許清遠(yuǎn)++胡可++韋仕龍++楊淇帆++谷源泉

摘 要：小浪底水利樞紐孔板洞偏心鉸弧形工作門作為泄洪排沙系統(tǒng)的重要組成部分，其同步啟閉控制要求很高，而現(xiàn)有啟閉系統(tǒng)受結(jié)構(gòu)本體、行程測(cè)量系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)的影響，雙門同步運(yùn)動(dòng)難以精確實(shí)現(xiàn)。本文通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行分析，得出通過采用先進(jìn)行程測(cè)量系統(tǒng)和增設(shè)泵站旁路糾偏系統(tǒng)，可以有效增加控制精度和糾偏反饋精度，為雙門同步啟閉的解決提供思路，也為類似工程問題的解決提供借鑒。

關(guān)鍵詞：小浪底水利樞紐 孔板洞 同步啟閉 行程測(cè)量 旁路糾偏

中圖分類號(hào)：TV34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（c）-0037-02

小浪底水利樞紐位于河南省洛陽(yáng)市孟津縣與濟(jì)源市之間，控制流域面積69.4萬km2，占黃河流域面積的92.3%，以防洪、防凌、減淤為主，兼顧供水、灌溉和發(fā)電。泄洪排沙系統(tǒng)由3條孔板洞、3條排沙洞、3條明流洞、6條發(fā)電洞及正常溢洪道組成。

孔板洞的工作門和配套的液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備是泄洪排沙系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其孔洞形式特殊，工作門為雙門結(jié)構(gòu)，泄洪運(yùn)用時(shí)要求兩扇工作門實(shí)現(xiàn)同步啟閉，但其設(shè)備設(shè)計(jì)、制造于1999年，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，設(shè)備的運(yùn)行情況不是很理想，雙門難以精確同步，本文通過對(duì)其不同步原因進(jìn)行分析，研究并提出同步精確控制的改造方案。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

孔板洞的每個(gè)洞室均并排設(shè)置有A、B兩扇偏心鉸弧形工作閘門，每個(gè)閘門分別配備了一套獨(dú)立的液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備和泵站控制系統(tǒng)；兩個(gè)閘門由一套電氣系統(tǒng)進(jìn)行控制。每個(gè)閘門設(shè)置有主、副兩個(gè)啟閉機(jī)，主機(jī)控制啟升和下降，副機(jī)控制前移和后撤。

在設(shè)計(jì)上，要求A、B兩扇閘門同時(shí)開啟，啟閉過程中同步偏差小不大于300mm。實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)通過電氣控制和液壓系統(tǒng)的調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)兩扇門的同時(shí)開啟，但在啟閉過程中同步要求難以精確實(shí)現(xiàn)，存在較大的過程偏差。

2 雙門不同步原因分析

（1）液壓系統(tǒng)。閘門的受力情況復(fù)雜，偏心鉸與副機(jī)為半剛性連接，系統(tǒng)未設(shè)置全自動(dòng)同步伺服控制系統(tǒng)，僅僅依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)液壓閥組控制流量進(jìn)而影響啟閉速度，但手動(dòng)調(diào)節(jié)反饋較慢，同步反應(yīng)慢，當(dāng)單個(gè)閘門運(yùn)行出現(xiàn)阻力時(shí)，更會(huì)影響啟閉速度，難以迅速反饋。

（2）行程測(cè)量裝置的缺陷。現(xiàn)階段，閘門啟閉的開度測(cè)量通過IFM旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)采集和主令控制器機(jī)械限位控制，能夠直觀反饋開度數(shù)據(jù)，但不具備數(shù)據(jù)處理功能。同時(shí)由于在制造安裝上的誤差，兩個(gè)編碼器的采集也存在數(shù)值上的偏差，難以精確保證雙門的實(shí)際開度值完全同步，甚至在運(yùn)行過程中會(huì)加大測(cè)量偏差。

（3）閘門運(yùn)行阻力。根據(jù)文獻(xiàn)[1][2]可知，偏心鉸弧門受力情況復(fù)雜，特別在雙門不同步的運(yùn)行條件下，兩個(gè)閘門還受高水頭和孔板消能環(huán)等因素的影響，受力情況相差更大，導(dǎo)致運(yùn)行阻力偏差進(jìn)一步增大，在沒有自動(dòng)調(diào)節(jié)手段的情況下，同步偏差也隨之?dāng)U大。

3 液壓同步控制技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的精確測(cè)量技術(shù)在同步控制方面取得了較大的進(jìn)步，近些年國(guó)內(nèi)外在光電脈沖傳感器、磁致位移傳感器等領(lǐng)域的研究都實(shí)現(xiàn)了重大突破，為精確同步控制技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[1]。

目前來說，水利行業(yè)液壓油缸普遍采用的同步系統(tǒng)主要有3種形式。

（1）伺服變量泵的同步回路。兩個(gè)啟閉機(jī)由各自油泵供油，一臺(tái)是定量泵，另一臺(tái)是伺服變量泵；變量泵的額定流量比定量泵的大，以留有調(diào)整余量。啟閉機(jī)工作時(shí)，變量泵對(duì)定量泵進(jìn)行補(bǔ)油控制，使變量泵的排油隨定量泵發(fā)生相應(yīng)的變化，反饋調(diào)節(jié)來滿足油缸的同步要求。

