安格庄水库溢洪道液压启闭机纠偏系统调试与优化

张延忠

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄050021）

1 概述

安格庄水库属于大（2）型水利枢纽工程，溢洪道工作闸门共3孔， 闸底高程150.30m， 设计挡水位160.0m（最高蓄水位）。 闸门孔口尺寸（宽×高）11 m×10m，结构型式为露顶弧形钢闸门，斜支臂双主横梁，梁系同层布置，止水设在上游侧，支铰采用自润滑关节轴承。闸门面板曲率半径17.0m。每扇闸门重67.2t，每孔埋件重7.1t。 闸门主材为Q345C， 埋件主材为Q235B。 启闭设备选择为后拉式露顶弧门液压启闭机，双吊点，容量2×1000kN，扬程8.0m，共3台。液压缸布置为上端铰支。 1台启闭机配置一个液压站。 液压站设2台油泵，一用一备。

弧形闸门为一空间结构，具有一定的空间刚度，有利于同步运行， 但液压系统若不采取合理的闭环偏差控制回路，闸门启闭难以实现灵活可靠，甚至可能出现闸门侧轮蹭向闸墩一侧， 导致弧门启闭过程液压缸出现振动和噪声现象［1-2］，影响弧门平稳安全可靠启闭运行。 因此， 溢洪道弧形闸门及启闭机制造、安装完成后，根据弧形闸门导向装置与门槽埋件间隙及启闭机安装偏差等实测数据合理确定液压启闭机双缸同步允许偏差值。 本文结合溢洪道弧形闸门现场启闭调试过程出现的问题， 通过合理确定双缸同步偏差，优化调整液压系统纠偏控制程序，确保了闸门正常启闭运行。

2 同步偏差合理选取

2.1 影响因素分析

在闸门启闭过程中双缸同步偏差的形成主要有两方面的原因：一是双缸偏载的存在，二是双缸液压系统的不对称［3］。 弧形闸门围绕支铰旋转，影响液压启闭机双缸同步主要有以下因素：弧门结构刚度，闸门侧导向装置的结构及布置，工作行程的大小（最大累计偏差与行程大小有关），闸门及液压缸支承件的安装精度等［4］。 具体来说，双缸载荷大小不仅取决于闸门重量，还与闸门运行阻力相关，水封和支撑行走机构表面的状态会引起运行阻力变化。 根据压力与流量的关系， 负载小的液压缸较负载大的油缸速度快。 液压系统布置的不对称性也会形成双缸同步偏差。由于弧门支铰及油缸支铰安装在闸墩两侧，不可避免地存在安装误差。从而启闭机双缸运动副摩擦阻力不同，会造成摩擦阻力小的液压缸运行速度快。液压系统的内外泄漏等因素同样会造成双缸不同步。

2.2 同步允许偏差值合理选取

弧形闸门同步允许偏差理论值可根据闸门极限允许偏斜值确定，而闸门及液压启闭机在制造、安装时存在一定偏差，因此实际工程中需要根据闸门及启闭机制造及安装精度合理确定。 液压缸的行程与闸门开度的关系取决于开度检测装置的安装位置， 工程中通过直接检测液压缸行程，即活塞运动的直线距离，经几何换算得到闸门的开度［5］。 因弧形闸门液压缸活塞运动的直线距离与闸门开度为非线性关系， 闸门实际开度需经过非线性换算才能得出。 溢洪道露顶弧门液压缸行程与闸门开度之间的换算关系如图1。 如图1所示， 三角形ABC的边b，c，角β1，β2，面板半径R，弧门支铰中心距闸底板高度H0为已知条件。 三角形ABC的边a由液压缸行程检测装置实时检测得到，角α随启闭行程变化而变化。 p为三角形ABC三边之和的一半，r为三角形ABC内切圆半径。 闸门开度Hx按式（1）计算。 露顶弧门在启闭过程中，当闸门两侧开度处于极限偏差时，液压启闭机左右油缸行程亦达到极限偏差。 经换算露顶弧门液压缸行程极限偏差与闸门开度极限偏差的关系如表1。

