郭云錦，王奮追

(1.華電鄭州機械設計研院有限公司，鄭州 450015；2.鄭州華林清污起重設備有限公司，鄭州 450052)

0 引言

目前我國水利水電工程(特別是大型水利水電工程)發(fā)展比較迅速，其規(guī)模和范圍已躍居世界之首。在水利水電工程中，液壓啟閉機是保證各類弧形閘門、平面閘門和船閘人字閘門正常運行并充分發(fā)揮經濟效益的重要水工金屬設備。

目前，我國自行設計的液壓啟閉機與國外公司向我國水利水電工程提供的液壓啟閉機相比，在運行平穩(wěn)性、可靠性、安全性、高效率性和自動化控制等方面還有相當大的差距。為此，我國水利水電系統(tǒng)設計、制造和使用單位的技術人員應不斷汲取國外公司提供給我國水利水電工程液壓啟閉機的運行經驗，對進口液壓啟閉機先進液壓技術作進一步的分析和研討，同時向國外水利專家咨詢和請教，到國外有關水利水電工程現(xiàn)場和制造、使用單位參觀考察，進行廣泛合作，吸取先進經驗。只有這樣，我國水利水電系統(tǒng)設計、制造和使用單位的工程技術人員才能以更科學的思路去工作，使我國水利水電工程中液壓啟閉機的技術水平更上一層樓。

1 液壓啟閉機液壓缸技術研討

1.1 密封

眾所周知，液壓啟閉機的執(zhí)行機構為液壓缸，對其產品質量優(yōu)劣起決定作用的也是液壓缸。在實際運行過程中，液壓油內外泄漏參數和液壓油內外泄漏引起的后果是評價該產品的重要依據。因此，在設計和制造液壓缸時，嚴格控制液壓油內外泄漏是行之有效的方法。

國外液壓缸中的靜密封絕大多數采用O形密封圈；動密封采用V形密封圈和支承環(huán)組合體；防塵圈多半采用金屬嵌入式防塵組合體。我國設計單位在設計液壓缸時，大多采用德國REXROTH公司、MAKEL公司，美國PERKEL公司，意大利CARCO公司等生產的密封件，其主要原因是國外公司生產的密封件使用效果較好。實踐證明，密封件應有合理的幾何形狀，以適合水電設備的材質要求并與放置溝槽尺寸精度、表面粗糙度相匹配。同時，密封件專業(yè)制造商應向水利水電設計和制造單位提供密封件材質，相配溝槽形狀、尺寸與精度等相關資料以供選擇。

1.2 導向裝置

液壓缸的活塞與活塞桿依靠導向裝置定位和支撐，活塞桿沿缸壁中心線運動時還依靠導向裝置導向。液壓缸自重由活塞桿通過活塞處的導向裝置傳遞到液壓缸缸壁上。合理選擇導向裝置的配合間隙，可防止液壓缸內外泄漏。控制活塞桿的撓度、導向裝置的長度和距離也很重要。

因此，選好導向裝置的材質，有利于其尺寸和形式的設計，有利于保證液壓缸工作可靠性和穩(wěn)定性。

1.3 活塞桿

由于水利水電工程中不同的閘門，其布局、操作條件和控制要求不同，所以液壓啟閉機液壓缸的結構、形式、性能、行程和推力配置不同。船閘人字門啟閉機液壓缸為水平布置，部分平面閘門的啟閉機液壓缸為垂直布置，弧形閘門的啟閉機液壓缸為傾斜布置，底孔、中孔和表孔弧形閘門啟閉機為傾斜布置，其液壓缸需要加壓才能關閉閘門，因此，液壓缸自身重量和活塞桿受壓產生的撓度是判斷液壓啟閉機使用穩(wěn)定性的重要參數。

在設計活塞桿直徑時，其抗彎能力一是取決于活塞桿的材質，二是取決于活塞桿的應力。在設計理論上，還需要按活塞桿所受軸向載荷進行強度和穩(wěn)定性校核。設計人員在液壓啟閉機穩(wěn)定性設計時，大多數采取保守的設計方法和保守的參數，其結果是活塞桿直徑加大并使液壓缸缸徑加大，導致液壓缸自身質量加大和活塞桿施壓撓度加大，又導致液壓系統(tǒng)使用的液壓元件、附件、管件、油箱容積和用油量加大，進而導致液壓啟閉機造價增高，從而帶來一系列負面影響。因此，活塞桿的材質最好選用優(yōu)質鋼材，設計人員應盡量到液壓啟閉機使用單位和工地現(xiàn)場進行調研，詳細商討和測量液壓缸的實際推力與剪切力，以更科學的思路進行液壓啟閉機的設計。對于我國大型水利水電工程中的大型液壓啟閉機的設計而言，更應高度重視。

