一种液压启闭机防卡阻反顶技术研究

朱佳佳，黄建，王亮

（江苏省骆运水利工程管理处，江苏 宿迁 223800）

1 概述

液压启闭机广泛地运用在大型的泵站和水电站中，其作用为机组断电停机时通过液压启闭机阻断工程上下游水流，防止上游水流在重力势能的作用下，通过流道流向下游，从而冲刷机组叶轮造成倒转。随着液压启闭机装置使用年限的增加，一些设备元器件逐渐老化，特别是闸门长期埋没在水中，浮游生物体及污垢会大量附着在活塞杆上，导致在启闭门的过程中会发生机械卡阻故障，使闸门门体倾斜悬在门槽中。液压启闭机通常作为大型泵站的断流快速门，在水利工程运行过程中起着举足轻重的作用，本文针对液压启闭机启闭运行过程中的机械卡阻故障，进行分析并提出详细的处理方法，可为配备同类型液压启闭机水利工程管理单位提供参考。

2 液压启闭机结构及原理

液压启闭机主要由油箱、电机、油泵、电磁换向阀、溢流阀、插装阀、加压油管、回油管、调速阀、滤芯、油缸、补油缸、活塞杆、闸门等组成。液压闸门动力部分是由液压泵把原动机输出的机械能转换为液体压能，系统压力油加压后通过控制相应的电磁阀通断，将压力油输送到两端液压油缸中的有杆腔内，从而推动活塞杆带动闸门向上做直线运动，在活塞上升的过程中无杆腔中的液压油被推至回油母管直至返回油箱中。在落门时，通过控制电磁阀，导通插装阀，将有杆腔中的压力油直接释放到油箱中，完成泄压，闸门在自重的情况下快速落门，同时补油箱将向无杆腔补油。只需要接通电动机的电源，在液压系统的控制下，液压缸内的活塞体内壁做轴向往复运动，从而带动连接在活塞上的连杆和闸门做直线运动，以达到开启、关闭孔口的目的。其系统原理图如图1所示。

具体电气控制原理如下:

启门时，控制电路让电磁阀YV2得电，系统压力油从油泵中经过单项阀、手动闸阀到油缸中的有杆腔，利用向上油压力克服闸门及活塞杆的重力将闸门提起，无杆腔的液压油压入补油缸，待补油缸油满后压入回油管重新返回到油箱中。

落门时，控制电路让电磁阀YV3得电，液控插装阀油压退出，在弹簧回复力的作用下，插装阀导通，有杆腔压力油通过插装阀和缓闭溢流阀回到回油箱中，活塞失去向上的压力后，闸门在自身重力作用下下落。

控制系统有完备的闸门同步控制，在闸门启闭过程中，闸门开度及控制装置全程连续监控两个液压缸的行程偏差，使闸门平稳顺利启闭。当偏差值≥10 mm时，通过调整液压缸有杆腔进、出油量，使双缸趋于同步，当偏差值≤10 mm时纠偏调节停止。

液压控制系统具有完善保护，压力保护、油位保护、油温保护、滤清器堵塞报警为日常管理带来安全与便捷，其快速工作闸门与事故检修闸门互为备用，当任一孔快速闸门闭门故障时，液压控制系统发出快速闭门信号给事故检修闸门控制系统,相对应的事故检修闸门快速闭门。

图1 液压闸门系统原理图

3 故障现象

南水北调解台站工程是南水北调东线一期工程的第八梯级，为I等大型泵站，采用先进的肘形流道进水、低驼峰流道出水，液压闸门方式断流。液压闸门在日常启闭操作过程中时常出现机械卡阻现象，导致无法及时开启、关闭闸门。经分析造成闸门无法启闭的原因主要有：①液压油杂质增多导致的电磁阀阀芯堵塞引起电磁阀控制失灵；②液控阀阀芯弹簧永久变形，是弹簧在线圈失电自由状态不能推动阀芯，无法实现控制意图；③压力输油管存在漏点，无法建立有效的系统压力；④有杆腔起落过程中异常摩擦力。通过实际故障运行工况，发现在提启闸门时，有杆腔油压力可以建立，当闸门提升至某一位置后发现系统压力持续上升但闸门基本静止不动，通过闸门开度数据显示两侧闸门有行程偏差。呈现的数据反应闸门为机械卡阻。经分析造成卡阻的原因为靠近闸门侧的支撑杆有严重的浮游生物和污物附着，该原因经过厂家技术人员确认。该液压系统虽然有闸门同步纠偏控制功能，仅在正常起落时能够通过调节阀、电磁阀平衡闸门两侧开度，但在机械卡阻时无法有效执行。

