船闸平板闸门油缸垂直度与平行度测量试验研究

黄海兵，金艳，刘杰，曾义，刘忠，陈星宇

（1.五强溪水电厂，湖南 怀化 418000；2.国家电投水电产业创新中心，湖南 长沙 410004；3.湖南五凌电力科技有限公司，湖南 长沙 410004；4.长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南 长沙 410114）

0 引言

船闸闸门可分为人字闸门[1-2]、升降式平板闸门等。平板闸门广泛用作各类船闸闸首的工作门，且多采用双缸双吊点结构、竖直布置的液压启闭机操作控制。液压启闭机主要是由控制装置、液压油缸和液压泵站等一系列零部件组成[3]。在船闸运行过程中，平板闸门两侧的同步运行性能直接影响着闸门水封、油缸密封、门槽金属结构、船闸建筑物等部件。平板闸门两侧液压油缸在整个启闭过程中的垂直度、平行度变化是反映闸门两侧同步运行性能的重要指标，对其进行测量分析研究有利于了解船闸平板闸门工作性能状态。

目前，已有不少文献通过对目标对象的垂直度、平行度进行测量研究，从而分析其对目标对象工作性能状态的影响。文献[4]研究了直线滚动导轨平行度对机床工作台运动状态的影响，分析了滚珠受力与接触变形的关系，说明了导轨平行度与机床加工精度的关系。文献[5]通过分析风电塔架制作过程中法兰平面度及平行度的影响因素，研究了法兰平面度及平行度的控制方法和造成两项参数超差后的补救措施，为风电塔架制造过程关键参数控制提出了一些建议。文献[6]以连接孔垂直度对复合材料螺栓连接力学性能的影响进行了理论研究，其研究成果为大型航空复合材料构件连接孔加工垂直度对性能影响评价提供了理论参考。文献[4-6]探讨了各类研究对象垂直度、平行度对设备工作运行状态的影响。但现有研究中关于船闸平板闸门油缸垂直度、平行度对船闸运行影响程度的研究并不多见。

某大型水电厂船闸为一列直线布置的连续3级船闸。其中，2闸首工作门采用由上提门和下沉门组成的双扉门，3闸首工作门采用下沉门，均属于平板闸门[7]。本文通过对某大型水电厂船闸平板工作闸门不同工况下的油缸布置垂直度与平行度的测量计算，探讨了平板工作闸门在无水（船闸不接触水）和有水情形（实际工作）下的工作性能，并针对性地提出了平板工作闸门相关运行的建议。

1 油缸垂直度测量试验

1.1 试验仪器及基准选择

本试验所需的主要仪器包括数显水平仪、激光测距仪、角度尺和钢卷尺。在测试过程中，以面向下游方向为左右侧判断基准，并从油缸中心线处作Z轴建立直角坐标系。+X为面向下游左侧方向，-X为面向下游右侧方向；+Y为朝向上游方向，-Y为朝向下游方向；+Z为油缸竖直朝上方向，-Z为油缸竖直朝下方向。

1.2 试验步骤

油缸垂直度测量试验的具体步骤如下：

1）确定测点位置，布置相应测量设备。在左侧油缸上布置水平仪时，首先在油缸底部-Y方向上布置水平仪3，再利用固定为90°的角度尺确定相应位于-X方向的水平仪4；然后利用激光测距仪，垂直向上投射激光，并在油缸顶部激光线上对应位置布置水平仪1和2，确保水平仪1和3、水平仪2和4在1条直线上。以同样的方式在右侧油缸上布置水平仪5—8。图1为油缸垂直度测量仪器布置示意图。

2）在有水或无水情形下，将2、3号船闸平板闸门从全关（0%）到全开（100%）按20%间隔分成0%、20%、40%、60%、80%、100%等6种工况；从全开到全关按20%间隔分成100%、80%、60%、40%、20%、0%等6种工况。

