闸、阀门液压启闭机设计特点综述

翟继民?张公略?严秀俊

摘 要 富春江船闸是我国首座保留原有船闸建筑物，在其下游新建一座Ⅳ级标准船闸的碍航船闸的扩建改造工程，通过对老船闸的加固及改造利用：老船闸作为新建船闸的引航道，同时作为新建船闸输水系统的组成部分。最大设计水差20.21m，由于新、老船闸口门宽度不同，新建船闸闸室宽度23米，老闸闸室12米，经南科院水力模型试验表明：充、泄水阀门的开启方式决定老闸上闸首口门水跌和闸室水流流速的大小，对船闸运行的安全性有很大的影响，因此液压启闭机的设计必须按照闸、阀门运行特性曲线的要求进行，起、制动实现无级变速运行平稳无冲击;左、右油缸运行同步。本文通过对电比例泵、电比例阀及两位两通电磁换向阀回路在无级变速、液压系统同步控制、可靠性及经济型等方面进行充分比选，得出比例泵最适合闸、阀门的运行要求。

关键词 船闸运行安全;闸;阀门运行特性曲线;电比例泵;液压系统同步控制

1输水系统带来的运行问题

1.1 口门堰流

根据船闸输水系统整体模型试验成果，新建船闸充水时老船闸闸室水位下降明显，其上闸首处形成堰流，上闸首输水阀门开启速度过快会引起上闸首口门水跌过大，而开启速度过慢影响船闸充水时间且对反弧门运行产生不利影响，为此，对充水阀门的开启方式进行专门的水力学模型试验研究非常必要，通过实验来确定老船闸上闸首口门水流跌落和上游引航道流速的上限值确保船闸安全运行，经过南科院的物模实验确定如图1.1和1.2所示的阀门运行方式可以较好地解决阀门空化和口门处水跌的问题。

1.2 船闸运行安全

由于老闸兼做新建船闸的上游引航道，虽然对老閘进行了加固处理，但是根据大坝检测中心的建议，将老闸上闸首下沉门更换并增加动水闭门功能，万一老闸出现意外事故，可以动水关闭下沉门以保护大坝和新建船闸的安全，下沉门选用液压启闭机，在两侧门槽上方布置立式油缸，液压泵站安装在原机房内，由于左、右两侧管道长度不同带来管路沿程损失不同，加之门槽阻力及闸门安装精度的误差，左、右两侧油缸极易产生运行偏差，因此下沉门液压启闭机同步控制是设计的关键因素[1]。

2人字门液压启闭机的运行特点

人字门选用液压启闭机，由于新建船闸上、下闸首人字门自重较重（下闸首人字门约350吨），如果启、制动过猛不连续，会产生较大的启、制动惯性力并引起人字门冲击和振动，减少人字门使用寿命。同时人字门在临近关闭阶段由于左右两缸运行不同步极易发生碰撞现象，因此需要在设计时考虑液压启闭机具有自动降速功能，根据位置传感器的实时信号自动将运行速度均匀降至渐进速度避免发生碰撞，最终触发行程限位开关发讯安全停机。

3闸、阀门运行特性

经过南科院数模计算和物模实验分析得到如下运行方案：双边充水阀门开启至0.43开度，停机275s后继续开启至0.6开度，停机100s后开启至0.82开度，直至剩余水头为0.3m时动水关闭双边工作阀门至0.4开度，并于闸室水位与上游引航道水位齐平时立即开启上闸首人字门。双边泄水阀门开启至1.0开度，待闸室水位高于下游引航道水位2.0m时，由于左岸阀门泄水口与电站下游相通，为防止反向水头冲击人字门，先动水关闭下闸首左岸工作阀门至全关状态，并在剩余水头0.4m时动水关闭右岸工作阀门至0.4开度，至闸室水位与下游引航道齐平时开启下闸首人字门。该运行方式经过近三年的运行证明切实可靠满足设计要求。