图1 露顶弧门液压缸行程与闸门开度换算关系

表1 露顶弧门液压缸行程极限偏差与闸门开度极限偏差的关系

溢洪道弧形闸门在全行程启闭时， 闸门面板边缘与侧轨设计间隙为31mm，侧轮轮缘与侧轨设计间隙为10mm。 当闸门由底槛位置开启至挡水高度时，侧轮竖向间距从5.302m增至6.546m。 从表1可知，闸门开度Hx由0 开启至10m时，闸门两侧开度极限偏差在50～40.4mm之间变化，液压缸左右缸行程极限偏差在33～20mm之间变化。

弧形闸门及启闭机制造、安装完成后，经现场检查复测和查阅验收资料，弧形闸门门叶与支臂、支臂与支铰、侧轮与门槽埋件间隙及闸门支铰座、启闭机支铰座安装精度等数据均满足规范要求［6-7］。 同步允许偏差取值的基本原则是在弧形闸门启闭平稳的前提下，尽量减少纠偏调节次数。现场闸门启闭调试过程中，先预先设定液压启闭机双缸同步允许偏差值，再根据闸门启闭运行情况进行适当调整。 综合考虑确定弧形闸门同步允许预设最大偏差值为20mm。

3 液压同步系统设计

为保证液压启闭机2只油缸的同步运行，液压控制系统需设置同步纠偏回路。 为使闸门运行更加顺畅，液压控制系统采用闭环回路系统。本工程液压启闭机采用单比例调速阀同步控制+常规调速器同步控制方式（如图2），此控制方案为跟踪式纠偏调节方式，具体来说，采用EPV16-A-06-24D-S-U-13型电液比例阀（39.1）作为动态调节元件，启闭全程以手动流量控制阀调定的开度为跟踪目标， 根据双缸行程偏差进行动态纠偏调节实现双缸同步运行。 该同步控制方案具有纠偏精度高、简单实用等优点。具体做法为，为控制液压缸活塞杆的伸缩速度，在液压启闭机有杆腔回路中设置了比例调速阀回路， 同时在该回路并联了常规调速阀（25.2）回路，一旦比例调速阀发生故障时， 即可开启对应备用回路的常闭球阀（32.5），使常规回路投入运行，以此来实现2只油缸的同步运行及启闭速度的调节。 根据闸门启闭速度的要求，调节常规调速阀（25.1）的开口量，将常规调速阀控制的油缸确定为基准油缸， 比例调速阀控制的油缸设定为随动油缸。 常规调速阀开口量一旦调定后，基准油缸的速度随之确定；根据基准油缸的速度， 在比例阀的功率放大板上输入一对应的基准电压信号［8］，以保证2只油缸的基本同步。 通过闸门开度检测装置， 自动检测出启闭运行过程中左右两侧油缸的行程（即可换算为闸门开度），并将检测出的信号传送至控制柜内PLC（可编程控制器）。根据闸门开度检测装置传送的信号，PLC将两侧油缸不同步偏差信号大小和极性进行比对［9］；当不同步偏差超出程序设定值时，PLC调整比例阀功率放大器（EEAPAM-523-A-32型放大板） 的电压信号控制比例阀的开度大小，来控制随动油缸的速度。在液压启闭机进行启闭时， 当2只油缸的同步偏差超过设定值时，PLC控制程序自动调整随动油缸比例阀功率放大器的电压信号值，从而调整比例阀的开口量进行纠偏；当2只油缸的同步偏差小于设定值时，恢复其原电压信号的设定值。当2只油缸的位置差再次超过设定值时，重复以上动作，以实现2套油缸同步动作。

本工程闸门纠偏控制流程具体为： 在闸门启闭过程中，闸门行程检测装置全程连续检查2只液压缸的行程偏差，当行程偏差值（起调值）≥10mm时，PLC控制程序调整电液比例阀39.1进出流量实现同步纠偏，当行程偏差值（最大值）≥20mm时，液压系统发出报警信号并自动停机， 行程偏差最大值根据现场调试情况进行设定。

