集成式液压系统的选型设计研究

向 耕，彭振宇，万 鹏

（湖北省引江济汉工程管理局，湖北 武汉 430062）

引言

引江济汉工程是南水北调中线水源区工程之一，是从长江上荆江河段附近引水至汉江兴隆河段、补济汉江下游流量的一项大型输水工程。高石碑出水闸为工程的出水口，干渠设计引水流量为350 m3/s，最大引水流量为500 m3/s。液压启闭机作为水利行业中广泛应用的金属结构起重设备，对提高调水工程的经济效益起到了重要作用，因此，在液压系统设计和选型时，应综合考虑其使用环境以及对安全、可靠性的极高要求，并做好充分计算分析。

1 液压启闭机设计方案概述

液压启闭机在水利工程中应用较多，常见的类型有平面闸门液压启闭机、露顶式弧形闸门液压启闭机、潜孔式液压启闭机和人字闸门液压启闭机等。无论哪种类型的启闭机，其液压系统结构都大致相同，一般包括油缸、活塞杆、液压系统泵站总成、液压管道系统、主要零部件、行程检测和指示装置、电力拖动和控制系统以及专用检修工具等部件。

高石碑出水闸液压启闭机总体布置形式为双吊点式，底部由机架支承，采用双作用油缸。液压启闭机需满足现地控制或中央集中控制，且无论处于哪种控制方式下，启闭机均可全程开启，并能满足同步启闭要求，同步误差不应大于10 mm。工程共设8台集成式液压启闭机、4个液压泵站、每个液压泵站对称控制2孔闸门。将每2个液压站的油泵、液压系统、油箱和电控系统布置在1个液压泵房内，液压机液压缸露天布置，且设有避雷保护，初步设计参数要求如表1所示。

表1 液压启闭机初步设计参数要求

2 液压系统设计选型计算

液压启闭机设计主要遵循SL41—2018《水利水电工程启闭机设计规范》及NB/T 35020—2013《水电水利工程液压启闭机设计规范》，该规范对油缸及液压系统各个参数作出了规定。高石碑出水闸液压启闭机在启闭闸门过程中，提供启门力和闭门力，为双向作用工况。

首先结合初步设计参数的要求来确定油缸的缸径D、活塞杆直径d、缸筒壁厚σ等。计算次序为：初步选定活塞杆直径，并校核其强度，再选取合适的油缸缸径，然后再计算缸筒壁厚，并校核强度。参考规范和招标文件等要求可知，油缸计算压力≤20 MPa，活塞杆计算长细比λ≤180，受压稳定性安全系数n≥5.5。因此，初步选定活塞杆直径为120 mm，缸体直径为220 mm。

2.1 油缸启门、闭门压力计算

将启门力F1=400 kN，闭门力F2=50 kN，油缸直径D=220 mm，活塞杆直径d=120 mm代入式（1）（2）中，计算出启门压力p1=15 MPa，闭门压力p2=1.3 MPa，压力满足要求。

2.2 油缸壁厚计算

油缸材料为GB/T 699中的45钢，缸体屈服强度σs≥280 MPa，缸体许用应力[σ]≥112 MPa，缸内最大启门压力p1=15.0 MPa，将相关参数代入式（3）中，计算出缸体要求最小壁厚b=13.6 mm。由此选定油缸外径为273 mm，油缸净壁厚为26.5 mm，壁厚满足要求。

2.3 缸体强度校核计算

将缸体中心直径D1=246.5 mm，壁厚b=26.5 mm，启门压力p1=15 MPa代入式（4）（5）（6）中，计算出纵向应力σz1=19.5 MPa，环向应力σh1=69.8 MPa，缸体合应力σzh1=62.4 MPa＜[σ]，强度满足要求。

2.4 活塞杆强度校核计算

活塞杆材料为45调质钢，活塞杆屈服强度σs≥345 MPa，材料安全系数n=2.5，所承受的拉力F1=400 kN，活塞杆危险截面直径d0=96.5 mm，安全系数k=1.1，轴承半径r=50 mm，轴承摩擦系数f=0.1，将相关参数代入式（7）（8）（9）中，计算出活塞杆最危险截面积A=7313.8mm2，危险截面计算弯矩M=2200N·m，活塞杆计算应力σ=79.2 MPa，许用应力[σ]=σs/2.5≥138 MPa＞σ，强度满足要求。

