基于Fluidsim仿真的津头泵站排水蝶阀液压系统设计

贺敏超，马俊强，李文英，刘奇波

（1.广西水利电力职业技术学院，南宁 530023；2.南宁市邕江防洪排涝工程管理中心，南宁 530021；3.南宁精能发电设备有限公司，南宁 530033）

1 工程概述

津头泵站位于南宁市邕江江北东堤背水面、江北大道内侧。泵站控制集雨面积0.788 km2，安装潜水轴流泵5 台，总装机容量800 kW（单机容量160 kW），总抽排流量7.35 m3/s（单机流量1.47 m3/s）。流道层设进水流道5 条，布置5 台主水泵。泵站进水管通过室外工作井与城市道路排水管网连接，设自排蝶1 台，防洪期间关闭阀门，水流汇入泵站前池。水泵出水管采用单机单管，与钢筋混凝土压力水箱连接，终端处设浮箱拍门。压力水箱后接钢筋混凝土排水压力涵管，5 台机共用1 条排水涵管通到堤外，在室外工作井设蝶阀（即排水蝶阀），外江侧设挡水拍门。泵站承担着南宁市江北大道内侧教育路和桃源路一带繁华地段的防洪排涝任务。

由于排水蝶阀室外工作深井内约3 m处常年潮湿，原来设置的电动蝶阀线路老化，工作不可靠，需要用人工辅助启闭阀门，而电动蝶阀的减速机构是采用蜗轮蜗杆机构，其传动比大，通过人工启闭蝶阀需要耗费大量的人力和时间。故需要更换为能较好适应潮湿环境下工作可靠、并带有储能器的液控蝶阀，确保在防洪期间设备运行可靠，在应急情况下依然能完成相应的启闭功能，保障邕江北岸人民群众的生命财产安全[1]。

2 排水蝶阀工作要求

津头泵站排水蝶阀，要求具有动作灵敏、运行可靠、维修方便等功能。故选用了某公司生产的液控蝶阀D7Q41X-16 型。该液控蝶阀适用于介质为水的管路上，具有截断水流功能。采用蓄能器结构液压系统，该结构体积小重量轻、结构简单（结构本身具有单向作用功能，即阀板本身不能在介质压力下转动），液压系统和电气控制箱与阀门分体安装，便于安装和维护。主要性能指标：公称压力PN1.6 MPa，壳体试验、密封试验、工作压力分别为2.40、1.76、1.60 MPa，工作温度不大于120℃，工作介质为水。

液控蝶阀的工作状态主要有3 种：一是电动开阀，即液压站通电，油泵启动，压力油通过液压管道进入液压缸的无杆腔内，将活塞杆顶出，带动蝶板从0°（即全关）到90°（即全开），完成阀门开启；二是电动关阀，即当需要关闭阀门时，相应的电磁阀动作，压力油进入液压缸的有杆腔内，活塞杆缩回，带动蝶板完成阀门关闭；三是手动关闭阀门，即在停电及备用电源失效的情况下，可手动操作相应换向阀手柄，利用蓄能器的能量，将活塞杆缩回，完成阀门关闭[2]。同理，在失电情况下，如果需要开启阀门，也可以通过手动模式完成阀门开启。一般情况下，排涝泵站主要是为了防止江水倒灌，所以应急情况下，关闭阀门是最主要的任务，手动开启功能只是为了试验等非应急状态下的辅助功能。

3 排水蝶阀液压系统设计

3.1 液压系统原理图

根据排水蝶阀工作要求，采用带有储能器的液压系统。液压系统主要有3个回路。第一回路即电动开启回路，是完成排水蝶阀阀板的开启动作；第二回路即电动关闭回路，是完成排水蝶阀的关闭动作；第三回路是在断电及备用电源失效的条件下，手动完成阀板的关门或开启动作。

