绝对型陶瓷杆行程检测装置在大藤峡超大型液压启闭机中的应用

范小付，刘 翔，岳 梅，刘卓卓

（1.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西南宁 530200；2.江苏武进液压启闭机有限公司，江苏常州 213131）

1 工程概述

大藤峡水利枢纽工程位于珠江流域西江水系黔江干流大藤峡出口弩滩上，地属广西自治区桂平市，坝址下距桂平市彩虹桥6.6 km。大藤峡水利枢纽为日调节水库，泄水系统设在黔江主坝。黔江主坝设有2 个泄水高孔和24 个泄水低孔。低孔弧形工作闸门孔口尺寸为9 m×18 m（宽×高），设计水头39 m，液压启闭机的启闭容量为2×6 300 kN，是国内启闭容量最大的斜置后拉式液压启闭机。该液压启闭机行程13 m，超大的行程和自重对液压启闭机的行程监测精度、准确性和恶劣条件适应性的要求较高。若运行中启闭机突然失电，在弧门自重的影响下，弧门会下滑，可能造成两侧启闭机行程不一致，再次得电时若偏差较大会造成闸门卡死现象。为彻底解决此问题，需在再次得电时对两边启闭机行程进行纠偏，采用绝对行程检测装置十分必要。

水电工程中常用的液压启闭机行程检测方式，按安装方式可分为外置式行程检测装置和内置式行程检测装置。外置式行程检测装置有静磁栅、钢丝绳重锤两种类型，其缺点是占用了一定的液压油缸的外围空间[1]，美观效果较差。内置式行程检测装置有磁致伸缩位移传感器、钢丝绳或钢带绝对式编码器、陶瓷杆行程检测装置等类型，磁致伸缩位移传感器的检测行程不建议超过5 m，其线缆出现位置位于液压缸上端盖处，结构布置不理想；钢丝绳或钢带绝对式编码器一般安装在油缸上端盖处，向外突出一个编码器的位置，空间尺寸占用较多；常规的陶瓷杆行程检测装置采用霍尔效应原理，检测传感器与活塞杆之间的磁场变化，以此来测定启闭机行程。但当外界电源消失后，若活塞杆出现了滑移或持续运动，当电力恢复后，行程检测装置检测出的仍是电源消失前的行程位置[2]，因此，这种检测方式并不能做到“绝对位置”的检测。针对大藤峡超大型液压启闭机的行程检测，文中采用内置式绝对型陶瓷杆行程检测装置检测液压启闭机的行程，保证液压启闭机在任意工况下准确检测行程，保障大藤峡水电枢纽工程泄洪系统的正常运行，消除安全隐患。

2 绝对型陶瓷杆行程检测装置

2.1 CPMS-Ⅰ陶瓷杆行程检测装置

第一代陶瓷杆行程检测装置，主要是参考国外进口产品进行仿制。其原理是基于活塞杆基体具有导磁性，而表面喷涂的陶瓷材料是非金属材料，不具有导磁性，当传感器通过高低不一的沟槽时，气隙的变化将引起磁阻、磁场和电流的变化，并输出脉冲信号，即可检测到活塞杆的行程[3]。CPMS-Ⅰ主要特性：输出相位差90°的方波脉冲信号；通过外部计数器计算活塞杆的行程长度；信号进入PLC柜后，进行滤波，防止干扰；断电状态下位移无法检测记录；分辨率1.0 mm，防护等级IP67。

由于CPMS-Ⅰ陶瓷杆行程检测装置对端盖平面的平行度、垂直度、与活塞杆的距离要求较高，会出现检测信号跳跃的情况，因此推出了CPMS-Ⅰ的改进版。与改进前相比，增加了弹簧和活塞杆弧面的定位装置，保证传感器和活塞杆的贴合，并保证信号的准确传输。

2.2 CPMS-Ⅱ带失电记忆的陶瓷杆行程检测装置

CPMS-Ⅰ在工程应用时，发现停电状况下数据出现丢失的情况，偶尔会出现干扰时数据的脉动情况。为解决上述问题，第二代CPMS-Ⅱ行程检测装置集成了脉冲信号的处理和数字滤波功能，其主要特性：输出16 位格雷码信号；增加数字滤波功能；在外部电源撤除一段时间内，可检测记录活塞杆的位移数据；长期断电状态下位移无法检测记录；分辨率1.0 mm，防护等级IP68，满足长期泡水要求（在南水北调韩庄泵站等项目中有成功案例）。二代传感器解决了一代传感器存在的失电数据丢失和数据传输过程中信号的轻微干扰问题。

2.3 CPMS-JD 绝对型陶瓷杆行程检测装置

CPMS-Ⅱ带失电记忆的陶瓷杆行程检测装置在使用过程中整体状况良好，但在部分工程上也出现了一定问题：部分电站启闭机长期失电数据丢失；南水北调某工程传感器信号线与电动机线过近，产生强干扰，出现信号跳动；三峡升船机油缸长期在中间位置运动，传感器产生累积误差。

