王啟行 胡一亮 孔劍 胡劍杰

摘要：隨著水利水電技術(shù)的快速發(fā)展，泄洪表孔孔口尺寸不斷增大，液壓啟閉機(jī)的行程和容量亦隨之加大，因此，有必要對長行程大容量液壓啟閉機(jī)進(jìn)行研究以滿足工程實(shí)際需求。結(jié)合巴基斯坦卡洛特水電站泄洪表孔弧門液壓啟閉機(jī)的實(shí)際布置情況，利用數(shù)值分析方法和Mathcad計(jì)算軟件，分析了上鉸點(diǎn)的位置對液壓啟閉機(jī)設(shè)計(jì)的影響，優(yōu)化了液壓啟閉機(jī)的行程和容量;創(chuàng)新性地采用了行程大于8 m的靜磁珊位移傳感器，分析了長行程傳感器存在的問題，并運(yùn)用預(yù)拱和加大截面等方法，避免了由于傳感器自身變形引起的誤差，擴(kuò)大了靜磁柵位移傳感器的應(yīng)用范圍。長行程大容量液壓啟閉機(jī)的研究成果在卡洛特水電站的成功應(yīng)用對其他工程的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：液壓啟閉機(jī);長行程大容量;有限元分析;行程傳感器;鉸點(diǎn)位置;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TV664.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.015

文章編號：1006 - 0081（2021）11 - 0066 - 04

0 引 言

近幾十年來，隨著國內(nèi)水利水電技術(shù)高速發(fā)展，泄洪表孔孔口布置越來越大，泄洪表孔弧形工作閘門的規(guī)模不斷增大，其啟閉設(shè)備液壓啟閉機(jī)的行程和容量亦呈現(xiàn)加大的趨勢。因此，長行程大容量液壓啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)要求和難度不斷提高。宗和剛、張延忠、金叢成等[1-3]采用理論分析、數(shù)值計(jì)算和調(diào)試試驗(yàn)等方法對泄洪表孔液壓啟閉機(jī)的遠(yuǎn)程控制精度和同步控制方法進(jìn)行了研究和優(yōu)化。董家等[4]采用有限元的方法，對液壓啟閉機(jī)油缸及活塞桿整體進(jìn)行受壓穩(wěn)定性分析，研究了影響液壓缸活塞桿整體撓度的因素。沈燕萍等[5]研究了接力式液壓缸在水口電站溢洪道上的應(yīng)用與設(shè)計(jì)。王啟行等[6]采用有限元的方法，對大型液壓啟閉機(jī)油缸支鉸座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與優(yōu)化。劉國瑞[7]分析了泄洪表孔液壓系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對閉門方案、閥組選擇等內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)及改進(jìn)。相關(guān)學(xué)者對泄洪表孔液壓啟閉機(jī)同步控制、結(jié)構(gòu)分析和液壓系統(tǒng)做了較多研究，但是對長行程大容量液壓啟閉機(jī)的研究較少。因此，本文結(jié)合巴基斯坦卡洛特水電站泄洪表孔弧門液壓啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)分析了長行程大容量液壓啟閉機(jī)的優(yōu)化布置和長行程靜磁柵行程傳感器的應(yīng)用。

1 工程概況

巴基斯坦卡洛特水電站是吉拉姆（Jhelum）河規(guī)劃的5個梯級電站的第4級，上一級為阿扎德帕坦（Azad Pattan）水電站，下一級為曼格拉（Mangla）水電站?？逄厮娬狙b機(jī)容量72萬kW（720 MW），多年平均年發(fā)電量約32.10億kW·h。

卡洛特水電站樞紐為Ⅱ等大（2）型工程，主要由大壩、泄水建筑物、電站引水及尾水系統(tǒng)、電站廠房等組成。壩址處控制流域面積26 700 km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均年徑流量258.3億m3。水庫正常蓄水位461.00 m，死水位451.00 m，正常蓄水位以下庫容15 200萬m3，調(diào)節(jié)庫容1 587萬m3，庫容系數(shù)0.06%，為日調(diào)節(jié)水庫，電站設(shè)計(jì)引水流量1 248.4 m3/s。

