曹国锋，陈 卫，何 睿

（1.浙江华东机电工程有限公司，浙江杭州，311122；2.博世力士乐（常州）有限公司，江苏常州，213100）

1 项目概况

大渡河枕头坝一级水电站位于四川省乐山市金口河区的大渡河中游干流上，上邻在建的深溪沟水电站，下接枕头坝二级水电站。电站引水系统进口布置有12孔进水口检修闸门槽和12孔进水口事故闸门槽，每孔设1扇事故闸门，共设12扇，采用液压机操作，液压机启闭容量3 200 kN/6 300 kN，行程17.8 m。油缸装设于进水口顶部626.50 m高程机架上，泵站布置在位于进水口顶部的启闭机室内，如图1所示。

每台启闭机由油缸、机架、行程检测装置、液压泵站（含补油箱）、站外液压管路、现地电气控制柜、专用检修工具等组成。

2 设计原则

2.1 安全可靠

液压缸和液压系统按照国家相关标准和规范进行设计和计算，并参考德国工业标准DIN进行优化设计。

图1 液压启闭机布置图Fig.1 Layout of hydraulic hoist

2.2 三维化设计

油缸的设计采用机械化自动化软件Pro/ENGINEER，该软件是一个参数化、基于特征的三维实体造型系统。

2.3 操作简便

所有控制、检测、监视和保护信号均可送到现地PLC，并可通过远程接口送到集中控制单元，既可在现地进行手动和自动控制，也可在集中控制单元实现集中控制。

2.4 易于维护

液压系统所有控制阀件均集中安装于阀块上，便于检修和更换。液压启闭机所有零件、元件均具有通用性、互换性，更换方便。液压系统管路上设有手动隔离阀，方便检修。

设置可移动式的检修油箱，用于油缸检修时液压油流回检修油箱，从而避免因检修对系统造成二次污染。

2.5 优质元件

选用高可靠性的液压元件，油箱、管道使用不锈钢材料。

3 油缸设计

进水口3 200 kN/6 300 kN液压启闭机技术参数如表1所示。

液压启闭机为单吊点，油缸竖式安装，在缸筒中部采用法兰支承。快速闭门时采用节流孔板限速，油缸内行程末端设缓冲装置，减小闸门快速关闭至底槛时造成的冲击，并随机配备几块不同孔径的节流板供调整时使用。

高位补油箱采用环形结构设计，安装在油缸外扇形法兰上，具有安装紧凑、连接可靠等优点。通过液压升降平台进行补油箱的检修维护。

液压启闭机活塞杆下端吊头处采用自润滑滑动轴承，以便与闸门或拉杆连接。

下端盖处装有进口防尘圈和青铜刮泥圈，以去除活塞杆表面污泥和灰尘。

液压缸有杆腔、无杆腔的最高点均设有排气测压阀，用于液压缸的排气和压力测量。

液压缸的有杆腔和无杆腔均留有富余行程，以适应土建及闸门吊耳制造、安装时可能存在的误差，同时也确保闸门能严密关闭。

表1 进水口3 200/6 300 kN液压启闭机技术参数Table 1 Technical parameters of 3 200/6 300 kN hydraulic hoist

缸体采用无缝钢管，材质Q345B，正火处理。该材料具有优良的焊接性能、较高的机械性能和良好的冲击韧性。活塞杆材料采用锻件，材质为25CrMo，调质处理。

4 液压系统设计

液压系统设计采用Unigraphics软件，该软件已建成了完备的液压元件模型库，可以快速有效地进行各类阀件的集成和装配，还能对阀块的设计孔道进行校验，确保系统设计的准确和高效。

4.1 液压泵站

液压泵站由不锈钢油箱（含其附件）、两台油泵电机组、控制阀块等组成。电机与油泵之间采用“钟型罩+联轴器”联接方式，便于油泵电机组平稳运转，降低噪音。液压泵站包括两台油泵、电动机组，每一套液压泵站设两台手动变量油泵电动机组。正常工作时，两组油泵电机组同时投入工作，启闭速度为额定值；一套油泵电机组出现故障时，另一套仍然可投入工作，但启闭速度为额定值的一半。系统控制阀块固定在油箱顶部支架上。

不锈钢油箱设置标准人孔盖、排污球阀、注油过滤器、回油过滤器、液位液温计、液位传感器、温度传感器、防潮式空气滤清器等附件。

液压泵站配置可在线检测压力、流量、温度的专用检测仪器一套。

4.2 液压系统功能

系统功能包括：（1）正常开启闸门；（2）事故时快速关闭闸门功能；（3）安装检修状态下活塞杆伸出功能；（4）闸门下滑自动复位功能；（5）补油箱补油功能。

如图2所示，补油箱补油功能为：当补油箱液压油液位低时，LL4.2或LL3.2动作指令系统启动油泵电机组，给补油箱补油；当LL3.1或LL4.1动作时，补油箱停止补油。

