范小付，劉 翔，岳 梅，劉卓卓

（1.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西南寧 530200；2.江蘇武進(jìn)液壓啟閉機(jī)有限公司，江蘇常州 213131）

1 工程概述

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系黔江干流大藤峽出口弩灘上，地屬廣西自治區(qū)桂平市，壩址下距桂平市彩虹橋6.6 km。大藤峽水利樞紐為日調(diào)節(jié)水庫，泄水系統(tǒng)設(shè)在黔江主壩。黔江主壩設(shè)有2 個(gè)泄水高孔和24 個(gè)泄水低孔。低孔弧形工作閘門孔口尺寸為9 m×18 m（寬×高），設(shè)計(jì)水頭39 m，液壓啟閉機(jī)的啟閉容量為2×6 300 kN，是國內(nèi)啟閉容量最大的斜置后拉式液壓啟閉機(jī)。該液壓啟閉機(jī)行程13 m，超大的行程和自重對液壓啟閉機(jī)的行程監(jiān)測精度、準(zhǔn)確性和惡劣條件適應(yīng)性的要求較高。若運(yùn)行中啟閉機(jī)突然失電，在弧門自重的影響下，弧門會下滑，可能造成兩側(cè)啟閉機(jī)行程不一致，再次得電時(shí)若偏差較大會造成閘門卡死現(xiàn)象。為徹底解決此問題，需在再次得電時(shí)對兩邊啟閉機(jī)行程進(jìn)行糾偏，采用絕對行程檢測裝置十分必要。

水電工程中常用的液壓啟閉機(jī)行程檢測方式，按安裝方式可分為外置式行程檢測裝置和內(nèi)置式行程檢測裝置。外置式行程檢測裝置有靜磁柵、鋼絲繩重錘兩種類型，其缺點(diǎn)是占用了一定的液壓油缸的外圍空間[1]，美觀效果較差。內(nèi)置式行程檢測裝置有磁致伸縮位移傳感器、鋼絲繩或鋼帶絕對式編碼器、陶瓷桿行程檢測裝置等類型，磁致伸縮位移傳感器的檢測行程不建議超過5 m，其線纜出現(xiàn)位置位于液壓缸上端蓋處，結(jié)構(gòu)布置不理想；鋼絲繩或鋼帶絕對式編碼器一般安裝在油缸上端蓋處，向外突出一個(gè)編碼器的位置，空間尺寸占用較多；常規(guī)的陶瓷桿行程檢測裝置采用霍爾效應(yīng)原理，檢測傳感器與活塞桿之間的磁場變化，以此來測定啟閉機(jī)行程。但當(dāng)外界電源消失后，若活塞桿出現(xiàn)了滑移或持續(xù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電力恢復(fù)后，行程檢測裝置檢測出的仍是電源消失前的行程位置[2]，因此，這種檢測方式并不能做到“絕對位置”的檢測。針對大藤峽超大型液壓啟閉機(jī)的行程檢測，文中采用內(nèi)置式絕對型陶瓷桿行程檢測裝置檢測液壓啟閉機(jī)的行程，保證液壓啟閉機(jī)在任意工況下準(zhǔn)確檢測行程，保障大藤峽水電樞紐工程泄洪系統(tǒng)的正常運(yùn)行，消除安全隱患。

2 絕對型陶瓷桿行程檢測裝置

2.1 CPMS-Ⅰ陶瓷桿行程檢測裝置

第一代陶瓷桿行程檢測裝置，主要是參考國外進(jìn)口產(chǎn)品進(jìn)行仿制。其原理是基于活塞桿基體具有導(dǎo)磁性，而表面噴涂的陶瓷材料是非金屬材料，不具有導(dǎo)磁性，當(dāng)傳感器通過高低不一的溝槽時(shí)，氣隙的變化將引起磁阻、磁場和電流的變化，并輸出脈沖信號，即可檢測到活塞桿的行程[3]。CPMS-Ⅰ主要特性：輸出相位差90°的方波脈沖信號；通過外部計(jì)數(shù)器計(jì)算活塞桿的行程長度；信號進(jìn)入PLC柜后，進(jìn)行濾波，防止干擾；斷電狀態(tài)下位移無法檢測記錄；分辨率1.0 mm，防護(hù)等級IP67。