2 泄洪表孔弧門液壓啟閉機(jī)的布置優(yōu)化

2.1 液壓啟閉機(jī)布置

泄洪建筑物共布置6個泄洪表孔，每孔設(shè)置1扇弧形工作閘門?？傮w布置如圖1所示，泄洪表孔堰頂高程439.00 m，弧門孔口尺寸14.0 m×22.0 m，底坎高程438.472 m，設(shè)計(jì)水頭22.65 m，總水壓力36 730 kN?；￠T弧面半徑為29 m，支鉸高程451.945 m。弧門操作方式為動水啟閉，可局部開啟控制泄流?；￠T為雙吊點(diǎn)，由雙吊點(diǎn)懸掛式液壓啟閉機(jī)操作。吊點(diǎn)設(shè)在下主梁懸臂段，油缸上設(shè)剛性行程傳感器及上、下行程限位開關(guān)，機(jī)房及中控室有弧門開度顯示，能分別進(jìn)行現(xiàn)地或集控操作，每扇閘門配置1套液壓啟閉機(jī)，共6套。液壓啟閉機(jī)油缸布置在每個閘孔兩側(cè)閘墻上，液壓泵站及系統(tǒng)總成、油箱和電控系統(tǒng)布置在壩頂高程469.62 m閘墩機(jī)房內(nèi)。

2.2 油缸上鉸點(diǎn)位置選擇與優(yōu)化

露頂式弧門液壓啟閉機(jī)油缸上鉸點(diǎn)的位置對啟閉機(jī)的容量和行程具有較大影響[8-9]。根據(jù)筆者的研究成果[10]，對卡洛特水電站泄洪表孔液壓啟閉機(jī)進(jìn)行優(yōu)化研究。

計(jì)算模型如圖2所示，泄洪表孔弧形工作門拉門點(diǎn)半徑r為28 m，弧門旋轉(zhuǎn)角度α為48.39°，弧門全關(guān)時拉門點(diǎn)與弧門支鉸點(diǎn)連線與垂直方向的夾角β為68.12°，弧門全關(guān)時啟門阻力矩M1為95 704 kN·m，弧門全開時啟門阻力矩M2為71 229 kN·m，油缸結(jié)構(gòu)長度L為4.2 m。將以上參數(shù)輸入到Mathcad軟件中，可計(jì)算出各未知數(shù)的解，如圖3所示。

由此可得拉門點(diǎn)B的坐標(biāo)如下：

[bx=-rsin β=-28×sin68.12°=-25.056 m]

[by=-rcos β=-28×cos68.12°=-10.435 m]

將bx，by，z，v的值代入Mathcad軟件，如圖4所示，即可計(jì)算出上鉸點(diǎn)A的坐標(biāo)值暨上鉸點(diǎn)的位置。其中，bx和by為拉門點(diǎn)B點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，m，z和v見圖2所示。

根據(jù)工程實(shí)際布置情況，將計(jì)算結(jié)果圓整確定上鉸點(diǎn)A的坐標(biāo)值為（-9.5 m，11.4 m），確定液壓啟閉機(jī)的啟門力為2×4 500 kN，行程為12.1 m。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的缸體內(nèi)徑為640 mm，油缸活塞桿直徑為320 mm，有桿腔計(jì)算油壓為19.5 MPa。

運(yùn)用Mathcad軟件進(jìn)行計(jì)算，有效降低了油缸上鉸點(diǎn)位置的設(shè)計(jì)難度，較好地協(xié)調(diào)了啟閉力和行程之間的關(guān)系，避免了因不合理布置而導(dǎo)致啟閉機(jī)造價費(fèi)用的增加，同時也減輕了人工多次試算的工作量。

3 長行程靜磁柵位移傳感器應(yīng)用研究

3.1 位移傳感器簡介

靜磁柵位移傳感器是一種外置式絕對型位移傳感器，通過靜尺和動尺之間的位移來反映液壓啟閉機(jī)的行程。在卡洛特水電站項(xiàng)目中選用的CS1102-12100MM-N33-42-YR型靜磁柵閘門行程傳感器是靜磁柵直線絕對編碼器系列產(chǎn)品之一，屬數(shù)字化直線絕對位移傳感器。靜磁柵行程傳感器為外置式安裝，該傳感器主要由靜磁柵尺、測量桿、導(dǎo)向套管等部分構(gòu)成，布置如圖5所示。靜磁柵尺長13 m，精度可達(dá)到1 mm，其上配有導(dǎo)向套管，電纜由后部引出，導(dǎo)向套管利用抱箍式安裝座固定安裝在油缸上;測量桿裝在導(dǎo)向套管內(nèi)，其長度略大于測量行程，測量桿前部有萬向關(guān)節(jié)軸承與安裝在油缸前端吊耳上的測量桿連接抱箍相連，隨著油缸伸縮運(yùn)動，測量桿也對應(yīng)在導(dǎo)向套管內(nèi)伸縮移動，靜磁柵尺上感應(yīng)到閘門開度信號。按照水利工程慣例，當(dāng)活塞桿完全伸出時，開度為“0”，活塞桿完全縮進(jìn)時，開度最大。