2.5 活塞杆稳定性校核

按Euler公式等截面计算，此处为两端铰接，末端条件系数n=2，活塞杆材料的弹性模数E=2.1×1011N/m2，稳定性安全系数Nk=5.5，油缸全关时的安装长度L=10 000 mm，将相关参数代入式（10）（11）中，计算出活塞杆截面的转动惯性矩J=1.0×107mm4，可承受的闭门载荷pk=75.3 kN＞50 kN，稳定性满足要求。

2.6 吊头设计计算

吊头材料初步选定ZG310-570铸钢，吊头结构如图1所示。吊头屈服强度σs≥345 MPa，所承受的荷载F=400 kN，轴孔直径d=180 mm，吊头厚度σ=130 mm，吊头宽度B=340 mm，应力集中系数a=2.2，吊头外形最小半径R=170 mm，将相关参数代入式（12）（13）（14）中，计算出吊头孔壁承压应力σm=17.1 MPa，A-A截面拉应力σ1=42.3 MPa，B-B截面拉应力σ2=30.4 MPa，吊头设计满足要求。

图1 吊头结构示意图

2.7 液压泵组系统计算

系统工作压力p1=15.0 MPa，系统压力损耗系数n1=1.1，系统泄漏系数Κ=1.2，最大计算流量Q1=2×21.4=42.8 L/min，电机转速n=1 450 r/min，油泵电机组效率η=0.88，将相关参数代入式（15）（16）（17）（18）中，计算出系统最大工作压力pmax=16.5 MPa，最大工作流量Q=51.4 L/min，油泵最小排量Qv=35.4 mL/r，电机最小功率N=15.7 kW。选定油泵排量为40 mL/r，电动机功率为18.5 kW。

2.8 液压油箱容积计算

油泵流量的4倍V1=172 L，一孔检修的无杆腔容积V2=684 L，其余系统正常运行需要的容积V3=169 L，将相关参数代入式（19）中，计算出油箱所需容积V=1 128 L。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，选定液压泵站的油箱容积为1 250 L。

2.9 油路管径计算

油管管径dy应满足流量及流速的要求，工作流量Q＝51.4 L/min，油管最大工作压力pmax＝16.5 MPa。按照DL/T 5167—2018规定，管内允许流速v≤2.5 m/s，油管许用应力[σ]≤112 MPa，通过式（20）（21）计算出管径d＝20 mm，壁厚δ≥1.6 mm。考虑到为减失少压力损失和压力冲击，油管弯曲半径应不小于3倍管径，系统管道所有弯头均采用自然冷弯成形弯头，有杆腔和无杆腔管路可选用规格为Φ20 mm×2.5 mm的无缝钢管。

3 液压系统仿真试验

参照启闭机液压系统原理图，忽略油缸的制造、安装误差和系统泄漏等因素，构建双吊点集成式液压启闭机系统仿真模型，调用Automation Studio软件液压模块中电机、油泵、换向阀、溢流阀等组件，并结合实际液压系统对电机、溢流阀、流量控制阀、单向阀以及液压油缸等组件的各参数进行设置，对启闭、闭门等正常工况和系统超压、油缸下滑等异常工况进行仿真操作，对其工作原理和保护功能等进行操作验证，试验项目如表2所示。

表2 液压启闭机仿真试验项目

根据试验项目，在软件的仿真界面依次进行各步骤的仿真演示，在程序运行过程中，平台能够模拟出各个阀件的动作，也可通过PLC端子显示灯查看各信号的通断。通过仿真分析，获得了启闭机液压系统试验压力为22.5 MPa，与主溢流阀设定压力一致，启门到位时间为9.3 min，闭门到位时间为13.1 min。通过该液压系统仿真试验，为后续的液压启闭机的现场安装、调试等提供了有效的基础性试验数据和经验。

4 结语

液压启闭机已广泛应用于水利工程中，且新技术和新材料的运用、机电液一体化的不断发展，都是促进液压启闭机的可靠性设计进步的重要因素。液压系统的设计不仅要参照国家标准进行，必要时还需进行仿真试验，以确保工程符合设计规范。高石碑出水闸集成式液压系统，根据控制运用和参数要求，通过计算完成了液压系统的设计选型，经仿真分析得出闸门的启闭力和开关速度均满足工况需求，验证了项目设计的正确性和合理性。