由于CPMS-Ⅰ陶瓷桿行程檢測裝置對端蓋平面的平行度、垂直度、與活塞桿的距離要求較高，會出現(xiàn)檢測信號跳躍的情況，因此推出了CPMS-Ⅰ的改進(jìn)版。與改進(jìn)前相比，增加了彈簧和活塞桿弧面的定位裝置，保證傳感器和活塞桿的貼合，并保證信號的準(zhǔn)確傳輸。

2.2 CPMS-Ⅱ帶失電記憶的陶瓷桿行程檢測裝置

CPMS-Ⅰ在工程應(yīng)用時(shí)，發(fā)現(xiàn)停電狀況下數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失的情況，偶爾會出現(xiàn)干擾時(shí)數(shù)據(jù)的脈動(dòng)情況。為解決上述問題，第二代CPMS-Ⅱ行程檢測裝置集成了脈沖信號的處理和數(shù)字濾波功能，其主要特性：輸出16 位格雷碼信號；增加數(shù)字濾波功能；在外部電源撤除一段時(shí)間內(nèi)，可檢測記錄活塞桿的位移數(shù)據(jù)；長期斷電狀態(tài)下位移無法檢測記錄；分辨率1.0 mm，防護(hù)等級IP68，滿足長期泡水要求（在南水北調(diào)韓莊泵站等項(xiàng)目中有成功案例）。二代傳感器解決了一代傳感器存在的失電數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)傳輸過程中信號的輕微干擾問題。

2.3 CPMS-JD 絕對型陶瓷桿行程檢測裝置

CPMS-Ⅱ帶失電記憶的陶瓷桿行程檢測裝置在使用過程中整體狀況良好，但在部分工程上也出現(xiàn)了一定問題：部分電站啟閉機(jī)長期失電數(shù)據(jù)丟失；南水北調(diào)某工程傳感器信號線與電動(dòng)機(jī)線過近，產(chǎn)生強(qiáng)干擾，出現(xiàn)信號跳動(dòng)；三峽升船機(jī)油缸長期在中間位置運(yùn)動(dòng)，傳感器產(chǎn)生累積誤差。

為解決上述新問題，出現(xiàn)了絕對型陶瓷桿行程檢測裝置。與相對型傳感器相比，絕對型陶瓷桿行程檢測裝置的優(yōu)勢較為明顯：相對型傳感器配套陶瓷活塞桿上的刻度溝槽均一致，根據(jù)通過的溝槽數(shù)來計(jì)算油缸的行程；絕對型傳感器配套的陶瓷活塞桿上的刻度溝槽采用二維碼原理，每一處都是完全不同的，傳感器放置在任意位置均可以準(zhǔn)確讀出活塞桿的實(shí)際準(zhǔn)確位置。

絕對型陶瓷桿行程檢測裝置的主要特性：輸出16 位格雷碼信號；活塞桿任意位置輸出唯一數(shù)據(jù)，與運(yùn)行狀態(tài)前后數(shù)據(jù)無關(guān)；采用定制硬件邏輯，抗干擾能力極強(qiáng)，即使存在干擾，也能瞬間恢復(fù)數(shù)據(jù)；上電后即得當(dāng)前準(zhǔn)確位置值，無論活塞桿是否移動(dòng)，無斷電時(shí)間限制；分辨率0.5 mm，防護(hù)等級IP68，滿足長期泡水要求。三代傳感器徹底解決了一代和二代傳感器存在的長期失電數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)傳輸過程中信號的干擾問題。

2.4 配套陶瓷活塞桿

陶瓷桿本體采用45 號整段材料制作，不低于GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中45 號鋼的性能指標(biāo)，并經(jīng)正火+回火處理，進(jìn)行100%超聲波探傷檢查。檢驗(yàn)合格后，活塞桿進(jìn)行粗車、半精車、精車等工序。與行程檢測相配套的活塞桿在行程段刻有深淺不一的凹槽，使得每一處的刻度都能組成獨(dú)特的“二維碼”。之后在活塞桿表面噴涂金屬氧化陶瓷涂層?；钊麠U兩端的螺紋是重要部位，該項(xiàng)目均采用專用的螺紋成型刀具加工，對螺紋的檢測均采用螺紋環(huán)、塞規(guī)和螺紋牙型樣板。

