孫 猛， 王聞通， 季婷婷

(江蘇省灌溉總渠管理處， 江蘇 淮安 223200)

0 引 言

?？谀祥l為淮河入海水道末級(jí)樞紐控制工程，位于江蘇省鹽城市濱?？h振東鄉(xiāng)，黃海入?？谔?，工程具有泄洪、排澇、擋潮、沖淤、連接南北交通的功能，近期工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。?？谀祥l共5孔，單孔凈寬10 m，閘門(mén)型式為弧形鋼閘門(mén)，閘門(mén)通過(guò)液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備進(jìn)行啟閉[1]。通過(guò)工程運(yùn)用，發(fā)現(xiàn)原有閘門(mén)開(kāi)度測(cè)量值和實(shí)際偏差較大，隨著閘門(mén)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)功能不斷改善和工程的精準(zhǔn)調(diào)度要求，準(zhǔn)確可靠的進(jìn)行液壓弧形閘門(mén)的開(kāi)度測(cè)量就顯得尤為必要和重要，對(duì)于提高工程精準(zhǔn)調(diào)度的準(zhǔn)確度和提升工程管理水平十分關(guān)鍵。

1 原有閘門(mén)開(kāi)度測(cè)量裝置運(yùn)行情況分析

?？谀祥l原有測(cè)量閘門(mén)開(kāi)度的收繩傳感器設(shè)備安裝在工作橋上，由收繩傳感器殼體穿出的鋼絲繩經(jīng)過(guò)閘墩與工作橋轉(zhuǎn)角位置處的轉(zhuǎn)軸導(dǎo)向后，固定在閘門(mén)門(mén)頂。測(cè)量開(kāi)度時(shí)，長(zhǎng)度要經(jīng)過(guò)2次換算且鋼絲繩拉伸較長(zhǎng)，造成實(shí)際開(kāi)度采集誤差較大；而且此種開(kāi)度測(cè)量裝置安裝方式易引雷，造成編碼器等設(shè)備損壞，且實(shí)際運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)角處鋼絲繩經(jīng)常斷裂，整套開(kāi)度測(cè)量裝置運(yùn)行穩(wěn)定性較差，維護(hù)工作量和難度大[2]。原有閘門(mén)開(kāi)度測(cè)量裝置安裝示意見(jiàn)圖1。

圖1 原有開(kāi)度測(cè)量裝置安裝示意圖

2 閘門(mén)開(kāi)度測(cè)量裝置改進(jìn)主要內(nèi)容

2.1 安裝方式及位置改進(jìn)

針對(duì)原有閘門(mén)開(kāi)度測(cè)量裝置存在的問(wèn)題，通過(guò)多次查勘現(xiàn)場(chǎng)和研究分析，采取如下改進(jìn)措施：將恒力收繩傳感器殼體安裝在啟閉機(jī)液壓缸缸體上，排繩機(jī)構(gòu)安裝在殼體內(nèi)；鋼絲繩卷繞在排繩機(jī)構(gòu)上，且鋼絲繩的一端與排繩機(jī)構(gòu)固定，另一端穿出殼體后，通過(guò)繩夾與液壓桿的活塞桿固定；恒力收繩傳感器的排繩機(jī)構(gòu)能夠隨著液壓缸活塞桿的伸縮而帶動(dòng)鋼絲繩收、放卷，且處于殼體與繩夾之間的這一段鋼絲繩能夠始終與液壓桿的活塞桿保持平行。改進(jìn)后主要優(yōu)點(diǎn)為：鋼絲繩平行于液壓缸收放，不會(huì)造成鋼絲繩斷裂，安裝方便，隱蔽性較好，便于制作傳感器防護(hù)罩；同時(shí)因?yàn)閭鞲衅靼惭b隱蔽，遭雷擊的可能性大大降低，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。改進(jìn)后閘門(mén)開(kāi)度測(cè)量裝置安裝示意見(jiàn)圖2。

