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摘要：简要阐述了船闸选用人字门与下沉门的闸门形式优缺点对比分析，介绍了下沉门同步纠偏控制的工作原理与动作过程，并对下沉门和人字门的电气控制技术进行了对比分析。
关键词：船闸、人字门、下沉门、启闭机、同步纠偏
前言
目前，国内中高水头船闸的闸门形式普遍选用人字门形式，采用下沉门形式的较少；低水头船闸闸门形式采用人字门、横拉门较为常见，但人字门形式占大多数；启闭机按传动形式分为机械传动与液压传动。人字门在全关状态时，两扇门在斜接柱上互相支承而形成“∧”形而得名；传动机构呈水平运动方向。人字门的传动机构以液压传动、机械传动的形式较为常见，在闸墙两侧空腔内对称卧式布置传动机械设备机房。下沉门的传动机构呈垂直运动方向，在全关状态时，闸门的门叶顶部低于上游正常挡水位。下沉门的传动机构以液压传动为主，在闸墙顶部平台上布置设备机房。随着国内机械制造工艺和液压元件系统列化、标准化水平的提高，和液压传动具有启闭力大、金属结构尺寸小、土建结构简单的优点，采用液压启闭机的趋势已越来越明显。
水口三级船闸是水口水电站枢纽工程主要建筑物之一，位于大坝右岸，与毗邻的升船机一道承担闽江永久通航任务。设计年货运量400万吨，木竹运量200~250万立方米，船闸通航规模为2×500t级标准船队。船闸上下游设计水位差为57.36m，共分三级，单级最大设计水头为41.74m，为目前国内之最。三级船闸全长1198m，主要由四个闸首，三个闸室以及上下游引航道组成。闸室有效尺寸为135×12×3m（长×宽×吃水深度），船闸I、II、III闸首采用双吊点式下沉门，闸门尺寸分别为12×13.5m、12×10m、12×10m，IV闸首采用人字门，单孔闸门尺寸为12×19.1 m。
1 人字门、下沉门闸门形式对比
采用人字门闸门形式时，由于启闭机械设备机房布置在闸墙两侧空腔内，土建结构、施工工艺较复杂，土建工程量和造价相对较大、较高；设备工作环境潮湿，容易引起金属构件的锈蝕。由于设备机房与闸墙顶部存在一定的高差，大型备品备件、维护工具的搬运较为困难。1998年6月23日水口电站遭遇百年一遇洪水，四闸首启闭机械设备全部被浸泡在洪水达2天时间，事后的设备检查与抢修共耗时4天。下沉门机械设备机座直接布置在与闸门门体的闸墙顶部位置上，土建施工简单，工程量和造价低。环境干燥，设备的运输、搬运容易，不存在被洪水淹没的可能。
人字门启闭机的启闭力主要取决于闸门的运行摩擦阻力；而下沉门启闭机的启闭力则不仅要克服门体自身的重量，很大程度上还取决于闸门的运行摩擦阻力，短时的闸门结构隔板间的水体重量。因此，下沉门时所需的启闭力明显大于人字门的启闭力；同样也可在启闭机的其它技术参数上得到具体反映。附表列出了水口船闸一闸首下沉门、四闸首人字门液压启闭机的主要技术参数对照表。从表中我们可以看出：四闸首人字门闸门孔口尺寸比一闸首下沉门大出近50%的面积，但人字门启闭机本身的总重量只有一闸首下沉门的1/4，油缸工作行程只有一闸首下沉门的1/7，启/闭速度只有一闸首下沉门的1/5，电机额定功率只有一闸首下沉门的1/4，油泵公称流量只有一闸首下沉门的1/7，人字门最大启闭力（开门力）也只有一闸首下沉门最大启闭力（关门力）的1/3。因此，我们可以得出第一点结论：当船闸闸门形式采用人字门时，液压启闭机自身的重量、尺寸明显减少，所需的电机功率、油泵流量参数大幅下降，特别是最大启闭力和启/闭速度的显著降低，对系统的设计、运行、维护等方面的影响很大。
