集成式液压启闭机液压系统设计

2020-02-25孙剑谢宝智

科技与创新 2020年2期

孙剑，谢宝智

集成式液压启闭机液压系统设计

孙剑1，谢宝智2

（1.海沃机械（中国）有限公司，江苏扬州 225006；2.常州工业职业技术学院，江苏常州 213164）

介绍了某水闸集成式液压启闭机液压系统的设计过程，主要包含液压系统原理图的设计，液压缸、液压泵、电动机、控制阀等元件的计算与选型。利用软件Automation Studio对液压系统进行仿真分析，验证了系统的关键参数，即开门力、关门力、开门和关门的速度。

液压启闭机；液压系统；系统设计；仿真结果分析

治理江河、城市防洪防涝以及蓄水灌溉、引水发电等工程都离不开闸门，而闸门的开关必须要用专门的机械装置来实现。启闭机是水利水电闸门、拦污栅专用的起重机械，目前使用的启闭机主要有卷扬式启闭机和液压式启闭机两大类。

液压式启闭机既可以产生向上的拉力，又可以产生向下的推力；与卷扬式启闭机相比，运行可靠、开关均可主动控制，关闭闸门时不容易卡住，体积小，自重轻，且水工结构布置简单，可以节省大量投资。此外，运行平稳，系统可方便地实现无级调速，能自动实现过载保护，易于与计算机连接，实现智能化控制。液压式启闭机分为集成式启闭机和普通的液压启闭机，相对于普通的液压启闭机，集成式液压启闭机有着无外置接头、控制方式简单可靠等优点，得到了广泛应用[1]。

1 某水闸集成式液压启闭机液压系统设计要求

某水闸集成式液压启闭机结构如图1所示。当液压缸活塞杆伸出时，带动闸门绕支点逆时针旋转实现关门动作，要求关门力160 kN（单缸）、速度为500 mm/min；当液压缸活塞杆缩回时，带动闸门绕支点顺时针旋转实现开门动作，要求开门力320 kN（单缸）、速度为1 000 mm/min；开门和关门的行程为5 000 mm。

图1 液压启闭机结构示意图

2 液压启闭机液压系统原理图设计

根据控制要求，设计液压系统原理如图2所示。

图2 集成式液压启闭机液压系统原理图

为防止电机和油泵故障，本系统采用每个泵站增设一台备用的电机泵组，与工作油泵电机组互为备用，两只液压缸的进排油管对称布置。系统出现故障时，自动换泵，以满足可靠运行的要求。

关门控制。启动液压泵电动机组，油液经高压球阀，有杆腔油压变大，无杆腔液压油经二通流量控制阀流向泵，闸门关闭。当有活塞杆经过行程开关SQ2时，电机失电。

开门控制。启动液压泵电动机组，液压油经二通流量控制阀，无杆腔液压油压变大，有杆腔液压油经高压球阀流向泵。闸门打开，当闸门打开至行程开关SQ1，电机失电。

同步控制。闸门开关过程中，闸门的开度和行程检测装置全程连续检测行程的偏差，当偏差达到一定值时，两回路中的二通流量控制阀通过改变自身的流通量或液压泵转速来改变活塞杆的运行速度，调整至同步范围。当偏差超过更大值时，系统则会严重报警，甚至停机。

在系统保护措施中，液压油路中设定了过压保护。在开关闸门时，若液压系统工作压力超过设定值，由压力继电器发出声光报警信号，切断电源使电机停止运转；同时当液压油压过低时，也会发出警报，则启动备用泵组。

3 液压启闭机液压系统元件设计与选型

根据液压工程师手册、机械设计手册和液压元件选型手册[2-4]，通过计算与查表，初选液压系统的工作压力为 25 MPa；液压缸无杆腔直径=200 mm、活塞杆直径= 140 mm；选用变量柱塞泵，其额定压力为28 MPa、公称排量为37 mL/r、总效率为0.92；选用电动机型号为QA180L4A- B35、功率为22 kW、转速为950 r/min；关门油管取内径关=15 mm，钢管的外径关=22 mm；开门油管内径取开=20 mm，钢管的外径开=28 mm；选择卡套式管接头，采用冷拔无缝钢管。

4 基于Automation Studio建立仿真模型

与其他的液压仿真软件相比，Automation Studio更加面向工程实际，同时具有与电气PLC控制联合仿真功能。根据液压系统的原理图选择液压元件并设置相应的技术参数，用油管连接好各个元件，且设置油管的直径等性能指标，即可得到启闭机液压系统的仿真模型。

5 仿真结果分析

Automation Studio Plotter模块，能够在运行仿真的同时，自动测量并显示液压缸有杆腔、无杆腔的速度、压力和流量，结束后点击Export可导出自动测量的数值。可知关门速度为500 mm/min，开门速度为1 000 mm/min，液压缸的行程为 5 000 mm，可以计算出开关门所需时间，分别是5 min和 10 min，符合设计要求。此外，关门时无杆腔压力为25 MPa，开门时有杆腔的压力为5.2 MPa。根据液压缸的尺寸，通过计算得开门力约为333 kN，关门力约为161 kN，均符合设计要求。