摘要: 水布垭水利枢纽位于清江中游河段巴东县境内，是清江梯级开发的龙头枢纽。枢纽主体建筑物主要有混凝土面板堆石坝、左岸溢洪道坝段、右岸地下厂房和放空洞。水布垭溢洪道弧形工作门采用液压启闭机操作。为确保液压启闭机安全、可靠、平稳地运行，根据水工布置及运用要求，在液压系统中采用了双缸同步闭环控制，平稳运行控制及安全保护措施。为改善油缸工作性能，选用进口优质密封件。通过优化设计，使该启闭机具有系统简单、经济、安全可靠性高等特点。
关 键 词: 溢洪道;闸门;液压启闭机;液压系统
中图分类号: TV34 文献标识码: A
水布垭水利枢纽位于清江中游河段巴东县内，是清江梯级开发的龙头枢纽。枢纽主体建筑物主要有混凝土面板堆石坝、左岸溢洪道坝段、右岸地下厂房和放空洞。
溢洪道坝段为枢纽的主要泄洪建筑物，布置有5个泄洪孔，每孔设1道弧形工作门，孔口尺寸为14m×21.8m，底坎高程377.709m，设计水位 400.00m;在每个溢洪道弧形工作门上游侧各设置1道平面事故检修门槽，孔口尺寸为14m×21.8m，底坎高程378.033m，设计水位 400.00m，5孔检修门槽共用1扇事故检修门。溢洪道坝顶平台上设有1台带双回转吊的双向门机，门机主构用以操作事故检修门，上游侧回转吊可用于吊运自备电厂进水塔拦污栅、进水塔检修门和零星部件，下游侧回转吊可配合临时起吊设备作为弧形工作门及液压启闭机的安装、检修吊运设备。弧形工作门由液压启闭机操作，可局部开启。
1 启闭机布置及特点
溢洪道弧形工作门2×2700kN液压启闭机为溢洪道弧形工作门的专用启闭设备，由双油缸总成、铰座、支托、机架总成、行程检测和指示装置、行程限位装置、液压泵站、缸旁阀组、液压管路系统、爬梯、电力拖动和控制系统设备等组成。液压启闭机油缸布置在每个闸孔两侧闸墙上，尾部支铰中心高程401.00m。液压泵站及系统总成和电气控制柜等布置在闸墩高程405.75m的机房内，采用 “一机一站”控制传动方式。油缸通过油管与液压泵站连接，油缸吊耳与弧形工作门吊耳通过球面自润滑轴承连接，活塞杆最大行程约11.5m。液压启闭机油缸通过液压系统同步操作启闭弧形工作门。
1.1 主要技术参数
启闭机的主要技术参数如下:
额定启门力 2×2700kN
油缸工作行程 11.0m
启门速度 0.50m/min
油缸最大行程 11.50m
闭门速度 0.50m/min
启门油压 18.2MPa
油缸内径 540mm
闭门油压 2.0MPa
活塞杆直径 320mm
油缸壁厚度 50.0mm
1.2 液压启闭机的工作原理
液压启闭机双缸同步运行，工作闸门正常启闭为全开（或全关），在调试和检修工况下工作闸门可局部开启或关闭。液压泵站设有一个现地可编程控制站，对液压启闭机进行单机控制和操作，并进行现场数据采集，通过网络与集控站和其它现地站进行数据通讯，接收和执行监控站指令，实现对液压启闭机运行工况实时全程监控。液压系统动作原理如下:
（1）启门动作。启动油泵电机前电磁阀YV1先得电，随后空载启动液压泵站油泵电机M1、M2、M3，电机启动后延时15s，YV1断电系统升压。启门操作时，电磁阀YV3、YV5带电，系统压力油经阀组插装阀、比例调速阀缸旁阀组插装阀至两油缸有杆腔，两油缸无杆腔油液通过插装式溢流阀回油滤油器流回油箱，液压启闭机启门。启门过程中由油缸开度检测装置测出的闸门位置信号送到本现地控制站的PLC中，由PLC处理这些信号实现两油缸的同步动作，并实现两闸门任意开度或开启的控制。