目前，活塞桿表面保護層大多數采用鍍鉻或鍍鎳工藝，德國力士樂公司近幾年提供給我國水利水電工程使用的液壓啟閉機，其液壓缸活塞桿表面的保護層均為工業(yè)陶瓷噴涂層。工業(yè)陶瓷保護層具有耐磨、耐腐蝕、抗刮削和耐沖擊性能，實踐證明，工業(yè)陶瓷噴涂層優(yōu)于鍍鉻和鍍鎳層，工業(yè)陶瓷保護層的硬度、彈性及與活塞桿合在一起的撓曲性比鍍鉻和鍍鎳層更優(yōu)越。

1.4 液壓缸支承

我國水利水電工程絕大多數弧形閘門都采用傾斜式液壓缸操作。在設計時，操作閘門的液壓缸支點常配有球面滑動軸承。如果液壓缸活塞桿上有彎曲應力，為了避免密封件漏油，通常在液壓缸底座和活塞桿端部采用無力矩和自動調心的球面滑動軸承。液壓缸中間設置支承，可減少活塞桿和缸體彎折處的折彎量。

底孔和進水口閘門液壓啟閉機液壓缸活塞桿端部長期浸泡在水中，設計時必須考慮活塞桿端部防水措施，以防止水進入球面滑動軸承內。對軸承來說，附加采用V型環(huán)外密封可起到防水作用，在內密封和外密封之間的自由空間放置鋰基潤滑脂。這種結構的軸承亦稱球面自潤滑軸承，無需維護和維修，其結構如1圖所示。

圖1 球面自潤滑軸承結構

國外斯凱孚(SKF)公司在水利水電工程中的閘門和液壓啟閉機液壓缸的鉸支座處采用能適應工況的球面滑動軸承，并且在多個國家水利水電工程中積累了豐富的經驗，值得我國水利水電工程相關技術人員借鑒。

1.5 其他

液壓缸的活塞與導向裝置、密封裝置設計時最好采用組合式結構，這樣可使在活塞處的導向裝置、密封裝置裝配更為合理；導向裝置和密封裝置之間的間隙調整更為合理，拆換、維修較方便。

液壓缸缸體國外大多數采用優(yōu)質無縫鋼管，缸體兩端不用法蘭，直接在管壁上鉆孔攻絲，用螺釘連接上、下端蓋，既提高了缸體的剛度，又減小了缸體的質量。在液壓缸上、下端蓋處設置排氣測壓裝置，用于液壓缸安裝和使用過程中方便排氣。在液壓缸工作時，要對有桿腔和無桿腔壓力進行檢測，對油液污染也應進行檢測。在液壓缸缸頭下側設置安全鎖定閥組，對液壓缸安全、超載起保護作用。國外設計的液壓缸內部結構如圖2所示。

圖2 國外設計的液壓缸內部結構

1.6 缸體加工

對于液壓缸缸體和活塞桿的加工工藝，作者建議采用大型數控機床進行加工并配合導向進行珩磨，這樣，不僅保證了工件軸向的直線度，而且在缸體內珩磨加工形成網格，易儲油且活塞桿在缸體內運動時側向受力不旋轉，還可延長密封件的使用壽命。對于缸體最終加工質量，國外公司大多數采用GYF-1內孔光學測徑儀、GL86-01窺鏜儀、EMD-150-32數顯粗糙測量儀進行環(huán)節(jié)檢測，可嚴格控制缸體任何部位的加工質量，嚴把缸體圓度、同軸度、直線度和粗糙度的質量關。

2 雙吊點液壓啟閉機雙缸同步的技術研討

我國自行設計和制造的雙吊點液壓啟閉機(特別是啟用弧形閘門的雙吊點液壓啟閉機)，多年來雙缸不同步問題普遍存在。究其原因，一方面與弧形閘門的結構、剛度、側面位移、鉸接座安裝質量、曲率半徑偏差密切相關，另一方面與液壓缸、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)密切相關。

