談水利水電工程液壓缸補(bǔ)油方式設(shè)計(jì)

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摘要:該文通過簡(jiǎn)述液壓?jiǎn)㈤]機(jī)或升船機(jī)液壓控制的特點(diǎn)，明確了水利水電工程中液壓缸可靠補(bǔ)油的重要性，研究了水利水電工程中液壓缸各種可靠補(bǔ)油方式的設(shè)計(jì)條件，為水利水電工程中液壓?jiǎn)㈤]機(jī)或升船機(jī)設(shè)備的安全可靠性提供了保障。

關(guān)鍵詞:水利水電工程;液壓缸;補(bǔ)油方式;設(shè)計(jì)研究;安全可靠性

概述

近年來，隨著我國(guó)水利水電行業(yè)的飛速發(fā)展，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在大型水利水電工程上，遍及防洪、航運(yùn)、水資源利用(發(fā)電、灌溉、生態(tài)保護(hù))等各個(gè)方面。防洪功能的液壓控制設(shè)備比如:泄洪表孔、泄洪中孔、泄洪洞、泄洪深孔等液壓?jiǎn)㈤]機(jī);水資源利用功能的液壓控制設(shè)備比如:進(jìn)水口快速閘門、尾水事故閘門、排沙孔、抽水蓄能、灌溉孔、生態(tài)放水孔等液壓?jiǎn)㈤]機(jī);航運(yùn)功能的液壓控制設(shè)備比如:船閘人字門及輸水閥門、升船機(jī)及上下閘首閘門、活動(dòng)公路橋等。機(jī)、電、液聯(lián)合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜可靠的自動(dòng)化控制，并具有體積小、重量輕、傳動(dòng)平穩(wěn)效率高、動(dòng)作靈敏、無級(jí)調(diào)速、承載能力大、自動(dòng)過載保護(hù)、使用壽命長(zhǎng)等液壓傳動(dòng)優(yōu)越特點(diǎn)。液壓傳動(dòng)的靈活性，更有利于優(yōu)化水利水電工程的整體布局。水利水電工程要求液壓?jiǎn)㈤]機(jī)或升船機(jī)設(shè)備操作的安全可靠性極高，操作失敗很可能造成嚴(yán)重后果，因此對(duì)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)或升船機(jī)控制設(shè)備的安全可靠性要求非常高，可根據(jù)不同型式的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)或升船機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)安全可靠的液壓控制系統(tǒng)。正常工況下驅(qū)動(dòng)閘門或升船機(jī)控制機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行，非正常工況或事故狀態(tài)下具備完善的監(jiān)測(cè)、控制、安全閉鎖等各種保護(hù)功能。液壓缸是液壓控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也是液壓?jiǎn)㈤]機(jī)或升船機(jī)控制機(jī)構(gòu)的重要組成部分。本文重點(diǎn)研究水利水電工程中液壓缸補(bǔ)油方式的可靠性設(shè)計(jì)。

1水利水電工程中液壓缸補(bǔ)油方式設(shè)計(jì)

1．1自重閉門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸上腔補(bǔ)油

1．1．1自重閉門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的特點(diǎn)有些液壓?jiǎn)㈤]機(jī)是靠閘門自重來關(guān)閉閘門的，這類液壓?jiǎn)㈤]機(jī)常稱為自重閉門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，例如泄洪閘門、電站事故快速閘門等液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。啟閉機(jī)閘門往往處于長(zhǎng)時(shí)間開啟或長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉狀態(tài)，相應(yīng)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸活塞桿處于長(zhǎng)時(shí)間縮回或長(zhǎng)時(shí)間伸出狀態(tài)。比如泄洪閘門在泄洪時(shí)段開啟、非泄洪時(shí)段關(guān)閉;電站事故快速閘門在正常工況下一直處于開啟狀態(tài)，事故狀態(tài)下須快速關(guān)閉。長(zhǎng)時(shí)間開啟工況的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸的下腔處于保壓閉鎖狀態(tài)，液壓系統(tǒng)盡管從設(shè)計(jì)、制造、安裝、維護(hù)等各方面采取了極高密封性能，隨著保壓時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，受油溫變化、密封件老化等因素影響，自重閉門的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸的活塞有可能會(huì)因泄漏出現(xiàn)微微下滑，導(dǎo)致啟閉液壓缸的活塞上腔容積微微增大，此時(shí)如果啟閉機(jī)液壓缸的活塞上腔不能及時(shí)補(bǔ)滿油液，上腔負(fù)壓可能會(huì)將空氣或水汽吸入液壓缸活塞上腔，導(dǎo)致液壓缸上腔內(nèi)壁腐蝕生銹，從而給液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行帶來隱患，很可能造成嚴(yán)重后果(當(dāng)然，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸的活塞下滑量到一定值時(shí)，電控系統(tǒng)會(huì)發(fā)信指令液壓控制系統(tǒng)將閘門重新提升至設(shè)定高度)。因此，自重閉門的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)須設(shè)置簡(jiǎn)單可靠的向液壓缸上腔的補(bǔ)油回路，用來補(bǔ)償液壓系統(tǒng)及液壓缸中可能產(chǎn)生的泄漏。

