泸定水电站3#泄洪洞弧形门液压启闭机活塞杆磨损原因分析

泸定水电站3#泄洪洞弧形门液压启闭机活塞杆磨损原因分析

蹇超

（四川华电泸定水电有限公司）

摘要：本文主要介绍了引用有限元模型分析计算液压启闭机油缸扰度，并就油缸扰度和导向套材料、结构对活塞杆磨损产生的原因分析。

关键词：弧形门；液压启闭机；活塞杆；磨损

1概述

四川华电泸定水电站泸定水电站位于四川省泸定县境内的大渡河干流上，为大渡河干流规划调整推荐22级方案的第12个梯级电站。电站的主要任务为发电，总装机容量为920MW。泸定水电站布置了三条泄洪洞，一条布置于坝区左岸，另外两条布置在右岸，从左至右依次为1#、2#和3#泄洪洞。其中3#泄洪洞为开敞式进口无压泄洪洞，进水口设检修闸门和工作闸门控制，工作闸门孔口尺寸14m×23m（宽×高）。由于3#泄洪洞工作闸门有局部开启运行的要求，并需满足在泄流区间中下泄任何流量的要求，水流条件好，故工作闸门采用弧形闸门。

3#泄洪洞弧形门液压启闭系统由国内知名厂家生产制造，并在设备招标时对制造标准和参数都作了详细严格的规定。液压启闭系统于2011年4月开始安装，并于2011年5月安装调试完毕。汛期由2#和3#泄洪洞联合运行进行水库调节和防汛，因3#泄洪洞为表孔，根据水库调度方案，3#泄洪洞弧形门启闭较为频繁。2011年6月发现3#泄洪洞液压启闭机左右油缸活塞杆底部相同位置有深度近5mm，宽度约为20cm磨损产生的划痕，造成油缸端盖密封损坏渗油。经初步分析判断造成这一情况发生的主要原因可能是液压油缸扰度过大和导向套结构不合理造成的。为此，进行了专题分析研究。

2液压油缸扰度分析计算

3#泄洪洞弧形门液压启闭机采用斜拉式安装，由于其液压缸行程较长，与铅垂线存在一定夹角，在重力和轴承摩擦力的作用下，在闸门全关状态和闸门启闭过程中，液压缸势必存在一定的扰度和弯曲。如果设计不合理，扰度和弯曲达到一定程度，将造成活塞杆磨损，甚至断裂。因此，首先对液压启闭机油缸扰度进行了计算分析。

液压启闭机油缸的设计首先要满足强度和刚度的基本要求。根据《水利水电工程启闭机设计规范》（SL41-93）对弧形门液压启闭机油缸扰度没有明确说明，仅对活塞杆长细比作了规定，要求其≤250。随着液压启闭机大型化的发展，单纯以长细比作为油缸扰度的限制条件显然已经无法满足实际需要。泸定水电站3#泄洪洞液压启闭机活塞杆长细比为12990/340=38.2，远远满足规范的要求。为能更准确的判断油缸扰度是否满足实际情况，为此，通过引用博世力士乐公司研究开发的有限元模型进行计算分析。

①模型的建立

有限元模型就是将一个整体结构划分成一定数量的基本单元后得到的模型。液压缸可看成由两部分组成的，带活塞的活塞杆和缸筒。在有限元模型中，导向件可用同等数目的弹簧来表示（见图1）。沿着缸筒长度方向上，可以任意添加外力和转矩。同时在建立有限元模型时需充分考虑液压油及安装支撑处摩擦力对液压缸扰度的影响。液压油的影响主要为，当液压油受到挤压时，将产生拉力和推力；拉力将影响整个液压缸的弯曲强度，推力将使液压缸膨胀导致活塞杆与导向套之间间隙增大。安装支撑处摩擦力力矩随着闸门启闭位置不同，将对液压缸扰度产生正向或负向的影响，在分析时摩擦力力矩必须输入其方向、摩擦系数等。

（图1：液压缸有限元模型）

各单元刚度矩阵可用下列公式描述：

Ke×Ue=Fe+Pe

其中：Ue=单元节点的位移矩阵

Ke=单元的刚度矩阵

Fe=单元节点的力矩阵

Pe=单元的外力矩阵

根据每个单元刚度矩阵的位置，将其排列到整个结构总矩阵中，整个结构的扰度就能计算出来。

②3#泄洪洞弧形门液压缸扰度计算

泸定水电站3#泄洪洞弧形门液压启闭机主要技术参数如下：

启门力:2×4000KN

闭门力：闸门自重

工作行程：11783mm

全行程：12000mm

闸门全关油缸长度：27542mm

闸门全开油缸长度：15759mm

液压缸内径：630mm

活塞杆直径：340mm

工作油压：18.1MPa

闸门全关时液压缸水平夹角：58.5068°

闸门全开时液压缸水平夹角：9.1396°

依据DIN标准，液压缸扰度最大允许为伸出长度的1/125。根据参数可计算出此值为：27542/125=220mm；活塞杆与缸头最大间隙厂家允许值为：0.5mm。将相关参数代入模型程序中计算，其结果见下表：

从以上计算结果可以看出，泸定水电站选用的630/340液压缸在闸门全关活塞杆全部伸出状态时，其最大扰度，活塞杆与缸头间隙均未超过规定值。显然，造成活塞杆严重磨损的原因不是扰度问题。

3导向套材料及结构分析

弧形门液压启闭机是斜拉式安装，因此液压缸的扰度将与导向套之间产生很大的力矩（见图2）。特别是闸门在小开度运行时，活塞杆基本在全伸出状态其扰度最大，此时传递到导向套的力矩是全缩状态所受力矩的上百倍，因此导向套的材料选择和结构异常重要。

（图2：导向套与活塞杆接触示意图）

经过对油缸解体发现，导向套处V形组合密封圈已全部磨损并碳化，导向套、防尘套、刮污圈下半周均磨损严重。导向套材料为ZCuAl10Fe3铸造铜合金，防尘套和刮污圈材料均为Q235A，经分析试验后将导向套和刮污圈材料调整为全铜质。在对防尘套结构与设计图纸对照发现，厂家在生产时未对其进行45°倒角，导致活塞杆在运动过程中与防尘套之间由面接触变为了点接触，使得力矩增大很多倍，这是造成本次活塞杆严重磨损的主要原因。

经过对3#泄洪洞弧形门液压启闭机活塞杆和导向套部分进行了更换，经过几个汛期的运行，液压启闭机系统运行正常。

4结语

弧形门朝大型和超大型化是未来发展的方向，液压缸尺寸越来越大。电站业主方主要关注液压启闭机尺寸、压力、油缸扰度等是否满足规范的要求，往往忽略了细小部件对整体结构的影响。泸定电站3#泄洪洞弧形门液压缸活塞杆磨损不仅造成了较大的经济损失，同时也严重影响了防洪度汛安全。此文的出发点是希望水电站业主在选择弧形门液压系统要对重要结构部件认真分析，制造厂在出厂总装时电站业主方一定要对照图纸对部件一一验收，避免同类事件的再次发生。

参考文献

[1]博士力士乐公司油缸扰度计算程序说明书.

[2]《水利水电工程启闭机设计规范》（SL41-93）.

作者简介

蹇超（1975年出生），男，四川眉山人，大学本科，工程师，主要从事水电站机电设备安装、运行、维护等工作。工作单位：四川华电泸定水电有限公司（四川省甘孜州泸定县）。