液压式闸门的开度测量方法.pdf

第 3期 2 0 1 4年 6月 水 利 信 息 化 Ⅵ e r Re s o u r c e s I n f o r ma t i z a t i o n N O． 3 J u n ． ， 2 01 4 液压式闸门的开度测量方法 吴忠恩 浙江 省水利水电勘 测设计院，浙 江杭州3 1 0 0 0 0 摘要结合 闸门控制设计经验，针对液压式闸门，对不同型式闸门开度测量方法进行比较，重点介绍用恒力 收带式传感器测量液压式闸门开度的方法，实际应用案例说明，恒力收带式传感器测量方法具有有效性和实用 性，可为今后设计选型提供参考。 关键词液压闸门；开度；测量；恒力收带式；转轴式；编码器 中图分类号 T V6 6 3 文献标识码A 文章编号 1 6 7 4 9 4 0 5 2 0 1 4 0 3 0 0 4 8 0 4 0 引言 随着我 国水利 事业 的跨越 式发 展 ，越 来越 多 的 闸门，特别是大吨位的闸门采用了液压式启闭机 【 1 ] 。 为保证 液压 闸 门的可靠 运行 ，也 为 了使 闸 门控 制能 更 好地 纳入计 算机 监控 系统 ，准确 可靠地 进 行液压 闸门的开度测量就成 了一个十分现实和重要的课 题 。传 统 的转 轴 式 传 感 器 用 于 液 压 闸 门的 开 度测 量，由于安装繁琐、测量精度不高、重复性差，愈 来愈 显示 出 固有 的弊 端 。将 恒力 收带 式传 感器用 于 液压闸门的开度测量 ，在实际工程运行中得到了良 好反 映 。在此基 础上 结合 多年 闸 门控 制设 计经验 ， 将恒力收带式与转轴式传感器在液压闸门的开度测 量方面作个比较，期望为今后设计选型提供参考。 1 转轴式传感器用于液压 闸门的开度测量 转 轴 式传感 器是采 用接 触式轴 角编 码器 或光 电 传感器 制成 的一种角位移传感器 【 ] ， 目前 已广泛应用 于卷扬式平板门和弧形门的开度测量 。但是，当把 转轴式传感器用于液压闸门的开度测量时，尽管采 取了多种不同的测量方法，在精度、安装和调试等 方面仍存在诸 多问题 。 1 ． 1 通过测绳、挂轮 、重锤完成液压闸门的开度 测 量 转轴式传感器通过测绳 、挂轮、重锤可以完成 液压平板门和弧形门的开度测量 ，平板闸门的开度 测量 示意 图如 图 1所示 。在进行 这种传 感器 的安装 时，首先要把装有挂轮的转轴式传感器装于闸门上 方 的合适 位置 ，然 后把测 绳 的一端 系于 闸 门的某一 固定点 ，并令 测绳 绕过 挂轮 ，在测 绳 的另一 端系上 重锤 。 传 感 器 图 1 平板闸门的开度测量 此种方法在应用于平板 闸门开度测量时能满足 一 般的测量精度使用要求；但应用于弧形闸门时， 由于存在明显的固有机械和非线性位移导致的计算 等方面误差 ，已逐渐被淘汰 。 1 ．2 利用联轴节完成液压弧形闸门的开度测量 联轴节是一种能把转轴式传感器和卷扬式转动 轴或油缸转动支铰连接起来的万向联轴器。采用联 收稿 日期2 0 1 4 -0 5 - 0 6 作者简 介吴 忠恩 1 9 6 2 --，浙 江杭 州人，工程师，主要从事水利水电工程、城市供排水等工程的 电气 自动化设计工作 。 第 3期 吴忠恩液压式闸门的开度测量方法 4 9 轴节完成对 闸门的开度测量 ，就是把传感器与卷扬 式转动轴或油缸转动支铰直接相连 ，通过传感器测 得的转动角度，对应到相应的闸门升降高度，可以 完成对闸门开度的测量 [ 3 ] ，安装示意图如图2所示。 图 2 利用联轴节完成开度测量 此 测量方 法 的优 点是 传感 器安装 简单 ，关系 比 较 明确 。 当用 于卷扬 式 闸门开度 测量 时 ，只 要知道 转 动轴每 度 的角位移 对应钢 丝绳 的变化 长度 ，就可 以确 定 闸 门的开度量 。缺 点是 当用于液 压式 闸 门测 量时，传感器调正困难，精度低，重复性差。