1．1．2自重閉門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸補(bǔ)油方式設(shè)計(jì)液壓缸補(bǔ)油一般是針對(duì)活塞式液壓缸。根據(jù)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的控制功能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)備布局等，設(shè)計(jì)相應(yīng)可靠的液壓缸補(bǔ)油方式:主油箱直接補(bǔ)油、設(shè)置高位油箱補(bǔ)油或蓄能器補(bǔ)油。1)主油箱直接補(bǔ)油如果液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓泵站的油箱內(nèi)液位高于或接近于啟閉機(jī)液壓缸上腔油口高度，便可采用簡(jiǎn)單可靠的主油箱直接補(bǔ)油方式(如圖1所示)。主油箱油液通過單向閥1自吸補(bǔ)油到啟閉液壓缸2的上腔。設(shè)計(jì)了單向閥1，既能在必要的時(shí)候自動(dòng)補(bǔ)油到啟閉機(jī)液壓缸上腔，又毫不影響正常工況下液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉閘門。2)設(shè)計(jì)高位油箱補(bǔ)油或蓄能器補(bǔ)油如果液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓泵站的油箱內(nèi)液位大大低于啟閉機(jī)液壓缸上腔油口高度，那么采用簡(jiǎn)單的主油箱直接補(bǔ)油方式是不可靠的，需考慮設(shè)計(jì)高位油箱補(bǔ)油(如圖2所示)或蓄能器補(bǔ)油(如圖3所示)的方式。高位油箱補(bǔ)油方式，需要在相應(yīng)啟閉機(jī)液壓缸附近高處安裝高位油箱，以便滿足啟閉機(jī)液壓缸上腔自吸補(bǔ)油。如圖2所示，設(shè)計(jì)了單向閥1，一方面，啟閉液壓缸2的上腔將出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，高位油箱3內(nèi)的油液會(huì)通過單向閥1自動(dòng)補(bǔ)油到啟閉機(jī)液壓缸2的上腔;另一方面，高位油箱組件對(duì)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)正常工況下啟閉閘門沒有任何影響。高位油箱中須容納一定油液，以滿足活塞下滑后啟閉液壓缸上腔的補(bǔ)油。當(dāng)高位油箱中液位達(dá)到設(shè)定低位時(shí)，液位繼電器LV3發(fā)訊，聲光報(bào)警，啟動(dòng)補(bǔ)油系統(tǒng)給高位油箱補(bǔ)油;高位油箱中液位達(dá)到設(shè)定高位時(shí)，液位繼電器LV2發(fā)訊，停止補(bǔ)油;如果高位油箱中油液繼續(xù)上升，液位過高時(shí)，液位繼電器LV1發(fā)訊，聲光報(bào)警，停止補(bǔ)油并停泵檢修。如果受空間或土建結(jié)構(gòu)限制，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸附近高處不便安裝高位油箱，則需要考慮蓄能器補(bǔ)油的方式，蓄能器控制組件集成安裝在啟閉機(jī)房?jī)?nèi)的液壓泵站上即可。如圖3所示，當(dāng)啟閉機(jī)液壓缸2的上腔將出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，蓄能器3內(nèi)的油液經(jīng)過限壓控制后，通過單向閥1安全補(bǔ)油到啟閉機(jī)液壓缸2的上腔;而在液壓?jiǎn)㈤]機(jī)正常啟門或閉門工況時(shí)，單向閥1使蓄能器補(bǔ)油支路與主控制回路隔斷，蓄能器補(bǔ)油支路對(duì)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)正常工況下啟閉閘門沒有絲毫影響。蓄能器內(nèi)油液須保持一定容量及壓力范圍，以滿足活塞下滑后啟閉液壓缸上腔可靠補(bǔ)油。當(dāng)蓄能器內(nèi)壓力不足時(shí)PJ2發(fā)訊，啟動(dòng)蓄能器補(bǔ)壓系統(tǒng)開始補(bǔ)壓;給蓄能器補(bǔ)壓到PJ1發(fā)訊，補(bǔ)壓系統(tǒng)停。

