2.4 液壓啟閉機系統(tǒng)性能比較

2.4.1 液壓啟閉機系統(tǒng)性能

液壓啟閉機的特點很大程度上是由其工作原理所決定的。液壓傳動是利用液體的壓力能來傳遞能量的一種傳動方式，與卷揚式啟閉機、螺桿啟閉機等其他傳動形式相比，具有以下無與倫比的優(yōu)點：

（1）由于是靜壓傳動，傳動平穩(wěn)，并能夠遠(yuǎn)距離傳遞動力，液壓啟閉機的啟閉力適用范圍廣。

（2）可對閘門施行下壓力，減輕閘門配重，降低閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載。

（3）液壓傳動與電氣控制結(jié)合，便于實現(xiàn)集中控制和自動化。

（4）液壓啟閉機結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，自身重量輕，但承載能力大。

（5）可以實現(xiàn)很大范圍內(nèi)無級調(diào)速，且調(diào)速方便。

（6）換向方便，緩沖性能好，且易于實現(xiàn)過載保護(hù)，工作安全可靠。

（7）在失去電源的事故情況下，可使閘門快速下降，比用飛球調(diào)速器的QPK型固定卷揚式啟閉機更安全可靠。

（8）油缸結(jié)構(gòu)簡單，液壓元件自動潤滑性好，經(jīng)久耐用。

（9）液壓系統(tǒng)中的液壓元件有標(biāo)準(zhǔn)化、系列化產(chǎn)品可供選擇，設(shè)計簡單，制造周期短。

液壓啟閉機的缺點主要是液壓缸與活塞桿配合精度高，加工成本較高；另外，密封質(zhì)量較差時液壓油容易滲漏。

2.4.2 卷揚式啟閉機性能

除液壓啟閉機之外，目前常用的啟閉機還有卷揚式啟閉機。卷揚式啟閉機是利用鋼索或鋼索滑輪組作吊具與閘門相連接，電機的轉(zhuǎn)動力矩通過齒輪傳動使卷揚筒繞放鋼索從而帶動閘門升、降。卷揚式啟閉機一般分為單吊點和雙吊點兩種，雙吊點啟閉機是通過連接軸將兩個單吊點啟閉機連接在一起同步運行，可做成一邊驅(qū)動或兩邊驅(qū)動。

目前國內(nèi)常見的卷揚式啟閉機型號有以下四種：QPQ平面閘門卷揚式啟閉機、QPG高揚程卷揚式啟閉機、QH弧形門卷揚式啟閉機、QPK快速卷揚式啟閉機等。目前在四川溪洛渡、浙江灘坑、四川深溪溝等水利水電樞紐工程中，采用單吊點卷揚式啟閉機最大起重量達(dá)到8000kN。由葛洲壩集團(tuán)機船公司與二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司制造的8臺9000kN單吊點卷揚式啟閉機，于2010年年底用于錦屏二級水電站。即將用在金沙江溪洛渡水電站上的起重量為2×8000kN的雙吊點卷揚式啟閉機，將是世界上規(guī)格最大的固定卷揚式啟閉機。

卷揚式啟閉機同樣具有結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)、承載能力大、安裝方便等優(yōu)點，所以使用較為廣泛。但是，卷揚式啟閉機不能產(chǎn)生向下的壓力，故其僅適用于靠自重、水柱或其他加重方式關(guān)閉的閘門，造成卷揚式啟閉機自重較大。卷揚式啟閉機在啟閉運行中，只要閉門力設(shè)計合理，一般問題不大，但當(dāng)閘門的自重小于由各種因素產(chǎn)生的總阻力時，就會造成閘門卡死而不能正常關(guān)閉的情況，可靠性較差。

2.4.3 液壓啟閉機應(yīng)用效果分析

鑒于液壓啟閉機具有結(jié)構(gòu)簡單、布置緊湊、承載能力大、調(diào)速和換向方便、運行平穩(wěn)、容易實現(xiàn)自動化控制等許多優(yōu)點，在水電工程建設(shè)中恰當(dāng)?shù)剡x用液壓啟閉機可以獲得顯著的工程效益。如前所述，液壓啟閉機主要用于弧形閘門、“人”字形閘門、快速閘門和高水頭、大容量的深孔閘門。

（1）對于表孔或深孔弧形閘門，在大孔口、大啟門力、特別是靠自重不能關(guān)門而需要施加閉門力的情況下，液壓啟閉機要比卷揚啟閉機或其他型式的啟閉機更容易滿足使用要求，同步問題也容易解決，還可以簡化水工布置，節(jié)省土建投資，而且樞紐建筑物顯得協(xié)調(diào)美觀，工程效益比較明顯。

根據(jù)相關(guān)報告材料，廣西昭平電站的溢流壩表孔弧形工作閘門采用液壓啟閉機，省去了壩頂啟閉機工作橋，壩面布置緊湊，不影響交通；在工程投資方面，雖然液壓啟閉機的單價較高，但是其重量較輕，而且土建方面節(jié)省了投資。根據(jù)2000年左右的價格對液壓式啟閉機和卷揚式啟閉機兩種方案所作的經(jīng)濟(jì)比較（見表2.1），兩種方案的總造價相差不大，但是，液壓啟閉機方案有工作可靠、啟閉平穩(wěn)、施工方便、操作靈活、便于集中控制等諸多優(yōu)點，總的工程效益還是液壓式啟閉機優(yōu)于卷揚式啟閉機。

2008年建成投入運行的劉家道口節(jié)制閘工程，屬于淮河流域內(nèi)大型水利工程，也在工程設(shè)計階段提出了多種啟閉機布置方案進(jìn)行優(yōu)選：