液压 启闭机的油缸支铰转动角度一般在 6 0 。左右 ，闸门 开度一般在 1 0 m 以上，如果考虑到液压弧门的非 线性校正 ，即使满足 闸门开度 1 e m 的分辨率 ，对传 感器 灵敏度 的要求一般 也应不低于 1 0 4圈／ 转 。很 明 显 ，对于 如此 高灵敏 的传感器 ，当用于 闸 门的现场 零位调整时，由于油缸本身和传感器的回差，调试 工作 相 当困难 ，且测 量 的重 复性 也很差 ， 目前 该测 量方式主要应用在一些测量精度要求 不高的场合 。 l - 3 利用扇齿轮 齿条 完成液压弧形 闸门的 开度测量 为避免传感器与油缸支铰直接相连时传感器零 点难 以调试的弊端，实际施工中调试人员常在油缸 支铰上安装 1个大齿数的扇齿轮，通过齿轮啮合增 速后 ，再与传感器连接 ，安装 示意图如图 3 所示 。 图 3 利用扇齿轮完成开度测量 此 测 量 方法 的优 点是 传 感 器 的转 动 圈数 比较 多 ，传 感器 的零 点易 于调节 ；缺 点是传感 器与 油缸 支铰的连接需要增加 1个齿轮箱，现场安装比较麻 烦，而且齿轮的啮合间隙也会造成测量 的回差。由 于安装的复杂性，该类测量方式 已逐步被其他测量 方法取代 。 2 恒 力收带式传感器用 于液压 闸门的开度 测量 由于转轴式传感器在测量液压弧门开度时存在 难以克服的缺点，经过技术创新，在一些工程中开始 采用恒力收带式传感器，取得了相对满意的效果。 2 ． 1 恒力收带式传感器结构原理 恒力收带式传感器实际上是一种长度传感器， 采用弹簧力平衡原理 ，主要由高精度位移传送系统 钢 带及链轮 、 恒 力装置 平衡弹簧 组件 和 编码 器等部件组成 ，结构原理如 图 4所示 。 钢 带贮轮 图 4 恒 力收带式传感器结构原理示意图 传感器 的主要技 术指 标如 下 测量 范 围为 0 ～ 1 9 ． 9 9 9 m ；分辨率 1 n l l r l ；基本误差为 1 mm；重 复性误差 ≤ 1 i n r n ；回差 2 r n r n 。 采用恒 力 收带式传 感器 进行 闸 门开度测 量 时， 一 旦被 测 量 闸 门位 置 发 生 变 化 ，恒 力 弹簧 组件 转 动 ，收进或 放 出钢 带 ，带动 链轮 与编码 器转动 ，从 而输 出被测 量 闸门位置 的编 码值 。最大特 点是测 点 位 移量 大 ，零 点调 节 方 便 ，避 免 了齿轮 啮 合 的 间 隙，克服了测量系统的往复性回差。 2 ． 2 恒 力收带式传感器用于液压平板闸门开度 的 测量 恒力收带式传感器用于液压平板闸门开度测量 时 ，只 需把 传感器 吊装 于 闸门上部 ，然 后拉 出钢 带 系于被 测 闸 门上端 即可 。由于钢带 的伸 缩长度 即为 闸门的升降高度，所以传感器的输出数据直接反映 5 0 水 利信 息 化 2 0 1 4 3 闸门的开度值，安装示意图如图 5 所示。 传感器 平板 闸门 图 5 - 噎力收 带式传 感器用于平板闸门开度测量 2 _ 3 恒 力收带式传感器用于液压弧形 闸门开度的 测量 恒力收带式传感器用于液压弧形闸门开度测量 时，首先做 1块弯板固定在油缸支铰上，在弯板上 安装传感器，最后拉出钢带并通过连接扣把钢丝绳 固定在活 塞拉 杆 的 吊头上 即可 ，安装 示 意 图如 图 6 所示 。由于 闸门提 升时 ，传感 器测 得 的数 据 为活塞 拉杆 的伸 缩量 ，而 闸 门开度又 是非 线性变 化 的 ，所 以，导 出闸 门开度 与活塞 拉杆 伸缩 长度 的数 学关系 是十分必要 的。 图 6 恒 力收带式传 感器 用于弧形 闸门开度 测量 实 际应 用 中 ， 当 弧 形 闸 门的 金 属 结 构 设 计 完 成 后 ，闸 门支铰 、油缸 支铰 、拉 杆支铰 、闸 门的半 径 ，以及 闸 门支铰 到拉 杆支 铰 、油缸 支铰到 拉杆 支 铰、弧形闸门底槛距闸门支铰的距离等几何关系都 是确定的，所以，设计选型只需提供闸门全开或全 关时活 塞拉 杆 的伸 缩量 ，传 感器 生产 厂家 即可通 过 固定的数学模型计算出闸门的开度 【 。 