張延忠

（河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院，石家莊050021）

1 概述

安格莊水庫屬于大（2）型水利樞紐工程，溢洪道工作閘門共3孔， 閘底高程150.30m， 設(shè)計(jì)擋水位160.0m（最高蓄水位）。 閘門孔口尺寸（寬×高）11 m×10m，結(jié)構(gòu)型式為露頂弧形鋼閘門，斜支臂雙主橫梁，梁系同層布置，止水設(shè)在上游側(cè)，支鉸采用自潤滑關(guān)節(jié)軸承。閘門面板曲率半徑17.0m。每扇閘門重67.2t，每孔埋件重7.1t。 閘門主材為Q345C， 埋件主材為Q235B。 啟閉設(shè)備選擇為后拉式露頂弧門液壓啟閉機(jī)，雙吊點(diǎn)，容量2×1000kN，揚(yáng)程8.0m，共3臺(tái)。液壓缸布置為上端鉸支。 1臺(tái)啟閉機(jī)配置一個(gè)液壓站。 液壓站設(shè)2臺(tái)油泵，一用一備。

弧形閘門為一空間結(jié)構(gòu)，具有一定的空間剛度，有利于同步運(yùn)行， 但液壓系統(tǒng)若不采取合理的閉環(huán)偏差控制回路，閘門啟閉難以實(shí)現(xiàn)靈活可靠，甚至可能出現(xiàn)閘門側(cè)輪蹭向閘墩一側(cè)， 導(dǎo)致弧門啟閉過程液壓缸出現(xiàn)振動(dòng)和噪聲現(xiàn)象［1-2］，影響弧門平穩(wěn)安全可靠啟閉運(yùn)行。 因此， 溢洪道弧形閘門及啟閉機(jī)制造、安裝完成后，根據(jù)弧形閘門導(dǎo)向裝置與門槽埋件間隙及啟閉機(jī)安裝偏差等實(shí)測數(shù)據(jù)合理確定液壓啟閉機(jī)雙缸同步允許偏差值。 本文結(jié)合溢洪道弧形閘門現(xiàn)場啟閉調(diào)試過程出現(xiàn)的問題， 通過合理確定雙缸同步偏差，優(yōu)化調(diào)整液壓系統(tǒng)糾偏控制程序，確保了閘門正常啟閉運(yùn)行。

2 同步偏差合理選取

2.1 影響因素分析

在閘門啟閉過程中雙缸同步偏差的形成主要有兩方面的原因：一是雙缸偏載的存在，二是雙缸液壓系統(tǒng)的不對稱［3］。 弧形閘門圍繞支鉸旋轉(zhuǎn)，影響液壓啟閉機(jī)雙缸同步主要有以下因素：弧門結(jié)構(gòu)剛度，閘門側(cè)導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)及布置，工作行程的大?。ㄗ畲罄塾?jì)偏差與行程大小有關(guān)），閘門及液壓缸支承件的安裝精度等［4］。 具體來說，雙缸載荷大小不僅取決于閘門重量，還與閘門運(yùn)行阻力相關(guān)，水封和支撐行走機(jī)構(gòu)表面的狀態(tài)會(huì)引起運(yùn)行阻力變化。 根據(jù)壓力與流量的關(guān)系， 負(fù)載小的液壓缸較負(fù)載大的油缸速度快。 液壓系統(tǒng)布置的不對稱性也會(huì)形成雙缸同步偏差。由于弧門支鉸及油缸支鉸安裝在閘墩兩側(cè)，不可避免地存在安裝誤差。從而啟閉機(jī)雙缸運(yùn)動(dòng)副摩擦阻力不同，會(huì)造成摩擦阻力小的液壓缸運(yùn)行速度快。液壓系統(tǒng)的內(nèi)外泄漏等因素同樣會(huì)造成雙缸不同步。

