南水北调中线工程汉江兴隆水利枢纽泄水闸液压启闭机设计简介

曹国锋 陈卫 胡国余

摘 要：在设计中采用安全可靠、自动先进、操作方便的设计原则，对油缸各部位进行了全状态的受力分析和挠度计算和设备动态仿真模型试验；油缸活塞杆采用独特的高速火焰喷涂（HVOF）技术保护；对双缸同步纠偏控制主回路采用比例调速阀+常规调速阀回路的控制方式等方面做了一些新的探索，可供参考借鉴。

关键词：动态仿真模型试验 陶瓷活塞杆 比例调速阀+常规调速阀

1项目概况

兴隆水利枢纽位于汉江下游湖北省潜江、天门市境内，上距丹江口枢纽378.3km，下距河口273.7km，是南水北调中线汉江中下游四项治理工程之一，同时也是汉江中下游水资源综合开发利用的一项重要工程。

兴隆水利枢纽泄水闸为56孔开敞式平底闸，其中54孔为泄水孔，另两孔具备泄水和排漂双重功能。闸室内顺水流向依次布置事故检修门、弧形工作门及浮式检修门。

本项目为54孔泄水孔的其中28孔提供2×1000kN液压启闭机设备。启闭机总体布置形式为双吊点、两端铰接方式，液压启闭机油缸布置在每个闸孔两侧闸墙上，油缸支铰座埋件中心高程42.00m。液压泵站和电气控制柜等布置在闸墩高程45.20m的机房内，采用“二机一站”方式驱动和控制（闸墩上每个机房内布置有两台（套）启闭机共用的一套液压泵站，每两台（套）启闭机共用一套控制系统）。

液压启闭机的组成包括：油缸总成、行程检测和限位装置、缸旁保压安全阀块、联门轴及相应附件、支铰座埋件及全关位支承、液压泵站、液压管路系统、专用检修工具等。每套液压泵站包括二台油泵-电动机组、控制阀组、油箱及其附件等。

2设计原则

?安全可靠

液压缸和液压系统按照国家相关标准和规范进行设计和计算，并参考德国工业标准DIN进行优化设计。通过DBR分析平台对油缸进行三维建模，动态仿真模拟，对重要部位进行了全工况状态下的受力分析和挠度计算。

液压缸全套动密封件选用高可靠性、长寿命的德国MERKEL公司产品。O形圈采用美国Parker公司产品，液压缸活塞及活塞杆导向均采用德国宝色霞板公司C380型非金属导向套系列，采用多重组合形式，合理布置，确保有效的导向长度，使之达到良好的导向效果。

液压系统采用插装集成，方向阀设置有感应式阀芯位置监测装置并向电控系统反馈阀芯位置信号。液压系统选用目前最优化的元器件，并设有足够的监视、测量、控制和保护装置如回油堵塞报警、液位油温传感器、压力继电器、系统压力传感器、压力温度流量传感器（PQT）、油水报警器等。其主要元器件如液压泵、方向阀、溢流阀、调速阀、插装阀等全部选用按DIN标准生产的德国力士乐原装产品。

在液压缸上设有安全锁锭阀组，内置德国力士乐原装进口溢流阀和液控单向阀，既可防止液压缸内压力超过设定值，又可将闸门可靠地锁锭。

设备出厂时进行机电液联调试验，保证设备性能完善，程序动作准确，减少现场安装调试工作。

?自动先进

油缸的设计采用美国PTC公司研制的由设计至制造的机械化自动化软件Pro/ENGINEER，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的三维实体造型系统。利用该软件，可以建立油缸的零部件模型和油缸总成的装配模型，在计算机上预先进行动态/静态分析，装配干涉检验，甚至运动仿真功能。由3D实体模型可以随时生成2D工程图，而且自动标注工程图尺寸，不论在3D或2D图形上作尺寸修正时，其相关的2D图形或3D实体模型均自动修改，同时装配、制造等相关设计也自动修改，确保资料的正确性，并避免反复修正的耗时性，工程同步，确保油缸数据的完整和设计修正的高效。

