基于节制闸闸门启闭机液压系统校核分析

陈飞 钱立君 潘雯玺 陆昊 王亚乒 常州市长江堤防工程管理处

1.工程基本资料

以魏村枢纽节制闸为例，节制闸为三孔净宽24m，设计流量300m3/s，闸门采用平板钢闸门，启闭机采用双吊点直立式双油缸液压启闭机。以下针对魏村枢纽节制闸，中孔闸门液压启闭参数校核分析。启闭机基本技术参数为，闸门最大启闭力为2×630KN,启门速度0.8m/min，闭门速度0.8m/min，工作行程7.3m，油缸安装距离16m，活塞杆直径为200mm，油缸内径为300mm。

2.油缸设计参数计算校核

2.1 活塞杆长细比校核

根据以上基本参数，活塞杆直径为d=200 m m，油缸内径为D=300mm，对其进行活塞杆长细比校核。

根据长细比公式：

活塞杆断面惯性距：

缸体断面惯性距：

式中：

d-活塞杆直径

D-油缸内劲

L-闸门全关时油缸安装尺寸16000mm

将(4)代入(1)得λ=246.4。

按照DLT5167-2002水电水利工程启闭机设计规范，液压启闭机拉杆活塞杆长细比[λ]≤250，压杆活塞杆长细比[λ]≤200，通过以上计算，液压启闭机活塞杆用作拉杆长细比λ=246.4＜[λ]≤250，说明选取活塞杆直径为200mm，缸体直径为300mm，符合长细比要求。因为闸门是靠自重闭门，所以在此只考虑活塞杆作闸门启门拉杆长细比。

2.2 油缸启门、闭门压力的计算

启门压力，根据油缸压力计算公式：

式中：

F1-启门力630KN；

D-油缸内直径300mm；

d-活塞杆直径200mm；

代入P1=4F1/[π(D2-d2)]=16.1MPa,节制闸闸门开启时，油缸正常工作压力为16.1MPa。

闭门压力，根据油缸闭门压力计算公式：

式中：

F2-闸门闭门力，闸门自重为45吨，F2=45×10=450KN；

代入计算得P2=6.4MPa，由于闸门是自重闭门，P2=6.4MPa是在闸门自重关闭时，油缸液压油的无动力泄压压力。

2.3 油缸壁厚计算及成品选择

油缸缸体材料为45号无缝钢管，根据GB/T699-2015标准，查得45号无缝钢管材料屈服强度σs≥355MPa，用于水利工程液压启闭机材料屈服强度[σs]=σs/2.5≥142MPa。

式中：

Pmax-油缸最高工作压力16.1MPa；

D-油缸内径300mm；

[σs]-缸体材料的许用应力142MPa；

代入(7) 计算得油缸壁厚δ=15.6mm，即油缸外径为15.6×2+300=331.2mm，根据无缝钢管国家标准GB-T17395（2008）查得，启闭机油缸应使用成品外径为Φ351，壁厚δ1为25.5mm的无缝钢管。

2.4 缸体强度校核

根据合成应力计算公式：合成应力：

式中：

δ1-无缝钢管壁厚25.5mm

D1-缸体中心直径

纵向应力

环向应力

将(9)、(10)代入(8)中经计算合成应力σzh1=93.1MPa＜材料许用应力[σs]=142MPa，强度满足要求。

2.5 塞杆强度校核

活塞杆两端车有连接螺纹（M160×4），根据普通螺纹标准GB/T196-1981，查得M160×4最小直径d0=155.67mm,活塞杆为45号锻件，根据JB/T6397-2006标准，查得45号钢锻件正火太，σs≥280MPa，用于水利工程液压启闭机时[σs]=σ_s/2.5≥112MPa。

