开敞式泄洪闸液压启闭机设计与研究

□毛明令 □杨 立 □纪冬丽 □李 鹏（黄河勘测规划设计有限公司 河南省水利水电工程建设质量检测监督站）

1 概述

西霞院反调节水库作为黄河小浪底水利枢纽的配套工程，位于黄河干流中游河南省境内，其上游16km为小浪底水利枢纽，距洛阳33 km。开发任务以反调节为主，结合发电，兼顾灌溉、供水等综合利用，电站总装机容量140MW。

西霞院反调节水库由拦河大坝、21孔泄洪闸、9孔排沙闸、4台发电机组设12孔电站进水口和8孔电站尾水口、5孔引水闸等主要建筑物组成。

2 启闭机布置与组成

2.1 液压启闭机的布置

根据开敞式泄洪闸工作闸门的布置，液压启闭机油缸布置在每孔两侧的闸墩上，上部通过球面自润滑关节轴承与埋设在闸墩上的支铰埋件连接，下部通过球面自润滑关节轴承与闸门吊耳连接。液压泵站及电气控制柜等布置在闸墩顶部的启闭机室内。

启闭机采用双吊点单作用液压启闭机操作，启闭容量为2×1500kN，工程行程为4.10m，设计行程为4.30m。每两扇闸门的油缸共用1套液压泵站，各自设置独立的阀组和控制单元，14扇闸门共设置7套泵站。

2.2 液压启闭机的组成

开敞式泄洪闸工作闸门2×1500kN液压启闭机由油缸、缸旁阀组、支铰埋件行程检测装置、上下极限位置控制开关、液压泵站、电控设备、油管及附件等组成。

液压泵站采用旁置式，油泵电机组水平放置在安装底座上，与油箱采用避震喉连接。控制阀组布置在油箱顶面，便于检修和操作。油箱侧面放置接线端子箱，泵站的控制电缆均接入端子箱。启闭机具有现地和远控功能，现地电控柜和液压泵站布置在坝顶启闭机室内，以便操作和观察，同时液压和电气信号传至远方集控室，实现远方集中控制。

3 液压启闭机的主要技术参数

开敞式泄洪闸工作闸门液压启闭机主要技术参数见表1。

表1 开敞式泄洪闸工作闸门液压启闭机主要技术参数表

4 液压控制系统设计

液压泵站由不锈钢油箱、液位计、空气滤清器、液位传感器、吸油过滤器、回油滤油器、油泵电机组、控制阀块等组成。

4.1 油泵空载启动

油泵电机组启动过程中，延时10 s后，根据所需执行操作情况，使相应的电磁阀得电，系统空载启动建压完成。

2018年，当一位位葡萄酒大师、侍酒师大师在行业中发光发热，一群大师“候选人”也在登顶路上不懈努力，在忙碌的工作中继续考试升级，也不断促进行业的发展。但他们似乎不大喜欢“候选人”这个词，而更愿意称自己为大师班“学生”。这一年，这群“学生”经历了什么？收获了什么？这条挑战重重的挑战之路，他们走到了哪里？这篇文章，让我们走近这些登顶路上的奋斗者，理解行业发展浪潮中，这些希望与力量。

4.2 方向控制回路

本系统的方向控制回路主要采用三位四通电液换向阀，根据所需执行操作情况，打开相应回路，实现系统的方向控制。

4.3 速度及同步控制回路

本机为双吊点单作用液压启闭机，液压系统采用流量调速阀加整流板和比例调速阀加整流板并联组成速度及同步控制回路，控制每扇闸门两只油缸的启闭速度，同时实现双缸的同步运行控制。当两只油缸的同步误差超过5mm时，PLC发出纠偏信号通过调整比例调速阀的开度，改变该油缸的速度，实现与另一只油缸的运行同步。

4.4 液压锁紧回路

液压锁紧回路由单向阀和液控单向阀组成，可满足闸门局部开启和任意位置停机锁定的要求。

4.5 油泵电机组

每套液压泵站设2套油泵电机组，互为备用，为冷备用方式。

5 液压缸设计

5.1 缸体和活塞杆

缸体的设计主要考虑了能够长期承受额定工作压力及短期动态试验压力而不产生永久性变形。缸体的材料为45号钢，采用整根无缝钢管加工而成，缸筒法兰采用堆焊处理，要求不对接。