人字门中间止水和下沉门顶止水机理不同。当人字门全关时，其左右两扇闸门对接侧边的P形橡胶密封条和止水压板尚未压紧密封；当闸室内由低水位充至高水位时，受闸室高水体所产生的正向水头压力作用，左侧闸门对接侧边止水压板压紧右侧闸门对接侧边斜接柱上橡胶密封条实现中间密封止水，闸室水位越高则止水效果越好。而下沉门在全关状态时，依靠预压缩的Ω形橡胶密封条紧密压缩在上游面止水座板上实现顶止水密封目的，闸室水位越高则止水效果越差。正是由于下沉门顶止水机理的不同，不仅对止水座板、门槽预埋件的制造、安装、土建施工质量提出了很高要求，而且客观造成下沉门门体与门槽之间空间十分狭窄，水封的更换检修工作十分困难、施工工期长、工艺质量控制困难等问题。水口船闸二闸首下沉门由于止水座板土建预埋时水平度超差，新水封按▽61m库水位安装调试的止水效果良好；当库水位在▽61+2m以上变幅运行时，漏水量明显增大。根据水口船闸十年多运行、检修情况的综合分析，我们可以得出第二点结论：：下沉门的总体止水密封效果不如人字门，下沉门水封使用寿命短，密封止水效果总体较差、施工检修工期长，工艺质量控制困难。
2 人字门、下沉门同步控制对比
水口船闸下沉门采用双吊点液压启闭方式。一闸首油缸工作行程13.3m，二三闸首为10.3m, 油缸启/闭速度均为5.6m/min；油缸工作行程长，启/闭速度高，保证双吊点的同步成为制约采用下沉式闸门形式的关键技术之一。1996年对水口船闸的技术改造主要就是针对原液压启闭机无法满足双吊点的同步控制要求进行的。将原液压启闭机及其配套产品全面更换为德国曼内斯曼-力士乐公司（Mannesmann-Rexroth Co.）产品，油缸活塞杆表面镀有一层陶瓷保护层（型号 Ceremax 1000）,具有良好的防腐蚀性能。在陶瓷保护层上集成了行程检测装置（型号CIMS MKⅡ），活塞杆每行走1cm时, CIMS探头可产生103个脉冲，测量精度0.1mm。其同步控制原理为闭环反馈同步纠偏控制方式，分为液压伺服与电气伺服控制两大部分，由变量伺服泵、油缸行程检测装置、SR7伺服放大卡、PLC构成；系统结构参见附图。同步纠偏控制工作原理简述如下。
PLC高整计数模块采集闸门左、右两侧行程实测数据，程序进行数据处理后，模拟转换模块输出一表示主油泵出口斜盘应处开度值的模拟电压值ΔUs(ΔU s=Ul-Ur)，送至SR7伺服放大卡的30C、28C端口，经放大处理后送至PD调节器的D端口。主油泵出口斜盘推杆推动伺服油缸移动杆左、右水平移动，LVDT感应线圈内的磁芯同时向相应方向的移动，由于磁芯和LVDT的L、R线圈磁耦合量不同，因此在L、R线圈上所产生的感应电压值不同，产生一表示主油泵出口斜盘的实际开度值差值ΔUe(ΔUe=UL-UR)，经交、直流转换处理后，送至PD调节器的P端口。PD调节器通过对ΔUs和ΔUe进行相应的数学比较、运算处理后，得到一控制命令值，控制主油泵出口斜盘作出相应的调整。以R>L为例说明：行程差值Δl=R-L经程序处理、模拟转换后，得到相应的ΔUs。闸门左侧变量伺服泵的LVDT感应线圈所产生的ΔUe为负值，闸门左侧变量伺服泵SR7伺服放大卡通过对（ΔU s-ΔUe）进行运算后，输出K×（ΔUs-ΔUe）正控制命令值(K为调整系数)，控制闸门左侧伺服油泵的相应液压回路控制接点接通，压力油从P→A、B→T口形成通路，推动伺服油缸向右侧水平方向运动，加大闸门左侧主油泵出口斜盘开度，主油泵出口流量也相应增大，闸门左侧的行走速度相应加快；同时LVDT感应线圈内的磁芯向右侧水平方向移动，L、R线圈上所产生的感应电压值相应改变，UL增大、UR减小，两者差值ΔUe向正方向变化，（ΔUs-ΔUe）差值减小，直至（ΔU s-ΔUe）差值为零，完成闸门的同步纠偏动作。闸门右侧的同步纠偏动作过程与此相拟，动作方向相反。在闸门高速启闭全过程中，始终进行闸门两侧同步控制的动态纠偏动作。
