雙吊點(diǎn)倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究與實(shí)踐

毛明令，姚 雷，袁 鈮

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450000）

1 項(xiàng)目概況

小盤(pán)河水庫(kù)是一座以供水為主的中型水庫(kù)，工程位于涇河的一級(jí)支流蒲河下游，下距蒲河與涇河匯合口約10 km，位于甘肅省慶陽(yáng)市寧縣。壩址控制流域面積7 466 km2，幾乎控制蒲河流域的全部。壩址距離慶陽(yáng)市約30 km，距寧縣長(zhǎng)慶橋鎮(zhèn)約10 km，長(zhǎng)慶橋～慶陽(yáng)市區(qū)有青蘭高速G22 和省級(jí)公路S202 相連。福銀高速G70 及國(guó)道312 公路從長(zhǎng)慶橋經(jīng)過(guò)，向東可至西安，向西可至蘭州及平?jīng)觥沃分灵L(zhǎng)慶橋有新修公路連接，對(duì)外交通條件較好。

樞紐建筑物從左岸到右岸依次由混凝土重力壩、底孔泄洪排沙閘、表孔泄洪閘、引水管壩段、右岸均質(zhì)土壩段等建筑物組成，壩頂總長(zhǎng)度268.0 m。大壩、泄水及取水建筑物為3 級(jí)；次要建筑物為4 級(jí)；臨時(shí)建筑物為5 級(jí)。

2 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的方案布置

作為擋水擋沙的底孔工作閘門(mén)，通常采用弧形閘門(mén)的形式，但小盤(pán)河水庫(kù)泄洪底孔因下游水位較高，布置成弧形閘門(mén)時(shí)，閘門(mén)的支鉸將會(huì)淹沒(méi)于水下，經(jīng)過(guò)研究分析，最終確定采用平面定輪閘門(mén)，止水采用上游止水形式。

泄洪底孔工作閘門(mén)為平面定輪閘門(mén)，孔口尺寸9 m×8 m（寬×高），底坎高程963.00 m，設(shè)計(jì)水頭19 m，運(yùn)用方式為動(dòng)水啟閉，平時(shí)關(guān)閉用于擋水擋沙，當(dāng)需要沖沙或泄水時(shí)開(kāi)啟閘門(mén)，有局部開(kāi)啟要求。泄洪底孔共5 孔，設(shè)置5 扇閘門(mén)。

閘門(mén)形式確定后，最初的啟閉設(shè)備采用的是固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，該項(xiàng)目的泄洪底孔工作閘門(mén)在啟閉過(guò)程中，閘門(mén)可能發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象，這樣對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定及運(yùn)行都是不利的，而固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)是通過(guò)纏繞在卷筒和滑輪組上的鋼絲繩進(jìn)行閘門(mén)起吊，因鋼絲繩是柔性的，所以不能控制閘門(mén)的振動(dòng)。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)是通過(guò)活塞桿的伸縮進(jìn)行閘門(mén)的起吊，活塞桿本身具有一定的剛性，可以有效控制閘門(mén)的振動(dòng)現(xiàn)象，故最終確定采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)來(lái)操作閘門(mén)。

3 液壓缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 液壓缸的支撐形式

倒掛式液壓缸的支撐在活塞桿端部，通過(guò)帶有螺紋的支撐軸配合軸承座固定在機(jī)架上，支撐軸兩端的軸承采用自潤(rùn)滑軸套。液壓缸的缸體插入閘門(mén)開(kāi)孔的主梁內(nèi)與閘門(mén)通過(guò)類(lèi)似十字鉸的結(jié)構(gòu)連接，吊頭與油缸的支承軸承采用自潤(rùn)滑球面關(guān)節(jié)軸承[1]，吊頭與閘門(mén)的支撐軸承采用自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承。該固定形式，可以使油缸整體沿水流方向擺動(dòng)，以補(bǔ)償油缸和閘門(mén)與門(mén)槽的安裝誤差。

因油缸的支撐和行程測(cè)量傳感器在戶(hù)外，為防止沙塵等雜物的侵蝕，機(jī)架上設(shè)有防護(hù)罩，閘門(mén)孔口上設(shè)有活動(dòng)蓋板，對(duì)缸旁閥塊和油缸行程測(cè)量傳感器進(jìn)行防護(hù)。

為減少閘門(mén)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)的影響，油缸與閘門(mén)主梁開(kāi)孔之間設(shè)置有橡膠墊圈。

3.2 活塞桿的特殊結(jié)構(gòu)

常規(guī)油缸的有桿腔和無(wú)桿腔油口均設(shè)在缸體兩端，油管通過(guò)管夾固定在油缸外部。倒掛式油缸的結(jié)構(gòu)較為特殊，缸體整體插入閘門(mén)內(nèi)部，油缸有桿腔和無(wú)桿腔油管不便布置在缸體兩端，只能布置在活塞桿上端部。為了滿(mǎn)足油口的布置，倒掛式液壓缸的活塞桿采用三段對(duì)接而成的空心結(jié)構(gòu)，將活塞桿分為前、后活塞桿和中間活塞桿三段，前、后活塞桿中心加工孔，利用無(wú)縫鋼管[2]加支撐環(huán)穿孔后焊接加工而成。前、后活塞桿較短，為空心桿件，同時(shí)設(shè)有桿腔和無(wú)桿腔的進(jìn)出油口。無(wú)縫鋼管長(zhǎng)達(dá)十幾米，無(wú)縫鋼管使活塞桿中間成為兩層空心桿件，其中無(wú)縫鋼管作為連通無(wú)桿腔的油路，無(wú)縫鋼管外壁與中間活塞桿內(nèi)壁的空腔作為連通有桿腔的油路。

