双吊点倒挂式液压启闭机关键技术问题研究与实践

毛明令，姚 雷，袁 铌

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450000）

1 项目概况

小盘河水库是一座以供水为主的中型水库，工程位于泾河的一级支流蒲河下游，下距蒲河与泾河汇合口约10 km，位于甘肃省庆阳市宁县。坝址控制流域面积7 466 km2，几乎控制蒲河流域的全部。坝址距离庆阳市约30 km，距宁县长庆桥镇约10 km，长庆桥～庆阳市区有青兰高速G22 和省级公路S202 相连。福银高速G70 及国道312 公路从长庆桥经过，向东可至西安，向西可至兰州及平凉。坝址至长庆桥有新修公路连接，对外交通条件较好。

枢纽建筑物从左岸到右岸依次由混凝土重力坝、底孔泄洪排沙闸、表孔泄洪闸、引水管坝段、右岸均质土坝段等建筑物组成，坝顶总长度268.0 m。大坝、泄水及取水建筑物为3 级；次要建筑物为4 级；临时建筑物为5 级。

2 液压启闭机的方案布置

作为挡水挡沙的底孔工作闸门，通常采用弧形闸门的形式，但小盘河水库泄洪底孔因下游水位较高，布置成弧形闸门时，闸门的支铰将会淹没于水下，经过研究分析，最终确定采用平面定轮闸门，止水采用上游止水形式。

泄洪底孔工作闸门为平面定轮闸门，孔口尺寸9 m×8 m（宽×高），底坎高程963.00 m，设计水头19 m，运用方式为动水启闭，平时关闭用于挡水挡沙，当需要冲沙或泄水时开启闸门，有局部开启要求。泄洪底孔共5 孔，设置5 扇闸门。

闸门形式确定后，最初的启闭设备采用的是固定式卷扬机，经分析发现，该项目的泄洪底孔工作闸门在启闭过程中，闸门可能发生振动现象，这样对闸门结构的整体稳定及运行都是不利的，而固定式卷扬机是通过缠绕在卷筒和滑轮组上的钢丝绳进行闸门起吊，因钢丝绳是柔性的，所以不能控制闸门的振动。液压启闭机是通过活塞杆的伸缩进行闸门的起吊，活塞杆本身具有一定的刚性，可以有效控制闸门的振动现象，故最终确定采用液压启闭机来操作闸门。

3 液压缸的结构特点

3.1 液压缸的支撑形式

倒挂式液压缸的支撑在活塞杆端部，通过带有螺纹的支撑轴配合轴承座固定在机架上，支撑轴两端的轴承采用自润滑轴套。液压缸的缸体插入闸门开孔的主梁内与闸门通过类似十字铰的结构连接，吊头与油缸的支承轴承采用自润滑球面关节轴承[1]，吊头与闸门的支撑轴承采用自润滑滑动轴承。该固定形式，可以使油缸整体沿水流方向摆动，以补偿油缸和闸门与门槽的安装误差。

因油缸的支撑和行程测量传感器在户外，为防止沙尘等杂物的侵蚀，机架上设有防护罩，闸门孔口上设有活动盖板，对缸旁阀块和油缸行程测量传感器进行防护。

为减少闸门运行时振动的影响，油缸与闸门主梁开孔之间设置有橡胶垫圈。

3.2 活塞杆的特殊结构

常规油缸的有杆腔和无杆腔油口均设在缸体两端，油管通过管夹固定在油缸外部。倒挂式油缸的结构较为特殊，缸体整体插入闸门内部，油缸有杆腔和无杆腔油管不便布置在缸体两端，只能布置在活塞杆上端部。为了满足油口的布置，倒挂式液压缸的活塞杆采用三段对接而成的空心结构，将活塞杆分为前、后活塞杆和中间活塞杆三段，前、后活塞杆中心加工孔，利用无缝钢管[2]加支撑环穿孔后焊接加工而成。前、后活塞杆较短，为空心杆件，同时设有杆腔和无杆腔的进出油口。无缝钢管长达十几米，无缝钢管使活塞杆中间成为两层空心杆件，其中无缝钢管作为连通无杆腔的油路，无缝钢管外壁与中间活塞杆内壁的空腔作为连通有杆腔的油路。

