吳忠恩

（浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310000）

0 引言

隨著我國水利事業(yè)的跨越式發(fā)展，越來越多的閘門，特別是大噸位的閘門采用了液壓式啟閉機(jī)[1]。為保證液壓閘門的可靠運(yùn)行，也為了使閘門控制能更好地納入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行液壓閘門的開度測量就成了一個(gè)十分現(xiàn)實(shí)和重要的課題。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸式傳感器用于液壓閘門的開度測量，由于安裝繁瑣、測量精度不高、重復(fù)性差，愈來愈顯示出固有的弊端。將恒力收帶式傳感器用于液壓閘門的開度測量，在實(shí)際工程運(yùn)行中得到了良好反映。在此基礎(chǔ)上結(jié)合多年閘門控制設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將恒力收帶式與轉(zhuǎn)軸式傳感器在液壓閘門的開度測量方面作個(gè)比較，期望為今后設(shè)計(jì)選型提供參考。

1 轉(zhuǎn)軸式傳感器用于液壓閘門的開度測量

轉(zhuǎn)軸式傳感器是采用接觸式軸角編碼器或光電傳感器制成的一種角位移傳感器[2]，目前已廣泛應(yīng)用于卷揚(yáng)式平板門和弧形門的開度測量。但是，當(dāng)把轉(zhuǎn)軸式傳感器用于液壓閘門的開度測量時(shí)，盡管采取了多種不同的測量方法，在精度、安裝和調(diào)試等方面仍存在諸多問題。

1.1 通過測繩、掛輪、重錘完成液壓閘門的開度測量

轉(zhuǎn)軸式傳感器通過測繩、掛輪、重錘可以完成液壓平板門和弧形門的開度測量，平板閘門的開度測量示意圖如圖 1 所示。在進(jìn)行這種傳感器的安裝時(shí)，首先要把裝有掛輪的轉(zhuǎn)軸式傳感器裝于閘門上方的合適位置，然后把測繩的一端系于閘門的某一固定點(diǎn)，并令測繩繞過掛輪，在測繩的另一端系上重錘。

圖1 平板閘門的開度測量

此種方法在應(yīng)用于平板閘門開度測量時(shí)能滿足一般的測量精度使用要求；但應(yīng)用于弧形閘門時(shí)，由于存在明顯的固有機(jī)械和非線性位移導(dǎo)致的計(jì)算等方面誤差，已逐漸被淘汰。

1.2 利用聯(lián)軸節(jié)完成液壓弧形閘門的開度測量

聯(lián)軸節(jié)是一種能把轉(zhuǎn)軸式傳感器和卷揚(yáng)式轉(zhuǎn)動(dòng)軸或油缸轉(zhuǎn)動(dòng)支鉸連接起來的萬向聯(lián)軸器。采用聯(lián)軸節(jié)完成對閘門的開度測量，就是把傳感器與卷揚(yáng)式轉(zhuǎn)動(dòng)軸或油缸轉(zhuǎn)動(dòng)支鉸直接相連，通過傳感器測得的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，對應(yīng)到相應(yīng)的閘門升降高度，可以完成對閘門開度的測量[3]，安裝示意圖如圖 2 所示。

圖2 利用聯(lián)軸節(jié)完成開度測量

此測量方法的優(yōu)點(diǎn)是傳感器安裝簡單，關(guān)系比較明確。當(dāng)用于卷揚(yáng)式閘門開度測量時(shí)，只要知道轉(zhuǎn)動(dòng)軸每度的角位移對應(yīng)鋼絲繩的變化長度，就可以確定閘門的開度量。缺點(diǎn)是當(dāng)用于液壓式閘門測量時(shí)，傳感器調(diào)正困難，精度低，重復(fù)性差。液壓啟閉機(jī)的油缸支鉸轉(zhuǎn)動(dòng)角度一般在 60° 左右，閘門開度一般在 10 m 以上，如果考慮到液壓弧門的非線性校正，即使?jié)M足閘門開度 1 cm 的分辨率，對傳感器靈敏度的要求一般也應(yīng)不低于 104 圈/轉(zhuǎn)。很明顯，對于如此高靈敏的傳感器，當(dāng)用于閘門的現(xiàn)場零位調(diào)整時(shí)，由于油缸本身和傳感器的回差，調(diào)試工作相當(dāng)困難，且測量的重復(fù)性也很差，目前該測量方式主要應(yīng)用在一些測量精度要求不高的場合。