4 现场纠偏系统调试与优化

现场调试先手动调试测出比例阀回路的电压值，以此为依据在比例放大板设定一个预估值，再进行闸门的开启和关闭。 根据观察到的闸门开启和关闭过程中闸门左右偏差变化情况， 反复调整放大板电压信号给定值， 最终得出闸门开启和关闭过程中比例阀的基本合理给定值。 基本给定值取值合理的基本原则是，尽量减少纠偏调整次数，每次偏差调整时间要适中，不能过长或太短［10］。

图2 液压启闭机液压控制系统原理图

现场调试过程中发现， 各弧门在启门过程运行状况明显优于闭门过程。 启门过程中闸门开度小于6m时，液压缸偏差值小于5mm，弧门运行平稳，液压系统比例调速阀投入纠偏调节次数较少； 当闸门开度大于6m后，液压缸偏差大于5mm，比例调速阀纠偏频次明显增加， 造成这一现象现象的原因可能与闸门埋件安装精度有关， 可采取弧门适应门槽变化的调试方法［11］加以解决。在2号、3号弧形闸门闭门过程中，闸门下降速率不平滑，有时出现微小跳动，比例阀处于断续纠偏状态， 两只液压缸甚至出现超差停止运行。 经现场测量闸门闭门过程比例阀回路的电压值较小，而比例阀回路经常出现关闭，纠偏系统不能及时投入纠偏，导致左右缸同步性差，引起液压缸出现振动问题。 经过初步分析发现导致这一问题原因是比例调速阀为减少零位泄露， 阀芯零位具有一定的搭接量，存在一定零位死区，而闭门过程比例阀回路的电压值过小无法“跳过”该死区。 若要消除零位死区的影响，需在PLC控制程序中设置最小工作电压，使输入信号“跳过”该死区。为了解决该问题需对2号、3号闸门PLC控制程序进行修改， 在闭门程序中增加 “闭门时比例调速阀输入信号要大于零位死区（最小工作电压）”的判断语句。根据现场测试结果确定，2号闸门闭门时比例阀回路的工作电压值不小于1.6V，3号闸门比例调速阀回路的工作电压值不小于1.9V。通过以上判断，修改了液压系统PLC控制程序，使比例阀运行消除死区影响。程序修改后，经过再次现场调试，2号、3号闸门液压系统比例阀纠偏回路能正常稳定工作，闭门过程中液压缸运行平稳。

经过现场反复启闭调试， 最终在现地控制柜液晶屏上将各扇闸门纠偏起调值均设定为10mm，同步允许偏差最大值设定为20mm。 2号弧形闸门液压启闭机现场调试数据如表2。

表2 2号弧形闸门液压启闭机调试数据

从表2数据可以看出，2号弧形闸门启门过程2只液压缸偏差值在-3～5mm之间变化， 闭门过程2只液压缸偏差在-9～-10mm之间变化，2号闸门启闭全行程过程2只液压缸运行平稳， 纠偏系统工作频次合理，没有出现因超差出现停机现象。

5 结语

（1） 溢洪道露顶弧形闸门液压启闭机采用单比例调速阀同步控制+常规调速器同步控制方式。该方案具有纠偏精度高、简单实用等优点，能够满足溢洪道弧形闸门平稳运行的要求。

（2） 液压启闭机双缸同步允许偏差设定值先通过几何换算得出，再结合现场实际情况合理确定。现场调试结果表明， 液压启闭机双缸允许偏差值和纠偏系统程序根据现场调试情况调整优化， 能实现液压启闭机双缸运行平稳， 确保弧形闸门安全可靠正常启闭运用。

（3）鉴于弧形闸门在闸门开度大于6m后，比例调速阀纠偏频次明显增加， 建议采用弧门适应门槽变化的调试方法，将弧门启闭曲线拟合门槽安装曲线，以保证闸门根据门槽曲线启闭。