3）控制平板闸门到某一工况，待闸门稳定后，读取各测点的水平仪读数。

4）调整至下一工况，重复3）的工作，直至所有工况测试完毕。

2 试验数据处理方法

2.1 油缸垂直度

油缸垂直度即油缸与Z轴之间夹角的计算式为[8]：

式中：αz、αx和αy分别为油缸垂直度、油缸在XZ平面上的投影与Z轴的夹角和油缸在Y-Z平面上的投影与Z轴的夹角。

2.2 系统误差

系统误差有恒值系统误差和变值系统误差。恒值系统误差（固定系统误差）是在整个测量过程中大小和符号都不变的误差。变值系统误差是指在测量过程中大小和符号都可能变化的误差[9-10]。对于本次平板工作闸门油缸布置平行度与垂直度的测量，恒值系统误差主要来自所使用的数显水平仪自身的精度误差±0.2°；变值系统误差主要是油缸垂直度测量时所产生的均值随机误差。均值随机误差的计算式为[11]：

式中：n为测量样本数；xi为每次测量的样本值；x0为测量数据的平均值；Sx为测量的标准差；Px为测量均值的随机误差；t为置信度，可通过置信水平（取为95%）和自由度v（v=n-1）查置信度分布表后得到，本次试验t值为2.571。

2.3 两侧油缸平行度

平面内的两条理想直线相互之间的平行度是固定的。根据线对线平行度评定模型[12]，当取样长度l0相同时，无论以直线A为基准，评定B相对于A的平行度，还是以B为基准，评定A相对于B的平行度，得到的平行度d0结果均相同，计算式为：

式中：d0为两理想直线互为基准的平行度；l0为取样长度；θ为两理想直线之间的夹角。

同理，在计算闸门左右两侧油缸平行度时，为了计算方便，将两侧油缸看作两条理想直线，并以二者在X-Y平面上的投影直线之间的夹角作为θ。以左侧油缸直线为基准，得到的右侧油缸相对于左侧油缸的平行度（以下简称为两侧油缸平行度）计算式为：

式中：d为两侧油缸平行度；l为油缸长度；αz1为左侧油缸与Z轴之间的夹角，即左侧油缸垂直度；αz2为右侧油缸与Z轴之间的夹角，即右侧油缸垂直度；αx1为左侧油缸在X-Z平面上的投影与Z轴的夹角；αx2为右侧油缸在X-Z平面上的投影与Z轴的夹角。

3 试验结果与分析

3.1 2闸首上提门数据处理结果

根据试验测试数据，绘制出2闸首上提门在有水和无水两种情形下左、右侧油缸垂直度及两侧油缸平行度在不同启闭方式的变化曲线，如图2所示。

从图2（a）、图2（c）可知，采用逐渐开启方式时2闸首上提门两侧油缸在无水情形下运行更稳定，且右侧油缸相比左侧油缸对中性更优；与有水情形相比，采用逐渐关闭方式时2闸首上提门左侧油缸在无水情形下与中心轴的偏差更小，关闭过程中油缸垂直度波动也更小。右侧油缸在无水情形下虽与中心轴的偏差更小，但关闭过程中的垂直度稳定性和测量精密度都较低。从图2（b）、图2（d）可知，采用直接启闭方式时2闸首上提门两侧油缸平行度与采用逐渐启闭方式的变化趋势基本相同，但在整体上采用直接启闭方式的平行度波动小于逐渐启闭方式。

图2 2闸首上提门油缸垂直度、平行度变化Fig.2 Changes of verticality and parallelism of oil cylinder of No.2 lock lifting gate

综上，2闸首上提门在启闭过程中右侧油缸对中性较优，且油缸在无水情形下比在有水情形时运行更加稳定。为了进一步减小油缸与中心轴的偏斜，应及时对左侧油缸进行对中调整，同时在闸门启闭过程中，尽量采用直接启闭方式，从而减小两侧油缸平行度，增强左右两侧油缸的同步性。