和下沉门相比较，由于人字门在启闭过程中不需要进行双吊点的高精度同步纠偏控制，人字门的同步控制原理和控制设备简单得多。由定量伺服泵、油缸行程检测装置、VT5035比例放大卡、PLC构成。采用三段梯形运行速度曲线，闸门全开位至20cm开度为恒定低速运行，20cm开度~200cm等待全关位为恒定中速运行，200cm等待全关位至闸门全关位为恒定低速运行。在人字门关闭全过程中，当行走速度快的那一侧闸门关至200cm开度时，该侧闸门停止运行，等待对侧闸门关至此位后再同时动作。由于PLC程序无需对左、右扇闸门进行两侧同步纠偏控制，无需采用结构复杂、制造精密、价格昂贵的变量伺服泵和伺服控制放大卡，控制程序简单，控制元器件数量少，后期的维护保养较低。我们可以得出第三点结论：为满足下沉门同步纠偏控制的技术要求，造成了同步纠偏系统硬件设备质量精密、价格昂贵，软件程序冗长复杂；设备的维护保养技术要求高，费用较大的特点。
附图同步纠偏系统结构参见图
3 结语
根据水口船闸1999年至2006年故障缺陷的统计资料，四闸首人字门故障缺陷率还不到总数的10%，远远低于一至三闸首下沉门的故障缺陷率。从船闸运行安全、高效通航的角度出发，闸门采用人字门形式的安全可靠性要明显高于下沉门形式。从闸门水封、机电设备维护保养的角度出，闸门采用人字门形式的检修工期、运行维保费用、人员技术水平要求均较低。水口船闸下沉门液压启闭机的油缸陶瓷活塞杆、CIMS行程检测装置、变量伺服泵均为德国曼内斯曼-力士乐公司的专利技术产品。国内目前的机械制造工艺水平尚无法满足实际的运行控制精确、系统响应时间短的要求。因此，国内液压启闭机的加工制造水平直接制约了船闸采用下沉门形式的应用与普及。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词：船闸、人字门、下沉门、启闭机、同步纠偏
前言
目前，国内中高水头船闸的闸门形式普遍选用人字门形式，采用下沉门形式的较少；低水头船闸闸门形式采用人字门、横拉门较为常见，但人字门形式占大多数；启闭机按传动形式分为机械传动与液压传动。人字门在全关状态时，两扇门在斜接柱上互相支承而形成“∧”形而得名；传动机构呈水平运动方向。人字门的传动机构以液压传动、机械传动的形式较为常见，在闸墙两侧空腔内对称卧式布置传动机械设备机房。下沉门的传动机构呈垂直运动方向，在全关状态时，闸门的门叶顶部低于上游正常挡水位。下沉门的传动机构以液压传动为主，在闸墙顶部平台上布置设备机房。随着国内机械制造工艺和液压元件系统列化、标准化水平的提高，和液压传动具有启闭力大、金属结构尺寸小、土建结构简单的优点，采用液压启闭机的趋势已越来越明显。
水口三级船闸是水口水电站枢纽工程主要建筑物之一，位于大坝右岸，与毗邻的升船机一道承担闽江永久通航任务。设计年货运量400万吨，木竹运量200~250万立方米，船闸通航规模为2×500t级标准船队。船闸上下游设计水位差为57.36m，共分三级，单级最大设计水头为41.74m，为目前国内之最。三级船闸全长1198m，主要由四个闸首，三个闸室以及上下游引航道组成。闸室有效尺寸为135×12×3m（长×宽×吃水深度），船闸I、II、III闸首采用双吊点式下沉门，闸门尺寸分别为12×13.5m、12×10m、12×10m，IV闸首采用人字门，单孔闸门尺寸为12×19.1 m。
1 人字门、下沉门闸门形式对比