液压系统设计采用当前世界上最先进和密集集成的Pro/Engineer高端软件，经过数十年的设计积累，已建立了完备的液压元件模型库，加上本软件的快速有效的建模和三维制图功能，不仅可以快速有效的进行各类阀件的集成和装配，还能对阀块的设计孔道进行校验，确保系统设计的准确和高效。

液压系统选用目前最先进的自动化元器件，并留有扩充口和远程接口。

?操作简便

所有控制、检测、监视和保护信号均可送到现地PLC，并可通过远程接口送到集中控制单元，既可在现地進行手动和自动控制，也可在集中控制单元实现集中控制。液压系统中所有元器件标识清楚，部分元器件还带有灯光指示，操作一目了然。

?易于维护

液压系统所有控制阀件均集中安装于阀块上，检修和更换方便。液压启闭机所有零件、元件均具有通用性、互换性，更换方便。液压系统管路上设有手动隔离阀，方便检修。

?长使用寿命

为保证本液压启闭机具有较长的使用寿命，将采取如下具体措施来保证这些指标：

选用高可靠性的德国力士乐原装液压元件，包括泵、阀，力士乐液压元件具有在罗马尼亚铁门水电站船闸运行31年无故障的记录。

选用密封性能良好的德国Merkel密封件，力士乐有使用该产品25年不更换而密封性能良好的记录。

选用压力等级较大（350bar～400bar）的液压元件。

油箱、管道使用不锈钢材料。

3液压启闭机设计

3.1设计参数

2）液压启闭机操作方式为：动水启闭。

3）工作方式为：全程启闭，局部开启或关闭。

4）控制方式：远方控制；现地单机控制；现地检修单步控制；三种控制方式相互联锁。

3.2液压缸设计

液压缸的缸筒采用国产整段优质无缝钢管，具有较高的机械性能和良好的冲击韧性；缸体内孔加工采用进口强力珩磨机珩磨作为最终工序，保证内孔尺寸精度和形位公差以及表面粗糙度达到设计要求。

油缸缸体采用优质无缝钢管（材质：Q345B，正火处理），材料按JB4730Ⅱ级进行100%超声波探伤。

活塞杆采用进口博世力士乐荷兰公司ENDUROQ2000产品，采用独特的高速火焰喷涂（HVOF）技术保护活塞杆，活塞杆母体材质为S355J2G3正火处理。

活塞杆表面金属氧化陶瓷层的喷涂工艺按DIN德国工业标准执行，陶瓷保护层是均匀、不导电及不渗透；保护层很硬，有足够弹性可与液压缸-活塞杆一起挠曲。金属氧化陶瓷层的机械性能如耐冲击性、抗弯强度及对金属的黏结力足以承受在活塞杆材料机械强度极限内的冲击和负载。

油缸的上吊耳端盖和下端盖材料选用45钢锻件，正火处理。

活塞杆连接吊头材料采用45钢锻件，正火处理。吊头材料按GB/T6402Ⅱ级进行100%超声波探伤。

油缸活塞和活塞杆密封件均采用德国MERKEL公司产品。

液压缸活塞及活塞杆导向均采用德国宝色霞板公司C380型非金属导向套系列，采用多重组合形式。

防尘圈采用德国Hallite公司产品。

3.3液压泵站设计

泄水闸弧形工作闸门采用双缸液压机操作，28扇闸门设有14个泵站，采用二机一站控制方式。

液压泵站由不锈钢油箱（含其附件）、两台油泵电机组、两套功能独立的双缸比例阀同步回路和两套独立的简单阀件组成的双缸同步回路、站内管路及附件等组成。电机与油泵之间采用“钟型罩+联轴器”联接方式，便于油泵电机组平稳运转，降低噪音。液压泵站包括二台油泵-电动机组（同时工作，互为热备用）。系统控制阀块固定在油泵电机组支架旁。

油泵和主要控制阀件均选用原装进口博世力士乐公司产品，液压系统阀组采用插装集成。所有方向阀均设置阀芯位置监测指示器，向电控系统反馈阀芯位置信号。

不锈钢油箱设置标准人孔盖，排污球阀，注油滤器，回油过滤器，液位液温计，液位油温传感器，油水报警器、防潮式空气滤清器等附件。

液压泵站配置在线检测压力、流量、温度（P、Q、T）的专用检测仪器一套，检测仪器与液压泵站的连接接头每套泵站均设置一套。

3.4液压回路设计

泄水闸弧形工作门采用二通插装阀控制的回路，是典型的四通回路，该控制回路由先导控制回路和主级控制回路（功率回路）组合而成。

A.压力控制回路：主泵的压力控制采用双泵共用二通插装阀压力控制组件，回路安全溢流的压力由先导压力控制阀调整并被整定。泵压力控制组件通过二位四通电磁换向阀进行卸荷；