2 ． 4 应用举例 新 疆 北 疆 某 水 库 工 程 冲 砂 底 孔 闸 门采 用 液 压 弧形 闸 门设计 ，采用 恒力 收带 式传感 器测 量 闸 门开 度 。在 计 算 闸门实 际开度 时 ，将 闸门实 际开度 在全 行程范 围内离散 为 1 4个测量点 。由于启 闭机设备 电 子版设计 图纸 已按照 1 1 5 0的比例 设计 ，因此 当闸 门实 际开度分 别达到这 1 4个测量 点时 ，在 电子版设 计 图纸 中可通过 测距 的方 法 ，分别 测量 出拉杆 的实 际长度 ，然后将 1 4组测量 点的数据 记录在表 1中。 另 外 当 闸 门处 于 零 点 时 ， 记 录 下 当 前 编 码 器 的码 值 ，即表 1中的 J [ 数据 。 表 1 弧形闸f - ] 7 t 度计算表 表 1 中相关数据说 明如下 1 L 为对 应 H 的每个测量 点的拉杆 长度 数据 ， 为设计图纸中的实测数据。 2 D 表示闸门编码器码值，其中闸门开度处于 零点时的编码 器码值 D。 为现场实测 ，D ～D 为公式 计算 ，具体公式为 J [ l D0 0 一L1 1 0 2 4 ／ K， J [ 2 Do 0 一 L 2 1 0 2 4 ／ K， 依此类 推 。其 中，K 表 示 比例 系数 ，表示 闸门 开度 编码器每转 1周 码值 变化 1 0 2 4 时 ，拉杆长 度对应的变化值，此数据一般由启闭机厂家提供或 者现场实测得到 ，此工程实例 中K 5 7 0 。 设 l 厂 为闸 门实 际开度 ， 代表 闸门实际开度下 对应编码器实际输出的码值，根据 在 D ～D 数 值区间的不同，闸门实际开度计算方法如下 当 ≤ 时 ，Y No ； 当 Dl 3 时，l ， Hl 3 。 通 过 以上分 段线性 计算 的方法 ，最 终可根 据编 码 器 实际输 出的码 值 ，计 算得 出在 全行程 范 围 内的 闸门实际开度 。通过工程液压闸门开度计算实例 ， 表 明此种方法能有效计算弧形液压闸门的开度，且 具有较 高精度 ，能很好地满足工程 实际运行要求 。 3 结语 闸门开度测量是实现 闸门 自动控制的重要环 节 ，恒 力收带 式传感 器测 量精度 高 ，安装 简单 ，零 点调正方便，在液压式闸门的开度测量中有着明显 的优势， 目前在大型液压闸门的开度测量中得到了 较 好 的应用 。考 虑 到恒力 收带式 传感 器长 时 间使 用 后 ，会 出现拉 簧老化 、拉 力失效 、钢 丝绳 损坏等情 况，因此一些生产厂家选用合金弹簧、高强度钢丝 绳 、钢 丝 防腐处 理等 方式进 行 改进 ，进一 步提 高 了 设备 的可用 性和 长期稳 定性 。通 过对 闸 门开度测 量 方法 的 比较 和探 讨 ，希 望 能进一 步促进 闸门测控 技 术的进步，使行业水平迈上一个新的台阶。 参考文献 [ 1 】 卢万银 ，吴 红星 ，任启宏． 基 于 Mi c r o wi n 3 2的闸门开度 测量 与纠偏监控系统川 ． 人 民长江 ，2 0 0 9 1 6 6 9 7 O ． [ 2 ] 卢万 银，张崇巍 ． 双 吊点液压 弧型 闸门的开度测 量与纠 偏控N[ c] H 先进制造技术论坛暨第三届制造业 自动化与 信息化技术交流会论文集． 北京中国机械工程学会机 械工业 自动化分会 ，2 0 0 4 5 7 - 5 8 ． [ 3 ] 李详波． 绝对式角度编码器在摆动式液压弧形闸门开度 检测 中的研究 [ J ] ． 水 电站机 电技术 ，2 0 1 2 4 4 5 - 4 7 ． [ 4 】 孙乃清，宋长松． 绍兴汤浦水库溢洪道闸门计算机监控 系统改造[ J ] ． 