为解决上述新问题，出现了绝对型陶瓷杆行程检测装置。与相对型传感器相比，绝对型陶瓷杆行程检测装置的优势较为明显：相对型传感器配套陶瓷活塞杆上的刻度沟槽均一致，根据通过的沟槽数来计算油缸的行程；绝对型传感器配套的陶瓷活塞杆上的刻度沟槽采用二维码原理，每一处都是完全不同的，传感器放置在任意位置均可以准确读出活塞杆的实际准确位置。

绝对型陶瓷杆行程检测装置的主要特性：输出16 位格雷码信号；活塞杆任意位置输出唯一数据，与运行状态前后数据无关；采用定制硬件逻辑，抗干扰能力极强，即使存在干扰，也能瞬间恢复数据；上电后即得当前准确位置值，无论活塞杆是否移动，无断电时间限制；分辨率0.5 mm，防护等级IP68，满足长期泡水要求。三代传感器彻底解决了一代和二代传感器存在的长期失电数据丢失和数据传输过程中信号的干扰问题。

2.4 配套陶瓷活塞杆

陶瓷杆本体采用45 号整段材料制作，不低于GB/T 699-2015《优质碳素结构钢》标准中45 号钢的性能指标，并经正火+回火处理，进行100%超声波探伤检查。检验合格后，活塞杆进行粗车、半精车、精车等工序。与行程检测相配套的活塞杆在行程段刻有深浅不一的凹槽，使得每一处的刻度都能组成独特的“二维码”。之后在活塞杆表面喷涂金属氧化陶瓷涂层。活塞杆两端的螺纹是重要部位，该项目均采用专用的螺纹成型刀具加工，对螺纹的检测均采用螺纹环、塞规和螺纹牙型样板。

活塞杆加工的关键是控制内应力、温度及热变形。在加工大直径、长行程活塞杆的时候，为保证活塞杆的加工精度，活塞杆的珩磨采用美国善能公司进口的外圆珩磨机，可以提高表面质量，降低粗糙度，改善表面润滑条件，减少密封件的磨损。

1）活塞杆加工精度

活塞杆导向段外径公差不低于GB 1801-2009《产品几何技术规范（GPS）极限与配合公差带和配合的选择》中的8 级；活塞杆导向段圆度公差不低于GB 1184-1996《形状和位置公差未注公差值》中的9 级，导向段直线度公差不大于1 000∶0.1；与活塞杆端面对轴心线垂直度公差不低于GB 1184-1996 中的7 级；活塞杆螺纹采用GB 197-2018《普通螺纹公差》中的6 级精度；活塞杆导向段外径的表面粗糙度Ra≤0.35 μm。

2）活塞杆陶瓷涂层

活塞杆表面采用金属氧化陶瓷涂层，喷涂材料采用进口Metco 公司产品。活塞杆表面金属氧化陶瓷层的喷涂工艺等同于或高于DIN 德国工业标准和NB/T 35017-2013《陶瓷涂层活塞杆技术条件》。

陶瓷活塞杆主要加工工艺：锻件检测→粗车→100%超声波探伤→精车→磨削→检测沟槽加工→喷涂前珩磨→陶瓷喷涂→精磨（外圆珩磨）。陶瓷涂层应达到以下要求：活塞杆金属氧化陶瓷涂层经第三方检测机构检测，并出具检验报告；底层喷涂基础层厚度不小于100.00 μm，喷涂面层厚度不小于200.00 μm，面层硬度不小于900 HVS；与活塞杆基体材料的结合强度不小于35 N/mm2，弯曲强度极限不小于350 N/mm2；陶瓷杆盐雾试验不小于2 000 h（盐雾的成分、特性及试验方法符合DIN 50021-1988《盐雾试验》的规定）；陶瓷涂层不允许修复；集成式（与陶瓷活塞杆结合一体）行程检测装置无接触扫描陶瓷活塞杆，行程检测精度不小于1.0 mm。

3 工程应用情况

大藤峡工程26 孔泄水弧门液压启闭机均采用CPMS-JD 绝对型陶瓷杆及相应行程检测装置，运行3 年来陶瓷活塞杆油缸部分运行平稳，双缸同步性好，未出现异常抖动等现象。左岸弧门系统从2019年8月安装完成至2020年2月前均处于失电状态，液压启闭机通电重启时，经系统进行双缸行程纠偏后，均可正常运行。证明新型内置式绝对型陶瓷杆行程检测装置可有效解决大型液压启闭机弧门因失电重启双缸偏差较大产生的安全问题。

4 结语

目前，国内智慧水利、智慧城市建设不断兴起，在大量布局智慧水利感知层的当下，传感器检测的准确性、稳定性一直是亟待解决的问题。绝对型陶瓷杆行程检测装置在大藤峡超大型液压启闭机中的成功使用，验证了这种装置的可靠性，为其他同类型超大型液压启闭机的设计和建设提供了可行方案。