壓接頭、軟管采用EMT、EMB產(chǎn)品，壓力傳感器采用TECSIS產(chǎn)品；油箱、法蘭、管接頭采用不銹鋼材料，油管采用不銹鋼無縫鋼管。高、低壓手動(dòng)球閥采用MHA產(chǎn)品，回濾油器選用HYDAC產(chǎn)品。知名品牌的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品保證了設(shè)備的使用性能。

6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3200/3200kN人字閘門液壓啟閉機(jī)油缸總成包括缸體、活塞桿、活塞、吊頭、中間鉸、上下端蓋、關(guān)節(jié)軸承、導(dǎo)向套、密封件、行程檢測裝置、油缸管路等。缸體、活塞桿、活塞、吊頭、中間鉸、上下端蓋材質(zhì)為45號鍛鋼，按一類鍛件標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，缸體采用整體無縫鋼管?；钊麠U采用表面金屬氧化陶瓷涂層的陶瓷活塞桿。噴涂材料采用進(jìn)口Metco公司產(chǎn)品，活塞桿表面金屬氧化陶瓷層的噴涂工藝按DIN德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。導(dǎo)向套材料選用與陶瓷活塞桿相匹配并能夠承受一定徑向荷載的非金屬材料，導(dǎo)向套材料硬度指標(biāo)低于活塞桿。吊頭及中間鉸內(nèi)裝有免維護(hù)的自潤滑關(guān)節(jié)軸承，滿足啟閉閘門時(shí)油缸軸向或徑向的搖擺，可微量補(bǔ)償閘門及油缸安裝時(shí)產(chǎn)生的誤差，且可以彌補(bǔ)人字閘門垂直位移誤差。軸承的設(shè)計(jì)動(dòng)荷載值大于油缸所受最大荷載的2.0倍。每個(gè)油缸均應(yīng)設(shè)2套（一用一備）陶瓷活塞桿配套的無接觸行程檢測裝置，用于閘門開度和雙缸同步偏差的檢測，可在現(xiàn)場電控柜和集中控制室分別以數(shù)字直接顯示閘門開度，顯示分辨率1mm。位置控制器除應(yīng)具備對行程上、下極限位置進(jìn)行控制、保護(hù)外，還有兩個(gè)開度位置預(yù)置功能，同時(shí)加裝設(shè)機(jī)械控制的雙備份上、下極限作為備用。

液壓機(jī)埋件采用三期安裝，包括一期固定支架、二期固定支架及活動(dòng)U形架。固定支架采用Q345B材料焊接結(jié)構(gòu)，U形架采用ZG35Cr1Mo合金鑄鋼，由于該U形架體積較大，鑄造過程中嚴(yán)格按相關(guān)技術(shù)要求執(zhí)行，支架消應(yīng)后整體加工。機(jī)架按1.5倍的額定啟閉荷載進(jìn)行強(qiáng)度校核。

7 電控系統(tǒng)

該液壓啟閉機(jī)電控方式分為現(xiàn)地控制、現(xiàn)地檢修調(diào)試單步手動(dòng)控制、集中控制三種方式，三種控制方式相互聯(lián)鎖。

雙缸人字門液壓啟閉機(jī)經(jīng)電氣同步后運(yùn)行，在人字閘門關(guān)終位前設(shè)置同步等待位，同步運(yùn)行及等待誤差需要滿足一定要求參數(shù)，如不滿足則啟閉機(jī)作同步等待調(diào)整至滿足要求為止。待兩門均到位后繼續(xù)運(yùn)行，要求兩臺啟閉機(jī)能保證兩扇人字門在接近關(guān)終位置時(shí)順利進(jìn)入人字門導(dǎo)卡，并準(zhǔn)確地在關(guān)終位置上停止并顯示。此時(shí)兩扇人字門斜接柱間應(yīng)留有20mm間隙，然后在充水過程中形成的水頭差作用下合攏（根據(jù)聯(lián)調(diào)情況最終確定）。

啟閉機(jī)按設(shè)計(jì)給定的v-t（該v-t曲線為試驗(yàn)成果轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)成果）變速特性曲線運(yùn)行，變速運(yùn)行方式由電氣PLC控制泵站比例變量泵實(shí)現(xiàn)，且可在現(xiàn)場對該v-t曲線進(jìn)行調(diào)整修改。

人字閘門啟閉機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)具有人字門漂移檢測功能及改善漂移自動(dòng)控制功能，包括設(shè)置人字門門頭水位齊平、人字門合攏、關(guān)終、錯(cuò)位、開度等信號檢測裝置及開關(guān)。

8 結(jié)束語

在大藤峽船閘液壓啟閉機(jī)通過方案設(shè)計(jì)、理論設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究確定了其主要設(shè)備參數(shù)、最終結(jié)構(gòu)型式以及運(yùn)行方式，整個(gè)設(shè)計(jì)研究路線是正確的，設(shè)計(jì)成果滿足了工程的使用需要?，F(xiàn)已成功的安裝、調(diào)試，并已安全運(yùn)行。設(shè)備采用的集成液壓系統(tǒng)，泵組的應(yīng)用控制方式，大型U形架的設(shè)計(jì)制造等技術(shù)均值得以后類似工程借鑒，它的應(yīng)用對我國大型船閘總體設(shè)計(jì)布置提供了成功范例。