2.2 同步允許偏差值合理選取

弧形閘門同步允許偏差理論值可根據(jù)閘門極限允許偏斜值確定，而閘門及液壓啟閉機(jī)在制造、安裝時(shí)存在一定偏差，因此實(shí)際工程中需要根據(jù)閘門及啟閉機(jī)制造及安裝精度合理確定。 液壓缸的行程與閘門開度的關(guān)系取決于開度檢測裝置的安裝位置， 工程中通過直接檢測液壓缸行程，即活塞運(yùn)動(dòng)的直線距離，經(jīng)幾何換算得到閘門的開度［5］。 因弧形閘門液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)的直線距離與閘門開度為非線性關(guān)系， 閘門實(shí)際開度需經(jīng)過非線性換算才能得出。 溢洪道露頂弧門液壓缸行程與閘門開度之間的換算關(guān)系如圖1。 如圖1所示， 三角形ABC的邊b，c，角β1，β2，面板半徑R，弧門支鉸中心距閘底板高度H0為已知條件。 三角形ABC的邊a由液壓缸行程檢測裝置實(shí)時(shí)檢測得到，角α隨啟閉行程變化而變化。 p為三角形ABC三邊之和的一半，r為三角形ABC內(nèi)切圓半徑。 閘門開度Hx按式（1）計(jì)算。 露頂弧門在啟閉過程中，當(dāng)閘門兩側(cè)開度處于極限偏差時(shí)，液壓啟閉機(jī)左右油缸行程亦達(dá)到極限偏差。 經(jīng)換算露頂弧門液壓缸行程極限偏差與閘門開度極限偏差的關(guān)系如表1。

圖1 露頂弧門液壓缸行程與閘門開度換算關(guān)系

表1 露頂弧門液壓缸行程極限偏差與閘門開度極限偏差的關(guān)系

溢洪道弧形閘門在全行程啟閉時(shí)， 閘門面板邊緣與側(cè)軌設(shè)計(jì)間隙為31mm，側(cè)輪輪緣與側(cè)軌設(shè)計(jì)間隙為10mm。 當(dāng)閘門由底檻位置開啟至擋水高度時(shí)，側(cè)輪豎向間距從5.302m增至6.546m。 從表1可知，閘門開度Hx由0 開啟至10m時(shí)，閘門兩側(cè)開度極限偏差在50～40.4mm之間變化，液壓缸左右缸行程極限偏差在33～20mm之間變化。

弧形閘門及啟閉機(jī)制造、安裝完成后，經(jīng)現(xiàn)場檢查復(fù)測和查閱驗(yàn)收資料，弧形閘門門葉與支臂、支臂與支鉸、側(cè)輪與門槽埋件間隙及閘門支鉸座、啟閉機(jī)支鉸座安裝精度等數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求［6-7］。 同步允許偏差取值的基本原則是在弧形閘門啟閉平穩(wěn)的前提下，盡量減少糾偏調(diào)節(jié)次數(shù)?，F(xiàn)場閘門啟閉調(diào)試過程中，先預(yù)先設(shè)定液壓啟閉機(jī)雙缸同步允許偏差值，再根據(jù)閘門啟閉運(yùn)行情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。 綜合考慮確定弧形閘門同步允許預(yù)設(shè)最大偏差值為20mm。

