曹國鋒，陳 衛(wèi)，何 睿

（1.浙江華東機電工程有限公司，浙江杭州，311122；2.博世力士樂（常州）有限公司，江蘇常州，213100）

1 項目概況

大渡河枕頭壩一級水電站位于四川省樂山市金口河區(qū)的大渡河中游干流上，上鄰在建的深溪溝水電站，下接枕頭壩二級水電站。電站引水系統(tǒng)進口布置有12孔進水口檢修閘門槽和12孔進水口事故閘門槽，每孔設(shè)1扇事故閘門，共設(shè)12扇，采用液壓機操作，液壓機啟閉容量3 200 kN/6 300 kN，行程17.8 m。油缸裝設(shè)于進水口頂部626.50 m高程機架上，泵站布置在位于進水口頂部的啟閉機室內(nèi)，如圖1所示。

每臺啟閉機由油缸、機架、行程檢測裝置、液壓泵站（含補油箱）、站外液壓管路、現(xiàn)地電氣控制柜、專用檢修工具等組成。

2 設(shè)計原則

2.1 安全可靠

液壓缸和液壓系統(tǒng)按照國家相關(guān)標準和規(guī)范進行設(shè)計和計算，并參考德國工業(yè)標準DIN進行優(yōu)化設(shè)計。

圖1 液壓啟閉機布置圖Fig.1 Layout of hydraulic hoist

2.2 三維化設(shè)計

油缸的設(shè)計采用機械化自動化軟件Pro/ENGINEER，該軟件是一個參數(shù)化、基于特征的三維實體造型系統(tǒng)。

2.3 操作簡便

所有控制、檢測、監(jiān)視和保護信號均可送到現(xiàn)地PLC，并可通過遠程接口送到集中控制單元，既可在現(xiàn)地進行手動和自動控制，也可在集中控制單元實現(xiàn)集中控制。

2.4 易于維護

液壓系統(tǒng)所有控制閥件均集中安裝于閥塊上，便于檢修和更換。液壓啟閉機所有零件、元件均具有通用性、互換性，更換方便。液壓系統(tǒng)管路上設(shè)有手動隔離閥，方便檢修。

設(shè)置可移動式的檢修油箱，用于油缸檢修時液壓油流回檢修油箱，從而避免因檢修對系統(tǒng)造成二次污染。

2.5 優(yōu)質(zhì)元件

選用高可靠性的液壓元件，油箱、管道使用不銹鋼材料。

3 油缸設(shè)計

進水口3 200 kN/6 300 kN液壓啟閉機技術(shù)參數(shù)如表1所示。

液壓啟閉機為單吊點，油缸豎式安裝，在缸筒中部采用法蘭支承。快速閉門時采用節(jié)流孔板限速，油缸內(nèi)行程末端設(shè)緩沖裝置，減小閘門快速關(guān)閉至底檻時造成的沖擊，并隨機配備幾塊不同孔徑的節(jié)流板供調(diào)整時使用。

高位補油箱采用環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計，安裝在油缸外扇形法蘭上，具有安裝緊湊、連接可靠等優(yōu)點。通過液壓升降平臺進行補油箱的檢修維護。

液壓啟閉機活塞桿下端吊頭處采用自潤滑滑動軸承，以便與閘門或拉桿連接。

下端蓋處裝有進口防塵圈和青銅刮泥圈，以去除活塞桿表面污泥和灰塵。

液壓缸有桿腔、無桿腔的最高點均設(shè)有排氣測壓閥，用于液壓缸的排氣和壓力測量。

液壓缸的有桿腔和無桿腔均留有富余行程，以適應土建及閘門吊耳制造、安裝時可能存在的誤差，同時也確保閘門能嚴密關(guān)閉。

表1 進水口3 200/6 300 kN液壓啟閉機技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of 3 200/6 300 kN hydraulic hoist