4闸、阀门液压启闭机设计

4.1 人字门液压启闭机

人字门运行特性详见图3所示。由于人字门门叶自重较大，上闸首人字门自重约100吨;下闸首人字门自重约350吨。为防止人字门提速过快产生冲击和振动，需要限制启动加速度，起步需要缓慢均匀加速;在人字门临近关闭，左、右两扇人字门接近时要求人字门用10秒钟时间将速度从2m/min均匀降至30～50cm/min，人字门进入导卡后缓慢运行防止剧烈碰撞，对门体产生破坏作用。常规的齿轮泵、叶片泵和轴向柱塞泵均无法实现自动变量，且齿轮泵流量和压力脉动大，运行不稳定。而叶片泵虽然流量和压力脉动小，但是其转速范围窄，吸油条件苛刻，工作可靠性差，只能做成定量泵，适用于高速低负荷的工况。轴向柱塞泵构造上的特点具有斜盘结构，随着斜盘角度的变化，泵的流量相应变化，容积效率高、工作压力高，增加变量机构可以根据需要自动调节输出流量，非常适合人字门运行特性。考虑节约设备投资，同一闸首同一侧闸、阀门共用一套液压泵站，油泵选用轴向柱塞电比例泵，电比例泵可以根据闸阀门运行特性预先设置控制程序，如启制动时间、各档额定运行速度及运行时间、自动启停（配合水位计信号）等。为了减少闸门等待时间，保证左右闸、阀门同步运行，在闸、阀门油缸内均安装位移传感器，设置同步精度1cm，运行全过程实时监测，虽然电比例泵响应速度不如电比例阀快，但是完全满足人字门及反弧门运行特性的要求。如果选用定量泵+电比例阀调速系统，电比例阀调速的工作原理是通过电信号的强弱控制比例阀开度从而改变出口流量达到调速的目的，虽然相应速度快，但是需要配置溢流阀，多余的油从溢流阀流回油箱，

系统发热增加且能耗高、低效。因此选用电比例泵更适合于闸、阀门液压启闭机。电比例泵液压原理图如图4所示，

（1）电比例泵主要元件

序号10：带压力补偿越权监控的电液比例排量柱塞泵，比例排量泵上的主要排量控制零件及功能：①伺服控制活塞：控制斜盘摆角;②线性位置传感器：检测并反馈伺服活塞位置（也就是检测泵的实际排量）到PQD中;③斜盘;④压力补偿器：辅助压力阀实现泵的压力补偿控制;⑤比例排量控制阀：直接用于控制伺服控制活塞的位置;

序号11：压力补偿变量控制阀，主要是在油泵出口压力变化时保持出口流量输出不变，增加闸阀门油缸运行速度的稳定性;

序号12（左侧）：预加载阀，具有在外荷载压力低于2MPa工况下，同样可以维持泵内系统进行变流量输出，这种特性在人字门无水调试时非常有用;

序号12（右侧）：P/Q控制用数字式电子控制模块，闭环控制器可实现液压泵的比例排量控制和压力补偿变量控制（也就是恒压变量控制）。

（2）电液比例排量控制功能：通过上位控制器（PLC等）向PQD电子控制模块发送排量指令电信号（0～10V模拟量，对应0～100%排量值）;PQD控制比例排量阀驱动伺服活塞运动，并最终推动斜盘改变摆角，实现排量控制。线性位置传感器（LVDT）实时检测泵的实际排量，并将该实际排量信号反馈至 PQD电子控制模块，而电子控制模块（闭环控制器）不断对输入指令和实际排量反馈进行比较，并调整比例排量阀电磁铁的供电，将被控制的排量的偏差转换成比例电磁铁的模拟输入电流，控制比例阀调整伺服活塞的位置，至正确的排量。

1）压力补偿变量控制（恒压变量控制）：UDR型比例排量控制除了电液比例排量控制阀和一个压力补偿变量控制阀，其转接阀块顶部配置有一个先导阀安装界面。该电液比例排量液压泵总成在先导安装界面上配置了压力补偿变量控制阀，并且与压力补偿器一同实现柱塞泵的压力补偿变量控制。

2）预加载阀：对于比例排量控制泵，在任何条件下，其出口均需要建立一个起始压力，以向先导控制回路提供基本的控制压力油，一种解决方案是使用预加载阀。预加载阀直接安装在泵的压力油口上，预加载阀的开启压力约为20bar，在压力達到25bar左右时完全打开，此时阀芯压降小于1bar 。