1.3 利用扇齒輪（齒條）完成液壓弧形閘門的開度測量

為避免傳感器與油缸支鉸直接相連時(shí)傳感器零點(diǎn)難以調(diào)試的弊端，實(shí)際施工中調(diào)試人員常在油缸支鉸上安裝 1 個(gè)大齒數(shù)的扇齒輪，通過齒輪嚙合增速后，再與傳感器連接，安裝示意圖如圖 3 所示。

圖3 利用扇齒輪完成開度測量

此測量方法的優(yōu)點(diǎn)是傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)比較多，傳感器的零點(diǎn)易于調(diào)節(jié)；缺點(diǎn)是傳感器與油缸支鉸的連接需要增加 1 個(gè)齒輪箱，現(xiàn)場安裝比較麻煩，而且齒輪的嚙合間隙也會造成測量的回差。由于安裝的復(fù)雜性，該類測量方式已逐步被其他測量方法取代。

2 恒力收帶式傳感器用于液壓閘門的開度測量

由于轉(zhuǎn)軸式傳感器在測量液壓弧門開度時(shí)存在難以克服的缺點(diǎn)，經(jīng)過技術(shù)創(chuàng)新，在一些工程中開始采用恒力收帶式傳感器，取得了相對滿意的效果。

2.1 恒力收帶式傳感器結(jié)構(gòu)原理

恒力收帶式傳感器實(shí)際上是一種長度傳感器，采用彈簧力平衡原理，主要由高精度位移傳送系統(tǒng)（鋼帶及鏈輪）、恒力裝置（平衡彈簧組件）和編碼器等部件組成，結(jié)構(gòu)原理如圖 4 所示。

圖4 恒力收帶式傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖

傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：測量范圍為 0～19.999 m ；分辨率 1 mm；基本誤差為 ± 1 mm；重復(fù)性誤差 ≤± 1 mm；回差＜ 2 mm。

采用恒力收帶式傳感器進(jìn)行閘門開度測量時(shí)，一旦被測量閘門位置發(fā)生變化，恒力彈簧組件轉(zhuǎn)動(dòng)，收進(jìn)或放出鋼帶，帶動(dòng)鏈輪與編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，從而輸出被測量閘門位置的編碼值。最大特點(diǎn)是測點(diǎn)位移量大，零點(diǎn)調(diào)節(jié)方便，避免了齒輪嚙合的間隙，克服了測量系統(tǒng)的往復(fù)性回差。

2.2 恒力收帶式傳感器用于液壓平板閘門開度的測量

恒力收帶式傳感器用于液壓平板閘門開度測量時(shí)，只需把傳感器吊裝于閘門上部，然后拉出鋼帶系于被測閘門上端即可。由于鋼帶的伸縮長度即為閘門的升降高度，所以傳感器的輸出數(shù)據(jù)直接反映閘門的開度值，安裝示意圖如圖 5 所示。

圖5 恒力收帶式傳感器用于平板閘門開度測量

2.3 恒力收帶式傳感器用于液壓弧形閘門開度的測量

恒力收帶式傳感器用于液壓弧形閘門開度測量時(shí)，首先做 1 塊彎板固定在油缸支鉸上，在彎板上安裝傳感器，最后拉出鋼帶并通過連接扣把鋼絲繩固定在活塞拉桿的吊頭上即可，安裝示意圖如圖 6所示。由于閘門提升時(shí)，傳感器測得的數(shù)據(jù)為活塞拉桿的伸縮量，而閘門開度又是非線性變化的，所以，導(dǎo)出閘門開度與活塞拉桿伸縮長度的數(shù)學(xué)關(guān)系是十分必要的。

圖6 恒力收帶式傳感器用于弧形閘門開度測量

實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)弧形閘門的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，閘門支鉸、油缸支鉸、拉桿支鉸、閘門的半徑，以及閘門支鉸到拉桿支鉸、油缸支鉸到拉桿支鉸、弧形閘門底檻距閘門支鉸的距離等幾何關(guān)系都是確定的，所以，設(shè)計(jì)選型只需提供閘門全開或全關(guān)時(shí)活塞拉桿的伸縮量，傳感器生產(chǎn)廠家即可通過固定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出閘門的開度[4]。