采用人字门闸门形式时，由于启闭机械设备机房布置在闸墙两侧空腔内，土建结构、施工工艺较复杂，土建工程量和造价相对较大、较高；设备工作环境潮湿，容易引起金属构件的锈蝕。由于设备机房与闸墙顶部存在一定的高差，大型备品备件、维护工具的搬运较为困难。1998年6月23日水口电站遭遇百年一遇洪水，四闸首启闭机械设备全部被浸泡在洪水达2天时间，事后的设备检查与抢修共耗时4天。下沉门机械设备机座直接布置在与闸门门体的闸墙顶部位置上，土建施工简单，工程量和造价低。环境干燥，设备的运输、搬运容易，不存在被洪水淹没的可能。
人字门启闭机的启闭力主要取决于闸门的运行摩擦阻力；而下沉门启闭机的启闭力则不仅要克服门体自身的重量，很大程度上还取决于闸门的运行摩擦阻力，短时的闸门结构隔板间的水体重量。因此，下沉门时所需的启闭力明显大于人字门的启闭力；同样也可在启闭机的其它技术参数上得到具体反映。附表列出了水口船闸一闸首下沉门、四闸首人字门液压启闭机的主要技术参数对照表。从表中我们可以看出：四闸首人字门闸门孔口尺寸比一闸首下沉门大出近50%的面积，但人字门启闭机本身的总重量只有一闸首下沉门的1/4，油缸工作行程只有一闸首下沉门的1/7，启/闭速度只有一闸首下沉门的1/5，电机额定功率只有一闸首下沉门的1/4，油泵公称流量只有一闸首下沉门的1/7，人字门最大启闭力（开门力）也只有一闸首下沉门最大启闭力（关门力）的1/3。因此，我们可以得出第一点结论：当船闸闸门形式采用人字门时，液压启闭机自身的重量、尺寸明显减少，所需的电机功率、油泵流量参数大幅下降，特别是最大启闭力和启/闭速度的显著降低，对系统的设计、运行、维护等方面的影响很大。
人字门中间止水和下沉门顶止水机理不同。当人字门全关时，其左右两扇闸门对接侧边的P形橡胶密封条和止水压板尚未压紧密封；当闸室内由低水位充至高水位时，受闸室高水体所产生的正向水头压力作用，左侧闸门对接侧边止水压板压紧右侧闸门对接侧边斜接柱上橡胶密封条实现中间密封止水，闸室水位越高则止水效果越好。而下沉门在全关状态时，依靠预压缩的Ω形橡胶密封条紧密压缩在上游面止水座板上实现顶止水密封目的，闸室水位越高则止水效果越差。正是由于下沉门顶止水机理的不同，不仅对止水座板、门槽预埋件的制造、安装、土建施工质量提出了很高要求，而且客观造成下沉门门体与门槽之间空间十分狭窄，水封的更换检修工作十分困难、施工工期长、工艺质量控制困难等问题。水口船闸二闸首下沉门由于止水座板土建预埋时水平度超差，新水封按▽61m库水位安装调试的止水效果良好；当库水位在▽61+2m以上变幅运行时，漏水量明显增大。根据水口船闸十年多运行、检修情况的综合分析，我们可以得出第二点结论：：下沉门的总体止水密封效果不如人字门，下沉门水封使用寿命短，密封止水效果总体较差、施工检修工期长，工艺质量控制困难。
2 人字门、下沉门同步控制对比
水口船闸下沉门采用双吊点液压启闭方式。一闸首油缸工作行程13.3m，二三闸首为10.3m, 油缸启/闭速度均为5.6m/min；油缸工作行程长，启/闭速度高，保证双吊点的同步成为制约采用下沉式闸门形式的关键技术之一。1996年对水口船闸的技术改造主要就是针对原液压启闭机无法满足双吊点的同步控制要求进行的。将原液压启闭机及其配套产品全面更换为德国曼内斯曼-力士乐公司（Mannesmann-Rexroth Co.）产品，油缸活塞杆表面镀有一层陶瓷保护层（型号 Ceremax 1000）,具有良好的防腐蚀性能。在陶瓷保护层上集成了行程检测装置（型号CIMS MKⅡ），活塞杆每行走1cm时, CIMS探头可产生103个脉冲，测量精度0.1mm。其同步控制原理为闭环反馈同步纠偏控制方式，分为液压伺服与电气伺服控制两大部分，由变量伺服泵、油缸行程检测装置、SR7伺服放大卡、PLC构成；系统结构参见附图。同步纠偏控制工作原理简述如下。