图2 高位补油箱补油系统Fig.2 Oil filling system by high fuel tank

5 关键技术设计

5.1 长行程端部支承液压缸稳定性设计

本工程进水口液压启闭机特点包括：

（1）油缸布置在坝顶并露出坝面十几米，迎风面积大，坝区位于地震基本烈度达Ⅷ度的区域，同时需考虑防雷击、瞬时风载等因素。

（2）此种布置方式下要考虑设备外观、尺寸及对坝面载荷的影响。

针对以上特点，结合多年同类型进水口油缸的设计经验，通过先进的专业计算平台，进行了针对性的设计：

（1）油缸稳定性的设计，根据现有的数据对油缸结构设计进行强度校验。

根据计算成果，在设计中对进水口油缸采用中间法兰安装方式，通过高强度螺栓与机架相连，避免因风载过大或在地震工况下油缸产生失稳，造成结构性损坏。

图3 油缸与机架安装示意图Fig.3 Schematic diagram of cylinder and rack installation

同时在油缸顶部设置避雷装置，可靠接地，确保设备安全可靠。

（2）通过先进的计算平台，结合以往的工程经验，在满足招标文件要求的前提下，使产品结构紧凑，合理优化尺寸重量，既保证设备的运行要求，又兼顾坝面空间，使景观不受影响，同时，降低对基础的荷载及安装、维护的难度。

5.2 密封系统设计

液压缸全套动密封件选用高可靠性、长寿命的V形圈组合密封产品。

该密封形式抗挤入能力强，具有良好的工作性能，适用于恶劣的工作条件。活塞杆处的密封沟槽设计成轴向可调式，以实现最佳密封效果和最小摩擦力。工作介质温度为-30～+100℃，工作压力40 MPa。

静密封主要采用O型密封圈，其材料为丁晴橡胶NBR，工作介质温度为-20～+100℃，工作压力40 MPa。

液压缸活塞及活塞杆导向均采用C380型非金属导向套系列，该产品承载能力高、安装简便、维护费用低，具有精确的导向作用、极好的耐磨性能和良好的干运行性，并可吸收随时产生的径向力。同时，避免了液压缸内滑动部件的金属接触，即活塞与缸体之间、或者是活塞杆与缸头之间的金属接触。

5.3 高位补油箱设计

进水口液压启闭机液压泵站和油缸布置在坝面626.5 m高程上，其中油缸露出坝面十几米，如此大的落差导致在事故关门时油箱里的油液不足以被补充到油缸无杆腔中。为避免无杆腔吸真空，确保事故状态下闸门正常关闭，需要考虑补油回路。

在设计之初考虑有两个方案：（1）事故闭门状态下泵控补油方案；（2）事故闭门状态下补油箱自动补油方案。

方案一通过设置油缸上端部补油箱，可以在闸门事故关闭时利用专一电磁阀控制，靠闸门自重和水柱重下落关闭，操作简单可靠。

方案二在事故状态时启动油泵电机组，通过专用的补油泵回路对油缸上腔进行补油。

招标文件中明确要求，当水轮发电机组发生事故和引水管破裂事故时，进水口对应的三扇闸门应能同时关闭；闸门的关闭由一专用直流电磁阀控制；当电磁阀通电打开时，闸门关闭；闸门关闭时，油泵电机不启动，而是靠自重和水柱重下落关闭闸门。

根据分析比对，在投标设计时补油方案选择了方案一。同时考虑到油缸露出坝面十几米，补油箱的设计不仅要考虑功能性，还要考虑其美观性，在油缸上端部设计了容积为1 000 L的环形油箱如图4所示。该环形油箱固定在油缸的上端部，包裹住一部分缸体，与油缸浑然一体，安装美观可靠。配备有专用的移动式升降平台，用于日常的检修维护。这种控制方式在大量的工程实践中得到应用，实践证明其响应及时、安全可靠。

图4 高位补油箱安装情况Fig.4 Installation of high position fuel tank in oil cylinder

5.4 系统监控设计

液压系统选用目前最优化的元器件，并设有足够的监视、测量、控制和保护装置，如回油堵塞报警、油温传感器、液位传感器、压力继电器、系统压力传感器、压力/温度/流量传感器、油水报警器等。其主要元器件（如液压泵、方向阀、溢流阀、调速阀、插装阀等）全部选用按DIN标准生产的产品。液压方向阀设置有感应式阀芯位置监测装置并向电控系统反馈阀芯位置信号。自动化元器件留有扩充口和远程接口。

6 结语

枕头坝一级电站进水口事故快速闸门液压启闭机经过优化设计，设备布置紧凑，选型合理，特别是创新设计的环形补油箱，在保证设备功能的前提下做到了与环境的和谐统一。自2015年7月投入运行以来，运行情况良好，其设计成果对今后类似液压启闭机设计有一定借鉴作用。 ■