在闸门无水调试阶段闸门油缸闭门工作压力低于2MPa，如果没有电比例泵会造成闭门阶段无法自动降速，闸门闭门速度不可控，发生撞击事故。如果采用普通轴向柱塞泵需要借助于变频器才能实现变量输出，不仅占地面积增大，而且增加了投资。有水调试工作压力大于2MPa，电比例泵工作更加精准经调试后完全满足闸阀门的运行特性。

4.2 输水阀门液压启闭机

本次输水阀门委托南京水利科学研究院得到如图1.1和1.2两种开启方式。同样要求启动初始和制动阶段可以无级变速，降低起制动惯性力，减少反弧门冲击和振动。考虑到最高设计水头差21.2m，如果开启方式不当会引起反弧门空化及振动，且充水阀门开启速度不当容易引起老闸上闸首口门水跌过大，上游引航道流速过快造成船舶安全事故，根据南科院物模实验结果结合富春江船闸有水调试实际情况进行综合分析，最终推荐图1及图2所示的充、泄水阀门运行方式。选用具有图4功能的电比例泵可以根据控制信号0～10V来控制比例泵流量输出，计算出间歇运行各阶段油泵所需输出流量值换算成相应的电信号，将控制电信号和各阶段运行时间写入运行控制程序，并输入PLC对液压系统进行控制，即可实现图示的运行模式。阀门左右油缸同步控制原理同人子门油缸在此不再重述。 综上所述：对于工作级别较高的船闸工作闸、阀门启闭机选用电比例泵虽然一次性投资较多，但是相对于普通轴向柱塞泵更容易实现自动变量满足各种复杂运行工况的变速要求，且节能高效，长期运行费用比定量泵及电比例泵费用低，可靠性高。

4.3 下沉门液压启闭机设计

老船闸上闸首工作闸门是下沉式平面闸门，由于上下游水位最大相差约20米以上，上闸首底槛18.5米，老闸闸室顶面高程0.5米，具有天然帷墙，选用下沉门可以节约投资，考虑到改造后老闸作为新建船闸的组成部分，增加下沉门液压启闭机动水闭门功能，万一老闸漏水或发生其他事故，利用下沉门动水关闭口门增加船闸运行的安全性。下沉门完全关闭闸门顶标高24.7米，门低缘标高18.0米，上游最高设计水位23.5m闭门力按照最大水头6.5m计算值为2×630KN。油缸布置在两侧门槽内，油缸支座安装在闸首32.16米的顶面上，立式垂直布置。动水闭门时油缸缸筒受压，压力通过支座传递给闸首顶面砼油缸稳定。船闸通航时下沉门完全开启下落至11.8米的地槛上，下落依靠自重。下沉门启闭同步依靠油缸中安装的内置式位移传感器，全过程实时传送信号至PLC，程序设置两缸位移偏差值小于1cm，大于设定值纠偏回路自动放油直至满足精度要求。纠偏回路不同于闸阀门液压启闭机，考虑下沉门仅仅偶尔使用，节能不是主要考虑的问题，安全可靠是首要问题，由于左、右两侧油缸设置同步精度较高，如果选用比例泵其响应速度不如电磁阀会继续加大运行偏斜造成门槽阻力增大或卡死的情况对运行不利。而选用两位两通电磁阀并联在有杆腔回路简单明了，当两边油缸位移传感器偏差大于1cm，PLC向快的一侧电磁阀发讯，电磁阀接通并泄油，待左右速度偏差满足精度要求，PLC停止发讯电磁阀关闭，两侧油缸同步运行。

5结束语

对于偶尔开启的垂直提升平面闸门的液压启闭机选用两位两通电磁换向阀泄油既能快速纠偏同时节能，比电比例泵节省投资，简单可靠;比电比例阀节能高效。

参考文献

[1] 严秀俊，安建峰，郑飞东，等.富春江船闸扩建改造工程闸室输水水力特性及优化[J].水运工程，2016，（12）：188-193.