圖2 改進(jìn)后開(kāi)度測(cè)量裝置安裝示意圖

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)型式改進(jìn)

選用的自動(dòng)收繩傳感器在排繩機(jī)構(gòu)方面做了改進(jìn)[3]。排繩機(jī)構(gòu)包括恒力渦卷彈簧(反卷式)、排繩導(dǎo)塊、排繩絲桿以及測(cè)量輪。其中：排繩絲桿定位支撐在殼體內(nèi)；恒力渦卷彈簧包括第一渦卷部、第二渦卷部以及連接在第一渦卷部、第二渦卷部之間的連接段；第一渦卷部安裝在排繩絲桿上，而第二渦卷部則安裝在渦卷安裝軸上，排繩絲桿、渦卷安裝軸相互平行并錯(cuò)位設(shè)置。測(cè)量輪與排繩絲桿螺紋配合連接，鋼絲繩均勻地單層卷繞在測(cè)量輪的外壁，且鋼絲繩的一端與測(cè)量輪固定，另一端則穿過(guò)殼體內(nèi)排繩導(dǎo)塊上所設(shè)置的排繩孔后，伸出殼體設(shè)置。排繩導(dǎo)塊通過(guò)殼體內(nèi)安裝的固定桿懸置在測(cè)量輪上方。自動(dòng)收繩傳感器還包括編碼器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該編碼器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪傳動(dòng)副，包括相嚙合的齒輪a、齒輪b；齒輪a與排繩絲桿固定，而齒輪b則與齒輪軸定位支撐在殼體內(nèi)，齒輪軸通過(guò)殼體內(nèi)所設(shè)置的傳動(dòng)支撐板定位支撐。第一渦卷部套接在齒輪a與測(cè)量輪之間的排繩絲桿外圍。

運(yùn)行時(shí)，鋼絲繩拉出或收進(jìn)，帶動(dòng)測(cè)量輪的旋轉(zhuǎn)，測(cè)量輪同軸的編碼器輸出與直線(xiàn)位移變化量相對(duì)應(yīng)的編碼數(shù)據(jù)。自動(dòng)排繩機(jī)構(gòu)使得鋼絲繩均勻單層排列在測(cè)量輪上，極大地減小了非線(xiàn)性誤差，保證了測(cè)量的精度。具體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 收繩機(jī)構(gòu)整體示意圖

圖4 排繩機(jī)構(gòu)局部示意圖

3 改進(jìn)后閘門(mén)開(kāi)度測(cè)量計(jì)算與糾偏原理

海口南閘每孔閘門(mén)開(kāi)度測(cè)量由1套ZKY-3閘門(mén)開(kāi)度測(cè)控儀(糾偏)和2套 HLC-10恒力收繩傳感器完成[4]，利用HLC-10恒力收繩傳感器(配絕對(duì)值型編碼器)測(cè)量油缸的行程L，通過(guò)閘門(mén)開(kāi)度測(cè)控儀設(shè)定的參數(shù)，進(jìn)行非線(xiàn)性修正后轉(zhuǎn)換為閘門(mén)的開(kāi)度值輸出。具體A路和B路開(kāi)度測(cè)量計(jì)算公式如下：

A路開(kāi)度測(cè)量計(jì)算公式：

DXA=(Dn-Dn-1)(PXA-A0-(n-1)×PP)/PP+Dn-1

(1)

式中：D為開(kāi)度儀顯示值，P為編碼值，A0為零點(diǎn)編碼值，PP為編碼值間隔。

B路開(kāi)度測(cè)量計(jì)算公式：

DXB=(Dn-Dn-1)(PX-B0-(n-1)×PP)/PP+Dn-1

(2)

式中：Px為B路編碼值的線(xiàn)性修正值。

當(dāng)兩路傳感器型號(hào)不一樣時(shí)需先對(duì)編碼值進(jìn)行線(xiàn)性修正：

PX=PXB×BC/10000

(3)