B.方向控制回路：通过主回路上先导电磁换向阀电磁铁的得电与失电，切换二位二通插装阀阀芯的开合，改变液压油的流向，从而实现液压缸活塞杆的伸缩动作即闸门的关闭与开启动作控制

C.速度控制回路：在液压缸的有杆腔回路中设置了比例调速阀+常规调速阀回路，从而控制液压缸活塞杆的伸缩速度即弧门的关闭与开启速度，以及安装连接时的速度调节。通过安装在液压缸上的行程检测装置全程连续检测二只油缸的行程，当左右吊点两只油缸的不同步误差大于等于不同步设定值时，PLC反馈电信号至调速阀比例电磁铁，自动调整液压缸有杆腔进、回油量，从而使闸门左右吊点达到同步控制要求；

同时在有杆腔回路中设置有比例调速阀回路一侧并联了常规调速阀回路，并设置旁路电磁换向阀纠偏回路作为备用回路，可以通过球阀切换。当安装检修或比例调速阀出现故障时，即可打开此备用回路常闭球阀，使此回路投入运行，同时投入旁路电磁换向阀纠偏回路，大大提高了设备的运行可靠性，确保安全渡汛。

D.安全锁定回路：在液压缸有杆腔回路中设置了安全锁定阀组。内置原装进口液控单向阀，用于弧门开启至任意高度时闸门的锁定。同时该阀组内置原装进口溢流阀为安全阀，用于对下腔的超压保护。

插入CAD图纸

4关键技术设计

1：全行程动态仿真模型试验

考虑到本工程泄水闸液压启闭机油缸均为斜拉式倾斜安装，在重力和关节轴承摩擦力的作用下，在闸门全关状态和闸门启闭过程中，液压缸往往存在一定的挠度和弯曲。油缸自重势必会对活塞杆产生挠度影响，对启闭机布置方式优化设计、对油缸各部位进行了全状态的受力分析和挠度计算和设备动态仿真模型试验。

2：采用獨特的高速火焰喷涂（HVOF）技术

油缸陶瓷活塞杆ENDUROQ2000为进口博世力士乐荷兰公司产品，采用独特的高速火焰喷涂（HVOF）技术保护活塞杆，其致密的组织结构具有极高的耐腐蚀、抗刮及耐磨损性能，极大延长了使用寿命、减少了维修费用，经受了实际应用的考验并得到许多用户的赞扬。

活塞杆喷涂材料采用含有碳化物的复合金属材料，每根活塞杆有各自的工艺程序和连续的过程控制，对每根活塞杆进行最终检测。

3：双缸同步纠偏控制主回路设计

根据招标文件要求，“启闭机采用“二机一站”控制传动方式；配套布置上采用一套液压泵站总成（即一套液压泵站总成由共用泵组、共用油箱、两套功能独立的双缸比例阀同步回路和两套独立的简单阀件组成的双缸同步回路组成）分别依次驱动二套双油缸总成（分别依次驱动相邻两扇弧形工作闸门），双油缸同步运行”，在设计时双缸同步纠偏控制主回路采用比例调速阀+常规调速阀回路，备用回路采用双回路常规调速阀+旁路电磁换向阀回路的控制方式，既满足招标文件要求的高精度闭环同步控制要求，又能满足应急人工单步手动控制可双缸同步启闭闸门。

5结语

我们相信，作为国内水利液压传动系统的供应商，我们有信心通过提供专业的生产技术、高质量的产品、现代的生产设备使这项工程取得圆满成功。我们的确能够提供给客户一个安全的、维护费低的、可靠的和耐用的驱动和控制系统。

自2013年10月投入运行以来，运行情况良好，受到业主单位的表扬，其设计成果对今后类似液压启闭机设计有一定借鉴作用。