小浪底南岸引水口工程液压启闭机设计

1 概述 近年来，液压启闭机在水利工程上得到了越来越广泛的应用，这是由于油缸内的油液具有缓冲和减振作用，适宜于控制工作闸门在高水头、不同开度下的无振安全运行；并可对闸门实施下压力，使闸门自重较轻，节约成本。油缸与闸门经吊头连接，通过液压油在油缸上下腔的施压与排放、活塞杆在油缸中的伸缩对闸门实施推力或拉力，从而达到启闭闸门的目的。启闭机的液压油为柔性工作介质，可减轻闸门局部开启时高速水流对闸门产生的振动，有利于闸门的平稳运行。另一方面，液压启闭机采用的行程检测装置测量准确，可真实反映闸门启闭情况，并通过PLC可编程控制，实现闸门的自动化控制。行程检测装置采集的信号可传至远方集控室，为实现集中控制和远方自动化控制提供条件。 设有一扇弧形工作门，采用液压启闭机操作。液压启闭机由油缸、泵站和电控设备组成。液压启闭机总布置见（图一）。 主要技术参数如下： 提升力 1000 KN 下压力 400 KN 行 程 6000 mm 提升时最大油压 17.5 Mpa 下压时最大油压 4.46 Mpa 油缸内径 340 mm 活塞杆直径 200 mm 提升速度 0.66 m/min 下降速度 0.43 m/min 2 液压系统设计 闸门运行条件为动水启闭，并有局部开启要求。闸门启闭过程中要求油缸运行平稳，无爬行、抖动等不良现象，并应能使闸门可靠地停止在任何位置。液压系统在满足闸门运行要求的前提下，应简单可靠且易于安装、维修，并有完善的监视、测量、控制和保护装置。在系统回路设计、液压阀件选用等方面经过分析比较，最终确定液压系统原理图（图二）。 1. 液压阀件 1） 液压阀型式选择 液压阀的质量直接影响到启闭机的整机质量。由于目前国产液压滑阀存在加工质量偏低、反应灵敏性差、调节性能不稳定和漏油等情况，产品质量尚难以保证。本设计采用的插装阀技术，不失为既适合国情又满足液压元件高要求的行之有效的方法。 插装阀技术是通过先导控制阀和插装件在集成阀块上的组合，得到方向、流量和压力等各种功能控制。由于插装阀采用锥面密封，靠阀芯与阀座形成线接触密封，解决了阀组的泄漏问题。通过小通径、常规阀作先导阀来控制高压大流量的液压系统，反应灵敏，基本无泄漏，噪音低，易于实现启闭机运行平稳、工作可靠的要求。而且插装件直接安装在集成块的阀孔内，为无管连接，避免了与配管的泄漏。 1）主要阀件的作用 电磁溢流阀（序号A），其作用为保证油泵空载启动，并控制泵出口最高压力，当油压超过预定值时，溢流阀卸荷，保证提门过程中油缸不超载运行。考虑到水利工程启闭机使用次数少，且运行时间较短，其电磁换向阀采用常开式，即在非工作状态和油泵空载启动时均不带电，简化了电气回路，并保证即使误操作启动油泵运转，油液可直接排入油箱，不对闸门产生任何影响。电磁换向阀仅在提门或闭门状态带电，带电时间短，安全可靠。 先导三位四通换向阀（序号B），失电时保持在中位，其Y型机能使各阀件的液控回路处于卸荷状态，避免停机后各阀件长期带压而降低其灵敏性，并保证油缸安全锁定。先导换向阀电磁铁2DT带电时闸门提升，即锥阀2与锥阀4液控油路卸荷，压力油通过锥阀2进入油缸有杆腔，同时油缸无杆腔油液经锥阀4排回油箱。锥阀1与锥阀3液控油路带压，其主油路关闭。同理，电磁铁3DT带电时闸门下降，锥阀1与锥阀3液控油路卸荷，两锥阀主油路接通，压力油通过锥阀3进入油缸无杆腔，同时油缸有杆腔油液经锥阀1排回油箱。同时锥阀2与锥阀4主油路关闭。 2.活塞杆的受压保护回路设计 由于闸门下降是通过压力油对油缸无杆腔施加一定的压力进行的，活塞杆作为受压杆件其工作压力必须控制在设计范围内。为防止闸门在下降过程中被卡，油泵仍在供油，致使油缸上腔油压过高，导致活塞杆被压弯，设计采用了机械与电气相结合的双重保护措施，即当油压超过设定值时，油缸上腔的先导溢流阀使锥阀4的进出油口接通，控制液压系统自动泄荷，保证活塞杆的压杆稳定。同时可通过压力继电器超压使启闭机停止运行。闸门关闭的极限保护则由开度仪与限位开关控制，溢流阀作为附加保护。这样可以确保设备在任何工况下运行安全可靠。 3.保证闸门平稳下降的措施 闸门下降时，若油缸有杆腔油液直接卸荷或油压很低，且闸门不受其他约束力限制的情况下，来自油缸活塞杆的压力以及闸门自重使闸门下降速度不易控制，闸门不能平稳运行，甚至产生剧烈振动，直接威胁着闸门与启闭机的安全。本液压系统在下门回路中设置背压阀，使有杆腔油液保持一定压力以持住闸门自重，当油缸有杆腔的压力足以开启背压阀时，闸门才能关闭，从而使闸门的下降速度仅受油泵输出流量的控制，实现闸门平稳下降。 