近年來，靜磁柵行程傳感器在水利水電行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，但常規(guī)的靜磁柵行程傳感器能夠適應(yīng)的行程一般都不超過8 m。在卡洛特水電站工程中，油缸行程為12.1 m，大大超過了現(xiàn)有規(guī)模，因此有必要研究適應(yīng)長行程的靜磁柵行程傳感器，而這種傳感器亟需解決的就是撓度問題。在卡洛特水電站項(xiàng)目中，主要從材料選擇和工藝等方面進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

3.2行程傳感器撓度問題

為解決長行程靜磁柵行程傳感器的撓度問題，主要考慮測量桿和導(dǎo)向套管兩大部件。

（1）測量桿的撓度問題。在設(shè)計(jì)過程中，測量桿選用的是截面為80 mm×80 mm，厚度為2 mm的304不銹鋼方管，由于行程長，測量桿是由兩段不銹鋼方管焊接而成。測量桿可看成兩端簡支梁，受重力產(chǎn)生的均布荷載作用，計(jì)算撓度采用下面的公式：

[f=5ql4384EI=5Gl3384EI]

式中： [G=637? N]，? [l=13? 000? mm]， [I = a4-a4112=804-76412=633 152 mm4]

通過理論計(jì)算得出，測量桿中間最大撓度為f=139.7 mm，撓度太大，嚴(yán)重影響靜磁柵行程傳感器的測量精度和功能要求。采取的措施是在焊接兩段測量桿之前，將測量桿進(jìn)行一定的預(yù)拱并完成焊接，從而得到一個中間微微隆起的測量桿。將隆起面向上，再次測量測量桿撓度，得到的撓度數(shù)據(jù)±2 mm，這樣就較好地解決了13 m長測量桿的撓度問題。

（2）導(dǎo)向套管的撓度問題。導(dǎo)向套管選用的是截面為100 mm×100 mm，厚度為2 mm的304不銹鋼方管，將若干抱箍與油缸缸體連在一起，通過增加中間的抱箍來解決導(dǎo)向套管的撓度問題。導(dǎo)向套管和抱箍的連接如圖6所示。在套管口（測量桿進(jìn)入的方向）專門制作了限位裝置，既確保了測量桿在套管中順暢滑動，又解決了測量桿與編碼尺之間的測量間隙問題。

圖6 導(dǎo)向套管和抱箍的連接

通過對測量桿的預(yù)拱及對導(dǎo)向套管增加支撐等措施，有效解決了長行程靜磁柵行程傳感器的撓度問題。目前該傳感器已成功應(yīng)用于巴基斯坦卡洛特水電站。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合卡洛特水電站項(xiàng)目實(shí)際，通過對長行程大容量泄洪表孔液壓啟閉機(jī)進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

（1）通過數(shù)值計(jì)算得到油缸上鉸點(diǎn)位置，對行程和容量進(jìn)行了合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使行程和容量得以匹配。

（2）行程大于8 m的靜磁柵位移傳感器首次在工程項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，對水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定參考價值。

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（編輯：唐湘茜）

Key technology research of spillway outlet hydraulic hoist with long-stroke and large-capacity

WANG Qihang，HU Yiliang，KONG Jian，HU Jianjie

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract：With the rapid development of water conservancy and hydropower technology， the outlet size of spillway is increasing so as the stroke and capacity of the hydraulic hoist of spillway. So， the research of long-stroke and large-capacity hydraulic hoist is necessary to meet engineering requirement. Based on the actual layout of the hydraulic hoist for the radial gate of the spillway outlet of Karot Hydropower Station in Pakistan， the influence of the position of the upper hinge point on the design of hydraulic hoist is analyzed by using numerical analysis method and Mathcad software， the stroke and capacity of the hydraulic hoist are optimized. Stroke sensor with a stroke greater than 8m is adopted and the problems of long-stroke sensors is analyzed. The error caused by the deformation of the sensor itself is avoided by means of pre-arch and enlarged-crosssection which expands the scope of application of the sensor. The application of the research results of the long-stroke and large-capacity hydraulic hoist in Karot Hydropower Station has a good reference value for the design and application of other projects.

Key words：hydraulic hoist; long-stroke and large-capacity; finite element analysis; stroke sensor; hinge position; Karot Hydropower Station; Pakistan