（2）闭门动作。启动油泵电机前YV1先得电，随后空载启动液压泵站油泵电机M1、M2、M3，电机启动后延时15s，YV1断电系统升压。YV2、YV4、YV6、YV7带电，系统压力油由插装阀至油缸无杆腔，油缸有杆腔油液经方向插装阀、比例调速阀溢流插装阀流回油箱。为了防止闸门在任意位置或到达底槛停止时，由于液压冲击使无干腔压力过高，闭门停止时YV4、YV6、 YV7失电后延时2s，YV2再失电。
1.3 液压系统的特点
该液压系统主要特点是采用单比例调速阀来控制两只油缸的启门和闭门速度，从而实现两只油缸的同步运行。在工程实践中，每套油缸设置的闸门开度检测装置通过PLC发出闸门的位置信号，PLC采集并处理信号，实时计算出两套油缸的位置差，通过控制比例调速阀的开口量，实现控制两套油缸同步动作。
具体运行工况为:主控室根据闸门启门和闭门速度的要求，给1台比例调速阀的功率放大器输入一基准电压信号，油缸开始进行启闭门动作。当两油缸的同步误差超过5mm时，改变由比例调速阀控制的油缸的速度，来进行纠偏，当两油缸的同步误差不大于5mm时，恢复其原基准电压信号的设定值。当两油缸的位置差再次超过5mm时，重复以上动作，以实现两套油缸同步动作。
2 液压缸的设计
2.1 缸体和活塞杆的设计
缸体的设计主要考虑能够长期承受额定工作压力及短期动态试验压力而不产生永久性变形。活塞杆的设计除考虑有足够的强度、刚度外，还考虑了选用的液压启闭机活塞杆的运行工况的不同。水布垭溢洪道液压启闭机在工作闸门全开或局部开启时，活塞杆工作环境湿度较大，活塞杆的表面处理有镀硬铬和黑色陶瓷镀层两种方案。目前，国内制造厂镀铬工艺比较成熟，镀铬与镀黑色陶瓷相比，造价低廉，国内大多数液压启闭机活塞杆均采用镀铬处理。该项目设计活塞杆采用镀硬铬方式进行表面处理，活塞杆的材料为40Cr，热处理工艺为调质处理，活塞杆杆径为320mm，λ≤250。缸体材料为德国st65锻钢，σb =640～810MPa，σs =325MPa，锻造三段毛坯，两道焊接环缝连接，缸壁厚50mm。须要引起重视的是活塞杆40Cr材料在调质处理中必须控制抗拉强度值的上限，在镀铬后应进行消氢处理。
2.2 密封件形式的选择
密封件是液压设备的一个重要组成部分。它的工作的可靠性和使用寿命是衡量液压系统好坏的一个重要指标。在水布垭溢洪道液压启闭机设计中，采用德国MERKEL品牌密封件，油缸的活塞、活塞杆的旋转密封选用V型圈的组合密封，这种密封圈在密封性能、承压能力、耐磨性、介质适应性和寿命等方面比较优异，其耐压值达40Pa，允许的温度变化范围为-30～+100℃，滑动速度可达 0.5m/s，其较长的使用寿命可延长油缸的检修周期。
2.3 吊头设计
吊头作为液压启闭机主要受力构件，设计上主要从便于制造方面考虑。可采用铸造工艺和锻造工艺设计，铸造方式可铸出比较复杂形状的吊头，不足之处是铸造缺陷较多。锻造方式可锻出形状不太复杂的吊头，其缺陷较少。该项目选用锻造工艺，吊头的材料为45号钢，为了使吊头与闸门耳板连接便于安装，在吊头内设置了进口的关节轴承，以适当补偿油缸和闸门的安装误差，有利于油缸的安装和正常工作。
3 结语
溢洪道弧形门液压启闭机是水布垭水利枢纽的关键泄洪设备，能否正常运行直接关系到面板堆石坝的安全。由于溢洪道每个孔口有14m宽，吊点间距较大，液压启闭机双缸同步运行的好坏是直接影响着弧形工作闸门能否正常运行的关键。在液压启闭机液压系统设计中，通过采用比例调速阀实现液压回路自动纠偏、运行平稳等功能，使得液压启闭设备系统简单、经济、维护方便，而且提高了安全可靠性。
作者简介: 李季川，男，长江水利委员会设计院枢纽处，工程师。