缸體采用無縫鋼管，材質(zhì)Q345B，正火處理。該材料具有優(yōu)良的焊接性能、較高的機械性能和良好的沖擊韌性?；钊麠U材料采用鍛件，材質(zhì)為25CrMo，調(diào)質(zhì)處理。

4 液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)設(shè)計采用Unigraphics軟件，該軟件已建成了完備的液壓元件模型庫，可以快速有效地進行各類閥件的集成和裝配，還能對閥塊的設(shè)計孔道進行校驗，確保系統(tǒng)設(shè)計的準確和高效。

4.1 液壓泵站

液壓泵站由不銹鋼油箱（含其附件）、兩臺油泵電機組、控制閥塊等組成。電機與油泵之間采用“鐘型罩+聯(lián)軸器”聯(lián)接方式，便于油泵電機組平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，降低噪音。液壓泵站包括兩臺油泵、電動機組，每一套液壓泵站設(shè)兩臺手動變量油泵電動機組。正常工作時，兩組油泵電機組同時投入工作，啟閉速度為額定值；一套油泵電機組出現(xiàn)故障時，另一套仍然可投入工作，但啟閉速度為額定值的一半。系統(tǒng)控制閥塊固定在油箱頂部支架上。

不銹鋼油箱設(shè)置標準人孔蓋、排污球閥、注油過濾器、回油過濾器、液位液溫計、液位傳感器、溫度傳感器、防潮式空氣濾清器等附件。

液壓泵站配置可在線檢測壓力、流量、溫度的專用檢測儀器一套。

4.2 液壓系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能包括：（1）正常開啟閘門；（2）事故時快速關(guān)閉閘門功能；（3）安裝檢修狀態(tài)下活塞桿伸出功能；（4）閘門下滑自動復位功能；（5）補油箱補油功能。

如圖2所示，補油箱補油功能為：當補油箱液壓油液位低時，LL4.2或LL3.2動作指令系統(tǒng)啟動油泵電機組，給補油箱補油；當LL3.1或LL4.1動作時，補油箱停止補油。

圖2 高位補油箱補油系統(tǒng)Fig.2 Oil filling system by high fuel tank

5 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

5.1 長行程端部支承液壓缸穩(wěn)定性設(shè)計

本工程進水口液壓啟閉機特點包括：

（1）油缸布置在壩頂并露出壩面十幾米，迎風面積大，壩區(qū)位于地震基本烈度達Ⅷ度的區(qū)域，同時需考慮防雷擊、瞬時風載等因素。

（2）此種布置方式下要考慮設(shè)備外觀、尺寸及對壩面載荷的影響。

針對以上特點，結(jié)合多年同類型進水口油缸的設(shè)計經(jīng)驗，通過先進的專業(yè)計算平臺，進行了針對性的設(shè)計：

（1）油缸穩(wěn)定性的設(shè)計，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)對油缸結(jié)構(gòu)設(shè)計進行強度校驗。

根據(jù)計算成果，在設(shè)計中對進水口油缸采用中間法蘭安裝方式，通過高強度螺栓與機架相連，避免因風載過大或在地震工況下油缸產(chǎn)生失穩(wěn)，造成結(jié)構(gòu)性損壞。

圖3 油缸與機架安裝示意圖Fig.3 Schematic diagram of cylinder and rack installation

同時在油缸頂部設(shè)置避雷裝置，可靠接地，確保設(shè)備安全可靠。

（2）通過先進的計算平臺，結(jié)合以往的工程經(jīng)驗，在滿足招標文件要求的前提下，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，合理優(yōu)化尺寸重量，既保證設(shè)備的運行要求，又兼顧壩面空間，使景觀不受影響，同時，降低對基礎(chǔ)的荷載及安裝、維護的難度。

5.2 密封系統(tǒng)設(shè)計

液壓缸全套動密封件選用高可靠性、長壽命的V形圈組合密封產(chǎn)品。

該密封形式抗擠入能力強，具有良好的工作性能，適用于惡劣的工作條件?；钊麠U處的密封溝槽設(shè)計成軸向可調(diào)式，以實現(xiàn)最佳密封效果和最小摩擦力。工作介質(zhì)溫度為-30～+100℃，工作壓力40 MPa。