电动开启回路和电动关闭回路通过一个具有中位机能三位四通电磁换向阀。由于需要在断电情况下能短时保压，故选用O型中位机能的三位四通换向阀。通过换向阀两端的电磁阀切换动作，可以实现排水阀门开启、保压和关闭功能。在开启和关闭回路上，都设置有可调节流阀，可调节流阀后端设置压力表，以便观察工作过程液压缸的有杆腔和无杆腔的压力情况。

为了实现断电及备用电源失效还能开启或关闭蝶阀，设置了第三液压回路。该回路与前述两个回路是并联关系。回路上设置有储能器，储能器的一端接压力源，以便在正常供电时完成储能工作；另一端作为液压油输出端，通过一个三位三通换向阀，控制液压油通向液压缸的有杆腔还是无杆腔，实现手动控制阀门的开启和关闭功能。为了实现手动控制阀门开启或关闭功能，还需要在开启和关闭回路上设置二位三通电磁阀，手动操作实现通油或回油动作，配合完成手动启闭阀门。在液压杆伸缩的最大值和最小值处，设置行程开关，当液压杆伸出到最远端时，即表示阀门已经完成开启（开度为90°），整个开启回路停止并短时保压；当液压杆缩回到最近短时，即表示阀门已经完成关闭（开度为0°），整个关闭回路停止并短时保压。在整个液压回路上还设置了安全溢流阀，以保障整个液压系统处于安全受控状态[3]。为了方便仿真，在过滤器后端增加一个二位三通电磁阀，在实际应用中可以不需要该电磁阀。当该电磁阀不通电时，该处后方的液压回路将处于保压状态。利用Fluidsim仿真软件，结合上述功能需求，得出液压系统原理图及其电气控制图（见图1）。

图1 液压系统原理图及其电气控制图

3.2 液压系统工作过程分析

结合液压系统原理图，蝶阀工作过程液压系统运行如下：

（1）阀门开启。液压站通电后，油泵工作，提供预设额定油压。液压油经过件2过滤后进入总回路上的二位三通电磁阀3（系统断电仿真需要，实际工程中可以不需该电磁阀）。件6 三位四通换向阀的1Y 电磁阀得电，油路P 口通向A 口，进入件11 二位三通换向阀左位，液压油从P口通向A口，经过件13可调节流阀后进入液压缸的无杆腔，将液压杆推出，实现阀门开启[4]。

（2）阀门关闭。液压站通电后，油泵工作，油路跟阀门开启一致，只是件6三位四通换向阀2Y电磁阀得电，油路P 口通向B 口，经过件12 可调节流阀后进入液压缸的有杆腔，液压杆缩回，阀门关闭。

（3）手动操作模式。分为手动开启阀门和关闭阀门。在通电正常情况下，件3二位三通换向阀3Y得电、件9 二位三通换向阀4Y 得电，油路通向件17隔膜式蓄能器，实现蓄能器蓄能（蓄能器中常态下操作手柄向右，通电自动蓄能，即为自带关闭装置）。需要说明的是，隔膜式蓄能器用于贮存压力油，其安装有溢流阀，以防止过压。FluidSIM 软件在仿真期间简化了隔膜式蓄能器的动态关系，即隔膜式蓄能器流量为断续的，而不是连续的。

在断电的情况下，件3 的电磁阀3Y 失电，在弹簧的作用下，液压油从P口进T口直接回件5油箱。件9二位二通换向阀的4Y电磁阀失电，换向阀也处于右位状态，油路断开。件6 三位四通电磁换向阀两边的电磁阀都处于失电状态，换向阀处于中位机能位置。此时油路处于暂时保压状态。件16 三位三通换向阀也处于中位位置。此时件17 隔膜式储能器就是压力源。当需要手动开阀（即液压杆推出）时，需要手动将件10二位三通换向阀推到左位，使有杆腔的液压油回到油箱；再将件16三位三通换向阀推到左位，使储能器的液压油通向液压缸的无杆腔；最后手动操作件17 隔膜式储能器换向阀，使其处于右位工作，储能器内液压油释放，进入液压缸无杆腔，实现阀门开启。同理，要实现手动关闭阀门，即手动将液压杆缩回。就需要将储能器的高压油输送到有杆腔内，同时将无杆腔连接到油箱卸油。手动操作件11二位三通换向阀，使其工作在右位，有杆腔与油箱连通。再推动件10二位三通换向阀手柄，使其工作在右位，以便液压缸有杆腔与储能器连通。最后手动操作件16三位三通换向阀，使其工作在右位，实现储能器的高压油与液压缸有杆腔连通，液压杆缩回，实现阀门关闭。上述元件动作顺序如表1所示。

