三峡工程水工金属结构介绍

第一章液压启闭机第一节概述在水利水电工程中，水工液压启闭设备主要用于操作闸门启闭，通常由液压泵站、液压油缸、液压管路、控制阀组及电气检测保护等装置组成，它在最初应用到水利水电工程中时，因收到当时国内工业技术水平的制约，未得到广泛的应用，随着材料工艺的发展和机加工水平的革新，特别是到20世纪70年代末，无缝钢管在液压缸内孔工艺上的成功应用，使液压缸总成的的技术经济指标得到显著优化，改革开放后，国外先进液压技术和液压元器件产品进入国内市场，进一步加速了液压启闭机技术的发展，液压启闭机已成为目前水利工程中主流启闭设备。

在三峡水利枢纽工程中，共设置有23套泄洪深孔弧形工作门、26套进水口快速门、8套排沙孔工作门、3套排漂孔弧形工作门、两套冲沙闸和1套电源电站工作门，包括围堰发电期时的22个导流底孔，他们的启闭都是采用液压传动来实现。

在三峡水利枢纽工程各类液压启闭机总计约需120多台，总重达9700多吨，最大油缸行程可达16m。

在双线五级船闸中，共有24扇巨型人字闸门，通过相应的液压启闭机来操作。

在其输水系统中，总共有24个反向弧形闸门，也采用了液压启闭机操作。

在垂直升船机中，也有少量的液压启闭机用于上、下闸首处的卧倒门和下闸首的工作门。

这些液压启闭机的可靠运行是确保长江防洪、发电、航运发挥综合效益的关键之一。

与启闭机械配套工作的是闸门。

闸门是水利枢纽中最重要组成部分之一，主要用于是调节上下游水位，实现防洪、引水发电、通航、排沙等的作用发挥。

闸门种类很多，一般可按闸门的工作性质、设置部位、使用材料和构造特征等进行分类。

在三峡枢纽工程中应用的全部为钢制闸门，按构造特征主要包括两种类型，深孔、排漂孔、冲沙闸和五级船闸输水系统工作阀门为弧形工作门，其它均为平面闸门，其中弧门为潜孔闸门。

表1-1-1 三峡主体工程液压启闭机主要技术参数目前，液压技术的发展前沿是插装技术和比例阀控制技术，用液压-电子技术控制大流量大功率的液压系统，且容易实现远程自动化集中控制。

在三峡工程中，一般的液压启闭机有远方、现地、检修和手动四种控制方式，切换至“远方”位时，可实现中控室和集控式直接控制，当需要现地操作时，可切换操作方式至“现地”，这两种方式均是利用PLC程序进行控制，在程序中在启泵和电磁阀动作前会先判断液位、油温是否正常、运行过程中会判断速度是否正常，滤芯压力是否报警，如出现异常则蜂鸣报警提示或直接发出停泵指令，确保系统工作安全。

不难看出，三峡液压启闭设备在工程中有着非常重要的地位及作用，特别是应用在这样一个世界级的水电工程上，它的技术难度更不容忽视。

从泄洪调节水位，保护机组故障飞逸，到确保航道通畅，液压启闭设备和闸门又具有各自的工作特性和技术要求，在接下的章节中，我们将详细分析液压系统控制和闸门检修和运行的相关知识。

第二节液压启闭机一、三峡主体工程中液压启闭机分类在水利工程中，液压启闭机是操作闸门的一种启闭设备，液压启闭机种类很多，按照液压启闭机油缸的作用方式可分为单作用缸和双作用缸，除此之外，根据吊点数量，还有单吊点和双吊点之分；根据油缸固定型式还有有浮动式、摆动式和固定式之分。

在三峡工程中包含了各种类型的液压启闭机，我们一般按照液压启闭机的用途来分，主要有下面四种型式：QPPY系列普通平面闸门液压启闭机：应用在三峡大坝8个排砂孔。

本系列产品根据结构形式又分为三个系列，分别为QPPYⅠ系列（柱塞式）、QPPYⅡ系列（活塞式）、QPPY-D 系列（倒挂式）。

QPKY系列平面快速闸门液压启闭机，如三峡机组进水口；QHSY系列深孔弧门液压启闭机，如三峡工程23个泄洪深孔；QRWY系列人字闸门液压启闭机，如三峡永久船闸的液压启闭机。