采用倒掛式布置降低了啟閉機(jī)伸出壩面的高度，使壩面整體布置整齊、干凈。圖1 為泄洪底孔工作閘門(mén)倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)布置圖。

圖1 泄洪底孔工作閘門(mén)倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)布置圖

4 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)計(jì)方案

4.1 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的組成

小盤(pán)河水庫(kù)倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)由油缸、液壓缸行程傳感器、液壓泵站及管道、機(jī)架和電控系統(tǒng)等構(gòu)成。油缸主要由缸筒、活塞桿、支撐軸、軸承座、導(dǎo)向帶、吊頭、密封圈、防塵圈、刮污環(huán)等組成。油缸行程傳感器為內(nèi)置式鋼絲繩傳感器，該裝置自帶上、下極限開(kāi)關(guān)。液壓泵站包括電機(jī)油泵組、閥組、油箱及其附件等。

4.2 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

泄洪底孔工作閘門(mén)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 泄洪底孔工作閘門(mén)雙吊點(diǎn)倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

5 液壓系統(tǒng)雙缸同步控制方式

小盤(pán)河水庫(kù)倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)為雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，其雙缸同步控制至關(guān)重要，同步控制的精度直接影響閘門(mén)的平穩(wěn)運(yùn)行及液壓缸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。本項(xiàng)目液壓系統(tǒng)設(shè)有同步糾偏回路，其同步糾偏采用閉環(huán)控制[3]，由整流板+電液比例調(diào)速閥和整流板+手動(dòng)調(diào)速閥組成同步回路，根據(jù)偏差信號(hào)，利用連續(xù)的電信號(hào)量通過(guò)比例調(diào)速閥調(diào)節(jié)流量，以達(dá)到同步糾偏的效果。當(dāng)啟閉機(jī)運(yùn)行時(shí)，左右兩只油缸的同步誤差超過(guò)5 mm 時(shí)（同步精度可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整），PLC 發(fā)出糾偏信號(hào)，通過(guò)調(diào)整比例調(diào)速閥的開(kāi)度，改變一個(gè)油缸的速度，實(shí)現(xiàn)與另一個(gè)油缸的運(yùn)行同步。

為保證雙缸同步控制的精度，本工程液壓油[4]的污染等級(jí)為GB/T 14039-/17/14。

6 液壓缸行程測(cè)量傳感器的布置

液壓缸行程測(cè)量傳感器主要有外置式和內(nèi)置式兩種形式，外置式行程測(cè)量傳感器主要有外置拉繩式和外置靜磁柵行程測(cè)量傳感器，因小盤(pán)河水庫(kù)泄洪底孔工作閘門(mén)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)為倒掛式結(jié)構(gòu)，且下游水位較高，外置式行程測(cè)量裝置不易布置。內(nèi)置式行程測(cè)量傳感器主要有磁致伸縮式、與陶瓷活塞桿配套和內(nèi)置鋼絲繩式行程測(cè)量傳感器，目前磁致伸縮式的行程測(cè)量傳感器最大的有效測(cè)量行程為7.6 m 左右，而該項(xiàng)目的泄洪底孔工作閘門(mén)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的設(shè)計(jì)行程為11.4 m，且磁致伸縮式行程測(cè)量傳感器大部分為剛性結(jié)構(gòu)，通常安裝在上蓋處，后期檢修維護(hù)較為麻煩，故磁致伸縮式行程測(cè)量裝置不能滿(mǎn)足該項(xiàng)目要求；與陶瓷活塞桿配套的行程測(cè)量傳感器通常安裝在油缸下蓋處，本工程下游水位較高，閘門(mén)全閉時(shí)，油缸缸體將淹沒(méi)水下，對(duì)行程測(cè)量裝置的防水性能要求較高，故未選用與陶瓷活塞桿配套的行程測(cè)量傳感器；內(nèi)置鋼絲繩式行程測(cè)量傳感器，整體安裝在油缸上部，鋼絲繩通過(guò)專(zhuān)用裝置固定在活塞桿端部，后期檢修維護(hù)只需拆掉上蓋即可，檢修維護(hù)方便快捷。通過(guò)對(duì)比分析，本項(xiàng)目的行程測(cè)量傳感器采用內(nèi)置鋼絲繩式行程測(cè)量傳感器。

內(nèi)置鋼絲繩式行程測(cè)量傳感器固定在活塞桿端部，鋼絲繩穿過(guò)活塞桿的無(wú)桿腔油管，固定在油缸端法蘭上，隨著油缸的移動(dòng)，鋼絲繩拉長(zhǎng)或縮短帶動(dòng)傳感器旋轉(zhuǎn)，輸出4~20 mA 模擬信號(hào)。

該液壓缸設(shè)置有工作原理不同于行程測(cè)量裝置的上、下限位行程限制器[5]，用于控制閘門(mén)的上、下極限位置，當(dāng)油缸位移傳感器失靈時(shí)起保護(hù)作用。

7 總結(jié)

根據(jù)小盤(pán)河水庫(kù)泄洪底孔工作閘門(mén)的實(shí)際運(yùn)行情況，采用雙吊點(diǎn)倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作平面工作閘門(mén)的布置形式，可以有效避免閘門(mén)振動(dòng)，精確測(cè)量閘門(mén)開(kāi)度及控制流量[6]，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)遠(yuǎn)方監(jiān)控及自動(dòng)化操作，同時(shí)降低啟閉機(jī)伸出壩面的高度，整體提升壩面景觀(guān)效果。