表1 元件动作表（√表示得电工作）

4 排水蝶阀液压系统仿真分析

根据以上动作分析，结合液压系统原理图及其电气控制图，在Fluidsim 软件中建立仿真模型。电动开阀只需操作按钮SB1 即可，电动关阀只需操作按钮则操作SB2。选用按钮开关的优点是可以随时放开按钮，阀门停止在任意位置，控制不同开度。在液压杆的最远端MAX 端和最近端MIN 端设置了行程开关（Fliudsim 软件中用标尺来表示），用以控制全开或全关后，以免过载而导致液压缸或液压杆受损。行程开关分别串联在电动开阀和电动关阀的电路上。为了仿真停电状态，在控制电路中设置了按键式常闭开关SB3，当按下时，总电路断开，液压回路处于断电状态[5]。

4.1 电动开阀仿真

在正常通电情况下，电磁阀3Y和4Y得电，液压系统进入待机状态，同时储能器储能。按下按钮开关SB1，电磁阀1Y 得电，件6 三位四通换向阀在左位，P口与A口连通，B口与T口连通，高压油从进入液压缸的无杆腔，将液压缸推出，经B口通向T口后返回油箱。仿真图见图2。

图2 电动开阀仿真图

4.2 电动关阀仿真

在正常通电情况下，按下按钮SB2，电磁阀2Y得电，件6 三位四通换向阀处于右位工作，P 口与B口连通，高压油进入有杆腔；A 口与T 口连通，无杆腔的液压回路与油箱5连通，使液压杆缩回，实现关阀功能。仿真图见图3。

图3 电动关阀仿真图

4.3 手动开阀仿真

将按键式开关SB3 按下，表示仿真系统无电力输入，需要手动将液压杆推出。将件10二位三通换向阀推向左位，使P口与T口连通，T口与油箱连通；件16三位三通换向阀也推向左位，使A口与P口连通。件17储能器中的手动换向阀也推向右位，使压力油得到释放，经由件16的A口到P口进入液压缸的无杆腔，液压杆被推出，完成手动开阀动作。仿真图见图4。

图4 手动开阀仿真图

4.4 手动关阀仿真

在断电的情况下，储能器就是压力源。手动操作件11使其在右位工作，换向阀中的A口与T口连通，无杆腔与油箱连通。手动操作件10二位三通换向阀和件16 三位三通换向阀，使其工作在右位，件10 换向阀的A 口与P 口连通，件16 的A 口与T 口连通，使液压缸有杆腔与储能器连通，储能器中的手动关闭换向阀处于右位，释放液压油，液压缸中的液压杆缩回，实现手动关闭阀门。仿真图见图5。

图5 手动关阀仿真图

5 结论

利用Fluidsim 软件，建立了排水泵站液控蝶阀的液压系统仿真模型，并通过软件中的仿真模块进行仿真分析。仿真结果显示所设计的蝶阀液压控制系统能够满足现场阀门启闭的动作要求。虽然防洪排涝泵站抽排控制系统中，都会有备用电源，但在理论上还是存在备用电源失效的可能性，如果不能及时关闭排水蝶阀，外江侧的浮箱拍门刚好脱落失效，有可能发生江水倒灌的现象，对江堤沿岸人民群众的生命财产安全构成重大威胁。因此，防洪排涝泵站建设一套安全可靠、能临时独立于电网运行的液控蝶阀控制系统是很有必要的。