这些系列代号的命名分别与各自的特点的闸门形式有关。

譬如，QPKY系列平面快速闸门液压启闭机，“Q”—代表启闭机，“P”—代表平面闸门，“K”—代表快速，“Y”—代表液压。

三峡主体工程共有62套液压启闭机，26套QPKY系列平面快速闸门液压启闭机，8套QPPY系列普通平面闸门液压启闭机，28套QHSY系列深孔弧门液压启闭机。

下面内容将重点讲解三峡主体工程中液压启闭机的组成、内部结构及重要的零部件特点。

二、三峡液压启闭机油缸的组成液压启闭机实际上是一个液压传动系统，通常由液压泵站、油缸、液压阀组、液压管道及电气检测和控制装置组成，通常我们在本节中，我们着重讲解三峡液压启闭机主要零部件的特点。

液压油缸是液压启闭设备的执行机构，主要功能是将压力油的能量转变为活塞杆往复直线运动的机械能，以实现启闭闸门。

根据各自所需工况的不同，油缸的结构特点也有所不同，其主要构件有活塞、活塞杆、缸筒、导向套、端盖，另外三峡快速门油缸内部还设置有缓冲套，排沙孔液压油缸顶部设置有机械锁定装置。

下面以三峡快速门液压油缸的内部结构为例，重点讲解其内部零部件结构，其他油缸的内部结构大致相似，不同的是油缸的支承型式，深孔和排漂孔采用“十字铰”内嵌球面轴承。

1-充液阀 2-上缸盖 3-活塞 4-支承锥面 5-缸体 6-缓冲套7-缸体焊缝 8-测压接口 9-下端盖 10-下腔油管 11-活塞杆图1-2-1 快速闸门液压油缸的结构图如图2-1的油缸是QPKY系列快速闸门油缸的典型结构形式，主要由前后端盖（2、9），活塞杆11、缸体5、缓冲套6、活塞3等组成。

启闭机油缸竖式安装，尾部锥面或球面支承，可以使油缸自由摆动，以消除启闭机和闸门的制造和安装误差对油缸运行的不利影响，球面支承在理论上受力状态比其他支承型式更为理想，但因球面加工制造和检测上尚存在一定难度，行业内现多采用锥面进行支承，三峡二期工程机组进水口液压启闭机设计图纸中基本采用球面支承，但国内厂家实际生产能力达不到理想球面要求，在三峡三期工程中机组进水口油缸的支承型式变为了锥面支承。

1.缸体随着液压技术在我国水工机械产品的不断发展和广泛应用，液压缸的需求朝着大型和超大型，以及高可靠性和稳定性发展趋势,为提高超大型液压启闭机制造工艺工装水平,国内液压缸制造厂家引进和研制了超大型油缸体加工刀具系列,并采用一次拉镗滚压工艺及内孔珩磨工艺两种加工方法，是的油缸缸体内表面达到Ra0.4和H8级的加工精度，达到目前世界先进水平。

缸体常用材料为35号或45号钢的无缝钢管，一般大直径的无缝钢管仅有8-9m长，所以较长的油缸缸体均是经过两段对接焊接，再经过正火和高温回火调质处理。

2.活塞杆液压缸是液压启闭机的关键部件，而活塞杆又是液压缸的核心部件，一旦活塞杆损坏，液压缸将产生泄漏或失效，闸门将无法操作，因此，提高活塞杆的性能，对于液压缸乃至液压启闭机的整体性能至关重要。

目前我国主要使用的仍是传统的镀铬活塞杆，活塞杆基材一般为35号或45号钢，大型活塞杆也有采用40Cr,为使表面获得良好的耐腐蚀和耐磨损的机械性能，活塞杆表面通常采用镀铬处理，在电镀前后的工艺控制至关重要，须进行严格的镀前消应和镀后去氢。

在近些年的大型水利工程中，像二滩的两个泄洪洞和景洪水电站表孔的液压油缸采用了国外普遍采用的陶瓷活塞杆，三峡泄洪深孔原为40Cr镀铬活塞杆，后也改造为陶瓷杆。

陶瓷材料通常为金属氧化物的混合体，如一定配比的三氧化二铝（Al2O3）和二氧化钛（TiO2）金属粉末在15000℃的高温下熔化成液状，通过多组高压喷射管均匀的喷涂在预处理好的活塞杆表面上，在工艺上需严格控制好工件的旋转速度和喷管的进给量。