3 液壓同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證液壓啟閉機(jī)2只油缸的同步運(yùn)行，液壓控制系統(tǒng)需設(shè)置同步糾偏回路。 為使閘門運(yùn)行更加順暢，液壓控制系統(tǒng)采用閉環(huán)回路系統(tǒng)。本工程液壓啟閉機(jī)采用單比例調(diào)速閥同步控制+常規(guī)調(diào)速器同步控制方式（如圖2），此控制方案為跟蹤式糾偏調(diào)節(jié)方式，具體來說，采用EPV16-A-06-24D-S-U-13型電液比例閥（39.1）作為動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)元件，啟閉全程以手動(dòng)流量控制閥調(diào)定的開度為跟蹤目標(biāo)， 根據(jù)雙缸行程偏差進(jìn)行動(dòng)態(tài)糾偏調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)雙缸同步運(yùn)行。 該同步控制方案具有糾偏精度高、簡單實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。具體做法為，為控制液壓缸活塞桿的伸縮速度，在液壓啟閉機(jī)有桿腔回路中設(shè)置了比例調(diào)速閥回路， 同時(shí)在該回路并聯(lián)了常規(guī)調(diào)速閥（25.2）回路，一旦比例調(diào)速閥發(fā)生故障時(shí)， 即可開啟對應(yīng)備用回路的常閉球閥（32.5），使常規(guī)回路投入運(yùn)行，以此來實(shí)現(xiàn)2只油缸的同步運(yùn)行及啟閉速度的調(diào)節(jié)。 根據(jù)閘門啟閉速度的要求，調(diào)節(jié)常規(guī)調(diào)速閥（25.1）的開口量，將常規(guī)調(diào)速閥控制的油缸確定為基準(zhǔn)油缸， 比例調(diào)速閥控制的油缸設(shè)定為隨動(dòng)油缸。 常規(guī)調(diào)速閥開口量一旦調(diào)定后，基準(zhǔn)油缸的速度隨之確定；根據(jù)基準(zhǔn)油缸的速度， 在比例閥的功率放大板上輸入一對應(yīng)的基準(zhǔn)電壓信號(hào)［8］，以保證2只油缸的基本同步。 通過閘門開度檢測裝置， 自動(dòng)檢測出啟閉運(yùn)行過程中左右兩側(cè)油缸的行程（即可換算為閘門開度），并將檢測出的信號(hào)傳送至控制柜內(nèi)PLC（可編程控制器）。根據(jù)閘門開度檢測裝置傳送的信號(hào)，PLC將兩側(cè)油缸不同步偏差信號(hào)大小和極性進(jìn)行比對［9］；當(dāng)不同步偏差超出程序設(shè)定值時(shí)，PLC調(diào)整比例閥功率放大器（EEAPAM-523-A-32型放大板） 的電壓信號(hào)控制比例閥的開度大小，來控制隨動(dòng)油缸的速度。在液壓啟閉機(jī)進(jìn)行啟閉時(shí)， 當(dāng)2只油缸的同步偏差超過設(shè)定值時(shí)，PLC控制程序自動(dòng)調(diào)整隨動(dòng)油缸比例閥功率放大器的電壓信號(hào)值，從而調(diào)整比例閥的開口量進(jìn)行糾偏；當(dāng)2只油缸的同步偏差小于設(shè)定值時(shí)，恢復(fù)其原電壓信號(hào)的設(shè)定值。當(dāng)2只油缸的位置差再次超過設(shè)定值時(shí)，重復(fù)以上動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)2套油缸同步動(dòng)作。

本工程閘門糾偏控制流程具體為： 在閘門啟閉過程中，閘門行程檢測裝置全程連續(xù)檢查2只液壓缸的行程偏差，當(dāng)行程偏差值（起調(diào)值）≥10mm時(shí)，PLC控制程序調(diào)整電液比例閥39.1進(jìn)出流量實(shí)現(xiàn)同步糾偏，當(dāng)行程偏差值（最大值）≥20mm時(shí)，液壓系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并自動(dòng)停機(jī)， 行程偏差最大值根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試情況進(jìn)行設(shè)定。

4 現(xiàn)場糾偏系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化

現(xiàn)場調(diào)試先手動(dòng)調(diào)試測出比例閥回路的電壓值，以此為依據(jù)在比例放大板設(shè)定一個(gè)預(yù)估值，再進(jìn)行閘門的開啟和關(guān)閉。 根據(jù)觀察到的閘門開啟和關(guān)閉過程中閘門左右偏差變化情況， 反復(fù)調(diào)整放大板電壓信號(hào)給定值， 最終得出閘門開啟和關(guān)閉過程中比例閥的基本合理給定值。 基本給定值取值合理的基本原則是，盡量減少糾偏調(diào)整次數(shù)，每次偏差調(diào)整時(shí)間要適中，不能過長或太短［10］。