（2）電磁比例調(diào)速閥的同步回路。電磁比例調(diào)速閥控制技術(shù)，利用回路放大作用產(chǎn)生偏差信號(hào)，進(jìn)而控制系統(tǒng)的比例調(diào)速閥，使一根啟閉機(jī)油缸隨同另一根油缸實(shí)現(xiàn)同步偏差調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)。但比例調(diào)速閥要求油液有一定的流動(dòng)方向，因此，在同步調(diào)節(jié)的過程中只能采用單向閥進(jìn)行橋式整流。

其具體工作原理為：以閘門左側(cè)的油缸為基準(zhǔn)，如出現(xiàn)偏差，閘門控制系統(tǒng)入，節(jié)閘門右側(cè)油缸比例調(diào)速閥的節(jié)流孔的大小控制進(jìn)油量，進(jìn)而來達(dá)到兩缸同步的目的。采用此比例伺服控制技術(shù)，其直接作用在液壓系統(tǒng)的主油路上，對(duì)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的速度調(diào)節(jié)，反應(yīng)敏捷，效果明顯。但其缺點(diǎn)為比例調(diào)速閥的加工精度要求極高，對(duì)液壓油的清潔度和品質(zhì)要求較高。

（3）旁路糾偏的同步回路。在液壓同步伺服系統(tǒng)上，逐步引進(jìn)了旁路糾偏技術(shù)，通過精確到行程測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行開度測(cè)定，進(jìn)而產(chǎn)生數(shù)據(jù)對(duì)比，若兩根啟閉機(jī)出現(xiàn)開度偏差，此時(shí)控制系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)指令，控制電磁閥得電，影響旁通回路，進(jìn)行速度調(diào)整。

旁路糾偏技術(shù)的關(guān)鍵在于采用高精度的行程檢測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以換向閥來控制旁路泄油以實(shí)現(xiàn)回路的同步糾偏。

4 雙門同步優(yōu)化方案

孔板洞兩個(gè)工作門是相互獨(dú)立的，兩個(gè)閘門各自獨(dú)立，其液壓控制系統(tǒng)也是完全獨(dú)立的，兩扇閘門啟閉采用同一回路糾偏技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，可以通過采用更新改造先進(jìn)的油缸行程測(cè)量系統(tǒng)和增設(shè)比例調(diào)速閥伺服旁路糾偏系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)閘門同步控制的技術(shù)方案。

本文提出的對(duì)孔板洞雙門同步啟閉的改造可以通對(duì)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的行程測(cè)量系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)兩個(gè)方面進(jìn)行改造，具體如下。

（1）行程測(cè)量系統(tǒng)。目前，陶瓷噴涂活塞桿以其抗磨損、耐腐蝕的優(yōu)勢(shì)越來越得到廣泛應(yīng)用，相應(yīng)在活塞桿本體上開發(fā)了高精度的行程測(cè)量裝置，測(cè)量精度可達(dá)到±1mm，測(cè)量直接而精確，杜絕了環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響。該傳感器配套專用開度控制儀，在數(shù)據(jù)計(jì)算和處理功能上，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量向開度儀輸入絕對(duì)正確的閘門開度數(shù)據(jù)。

憑借大修契機(jī)，對(duì)主、副機(jī)的活塞桿進(jìn)行改造，在不影響強(qiáng)度的基礎(chǔ)上將其改制成陶瓷活塞桿結(jié)構(gòu)。引進(jìn)先進(jìn)的GPMS傳感器以淘汰原有的IFM旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)采集和主令控制器機(jī)械限位控制。新型的傳感器可以消除偏心鉸的同軸度偏差，并且減小活塞桿行程和閘門實(shí)際開度換算的誤差。

目前，大修后的啟閉機(jī)行程測(cè)量裝置精確得到了充分加強(qiáng)，通過電氣控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)糾偏作用，可以較為精確地進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，其性能能夠基本滿足同步控制全自動(dòng)伺服系統(tǒng)的工作需要。

（2）增加比例調(diào)速閥伺服旁路糾偏系統(tǒng)。針對(duì)液壓泵站控制系統(tǒng)，在后期的改造中，可以在原有的兩套液壓泵站系統(tǒng)中增加一個(gè)比例調(diào)速閥伺服旁路糾偏系統(tǒng)，在回路中增設(shè)比例流量閥。通過電氣控制作用，依據(jù)啟閉過程同步偏差數(shù)據(jù)的大小，來隨時(shí)調(diào)節(jié)旁路泄油量，實(shí)時(shí)反饋以得到較高的同步精度。

5 結(jié)語(yǔ)

小浪底水利樞紐孔板洞工作門的雙門啟閉，其同步精確控制要求高，本文在對(duì)兩個(gè)閘門不同步啟閉原因進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，探討不同步的原因。借鑒普通雙吊點(diǎn)閘門的同步控制方式，提出在設(shè)備升級(jí)改造時(shí)，采用更為先進(jìn)和精確的行程測(cè)量系統(tǒng)，并在液壓回路中增設(shè)比例調(diào)速閥，來對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和糾偏。

通過前期改造，行程測(cè)量系統(tǒng)精確地得到了顯著提升，配合電氣控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)糾偏，可以較為精確地實(shí)現(xiàn)閘門的同步啟閉，同時(shí)本文也為雙門進(jìn)一步的同步改進(jìn)提供了方向。

參考文獻(xiàn)

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[2] 唐紅海，王全洲，許滔.小浪底水利樞紐的初期運(yùn)行[J].水利水電科技進(jìn)展，2006，26（2）：56-58.

[3] 李振連，祁志峰，魏皓.小浪底2號(hào)孔板洞中閘室偏心鉸弧門流激振動(dòng)原型觀測(cè)試驗(yàn)研究[J].紅水河，2007，26（1）： 146-149.endprint