陈 敏

（上海城投原水有限公司，上海 200125）

0 引言

在许多中大型水利闸门建设项目中，双吊点平面直升闸门因其结构简单、布置容易、运行可靠、维护方便，可以满足双向挡水、动水局部开启控制流量等要求。液压启闭机设备体积小，结构紧凑，布置灵活，承载能力大；传动、运行平稳性理想、噪音低；运转磨损小；多扇闸门可共用一台液压启闭机；液压系统可以实现较高的自动化控制程度，较完善的保护功能。液压启闭机虽然初期投资较大，但后期只需保证定期检查和维护，就能在相当长的一段时间内确保系统的安全可靠运行。

在启闭机液压系统中，双缸同步回路控制至关重要，因为其不仅关系到设备能否正常运行，而且直接关系到设备安全，在同步失败的情况下，会造成闸门卡死，活塞杆因过度折弯导致铬镀层与活塞缸盖单边刮擦或陶瓷镀层崩裂，严重时活塞杆直接弯曲变形，甚至门体结构变形损坏等。

位于上海的青草沙水库是大型河口江心蓄淡避咸型水库。水库上游取水闸设置5 孔潜孔式闸门，每孔净宽14 m，底槛高程-1.5 m，胸墙底高程3.5 m，孔口高度5 m。闸门采用平面定轮钢闸门14 m×5.5 m，闸门由倒挂式液压启闭机操作，行程5.5 m，容量2×630 kN。5 孔闸门液压启闭设备分别由2 套液压泵站进行操作。

1 同步误差的形成

结合青草沙水库上游取水闸门实际安装、运行情况，双缸同步误差的形成有以下原因：

1.1 液压油缸

由于液压油缸在加工或组装过程中，各个活塞杆与缸盖密封总成之间的摩擦力及活塞密封圈与缸体内壁之间的摩擦力本身不完全相同，并且随着使用时间的增加而增加；在液压油缸的现场安装过程中，往往会造成活塞杆轴线与缸体轴线之间存在一定的夹角，不同的油缸夹角大小都不一样，夹角的存在会造成活塞杆与缸盖密封总成形成偏磨，且夹角会随着闸门开度的增加而变大，夹角越大，阻力越大；液压油缸内泄漏情况不同，造成油缸间的同步误差。

1.2 闸门主轮

由于主轮的加工及安装精度，导致闸门两侧主轮工作面不在同一平面内，最高点与最高点误差超过规定范围，导致两侧主轮工作面与轨道之间接触情况不同，导致闸门两侧来自主轮的阻力不相同；各个主轮的轮轴与轴承间的摩擦力不同，青草沙水库上游取水闸门主轮采用油尼龙轴承，由于油尼龙材质存在吸湿膨胀及蠕变特性，经过几年的运行，在检修过程中发现各别滚轮已经转动困难或者不能转动，造成闸门两侧滚轮阻力不同。

1.3 闸门侧止水

止水带通常采用橡胶材质，通过挤压止水带，产生密封压力。在闸门启闭过程中，两侧止水与止水座在垂直方向上发生滑动摩擦，便产生止水摩阻力。青草沙水库上游取水闸门侧止水采用的是双头P 型止水，止水与止水座之间留有预压缩量，由于闸门安装位置的偏差或止水压板变形，造成闸门两侧止水与止水座间隙不同，两侧的密封压力也不同，产生的止水摩擦阻力也不一样。

1.4 液压系统

2 个油缸液压油管长度的差别使双缸阻力不一致；2 个油缸液压油路上的各个阀件的实际性能参数及泄漏情况存在差异。

双缸同步误差往往由多个原因同时作用产生，误差大小会随着闸门内外侧水位差、闸门开度、使用时间等因素的变化而变化。

2 常用同步控制回路

解决双吊点液压启闭机不同步问题，就要对上述因素进行深入分析，充分考虑各种因素造成的影响，才能有效控制双缸同步精度。

2.1 开环控制回路

主要是依靠控制元件本身的工作精度实现同步控制，实际使用过程中，由于它并不能完全消除或是避免某些干扰因素的影响，所以控制精度有限，但其结构简单、操作方便且成本低，在对同步性能要求不高的情况下可以使用，常见的开环控制回路有5 种：

（1）利用刚性联接实现同步。优点是运行可靠性强，组件简单；不足之处在于仅适用于距离有限、偏向较小的情况。

（2）借助同步阀实现同步。配置组成也比较简单，使用便捷，在同步性能上处于中等；不足之处在于运行效率不高，损失较大，不宜在低压环境下使用。

（3）通过串联液压缸达成同步，同时应用单向阀抵消误差。优点是结构较为简单，可应用于偏载，运行效率较高；不足之处在于两缸的工作面积必须一致，否则精度将受到很大的影响。

（4）利用同步缸实现同步，其单向阀的作用是在一定程度上抵消两缸之间的误差。优点是可承担较大的偏载，精度较理想，运行效率也比较高；不足之处在于对设备组件要求较高，生产成本增加，而且要求两缸的工作面积必须一致，否则精度将受到影响，最好是用在行程有限的情况下。