4．油缸锁定回路设计 安装在油缸有杆腔油口的锁定阀，可使油缸在闸门全开或局部开启状态不受水流冲击的影响，长期可靠地停止在任何位置；该阀还起到将油缸与油管隔离的作用，防止油管破裂时油缸下腔油液流出造成意外关门的事故。设计采用的简易型锁定阀，由液控单向阀与截止阀组合而成。锁定阀液控回路与先导换向阀相连，平时先导换向阀的Y型机能使锁定阀液控回路卸荷，油缸有杆腔油液不能排出，使油缸处于锁定状态，仅在下门时先导换向阀使其液控回路与压力油接通，施压打开单向阀，闸门才能下降。检修油缸时关闭截止阀，可防止油缸内油液外泄。 3 油缸密封件选用 由于国内密封件材质不稳定，难以满足水利工程的运行要求。目前国内水利工程液压启闭机油缸动密封多采用进口优质组合密封件，根据不同的工作压力，选用相应数量的V形密封圈重叠使用，并通过调节压紧力，可获得最佳的密封效果；当活塞在偏心载荷或在偏心状态下运动时，仍能很好的密封。本工程液压启闭机油缸动密封选用意大利CARCO公司生产的V型组合密封圈，其特点是密封性能好，高耐磨，低摩擦，抗老化，寿命可达15年以上。静密封采用了美国URANUS公司的O型密封圈。 4 泵站设计 泵站是驱动油缸运行的动力站，主要由电机-油泵组、控制阀组、液压附件（油箱、滤油器、管道等）组成。泵站为整体式底架，电机-油泵组与油箱卧式布置，便于油泵对油液的自吸，防止电机-油泵运行时振动波及到油箱与阀件。整体底架使泵站成为一体，经出厂验收调试后，运输与工地安装均不须解体，保证了泵站各部件的装配精度，减少安装时对阀件、泵组的二次污染。整体式泵站安装时仅需采用膨胀螺栓固定于泵房内，方便快捷。 电机-油泵组将机械能转化成液压能，是液压启闭机的“心脏”，因此油泵性能直接关系到启闭机的整机质量。设计采用A2F定量泵，为引进德国海卓玛蒂克公司技术生产。该泵为斜轴式轴向柱塞泵，与直轴式泵相比，其自吸能力强，对油液的污染不甚敏感，启动效率高，使用寿命长，适合水电工程液压启闭机的运行条件。 本工程启闭机液压系统污染控制采用了较先进的保护措施。液压系统70%的故障来源于油液的不清洁，其中最主要的污染物为颗粒物、水、空气等。油液的不清洁可造成元件堵塞与卡紧故障，导致动作失灵；空气中的水分进入油液，可加速油液性能劣化，缩短油液的使用寿命，直接影响液压系统的工作可靠性。对颗粒物的清除，设计采用高精度回油滤油器，油箱为全封闭型结构；油箱及管道均采用不锈钢材料。并严格控制启闭机的安装程序，对油箱、油管、阀件进行循环冲洗，并对液压油进行反复过滤，要求清洁度不低于NAS9级，以减少油液污染的隐患。由于启闭机运行时油箱油位的上下波动，油箱内的空气需要排出或补进，为防止补气时空气中的水分进入油箱，泵站采用的具有防潮功能的空气滤清器，是在借鉴国外经验的基础上，由国内科研机构开发研制的新产品。基本原理为阀件与干燥剂结合，使油箱既可方便空气的进出，又使进入油箱的水分降低。该空气滤清器技术先进，防潮性能可靠。且干燥剂可重复使用。 5 闸门开度测量系统 闸门开度测量是否准确，直接影响闸门的控制精度。本工程液压启闭机采用的闸门开度仪，是控制与显示闸门开度的数字显示自动监控仪，采用MCU和大规模集成电路作为中央处理单元，进行数据处理和控制输出。该设备由开度自动控制仪、恒力自卷传感器、附加远端显示器和主令开关组成。传感器采集闸门开度信号，送入自动控制仪中，经过变换、滤波和中央处理单元处理，显示器显示，继电器控制。控制部分可预设多道闸门开度，开度的大小可由操作人员自定。为保证闸门运行的安全可靠，该装置安装有数个主令开关，分别对应测量范围的控制点，行程开关的发讯位置可方便地通过位置丝杆调整。主令开关作为备用的行程控制装置，在传感器失灵时，用以控制闸门的上、下极限位置，起保护作用。 高度传感器由编码器和连轴器等组成。编码器可分为增量型和绝对值型两种。增量型编码器，在旋转时输出与转角对应的电脉冲，停电时则无信号输出，故无记忆功能；绝对值型编码器旋转时除输出电脉冲信号外，同时输出与位置对应的数值信号，具有断电记忆功能。设计采用绝对值型编码器，保证在任何情况下，均可准确纪录闸门位置，提高了闸门的安全可靠性。 这种由编码器与主令开关一体式的闸门开度仪，采用双盘恒力弹簧收绳装置，设有精密齿轮丝杆传动装置，无需吊挂配重，对安装空间没有限制，可直接固定在油缸或机架上，便于调试与维修。 6 电气自动保护 针对闸门下沉复位、油泵启动保护、泵组故障等，系统均有完善的故障自动保护和控制功能。 1. 闸门下沉复