活塞杆除考虑有足够的强度、刚度外，还考虑了活塞杆的防腐要求。活塞杆采用镀硬铬方式进行表面处理，活塞杆的材料为45号钢，热处理工艺为正火处理，活塞杆直径为220mm。

5.2 密封圈

油缸的动密封采用MERKEL公司的V型组合密封圈，该密封圈密封性能好、承压能力高、耐磨性强、低摩擦、抗老化，寿命可达10a以上。静密封采用MERKEL公司的O型密封圈。为防止外界细小杂质对油缸及密封圈的损害，在端盖处还设置了MERKEL公司的防尘圈。

5.3 导向带

活塞和活塞杆的导向采用MERKEL公司的非金属导向环，材料为HGW。该非金属导向环承载能力高，易于扣压装配，金属与塑料材料配合，可有效防止“滞塞”和“咬死”现象。由于该导向套为标准配件，相比青铜导向套成本低廉，检修方便，且易于更换。

5.4 吊头

吊头作为液压启闭机的主要受力部件，设计上除满足强度要求外，还从制造工艺方面进行了考虑。吊头可采用铸造工艺和锻造工艺，铸造易于铸出比较复杂形状的吊头，锻造则相对锻出形状简单的吊头；铸造相比锻造毛坯缺陷较多。该启闭机吊头结构简单，故采用锻造工艺，材料为40Cr。

5.5 刮污环

为防止外界杂质对油缸内部结构及密封圈等零件的损伤，在油缸端盖后部设置了青铜刮污环。由于青铜材质较软，可以防止刮污环对活塞杆的损害。

6 设计特点

6.1 油缸安装支撑形式

为了便于安装和补偿安装误差，油缸吊头与支铰埋件和闸门吊耳的连接采用了球面自润滑关节轴承的连接形式，关节轴承沿其径向中心线的摆动角度为±1°，同时轴承两端设有密封装置，可以适应潮湿环境。

6.2 内置式行程测量系统

根据安装形式，行程测量装置分为外置式和内置式两种。外置式是指将行程测量装置安装在油缸的外侧，特点是安装、检修方便，但是容易受外界环境的干扰，影响其测量精度。内置式指行程测量装置安装在油缸内部，不易受外界影响，测量准确可靠。本机采用的是德国巴鲁夫的微脉冲位移传感器，型号为BTL5-E17-M4400，输出信号为0～20 mA的模拟信号，最大线性误差为±0.02%，防护等级为IP67。传感器固定安装在上盖，感应测杆通过套管穿在活塞杆内部，感应磁环安装在活塞上，磁环跟随活塞移动在测杆上滑动，达到行程测量的效果。

6.3 同步纠偏系统

双吊点液压启闭机，同步控制是保证闸门正常工作的关键技术。水利工程中常用的同步控制技术主要有3种：一是旁通泄油纠偏控制（开环控制）；二是电液比例流量纠偏控制（闭环控制）；三是电液伺服阀纠偏控制。

旁通泄油纠偏控制主要是通过在液压缸压油管路上旁路设置一电磁换向阀，通过双缸设置的行程检测系统，检测双缸运行偏差，根据偏差信号，开启电磁换向阀调节双缸的相对速度，以达到同步纠偏的效果。该技术结构简单、动作可靠、成本低，但同步纠偏精度不高。

电液比例流量纠偏控制主要是通过流量调速阀和比例调速阀并联组成的同步纠偏控制技术。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。该技术控制系统具有简单、精度高、连续调节性能强、互换性强、成本较低等特点，常被用于双缸同步控制的闭环控制。

电液伺服阀纠偏控制是利用电气模拟信号控制的电液伺服阀作为流量控制的系统。它是自动控制系统中的功率转换或信号放大元件，能将小功率的电信号转换成大功率的油液输出信号，电液伺服阀能与位移、速度和压力等传感器组成高精度的闭环控制系统。该技术动、静态特性高，控制精度高。

依据上述分析，综合考虑，本机采用的是电液比例流量纠偏闭环控制系统。

7 结语

小浪底西霞院反调节水库14孔开敞式泄洪闸工作闸门2×1500 kN液压启闭机已投入运行多年，设备运行良好，设备各项性能指标均达到了设计要求。