活塞桿加工的關(guān)鍵是控制內(nèi)應(yīng)力、溫度及熱變形。在加工大直徑、長行程活塞桿的時(shí)候，為保證活塞桿的加工精度，活塞桿的珩磨采用美國善能公司進(jìn)口的外圓珩磨機(jī)，可以提高表面質(zhì)量，降低粗糙度，改善表面潤滑條件，減少密封件的磨損。

1）活塞桿加工精度

活塞桿導(dǎo)向段外徑公差不低于GB 1801-2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）極限與配合公差帶和配合的選擇》中的8 級；活塞桿導(dǎo)向段圓度公差不低于GB 1184-1996《形狀和位置公差未注公差值》中的9 級，導(dǎo)向段直線度公差不大于1 000∶0.1；與活塞桿端面對軸心線垂直度公差不低于GB 1184-1996 中的7 級；活塞桿螺紋采用GB 197-2018《普通螺紋公差》中的6 級精度；活塞桿導(dǎo)向段外徑的表面粗糙度Ra≤0.35 μm。

2）活塞桿陶瓷涂層

活塞桿表面采用金屬氧化陶瓷涂層，噴涂材料采用進(jìn)口Metco 公司產(chǎn)品。活塞桿表面金屬氧化陶瓷層的噴涂工藝等同于或高于DIN 德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和NB/T 35017-2013《陶瓷涂層活塞桿技術(shù)條件》。

陶瓷活塞桿主要加工工藝：鍛件檢測→粗車→100%超聲波探傷→精車→磨削→檢測溝槽加工→噴涂前珩磨→陶瓷噴涂→精磨（外圓珩磨）。陶瓷涂層應(yīng)達(dá)到以下要求：活塞桿金屬氧化陶瓷涂層經(jīng)第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測，并出具檢驗(yàn)報(bào)告；底層噴涂基礎(chǔ)層厚度不小于100.00 μm，噴涂面層厚度不小于200.00 μm，面層硬度不小于900 HVS；與活塞桿基體材料的結(jié)合強(qiáng)度不小于35 N/mm2，彎曲強(qiáng)度極限不小于350 N/mm2；陶瓷桿鹽霧試驗(yàn)不小于2 000 h（鹽霧的成分、特性及試驗(yàn)方法符合DIN 50021-1988《鹽霧試驗(yàn)》的規(guī)定）；陶瓷涂層不允許修復(fù)；集成式（與陶瓷活塞桿結(jié)合一體）行程檢測裝置無接觸掃描陶瓷活塞桿，行程檢測精度不小于1.0 mm。

3 工程應(yīng)用情況

大藤峽工程26 孔泄水弧門液壓啟閉機(jī)均采用CPMS-JD 絕對型陶瓷桿及相應(yīng)行程檢測裝置，運(yùn)行3 年來陶瓷活塞桿油缸部分運(yùn)行平穩(wěn)，雙缸同步性好，未出現(xiàn)異常抖動(dòng)等現(xiàn)象。左岸弧門系統(tǒng)從2019年8月安裝完成至2020年2月前均處于失電狀態(tài)，液壓啟閉機(jī)通電重啟時(shí)，經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行雙缸行程糾偏后，均可正常運(yùn)行。證明新型內(nèi)置式絕對型陶瓷桿行程檢測裝置可有效解決大型液壓啟閉機(jī)弧門因失電重啟雙缸偏差較大產(chǎn)生的安全問題。

4 結(jié)語

目前，國內(nèi)智慧水利、智慧城市建設(shè)不斷興起，在大量布局智慧水利感知層的當(dāng)下，傳感器檢測的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性一直是亟待解決的問題。絕對型陶瓷桿行程檢測裝置在大藤峽超大型液壓啟閉機(jī)中的成功使用，驗(yàn)證了這種裝置的可靠性，為其他同類型超大型液壓啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供了可行方案。