涂层厚度一般在300μm～500μm左右。

图1-2-2 活塞杆1-活塞杆锁定装配位置（普通螺纹） 2-活塞压圈装配位置（普通螺纹）3-活塞和挡圈的装配位置（梯形螺纹） 4-吊头装配位置（梯形螺纹）5-活塞压紧螺母 6-活塞一 7-活塞二 8-组合密封圈 9-减摩环图1-2-3 活塞零件图及实物图在活塞杆顶部装有活塞（6和7），如图2-2活塞零件图，用于分隔有杆腔和无杆腔，从而创造了形成压力差的条件。

从活塞的局部放大图中可以看到在V形组合圈8的压环的背面通过圆孔与压力腔相连，保证V形密封圈唇边与内缸壁紧密贴合，且油压越高压得越紧，为使V型圈唇边在工作中不发生扭曲现象，一般在V形圈后面加装了支承环。

双作用缸在两个方向的均设有组合密封圈。

活塞密封圈的属于动密封，在下端盖的上也装有类似的动密封，以防止有杆腔渗油，造成环境污染和闸门下滑。

在活塞中部装有减摩环9，通常采用ZCuAl10Fe3之类的铸铜合金材料，减摩环与油缸内壁一般为间隙配合，其端面为活塞动密封支承环的安装定位基准，本身也对活塞起到一定导向作用。

在快速门闸门的油缸活塞杆上还安装有缓冲套（如图2-3油缸结构图中的件6），图2-4a 是缓冲套的截面结构图，在其表面上螺旋状分布着多个小孔，这些小孔的直径在5mm左右，在当工作门下落至接近底坎位置时，缓冲套进入下端盖的缓冲腔内，通过减少进入下腔油缸的油液流量实现减速。

在下端盖（如图2-2油缸结构图中的件9）的油液出口处还装有节流孔板（如图2-4b），通过试验调整孔板圆孔直径，可控制闸门全关所需的时间，并保证闸门在设计安全速度下平稳落到底坎上。

a）缓冲套 b）节流孔板图1-2-4 缓冲和节流零件图3.密封端盖下图表述的是三峡快速门油缸的上下端盖。

a-油缸下端盖 b-油缸上端盖图1-2-5 快速门油缸端盖端盖的作用是密封油缸的上下腔，保证油缸形成封闭的容积，它的形式基本有两种，平盖和碟形盖。

如图2-5a有杆腔的下端盖还可以兼做缓冲腔，配合缓冲套来减缓闸门运行速度。

图2-5 b所表示的均为油缸无杆腔的密封端盖，在其法兰面上或管壁上加工有静密封槽，其端面上可安装油管、排气阀或充液阀，随着液压启闭机技术的发展，在其上腔端面上还可安装内置式开度仪。

调整垫圈导向套图1-2-6 端盖密封上配套安装组件在油缸的下端盖中通常还安装有导向套和调整垫片，如图2-6。

活塞杆的两端为活塞和吊头，在其两者之间还有导向套，通常导向套安装在下端盖的前部，材质通常选择为精典的衬套材料，有一定强度但较小硬度的铸铜合金。

4、位置检测装置液压启闭机在启闭过程中闸门位置检测仪是实现自动化控制和速度保护的关键装置，闸门开度检测装置和闸门位置检测装置发出的闸门位置信号送到本现地控制站的PLC中，由PLC处理这些信号实现闸门任意开度或开终的控制。

在三峡工程中目前使用的闸门开度检测仪分为内置式开度仪（三期快速门和排漂）和外置式开度仪（二期工程）。

外置式开度和内置式开度仪的检测原理是相同的，都是由钢丝绳牵引、编码器计数。

所不同的是检测钢丝绳在油缸内部还是安装在油缸外部。

如图2-7和图2-8所示的内置式开度仪原理图和零件图，当活塞下行时，与活塞联接的钢丝绳带动转子和主轴正向旋转，通过主轴的旋转使弹簧收紧。

当活塞上行时，弹簧依靠其回复力矩使主轴带动转子反向旋转，并拉紧钢丝绳。