1）前拉式弧形閘門啟閉機布置方案。利用卷揚式弧形閘門啟閉機前拉式布置啟閉弧形閘門。此方式弧形閘門的吊點設(shè)在面板上游下主梁處，鋼絲繩對面板有一個弧形包角，啟門力產(chǎn)生的附加力由上、下主框架共同承擔(dān)。具有啟吊型式簡單，啟閉力臂大、啟門力小等優(yōu)點。其缺點是為滿足弧形閘門的最大開度要求，啟閉機工作橋需設(shè)置高排架，增加了閘室高度，使地震慣性力明顯增大，對工程抗震能力十分不利。而劉家道口節(jié)制閘位于9度強地震區(qū)，顯然，這種布置方式對節(jié)制閘的抗震是不利的。

2）卷揚式平面門啟閉機（改造型）后拉式布置方案。卷揚式平面門啟閉機（改造型）后拉啟閉弧形閘門克服了弧形閘門啟閉機自重大、價格高、抗震性能不好等缺點，取消了前拉式弧形閘門啟閉機布置方式的高排架，啟閉機可直接安裝在閘墩上。該方式的閘門吊耳布置在下主梁兩端的腹板上，與動滑輪組吊具相連接，定滑輪組則設(shè)在閘墩頂部。設(shè)計過程中考慮了單側(cè)后拉式和雙側(cè)后拉式兩種布置型式，單側(cè)后拉式的優(yōu)點是省去了啟閉機工作橋，啟閉機在閘墩上的布置也較為靈活，但兩側(cè)鋼絲繩不等長，一側(cè)鋼絲繩要跨過孔口，撓度大且轉(zhuǎn)向較多，需增加鋼絲繩的承托裝置和調(diào)繩裝置，以解決兩側(cè)吊點的同步問題。雙側(cè)后拉式通過中間軸連接左右半機保證了吊點的同步，但增加了啟閉機的工作橋，工程量有所增加。由于劉家道口節(jié)制閘孔口大，工作橋上還應(yīng)設(shè)置軸承座以支承中間軸。不論是單側(cè)后拉式還是雙側(cè)后拉式，這兩種布置型式與其他布置型式相比較都是較合理的。但由于該方式使用的平面門啟閉機（改造型）容量大，相應(yīng)啟閉機外形尺寸及平臺等都變得很龐大，結(jié)合劉家道口節(jié)制閘的實際，最主要的問題是公路橋橋面高程受沂河兩岸大堤堤頂高程的限制而偏低，啟閉機不能置于公路橋下。所以平面門啟閉機（改造型）布置方式也是不可取的。

3）液壓啟閉機布置方案。液壓啟閉機是一種新型的水工啟閉機，與卷揚式啟閉機相比，其工作平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、便于實現(xiàn)自動化，且安裝、施工方便；可以實現(xiàn)無級變速；啟動、制動平穩(wěn)，易于防止過載；液壓元件磨損小，效率高。

利用液壓啟閉機后拉式啟閉的布置型式，其布置方式為閘門吊點設(shè)置與卷揚式平面門啟閉機（改造型）后拉式布置方案基本相同，油缸安裝在閘孔兩側(cè)，油缸支承座、動力站及機旁電控系統(tǒng)布置在閘墩上；這種布置型式的優(yōu)點在于液壓缸有效地利用了閘孔的空間位置，省去了啟閉機工作橋及高排架，提高了工程的抗震性能；同時由于液壓缸的約束作用，使閘門在控制運行過程中的振動得以緩和；縮短了閘墩長度、減少了閘室工程量。

綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較的結(jié)果表明，液壓啟閉機方案具有節(jié)省投資、運行可靠、工程整體性能好等優(yōu)點。因此，本設(shè)計采用液壓啟閉機的布置方案。劉家道口節(jié)制閘啟閉型式方案比較見表2.2，表中項目為三個啟閉方案可比較項目的工程量及當(dāng)時的概算投資。包括閘墩、閘底板、機架橋、機房、上游檢修橋、工作閘門、工作門啟閉機、電氣及自動控制等；不包括下游交通橋、橋頭堡、消力池、上游檢修閘門及啟閉機等各方案相同項目。

（2）對于船閘“人”字形閘門、“一”字形閘門和充泄水工作閘門，液壓啟閉機的布置比較方便，還便于實現(xiàn)船閘的自動化控制。從國內(nèi)許多大型船閘的運行情況看，效果是良好的。例如：臨淮崗船閘，從2005年投運以來，液壓啟閉機運行情況始終處于良好狀態(tài)，滿足了該航運干線的通航要求。

（3）對于快速閘門或高水頭、大容量的深孔閘門，如果采用卷揚式啟閉機，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、重量大，且閘門一般還需加重才能閉門，有些結(jié)構(gòu)較難處理。如果采用液壓啟閉機，就比較容易滿足調(diào)速和大容量的要求，而且雙作用的液壓啟閉機關(guān)閉時間快速，可以滿足閉門力的要求，可以節(jié)省閘門加重部分的投資。例如巖灘電站的廠房進(jìn)水口平面快速閘門，孔口尺寸（寬×高）為8.2m×14.1m，設(shè)計水頭為48m，所需啟門力達(dá)8000kN，閉門力達(dá)6000kN。像這樣超大型的快速閘門，若選用卷揚式或其他型式的啟閉機，是很難滿足設(shè)計和使用要求的，而采用液壓啟閉機則為工程建設(shè)解決了一大難題，取得了比較明顯的工程效益。