式中：BC為線(xiàn)性修正系數(shù)。

A、B路偏差計(jì)算公式為

DAB=DXA-DXB

(4)

4 計(jì)算示例

以?？谀祥l為例，開(kāi)度測(cè)量裝置改進(jìn)后具體測(cè)量計(jì)算步驟如下：

(1)確定編碼間隔PP值

計(jì)算或測(cè)量啟閉機(jī)滿(mǎn)量程所用的編碼值，然后除以16段，計(jì)算出PP值(取大于計(jì)數(shù)值的整數(shù))。?？谀祥l開(kāi)度滿(mǎn)量程使用編碼為870碼，計(jì)算PP值：870/16=54.4，每個(gè)編碼為0.5 cm,選擇PP=55，即油缸每27.5 cm為一段。

(2)計(jì)算端點(diǎn)D1、D2……DF的值

根據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型測(cè)量及計(jì)算閘門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中液壓桿長(zhǎng)度變化所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)長(zhǎng)度，再根據(jù)已有的《?？陂l弧形閘門(mén)開(kāi)高與弧線(xiàn)位移關(guān)系圖》計(jì)算出對(duì)應(yīng)的開(kāi)高(閘門(mén)開(kāi)度)，具體參數(shù)和轉(zhuǎn)換關(guān)系見(jiàn)表1、圖5。

圖5 液壓桿長(zhǎng)度與閘門(mén)運(yùn)動(dòng)弧長(zhǎng)轉(zhuǎn)換關(guān)系

以上編碼值間隔及各端點(diǎn)的值，提前輸入到儀表中并存儲(chǔ)即可，實(shí)際開(kāi)啟時(shí)，儀表自動(dòng)按設(shè)定的參數(shù)計(jì)算(非線(xiàn)性修正)處理。

表1 編碼間隔PP值為55時(shí)閘門(mén)開(kāi)高換算

例如，A路實(shí)際開(kāi)度計(jì)算過(guò)程如下：

DXA=(Dn-Dn-1)(PXA-A0-(n-1)×PP)/PP+Dn-1

設(shè)置A路零點(diǎn)為150，編碼器測(cè)量的編碼值為288，288-150/55=2.5，由此判斷得知在第3段的線(xiàn)性范圍。則：

DXA=(Dn-Dn-1)(PXA-A0-(n-1)×PP)/PP+Dn-1=(D3-D2)(PXA-A0-(3-1)×PP)/PP+D2=(97-63)(288-150-2×55)/ 55+63=80

B路開(kāi)度計(jì)算過(guò)程與A路一樣。

5 結(jié) 語(yǔ)

自2019年6月?？谀祥l閘門(mén)開(kāi)度測(cè)量裝置改進(jìn)后，開(kāi)度檢測(cè)傳感器的穩(wěn)定性、可靠性大大提高。通過(guò)分段線(xiàn)性計(jì)算的方法，根據(jù)編碼器實(shí)際輸出的碼值，能較準(zhǔn)確地計(jì)算得出全行程范圍內(nèi)的閘門(mén)實(shí)際開(kāi)度。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況反饋，將測(cè)量裝置顯示的開(kāi)度與閘門(mén)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的開(kāi)度數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，偏差很小或基本沒(méi)有偏差，表明運(yùn)用改進(jìn)后的閘門(mén)開(kāi)度測(cè)量裝置，大大提高了液壓式啟閉弧形閘門(mén)開(kāi)度測(cè)量的穩(wěn)定性和精確度，較好地滿(mǎn)足工程實(shí)際運(yùn)行需要，為工程精準(zhǔn)調(diào)度運(yùn)行奠定了良好基礎(chǔ)，也為類(lèi)似工程閘門(mén)開(kāi)度測(cè)量裝置改進(jìn)提供有益借鑒。