靜密封主要采用O型密封圈，其材料為丁晴橡膠NBR，工作介質(zhì)溫度為-20～+100℃，工作壓力40 MPa。

液壓缸活塞及活塞桿導向均采用C380型非金屬導向套系列，該產(chǎn)品承載能力高、安裝簡便、維護費用低，具有精確的導向作用、極好的耐磨性能和良好的干運行性，并可吸收隨時產(chǎn)生的徑向力。同時，避免了液壓缸內(nèi)滑動部件的金屬接觸，即活塞與缸體之間、或者是活塞桿與缸頭之間的金屬接觸。

5.3 高位補油箱設(shè)計

進水口液壓啟閉機液壓泵站和油缸布置在壩面626.5 m高程上，其中油缸露出壩面十幾米，如此大的落差導致在事故關(guān)門時油箱里的油液不足以被補充到油缸無桿腔中。為避免無桿腔吸真空，確保事故狀態(tài)下閘門正常關(guān)閉，需要考慮補油回路。

在設(shè)計之初考慮有兩個方案：（1）事故閉門狀態(tài)下泵控補油方案；（2）事故閉門狀態(tài)下補油箱自動補油方案。

方案一通過設(shè)置油缸上端部補油箱，可以在閘門事故關(guān)閉時利用專一電磁閥控制，靠閘門自重和水柱重下落關(guān)閉，操作簡單可靠。

方案二在事故狀態(tài)時啟動油泵電機組，通過專用的補油泵回路對油缸上腔進行補油。

招標文件中明確要求，當水輪發(fā)電機組發(fā)生事故和引水管破裂事故時，進水口對應的三扇閘門應能同時關(guān)閉；閘門的關(guān)閉由一專用直流電磁閥控制；當電磁閥通電打開時，閘門關(guān)閉；閘門關(guān)閉時，油泵電機不啟動，而是靠自重和水柱重下落關(guān)閉閘門。

根據(jù)分析比對，在投標設(shè)計時補油方案選擇了方案一。同時考慮到油缸露出壩面十幾米，補油箱的設(shè)計不僅要考慮功能性，還要考慮其美觀性，在油缸上端部設(shè)計了容積為1 000 L的環(huán)形油箱如圖4所示。該環(huán)形油箱固定在油缸的上端部，包裹住一部分缸體，與油缸渾然一體，安裝美觀可靠。配備有專用的移動式升降平臺，用于日常的檢修維護。這種控制方式在大量的工程實踐中得到應用，實踐證明其響應及時、安全可靠。

圖4 高位補油箱安裝情況Fig.4 Installation of high position fuel tank in oil cylinder

5.4 系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計

液壓系統(tǒng)選用目前最優(yōu)化的元器件，并設(shè)有足夠的監(jiān)視、測量、控制和保護裝置，如回油堵塞報警、油溫傳感器、液位傳感器、壓力繼電器、系統(tǒng)壓力傳感器、壓力/溫度/流量傳感器、油水報警器等。其主要元器件（如液壓泵、方向閥、溢流閥、調(diào)速閥、插裝閥等）全部選用按DIN標準生產(chǎn)的產(chǎn)品。液壓方向閥設(shè)置有感應式閥芯位置監(jiān)測裝置并向電控系統(tǒng)反饋閥芯位置信號。自動化元器件留有擴充口和遠程接口。

6 結(jié)語

枕頭壩一級電站進水口事故快速閘門液壓啟閉機經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，設(shè)備布置緊湊，選型合理，特別是創(chuàng)新設(shè)計的環(huán)形補油箱，在保證設(shè)備功能的前提下做到了與環(huán)境的和諧統(tǒng)一。自2015年7月投入運行以來，運行情況良好，其設(shè)計成果對今后類似液壓啟閉機設(shè)計有一定借鑒作用。 ■