圖2 液壓啟閉機(jī)液壓控制系統(tǒng)原理圖

現(xiàn)場調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)， 各弧門在啟門過程運(yùn)行狀況明顯優(yōu)于閉門過程。 啟門過程中閘門開度小于6m時(shí)，液壓缸偏差值小于5mm，弧門運(yùn)行平穩(wěn)，液壓系統(tǒng)比例調(diào)速閥投入糾偏調(diào)節(jié)次數(shù)較少； 當(dāng)閘門開度大于6m后，液壓缸偏差大于5mm，比例調(diào)速閥糾偏頻次明顯增加， 造成這一現(xiàn)象現(xiàn)象的原因可能與閘門埋件安裝精度有關(guān)， 可采取弧門適應(yīng)門槽變化的調(diào)試方法［11］加以解決。在2號(hào)、3號(hào)弧形閘門閉門過程中，閘門下降速率不平滑，有時(shí)出現(xiàn)微小跳動(dòng)，比例閥處于斷續(xù)糾偏狀態(tài)， 兩只液壓缸甚至出現(xiàn)超差停止運(yùn)行。 經(jīng)現(xiàn)場測量閘門閉門過程比例閥回路的電壓值較小，而比例閥回路經(jīng)常出現(xiàn)關(guān)閉，糾偏系統(tǒng)不能及時(shí)投入糾偏，導(dǎo)致左右缸同步性差，引起液壓缸出現(xiàn)振動(dòng)問題。 經(jīng)過初步分析發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這一問題原因是比例調(diào)速閥為減少零位泄露， 閥芯零位具有一定的搭接量，存在一定零位死區(qū)，而閉門過程比例閥回路的電壓值過小無法“跳過”該死區(qū)。 若要消除零位死區(qū)的影響，需在PLC控制程序中設(shè)置最小工作電壓，使輸入信號(hào)“跳過”該死區(qū)。為了解決該問題需對2號(hào)、3號(hào)閘門PLC控制程序進(jìn)行修改， 在閉門程序中增加 “閉門時(shí)比例調(diào)速閥輸入信號(hào)要大于零位死區(qū)（最小工作電壓）”的判斷語句。根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果確定，2號(hào)閘門閉門時(shí)比例閥回路的工作電壓值不小于1.6V，3號(hào)閘門比例調(diào)速閥回路的工作電壓值不小于1.9V。通過以上判斷，修改了液壓系統(tǒng)PLC控制程序，使比例閥運(yùn)行消除死區(qū)影響。程序修改后，經(jīng)過再次現(xiàn)場調(diào)試，2號(hào)、3號(hào)閘門液壓系統(tǒng)比例閥糾偏回路能正常穩(wěn)定工作，閉門過程中液壓缸運(yùn)行平穩(wěn)。

經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)啟閉調(diào)試， 最終在現(xiàn)地控制柜液晶屏上將各扇閘門糾偏起調(diào)值均設(shè)定為10mm，同步允許偏差最大值設(shè)定為20mm。 2號(hào)弧形閘門液壓啟閉機(jī)現(xiàn)場調(diào)試數(shù)據(jù)如表2。

表2 2號(hào)弧形閘門液壓啟閉機(jī)調(diào)試數(shù)據(jù)

從表2數(shù)據(jù)可以看出，2號(hào)弧形閘門啟門過程2只液壓缸偏差值在-3～5mm之間變化， 閉門過程2只液壓缸偏差在-9～-10mm之間變化，2號(hào)閘門啟閉全行程過程2只液壓缸運(yùn)行平穩(wěn)， 糾偏系統(tǒng)工作頻次合理，沒有出現(xiàn)因超差出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象。

5 結(jié)語

（1） 溢洪道露頂弧形閘門液壓啟閉機(jī)采用單比例調(diào)速閥同步控制+常規(guī)調(diào)速器同步控制方式。該方案具有糾偏精度高、簡單實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足溢洪道弧形閘門平穩(wěn)運(yùn)行的要求。

（2） 液壓啟閉機(jī)雙缸同步允許偏差設(shè)定值先通過幾何換算得出，再結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況合理確定?，F(xiàn)場調(diào)試結(jié)果表明， 液壓啟閉機(jī)雙缸允許偏差值和糾偏系統(tǒng)程序根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試情況調(diào)整優(yōu)化， 能實(shí)現(xiàn)液壓啟閉機(jī)雙缸運(yùn)行平穩(wěn)， 確?；⌒伍l門安全可靠正常啟閉運(yùn)用。

（3）鑒于弧形閘門在閘門開度大于6m后，比例調(diào)速閥糾偏頻次明顯增加， 建議采用弧門適應(yīng)門槽變化的調(diào)試方法，將弧門啟閉曲線擬合門槽安裝曲線，以保證閘門根據(jù)門槽曲線啟閉。