PLC高整计数模块采集闸门左、右两侧行程实测数据，程序进行数据处理后，模拟转换模块输出一表示主油泵出口斜盘应处开度值的模拟电压值ΔUs(ΔU s=Ul-Ur)，送至SR7伺服放大卡的30C、28C端口，经放大处理后送至PD调节器的D端口。主油泵出口斜盘推杆推动伺服油缸移动杆左、右水平移动，LVDT感应线圈内的磁芯同时向相应方向的移动，由于磁芯和LVDT的L、R线圈磁耦合量不同，因此在L、R线圈上所产生的感应电压值不同，产生一表示主油泵出口斜盘的实际开度值差值ΔUe(ΔUe=UL-UR)，经交、直流转换处理后，送至PD调节器的P端口。PD调节器通过对ΔUs和ΔUe进行相应的数学比较、运算处理后，得到一控制命令值，控制主油泵出口斜盘作出相应的调整。以R>L为例说明：行程差值Δl=R-L经程序处理、模拟转换后，得到相应的ΔUs。闸门左侧变量伺服泵的LVDT感应线圈所产生的ΔUe为负值，闸门左侧变量伺服泵SR7伺服放大卡通过对（ΔU s-ΔUe）进行运算后，输出K×（ΔUs-ΔUe）正控制命令值(K为调整系数)，控制闸门左侧伺服油泵的相应液压回路控制接点接通，压力油从P→A、B→T口形成通路，推动伺服油缸向右侧水平方向运动，加大闸门左侧主油泵出口斜盘开度，主油泵出口流量也相应增大，闸门左侧的行走速度相应加快；同时LVDT感应线圈内的磁芯向右侧水平方向移动，L、R线圈上所产生的感应电压值相应改变，UL增大、UR减小，两者差值ΔUe向正方向变化，（ΔUs-ΔUe）差值减小，直至（ΔU s-ΔUe）差值为零，完成闸门的同步纠偏动作。闸门右侧的同步纠偏动作过程与此相拟，动作方向相反。在闸门高速启闭全过程中，始终进行闸门两侧同步控制的动态纠偏动作。
和下沉门相比较，由于人字门在启闭过程中不需要进行双吊点的高精度同步纠偏控制，人字门的同步控制原理和控制设备简单得多。由定量伺服泵、油缸行程检测装置、VT5035比例放大卡、PLC构成。采用三段梯形运行速度曲线，闸门全开位至20cm开度为恒定低速运行，20cm开度~200cm等待全关位为恒定中速运行，200cm等待全关位至闸门全关位为恒定低速运行。在人字门关闭全过程中，当行走速度快的那一侧闸门关至200cm开度时，该侧闸门停止运行，等待对侧闸门关至此位后再同时动作。由于PLC程序无需对左、右扇闸门进行两侧同步纠偏控制，无需采用结构复杂、制造精密、价格昂贵的变量伺服泵和伺服控制放大卡，控制程序简单，控制元器件数量少，后期的维护保养较低。我们可以得出第三点结论：为满足下沉门同步纠偏控制的技术要求，造成了同步纠偏系统硬件设备质量精密、价格昂贵，软件程序冗长复杂；设备的维护保养技术要求高，费用较大的特点。
附图同步纠偏系统结构参见图
3 结语
根据水口船闸1999年至2006年故障缺陷的统计资料，四闸首人字门故障缺陷率还不到总数的10%，远远低于一至三闸首下沉门的故障缺陷率。从船闸运行安全、高效通航的角度出发，闸门采用人字门形式的安全可靠性要明显高于下沉门形式。从闸门水封、机电设备维护保养的角度出，闸门采用人字门形式的检修工期、运行维保费用、人员技术水平要求均较低。水口船闸下沉门液压启闭机的油缸陶瓷活塞杆、CIMS行程检测装置、变量伺服泵均为德国曼内斯曼-力士乐公司的专利技术产品。国内目前的机械制造工艺水平尚无法满足实际的运行控制精确、系统响应时间短的要求。因此，国内液压启闭机的加工制造水平直接制约了船闸采用下沉门形式的应用与普及。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看