（5）使用2 个液压马达实现同步。可在行程末端抵消2 缸之间的误差，不足之处在于会在很大程度上受到马达排量的影响，因此在精度上不好控制，且要求2 缸的工作面积一致，可在行程较长的情况下使用。

2.2 闭环控制回路

可对液压缸输出进行高效检测，以构成闭环控制，虽然在构成上较为复杂，成本也比较高，但同步性能更为理想，尤其是在计算机技术以及信息化技术高速发展的今天，这类控制方法在智能化水平较高的同步回路中能够得到更为广泛的使用。

（1）首先是放油式同步回路，这种模式当前应用较为普遍。其运行原理是，当液压缸出现不同步的状态时，将运行速度较快的缸中的油液导入到油箱，直至两缸的误差达到设定好的阈值。其次是补油式同步回路，其运行原理是，当出现不同步的状态时，利用特定装置对速度较慢的缸进行油液补充，直至两缸的误差达到设定好的阈值。实践表明，补油式回路在总体性能上更加突出，对干扰的抑制能力较强，造成的冲击较小，完成补油所需时间更短，对系统性能影响较小。

（2）首先是由伺服阀实现的闭环回路。伺服阀属于精度较高的控制器件，但在实际使用时必须考虑其结构的复杂性，所需成本较高，且容易产生污染，因此这种回路更多的被用在对精度要求较高的系统。其次是由比例阀实现的闭环回路。比例阀是一种比较新颖的控制器件，能够实现对液流参数的有效控制，其在使用性能上要优于开关式控制，但在精度方面不如伺服控制，且反应速度较慢。尽管如此，但其成本较低，抗污染能力强，总体性能更为理想，因此这种回路已得到了普遍应用，尤其是在频率响应适中且需要较高精度的系统中，有着很好的推广前景。

（3）由数字阀实现的闭环回路。数字阀是近年逐渐发展成熟的一种控制器件。它最大特征就是能与高速发展的计算机技术相结合，以实现智能化控制，同时还有着较为强大的抗污染能力。因此，这种回路应用方便，安全稳定，组成简单，精度高，且易于实现智能化控制。

青草沙水库上游闸门启闭机双缸同步回路采用的是手动调速阀加旁通分流纠偏的闭合控制回路。先通过手动调节控制液压油缸有杆腔进、出油量的带压力补偿的调速阀，使两油缸基本达到同步。然后在闸门启闭过程中，通过开度仪，实时监测2 个液压油缸的位移偏差值变化情况，当2 个油缸偏差值超过设定值时，通过PLC 的开关量输出，打开相对应的电磁纠偏阀进行旁通分流，在启门过程中，对移动较快的油缸有杆腔油路进行分流，降低其进油量，达到减速上升的效果；在闭门过程中，对移动较慢的油缸有杆腔油路进行分流，增加其出油量，达到加速下降的效果，从而实现双缸同步。在运行期间要注意以下事项：纠偏阀的旁通流量要设定合理，设定过大会导致流量过调，引起纠偏阀频繁换向动作，系统压力波动，设定过小会引起纠偏不足，纠偏阀持续得电动作，但2 个油缸无法达到同步。因此，只有前期手动调速阀的调到2 个油缸基本同步后，整个同步回路才能稳定运行。

3 误差的检测

在闭环控制回路中，油液输出在很大程度上受到误差信号的影响，因此要想实现理想的同步性能，就要尽可能减少位置误差的产生。目前，常用的误差检测方法有静磁栅开度仪、拉绳式开度仪等，这些传感器通常装在油缸外部，也可以装在油缸缸体内部。还有专门针对陶瓷杆活塞杆的CIMS 开度仪，精度高，但需要专用配套的陶瓷活塞杆，成本较高，有些闸门还开始尝试使用激光测距仪等更为先进的测量装置。

青草沙水库上游取水闸门最初采用静磁栅开度仪，但由于江面漂浮垃圾较多，极易缠绕在开度仪上，在启闭过程中，造成开度仪损坏，给闸门正常运行造成隐患，后改用拉绳式开度仪至今，拉绳式开度仪设备结构简单紧凑，安装方便，价格适中，性能稳定，使用效果良好，但需要注意的是，一般水闸基本都处于关闭或小开度开启状态时间较长，此时拉绳开度仪钢丝绳往往处于最大伸长量，长时间容易造成卷簧疲劳，当闸门全开时，拉绳器在最后一段，因失去弹性，无法收回，直接造成开度值无变化，因此选择拉绳器规格时，一般至少要在闸门行程的1.5 倍以上。

4 结语

目前，液压启闭机因其良好的性能在越来越多的水利闸门建设项目中得到应用。本文重点分析双吊点平面直升闸门的双缸同步误差形成的原因，探讨常用的同步回路及误差检测方法。在实际应用中，液压开环控制精度较低，无法满足对于同步精度要求较高的设备系统。闭环控制的精度则非常高，通过与目前先进自控技术、计算机网络技术相结合之后，使得同步性能得到了进一步的改善，运行效率更高，投资、运行成本更具有优势，在对同步性能要求较高的各类系统已经得到广泛应用。近年来，电液比例技术得到了快速的发展，其生产成本较低、抗污染能力强、总体性能良好，可达到比较理想的同步性能，在未来有着非常好的应用前景，也是水库将来液压系统同步回路优化、升级的方向。