受我國液壓技術和液壓元件制造技術水平的限制，目前國產液壓啟閉機的設計和制造水平還達不到雙缸同步要求。為此，我國大型水利水電工程中的大型弧形閘門啟閉機一般采用進口雙點液壓啟閉機。

2.1 液壓缸

進口雙吊點液壓啟閉機在我國水利水電工程市場多年的運行結果證明：雙吊點液壓啟閉機執(zhí)行機構要求2個液壓缸整體結構相同，制造過程中的尺寸精度、幾何精度、幾何形狀和形位公差近似。油缸集成必須在垂直裝置試驗臺上進行性能試驗，使活塞桿與缸體能夠達到同心裝配的要求。液壓缸需要在臺架試驗臺做性能試驗。靜密封處應一滴不漏，動密封處泄漏控制效果應較好，液壓缸行程測量裝置應具有先進的技術水平。

2.2 行程測量裝置

液壓缸行程測量裝置可分為外置和內置2種形式，在我國水利水電工程中，液壓啟閉機液壓缸行程檢測裝置大部分采用外置式，其特點是摒棄了傳統(tǒng)的重錘式行程測量裝置，采用了鋼絲繩恒張力卷揚行程測量裝置。外置式行程測量裝置的缺點是占用了一定的液壓缸外圍空間，感應器易被碰壞。因此，在我國水利水電工程市場中，大多數采用國外公司生產的液壓缸內置式行程測量裝置。內置式行程測量裝置有的采用絕對型位移傳感器，有的采用絕對型旋轉式傳感器。

德國力士樂公司生產的液壓缸為內置式行程測量裝置(CIMS)。液壓缸活塞桿工業(yè)陶瓷保護層外表面下設有平頭齒槽，行程測量絕對型位移傳感器安裝在液壓缸缸頭部位，當活塞桿移動時，傳感器與活塞桿內表面之間發(fā)生磁場變化，利用霍爾(A.H.Hall)效應，進而測得活塞桿的具體位置。這種傳感器可準確測量液壓缸的全部行程，將傳感器收集的信號放大傳到液控柜處，控制電液比例調速閥，實現(xiàn)雙缸同步，德國生產的內置式行程測量裝置如圖3所示。

圖3 德國生產的內置式行程測量裝置

法國CCE公司生產液壓缸為內置式行程測量裝置(型號為CAP2000)， 安裝在液壓缸尾部。該裝置外伸軟質鋼絲繩與活塞桿端部帶軸承連接盤固定在一起，鋼絲繩的另一端受螺旋式高強度彈簧拉伸控制，確保了鋼絲繩與油缸縱向軸線平行。同時，鋼絲繩受螺旋式高強度彈簧控制使帶槽轂及橫向軸旋轉，橫向軸穿過絕對型編碼器的空心軸使之旋轉。通過同步系統(tǒng)轉向器(SSI)將相應的信號放大傳送到液控柜處，控制電液比例調速閥，以實現(xiàn)雙缸同步，法國生產的內置式行程測量裝置如圖4所示。

圖4 法國生產的內置式行程測量裝置

國外2家公司生產的內置式油缸行程檢測裝置都優(yōu)于我國長期使用的外置式油缸行程檢測裝置。特別是德國力樂公司的內置式行程檢測裝置，其結構緊湊，性能優(yōu)越，更主要是利用了活塞桿工業(yè)陶瓷保護層，使傳感器與活塞桿內表面之間發(fā)生磁場變化。這種保護層更優(yōu)于鍍鉻或鍍鎳活塞桿的保護層，故我國黃河小浪底水利樞紐壩區(qū)表孔弧形閘門液壓啟閉機就是采用發(fā)德國力樂公司的產品。

圖5 液壓原理圖1

2.3 雙缸同步液壓原理

國外公司為我國水利水電工程中提供的表孔弧形閘門的雙吊點液壓啟閉機同步運行的液壓原理：第1種是雙側油缸采用2套獨立的橋式整流回路+帶壓力補償的二通型調速閥作為同步回路。通過對油缸相對位移的同步檢測，由三位四通電磁閥與單向節(jié)流閥組成糾偏旁路泄油的閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)雙缸同步，其原理如圖5所示。