3.2 2闸首下沉门数据处理结果

根据试验测试数据，绘制出2闸首下沉门在有水和无水两种情形下左、右侧油缸垂直度及两侧油缸平行度在不同启闭方式的变化曲线，见图3。

图3 2闸首下沉门油缸垂直度、平行度变化Fig.3 Changes of verticality and parallelism of oil cylinder of No.2 lock sinking gate

从图3（a）、图3（c）可知，采用逐渐开启方式时2闸首下沉门两侧油缸在有水情形下运行更稳定，且除了在逐渐开启过程的60%左右开度处，其他闸门开度时都存在左侧油缸的垂直度均大于右侧油缸的情况，即右侧油缸对中性较优；与无水情形相比，采用逐渐关闭方式时2闸首下沉门两侧油缸在有水情形下与中心轴的偏差更小，关闭过程中油缸垂直度波动更小，测量精密度也更高。从图3（b）、图3（d）可知，2闸首下沉门两侧油缸平行度在整个测试过程中，无水情形均大于有水情形，在无水情形下采用逐渐开启和逐渐关闭方式的两侧油缸平行度波动较大。

综上，2闸首下沉门右侧油缸的对中性更优，并且与2闸首上提门不同，下沉门两侧油缸在有水情形下比在无水情形时运行更加稳定，应对2闸首下沉门左侧油缸的对中性进行调整。另外，为了减小两侧油缸平行度值变化，增强左右两侧油缸的同步性，在无水情形下闸门应尽量采用直接开启和直接关闭方式。

3.3 3闸首下沉门数据处理结果

根据试验测试数据，绘制出3闸首下沉门在有水和无水两种情形下左、右侧油缸垂直度及两侧油缸平行度在不同启闭方式的变化曲线，如图4所示。

图4 3闸首下沉门油缸垂直度、平行度变化Fig.4 Changes of verticality and parallelism of oil cylinder of No.3 lock sinking gate

从图4（a）、图4（c）可知，采用逐渐开启方式时3闸首下沉门右侧油缸垂直度均大于左侧油缸，即左侧油缸相对于右侧油缸对中性更优，且右侧油缸在无水情形下的垂直度比有水情形更大，左侧油缸在有水情形下的垂直度比无水情形更大；采用逐渐关闭方式时3闸首下沉门两侧油缸垂直度变化规律与采用逐渐开启方式时基本一致。从图4（b）、图4（d）可知，3闸首下沉门在开启过程中，无论是有水还是无水情形，采用逐渐开启方式的两侧油缸平行度整体大于直接开启方式，而在关闭过程中，无水情形下采用直接关闭方式两侧油缸平行度值变化率高达44%，而采用逐渐关闭方式的两侧油缸平行度变化相对平稳，且在有水情形下平均两侧油缸平行度值更小。

综上，在3闸首下沉门左侧油缸对中性较优，在闸门开启时，应尽量采用直接开启方式，而在闸门关闭过程中，应尽量采用逐渐关闭方式。当3闸首下沉门在无水情形下需要直接关闭运行时，应注意观察留意两侧油缸平行度变化及相应的液压系统参数变化，以防止两侧油缸平行度变化较大所导致的船闸不正常运行。

4 结语

1）从整体上看，船闸上提门在无水情形下两侧油缸的平行度均小于有水情形下两侧油缸的平行度，闸门同步运行表现更加稳定；而船闸下沉门在有水情形下两侧油缸的平行度均小于无水情形下两侧油缸的平行度。

2）与3闸首下沉门不同，2闸首上提门、下沉门右侧油缸的对中性均优于左侧油缸。为了进一步减小油缸与中心轴的偏斜，应及时对油缸进行对中调整，同时在闸门启闭过程中，应注意观察留意两侧油缸平行度变化及相应的液压系统参数变化，以防止两侧油缸平行度变化较大影响两侧油缸的同步运行性能。