2.4 應(yīng)用舉例

新疆北疆某水庫工程沖砂底孔閘門采用液壓弧形閘門設(shè)計(jì)，采用恒力收帶式傳感器測量閘門開度。在計(jì)算閘門實(shí)際開度時(shí)，將閘門實(shí)際開度在全行程范圍內(nèi)離散為 14 個(gè)測量點(diǎn)。由于啟閉機(jī)設(shè)備電子版設(shè)計(jì)圖紙已按照 1︰150 的比例設(shè)計(jì)，因此當(dāng)閘門實(shí)際開度分別達(dá)到這 14 個(gè)測量點(diǎn)時(shí)，在電子版設(shè)計(jì)圖紙中可通過測距的方法，分別測量出拉桿的實(shí)際長度，然后將 14 組測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄在表1 中。另外當(dāng)閘門處于零點(diǎn)時(shí)，記錄下當(dāng)前編碼器的碼值，即表1 中的 D0數(shù)據(jù)。

表1 弧形閘門開度計(jì)算表

表1 中相關(guān)數(shù)據(jù)說明如下：

1）L 為對應(yīng) H 的每個(gè)測量點(diǎn)的拉桿長度數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)圖紙中的實(shí)測數(shù)據(jù)。

2）D 表示閘門編碼器碼值，其中閘門開度處于零點(diǎn)時(shí)的編碼器碼值 D0為現(xiàn)場實(shí)測，D1～D13為公式計(jì)算，具體公式為

依此類推。其中，K 表示比例系數(shù)，表示閘門開度編碼器每轉(zhuǎn) 1 周（碼值變化 1024）時(shí)，拉桿長度對應(yīng)的變化值，此數(shù)據(jù)一般由啟閉機(jī)廠家提供或者現(xiàn)場實(shí)測得到，此工程實(shí)例中 K = 570。

設(shè) Y 為閘門實(shí)際開度，X 代表閘門實(shí)際開度下對應(yīng)編碼器實(shí)際輸出的碼值，根據(jù) X 在 D0～D13數(shù)值區(qū)間的不同，閘門實(shí)際開度計(jì)算方法如下：

通過以上分段線性計(jì)算的方法，最終可根據(jù)編碼器實(shí)際輸出的碼值，計(jì)算得出在全行程范圍內(nèi)的閘門實(shí)際開度。通過工程液壓閘門開度計(jì)算實(shí)例，表明此種方法能有效計(jì)算弧形液壓閘門的開度，且具有較高精度，能很好地滿足工程實(shí)際運(yùn)行要求。

3 結(jié)語

閘門開度測量是實(shí)現(xiàn)閘門自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)，恒力收帶式傳感器測量精度高，安裝簡單，零點(diǎn)調(diào)正方便，在液壓式閘門的開度測量中有著明顯的優(yōu)勢，目前在大型液壓閘門的開度測量中得到了較好的應(yīng)用?？紤]到恒力收帶式傳感器長時(shí)間使用后，會出現(xiàn)拉簧老化、拉力失效、鋼絲繩損壞等情況，因此一些生產(chǎn)廠家選用合金彈簧、高強(qiáng)度鋼絲繩、鋼絲防腐處理等方式進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提高了設(shè)備的可用性和長期穩(wěn)定性。通過對閘門開度測量方法的比較和探討，希望能進(jìn)一步促進(jìn)閘門測控技術(shù)的進(jìn)步，使行業(yè)水平邁上一個(gè)新的臺階。

[1]盧萬銀，吳紅星，任啟宏. 基于 Microwin32 的閘門開度測量與糾偏監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 人民長江，2009 (16): 69-70.

[2]盧萬銀，張崇巍. 雙吊點(diǎn)液壓弧型閘門的開度測量與糾偏控制[C]//先進(jìn)制造技術(shù)論壇暨第三屆制造業(yè)自動(dòng)化與信息化技術(shù)交流會論文集. 北京：中國機(jī)械工程學(xué)會機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化分會，2004: 57-58.

[3]李詳波. 絕對式角度編碼器在擺動(dòng)式液壓弧形閘門開度檢測中的研究[J]. 水電站機(jī)電技術(shù)，2012 (4): 45-47.

[4]孫乃清，宋長松. 紹興湯浦水庫溢洪道閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造[J]. 水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2010 (1): 76-78.