采用倒挂式布置降低了启闭机伸出坝面的高度，使坝面整体布置整齐、干净。图1 为泄洪底孔工作闸门倒挂式液压启闭机布置图。

图1 泄洪底孔工作闸门倒挂式液压启闭机布置图

4 液压启闭机设计方案

4.1 液压启闭机的组成

小盘河水库倒挂式液压启闭机由油缸、液压缸行程传感器、液压泵站及管道、机架和电控系统等构成。油缸主要由缸筒、活塞杆、支撑轴、轴承座、导向带、吊头、密封圈、防尘圈、刮污环等组成。油缸行程传感器为内置式钢丝绳传感器，该装置自带上、下极限开关。液压泵站包括电机油泵组、阀组、油箱及其附件等。

4.2 液压启闭机主要技术参数

泄洪底孔工作闸门液压启闭机的主要技术参数见表1。

表1 泄洪底孔工作闸门双吊点倒挂式液压启闭机主要技术参数

5 液压系统双缸同步控制方式

小盘河水库倒挂式液压启闭机为双吊点液压启闭机，其双缸同步控制至关重要，同步控制的精度直接影响闸门的平稳运行及液压缸的结构稳定。本项目液压系统设有同步纠偏回路，其同步纠偏采用闭环控制[3]，由整流板+电液比例调速阀和整流板+手动调速阀组成同步回路，根据偏差信号，利用连续的电信号量通过比例调速阀调节流量，以达到同步纠偏的效果。当启闭机运行时，左右两只油缸的同步误差超过5 mm 时（同步精度可根据实际需求调整），PLC 发出纠偏信号，通过调整比例调速阀的开度，改变一个油缸的速度，实现与另一个油缸的运行同步。

为保证双缸同步控制的精度，本工程液压油[4]的污染等级为GB/T 14039-/17/14。

6 液压缸行程测量传感器的布置

液压缸行程测量传感器主要有外置式和内置式两种形式，外置式行程测量传感器主要有外置拉绳式和外置静磁栅行程测量传感器，因小盘河水库泄洪底孔工作闸门液压启闭机为倒挂式结构，且下游水位较高，外置式行程测量装置不易布置。内置式行程测量传感器主要有磁致伸缩式、与陶瓷活塞杆配套和内置钢丝绳式行程测量传感器，目前磁致伸缩式的行程测量传感器最大的有效测量行程为7.6 m 左右，而该项目的泄洪底孔工作闸门液压启闭机的设计行程为11.4 m，且磁致伸缩式行程测量传感器大部分为刚性结构，通常安装在上盖处，后期检修维护较为麻烦，故磁致伸缩式行程测量装置不能满足该项目要求；与陶瓷活塞杆配套的行程测量传感器通常安装在油缸下盖处，本工程下游水位较高，闸门全闭时，油缸缸体将淹没水下，对行程测量装置的防水性能要求较高，故未选用与陶瓷活塞杆配套的行程测量传感器；内置钢丝绳式行程测量传感器，整体安装在油缸上部，钢丝绳通过专用装置固定在活塞杆端部，后期检修维护只需拆掉上盖即可，检修维护方便快捷。通过对比分析，本项目的行程测量传感器采用内置钢丝绳式行程测量传感器。

内置钢丝绳式行程测量传感器固定在活塞杆端部，钢丝绳穿过活塞杆的无杆腔油管，固定在油缸端法兰上，随着油缸的移动，钢丝绳拉长或缩短带动传感器旋转，输出4~20 mA 模拟信号。

该液压缸设置有工作原理不同于行程测量装置的上、下限位行程限制器[5]，用于控制闸门的上、下极限位置，当油缸位移传感器失灵时起保护作用。

7 总结

根据小盘河水库泄洪底孔工作闸门的实际运行情况，采用双吊点倒挂式液压启闭机操作平面工作闸门的布置形式，可以有效避免闸门振动，精确测量闸门开度及控制流量[6]，实现闸门远方监控及自动化操作，同时降低启闭机伸出坝面的高度，整体提升坝面景观效果。