4 处理措施

通过厂家技术人员的指导，现场管理单位安排人员对油缸附近50 cm的支撑杆上附着物进行抛光清理。然后试着再次提起闸门，如果闸门能够顺利提起，待提高40 cm左右时，操作落门，有杆腔油通过插装阀回到回油箱，闸门在重力作用下下落并通过惯性经过卡阻点顺利落到全关位。如果闸门不能顺利提起，则关闭闸门开度高的一侧手动球阀，再以点动的方式开启闸门，这样待两侧闸门基本平衡后再打开之前操作的球阀，再次提启闸门，之后的操作流程与以上相同。通过这种方式可以将闸门卡阻问题解决。

5 改进技术方案

当闸门在启门过程中遇到机械卡阻时，通过以上措施虽然能够解决问题，但耗时耗力，且人员在打磨抛光支撑杆时较为危险。闸门是大型泵站的主要设备，常规设计是与机组开停机联动方式启门、落门。具体联动情况为，机组开启后，闸门联动启门；机组停机后，闸门联动落门。在闸门联动启门过程中遇到机械卡阻，则会造成水泵堵转进而引起机组过流保护跳闸或过负荷跳闸事故；在闸门联动落门过程中遇到机械卡阻，则会造成上游水流冲刷叶轮引起机组倒转。显然上述处理措施只是针对闸门日常试运行时可行，在机组开停机过程中仍然不能确保安全运行。本方案可以通过增加电磁换向阀、油管路、手动球阀等设备，通过有杆腔泄压回油，无杆腔建压的方式，经油压与闸门重力的合力驱动，完成闸门下落。

将YV2电磁阀更换成双线圈换向电磁阀，通过增设管路将换向阀的出油通道与无杆腔联系起来，在两端无杆腔与2号回油管支管上各增加一个手动球阀，在运用反顶技术解决机械卡阻时，通过关闭两端无杆腔与补油箱之间的手动球阀让无杆腔建立反顶压力。其技术方案设计见图2。

图2 反顶技术系统图

具体操作流程如下：

（1）关闭无杆腔与补油箱之间的手动球阀。（2）启动油泵，建立系统压力。

（3）控制电磁阀YV4得电，系统压力油进入无杆腔，有杆腔压力油返回回油箱。通过油压和闸门重力促使闸门下落。

为了使上述的方案更可行地在工程管理中取得实效，可以在闸门两侧无杆腔与2号回油管支管各加装一个常开电磁阀YV5、YV6，通过两端闸门开度仪判断两边闸门的倾斜情况，自动控制相应电磁阀的通断，即闸门开度高的一侧的无杆腔与2号回油管支管上的电磁阀打开，闸门开度低的一侧的无杆腔与2号回油管支管之间电磁阀关闭，这样启动油泵后的系统油压就可以将闸门调至两端平衡状态。当闸门两边开度达到控制系统设定的允许差值后，上述闸门开度高和开度低两侧无杆腔，与2号回油管支管上电磁阀YV5、YV6均打开，保证闸门顺利平稳下落。电气控制方面的过程为：当发生机械卡阻后，按液压反顶启动按钮，控制系统自动判断并控制相应电磁阀的通断，当闸门开度达到系统设定允许差值后，控制系统打开电磁阀YV5、YV6，系统油压均匀稳定进入两端无杆腔内，当闸门下落至下限全关位，完成反顶操作流程。