根据强度校核公式：

活塞杆危险断面弯距：

活塞杆最危险截面积：

式中：

K-安全系数取1.1；

r-活塞杆闸门销轴半径80mm；

f-摩擦系数一般为0.1；

d0-活塞杆最危险断面为155.5 mm；

F1-启门力630KN；

计算(12)、(13)代入(11)得σ=630/0.019+5.544/0.1×0.1553=48MPa＜[σs],活塞杆强度满足要求。

2.6 活塞杆稳定性校核

确定活塞杆所能承受的最大闭门力，根据公式：

式中：

n-末端条件系数取1；

E-活塞杆材料的弹性模数取2.1×1011N/m2；

J-活塞杆截面的转动惯性矩J=πd2/64=78.5×106；

Nk-为安全系数，一般取5；

L-安装距，约为16m；

将以上各项代入(14)计算P_k=127KN,因此活塞杆可以承受127KN的闭门力，由于闸门是通过自重闭门，稳定性完全可以满足要求。

3.启闭机油缸加工工艺

启闭机缸体选用成品45号无缝钢管进行加工，内壁可以采用拉镗和珩磨工艺，提高表面质量，降低粗糙度，改善表面润滑条件，减少密封件的磨损，使成品达到表面粗糙度小于Ra0.4，尺寸精度H9级，缸体内径圆度公差不低于GB1184中的9级，内表面母线直线度小于1000：0.2，全长上不大于0.3mm。活塞杆材料45号钢，经正火热处理，精加工表面粗糙度小于Ra0.3，母线直线度公差不大于1000：0.1，全长上小于0.25mm，尺寸精度f8。

4.液压泵站的参数计算校核

4.1 系统最高工作压力

n-安全系数，取1.1

4.2 单根油缸启门流量

计算得：Q1=[3.14×8×(32-22)]/4=31.4L/min；无杆腔流量Q2=(πVD2)/4=56.5 L/min (注意单位换算分米代入)。

4.3 系统最大工作流量

根据公式：

K-系统的泄漏系数，取1.2；

计算得：Q=1.2×2×31.4=75.4 L/min

4.4 油泵流量

4.5 油泵电机功率

计算得：N=(17.7×75.4)/(61.2×0.8)=27.2 KW.

根据以上计算，油泵可选变量柱塞泵其公称流量为57mL/rev，电机可选功率为30KW，转速为 1470r/min的电动机。

4.6 油箱的容积设计

应充分考虑满足液压系统正常工作和检修状况下的油箱容量，计算如下：

V1应为油泵流量的4 倍，V1=4×0.051=0.204m3；

V2油缸检修时无杆腔的容积，V2=2πR2L1=2×3.14×0.152×7=0.98m3；（L1为活塞杆最大工作行程7m）

计算的 V=1.1(V1V2)=1.1×(0.204+0.98)=1.3m3，考虑到油箱结构上本身所需的空油面与吸油高度，按照液压泵站油箱公称容量系列的规定，油箱容积为1400L,根据设备使用环境，选用L-HV46（即YC-N46）液压油，适用环境温度-30～40℃。

4.7 管路管径计算

根据液压启闭运行规定，管路流速不应用的过高，尤其对于管路较长系统。通常我们选取压力油管流速不大于3.5m/s，回油管流速不大于2.5 m/s，其它油管流速不大于1.0m/s。以下以v=2.5 m/s计算。

根据管径计算公式计算：

油缸启门流量（31.4L/min）计算为 d1=(4Q1/πv)0.5=4.63×(31.4/2.5)0.5=16.4mm；无杆腔回油管管径d2=4.63×(56.5/2.5)0.5=22mm。

油泵出油口管径，按油泵最大流量（75.4 L/min）计算为d2=(4Q/πv)0.5=4.63×(75.4/2.5)0.5=25.4mm。

考虑各个油管所承受压力，根据GB-T17395-2008，查的标准无缝钢管，油缸进出油口管径为Φ27×3，油泵管径为Φ34×3，控制油管管径为Φ18×2，在油泵出口和油缸压力进油口，需使用高压软管连接，减少油管受到的压力冲击。

5.结语

液压启闭机系统在水利工程中是个系统工程，系统的设计计算需按照国家标准逐步进行，必要时还需模拟仿真试验，确保工程符合设计规范。本文围绕节制闸液压启闭机主要参数的计算校核，剖析液压启闭机系统的设计思路与计算过程，为水利工程液压启闭机系统的设计、安全稳定运行提供基础性参考。通过以上计算，明确了魏村节制闸液压启闭机相关参数，符合工程相关设计标准，能满足现场运行要求。