第2種是雙側油缸采用2套獨立的橋式整流回路+帶壓力補償的比例調速閥為同步回路，油缸相對位移同步檢測信號放大器與電液比例調速閥組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可使左右油缸同步，其原理如圖6所示。

實踐證明：對于如何知曉液壓系統(tǒng)的先進性和科學性，一方面要看系統(tǒng)的形式，另一方面要看關鍵液壓元件是否適應系統(tǒng)的功能。

2.4 關鍵液壓元件

我國水利水電工程中的大型液壓啟閉機液壓系統(tǒng)最關鍵的液壓元件是集成式二位插裝閥組，帶壓力補償與溫度補償的比例調速閥和電液比例調速閥。集成式二位插裝閥組已取代過去我國液壓系統(tǒng)用的滑閥組，其原因是集成二通插裝閥組將系統(tǒng)的通流性大大改善，使系統(tǒng)響應快、集成快、密封性好、可靠性更為出色。帶壓力補償和溫度補償的比例調速閥與液壓橋組成同步回路，其性能更優(yōu)越。由電液比例調速閥控制液壓缸運行速度的閉環(huán)回路，使雙缸同步精度更高?，F(xiàn)今液壓系統(tǒng)采用比例控制技術，一方面實現(xiàn)了位置的精度控制，另一方面實現(xiàn)了位置的同步控制。

對于我國關鍵液壓元件，從設計到制造質量等方面與國外產品相比，其質量欠佳，因此，必須選擇進口產品。

2.5 電控系統(tǒng)

液壓啟閉機電控系統(tǒng)大多采用可編程控制系統(tǒng)(PLC)，雙吊點液壓啟閉機糾偏電液控制系統(tǒng)采用PLC最優(yōu)越，其原因是液壓缸行程檢測裝置可將測量的行程數據反饋給PLC糾偏信號。當雙缸行程之差超過設定值時，PLC系統(tǒng)發(fā)出信號，控制電液比例調速閥，調整跟蹤液壓缸運行速度，進行糾偏，從而使左右液壓缸運行速度接近一致，保持閘門良好的啟閉性能。采用PLC能夠增強液壓系統(tǒng)工作可靠性和抗干擾性，可延長液壓啟閉機的使用壽命，大大提高液壓啟閉機的生產效率和自動化程度。

圖6 液壓原理圖2

3 液壓油的清潔度

在我國水利水電工程中，液壓啟閉機多年來故障頻出，究其原因，也不完全是液壓啟閉機設計和制造的質量問題。據國外液壓專家對液壓設備中有關資料統(tǒng)計，70%～80%的故障是由來自液壓系統(tǒng)的內部和外部污染物污染了液壓油造成的。污染物主要來自于液壓設備的制造、裝配、安裝、調試和運行過程。因此，要吸取我國水利水電工程中液壓啟閉機油液污染的經驗教訓。今后在設計、制造、裝配、安裝、調試和運行諸多環(huán)節(jié)對液壓油污染應采取嚴密的控制措施和預防措施，以提高液壓啟閉機的使用壽命和運行的可靠性。

液壓啟閉機長期使用結果表明，對于液壓缸總成、液壓系統(tǒng)和液壓泵站總成的液壓油清潔度，必須達到NAS9級以上。

4 結束語

目前，我國機、電、液技術加速融合，比例控制技術正迅速拓展。我國自行設計和制造的液壓油缸總成及動密封結構、形式、液壓缸內置式行程測量裝置有待早日趕上世界先進水平。經過我國液壓啟閉機技術人員的不斷努力，早日實現(xiàn)液壓啟閉機機、電、液緊密結合的設備創(chuàng)優(yōu)目標，符合機、電、液一體化發(fā)展的趨勢。

參考文獻：

[1]焦玉峰，代永信，楊繼斌.反調節(jié)水庫泄洪閘液壓啟閉機原理及故障處理[J].華電技術，2008，30(12):58-61.

[2]詹磊.新型雙吊點液壓啟閉機的設計與研究[D].昆明：昆明理工大學，2011.

[3]汪云祥.水利水電工程液壓啟閉機的設計、應用及發(fā)展[J].華東水電技術,2002(2)22-25.