6 系统电气控制原理

6.1 控制系统设备说明（图3）

（1） ZK1为控制电路空气开关；SA为“本地、联动”转换开关；KA1、KA2、KA3为中间继电器电磁线圈；KA1-1、KA1-2、KA2-1、KA2-3、KA3-1、KA3-2为中间继电器常开触点；KA1-3、KA1-4、KA2-2、KA2-4为中间继电器常闭触点；KM为交流接触器电磁线圈；KM-1为交流接触器常开触点。

（2） SB1为油泵启动按钮；SB2为油泵停止按钮；SB3为闸门启门按钮；SB4为闸门启落门停止按钮（SB4-1、SB4-2为一个按钮SB4的两副接点）；SB5为闸门本地方式落门按钮；SB6为闸门反顶启动按钮；SB7为闸门反顶停止按钮；

（3） SQ1为闸门上限位行程开关；SQ2为闸门下限位行程开关；SQ3为闸门下限位行程开关；

（4） QF1为机组断路器常开辅助触点；QF2为机组断路器常闭辅助触点；

（5）YV2为启门控制电磁阀；YV3为落门控制电磁阀；YV4为反顶控制电磁阀；

图3 系统电气原理图

6.2 系统控制原理（图4）

（1）按油泵启动按钮SB1，交流接触器电磁线圈KM带电，交流接触器常开触点KM-1闭合形成回路自锁，油泵运行。按油泵停止按钮SB2，交流接触器电磁线圈KM失电，油泵停止运行。

（2）油泵启动运行后，将转换开关SA打到“本地”位置，按闸门启门按钮SB3，中间继电器KA1电磁线圈带电，中间继电器常开触点KA1-2闭合，常闭触点KA2-2闭合，启门控制电磁阀YV2动作，执行启门指令。在执行启门指令过程中按闸门启门停止按钮SB4，闸门启门停止，若未发出启门停止指令，则当闸门上升至上限位时，SQ1触点断开，中间继电器KA1电磁线圈失电，中间继电器常开触点KA1-2断开，启门控制电磁阀YV2电磁线圈失电，启门停止。

（3）将转换开关SA打到“本地”位置，按闸门落门按钮SB5，中间继电器KA2电磁线圈带电，中间继电器常开触点KA2-3闭合，常闭触点KA1-3闭合，启门控制电磁阀YV3动作，执行落门指令。在执行落门指令过程中按闸门启落门停止按钮SB4，闸门落门停止，若未发出落门停止指令，则当闸门下降至下限位时，SQ2触点断开，中间继电器KA2电磁线圈失电，中间继电器常开触点KA2-3断开，落门控制电磁阀YV3电磁线圈失电，落门停止。

（4）把转换开关打到“联动”位置，机组开机合断路器后，断路器辅助触点QF1闭合，发出启门信号；当机组停机分断路器后，断路器辅助触点QF2闭合，发出落门信号；启门控制回路和落门控制回路通过中间继电器常闭触点KA1-3、KA2-2互为闭锁；

（5）当闸门发生机械卡阻无法执行启落门指令后，按闸门启落门停止按钮SB4，中间继电器常闭触点KA1-4、KA2-4闭合，按闸门反顶启动按钮SB6，中间继电器电磁线圈KA3带电，中间继电器常开触点KA3-2闭合，反顶控制电磁阀YV4电磁线圈带电，电磁阀打开执行反顶指令，待闸门到下限位开关SQ3动作时，反顶控制电磁阀YV4电磁线圈失电，反顶流程完毕。

（6）液压反顶系统的自动纠偏控制利用两只闸门开度传感器分别监测闸门左右开高，通过PLC模拟量输入模块和内部梯形图程序控制电磁阀YV5、YV6，通过电磁阀YV5、YV6的控制来调节改善闸门机械阻力以达到闸门平稳下落。

图4 系统自动纠偏控制图

7 结语

液压启闭机是大型泵站的关键设备，灵活可靠的操作运用对泵站断流阻水、安全运行具有重要意义。本文提出上述反顶技术改造方案，同时结合自身水利工程的特点，技术发展水平及安全性先进性的综合考量，来最终确定这一方案，供同行业参考。