1．2事故狀態(tài)下電站快速閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸無桿腔補(bǔ)油

1．2．1電站快速閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的特點(diǎn)電站快速閘門是水輪發(fā)電機(jī)組的重要保護(hù)設(shè)備?？焖匍l門是當(dāng)電站引水鋼管破裂或水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生飛逸等異常情況時(shí)，為避免事故擴(kuò)大需在規(guī)定時(shí)間內(nèi)快速關(guān)閉的事故閘門。電站快速閘門平時(shí)靠液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸懸掛在孔口以上一定位置處待命，當(dāng)電站機(jī)組或引水鋼管發(fā)生事故時(shí)，閘門利用水柱重靠閘門自重快速關(guān)閉孔口。當(dāng)電站機(jī)組運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水口快速閘門全開過水，啟閉機(jī)液壓缸處于全開工作位;事故狀態(tài)下，啟閉機(jī)液壓缸有桿腔持住閘門快速關(guān)閉、截?cái)嗨?，保護(hù)電站機(jī)組或引水鋼管。事故狀態(tài)下閘門快速關(guān)閉時(shí)，不需要啟動(dòng)液壓泵-電動(dòng)機(jī)組，只需打開快速閉門電控閥組、形成差動(dòng)回路，靠閘門自重和水柱重快速下落關(guān)閉。所謂差動(dòng)回路，即啟閉液壓缸從無桿腔進(jìn)油，有桿腔油液返回到無桿腔，利用無桿腔與有桿腔的面積差產(chǎn)生的壓力驅(qū)動(dòng)活塞桿伸出的回路。有桿腔的油液返回到無桿腔，導(dǎo)致液壓缸快速伸出動(dòng)作。無桿腔與有桿腔的面積差導(dǎo)致了無桿腔與有桿腔的流量差，因此快速閉門過程必須補(bǔ)充一定流量的油液到液壓缸無桿腔，補(bǔ)油設(shè)計(jì)流量取決于快速閉門速度要求。可見電站快速閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸無桿腔補(bǔ)油方式的設(shè)計(jì)可靠性是至關(guān)重要的。

1．2．2電站快速閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸無桿腔補(bǔ)油方式設(shè)計(jì)根據(jù)快速閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的結(jié)構(gòu)布局、設(shè)備特點(diǎn)等，設(shè)計(jì)相應(yīng)可靠的快速閉門工況液壓缸無桿腔補(bǔ)油方式:快速閉門主油箱直接補(bǔ)油、或設(shè)置快速閉門高位油箱補(bǔ)油、或設(shè)置壓力補(bǔ)油箱。1)快速閉門主油箱直接補(bǔ)油如果液壓泵站主油箱高度滿足閘門快速關(guān)閉工況液壓缸無桿腔快速補(bǔ)油要求，便可采用簡(jiǎn)單可靠的主油箱直接補(bǔ)油方式(如圖4所示)。打開快速閉門電控閥組，主油箱油液通過充液閥1自吸補(bǔ)油到液壓缸無桿腔。充液閥1的設(shè)計(jì)，既能滿足事故狀態(tài)快速閉門工況主油箱油液自動(dòng)補(bǔ)油到啟閉液壓缸無桿腔，又毫不影響液壓?jiǎn)㈤]機(jī)正常工況啟閉閘門。2)快速閉門高位油箱補(bǔ)油或設(shè)計(jì)壓力補(bǔ)油箱如果液壓泵站的油箱液位低于快速閘門啟閉機(jī)液壓缸、且快速閉門工況主油箱油液不能充分自吸補(bǔ)油到啟閉液壓缸無桿腔的情況下，須考慮設(shè)計(jì)快速閉門高位油箱補(bǔ)油(如圖5所示)或設(shè)計(jì)快速閉門壓力補(bǔ)油箱(如圖6所示)的方式?？焖匍]門高位油箱補(bǔ)油方式，需要在快速閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸上方或旁邊高處安裝高位油箱，以滿足閘門快速關(guān)閉時(shí)給啟閉機(jī)液壓缸無桿腔充分快速補(bǔ)油的要求。如圖5，快速閉門工況，打開快速閉門電控閥組，高位油箱3內(nèi)的油液會(huì)通過充液閥1自動(dòng)快速補(bǔ)油到啟閉機(jī)液壓缸2的無桿腔;另外，設(shè)計(jì)了充液閥1，使高位油箱組件對(duì)快速閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)正常速度啟閉閘門工況沒有任何影響。高位油箱內(nèi)油液容量以及充液閥通徑及補(bǔ)油管徑，須滿足快速閉門過程啟閉液壓缸無桿腔的充分補(bǔ)油以及快速閉門速度要求?？焖匍]門高位油箱中液位控制方式參見本文