水电自动化与大坝监测，2 0 1 0 1 7 6 - 7 8 ． Op e n i n g M e a s u r e me n t o f Hy d r a u l i c Ga t e W U Zh o n g e n Z h i a n g Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o p o w e r S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e ， H a n g z h o u 3 1 0 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n g a t e c o n t r o l d e s i g n e x p e r i e n c e s a n d ， b y c o mp a r i n g t h e o p e n i n g me a s u r e me n t me t h o d o f d i f f e r e nt g a t e s ， t hi s pa p e r e mph a t i c a l l y i nt r o d u c e s t h e c o ns t a n t f o r c e t a ke u p s e n s o r me a s u r i n g o pe n i n g m o d e i n t he h y d r a ul i c a l l y o p e r a t e d g a t e ． The a c tu a l e x a mp l e i n d i c a t e s t h e va l i d i t y a nd t h e p r a c t i c a b i l i t y o f t he me t ho d ．I t c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r t h e f u tur e de s i g n a n d s e l e c t i o n． Ke y wo r d s h y d r a u l i c a l l y o p e r a t e d g a t e ； g a t e o p e n i n g ； me a s u r e ； c o n s t a n t for c e t a k e up ； r o t a t i o n s h a f t ； e n c o d e r 简讯 全国水土保持规划通过专家审查 2 0 1 4年 5月 2 2日，水利部在京主持召开 全国水土保持规划 以下简称 规划专家审查会。水利 部副部长刘宁出席会议并讲话，水利部党组成员、总规划师周学文主持会议。 会议成立 了由院士、专家和有关部委代表 组成的专家组，听取 了规划 编制技术总负责单位 水利部水利水 电 规划设计总院 的汇报 ，对规划成果进行了深入讨论、认真 审查。 与会专家认为，全国水土保持规划作为新中国成立 6 0多年来我国开展的首次 白上而下和 自下而上相结合 的基础性 、综合性 、战略性规划 ，对于未来指导开展全 国范围的水土保持工作具有十分重要的意义 。专家组审 议认 为 ， 规 划采用 了第 一次全 国水利普查 、第 二次全 国土地 调查和第八次森林 资源 清查的最 新成果 ，充分 借鉴了中国水土流失防治与生态安全综合科学考察和已有的自然地理与生态区划成果，与全 国主体功能区规 划、全 国生态建设规划、全国生态保护与建设规划以及相关部门有关专项规划进行了衔接与协调， 规划 目 标明确、资料翔实、内容全面、布局合理、重点突出、措施基本可行，规划成果符合全国水土保持规划大纲、 技术细则等有关技术要求，符合我国实际情况。与会专家一致同意 规划通过审查，建议经进一步修改完善 后尽快上报审批。 水利信息化编辑 部