1．1．2中的第2小節(jié)。對(duì)于小型快速閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)需要考慮高位油箱補(bǔ)油的情況，如果空間或周邊土建結(jié)構(gòu)限制，導(dǎo)致快速閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸上方或旁邊高處不便安裝高位油箱，可以考慮設(shè)計(jì)壓力補(bǔ)油箱來滿足閘門快速關(guān)閉時(shí)啟閉機(jī)液壓缸無桿腔充分快速補(bǔ)油的要求。所謂壓力補(bǔ)油箱，是指此高位補(bǔ)油箱可以承受約小于1MPa的壓力，不需專設(shè)注油口;此壓力補(bǔ)油箱靠支架集成固定在啟閉液壓缸上部，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便。如圖6，啟閉液壓缸正常啟門工況，液壓油從PA管路進(jìn)入啟閉液壓缸2的有桿腔，無桿腔油液通過B管路進(jìn)入壓力補(bǔ)油箱3，再通過PB管路最終回到主油箱。啟閉液壓缸正常速度閉門工況(活塞桿伸出)，液壓油通過PB管路進(jìn)入壓力補(bǔ)油箱3，靠PB管路約小于1MPa的安全壓力將流過壓力補(bǔ)油箱3的油液通過B管路不斷輸送到啟閉液壓缸2的無桿腔，實(shí)現(xiàn)活塞桿伸出動(dòng)作?？焖匍]門工況，打開快速閉門電控閥組，啟閉液壓缸2的無桿腔進(jìn)油，有桿腔油液通過A管路、快速閉門電控閥組、經(jīng)C管路返回到無桿腔，快速閉門過程中壓力補(bǔ)油箱3內(nèi)油液會(huì)自動(dòng)快速補(bǔ)油到啟閉液壓缸2的無桿腔。設(shè)計(jì)了單向閥1，快速閉門過程用以平衡壓力補(bǔ)油箱3內(nèi)壓力，為快速閉門可靠補(bǔ)油提供了保障;另外，單向閥1對(duì)快速閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)正常速度啟閉閘門工況沒有任何影響。在正常工況啟門過程或啟門到位，壓力補(bǔ)油箱3內(nèi)是充滿油液的，為事故狀態(tài)快速關(guān)閉閘門時(shí)啟閉液壓缸2的無桿腔補(bǔ)油做好了準(zhǔn)備。

1．3外力作用下高位油箱補(bǔ)油

水利水電工程中的升船機(jī)液壓控制系統(tǒng)是自動(dòng)智能綜合控制的液壓系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)控制的各種機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)配合、安全可靠運(yùn)行。其中有些液壓缸只有單方向運(yùn)行靠液壓力、另一個(gè)方向運(yùn)行靠外力。如圖7，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)液氣彈簧缸3，只有無桿腔受液壓力，在外力作用下活塞桿縮回，因此設(shè)計(jì)了高位油箱1來可靠實(shí)現(xiàn)活塞桿伸出及縮回動(dòng)作。液氣彈簧缸3為雙活塞液壓缸，作為船廂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)液氣彈簧的重要組成部分，液壓缸兩有桿腔與高位油箱1連接;無桿腔通過控制閥組與蓄能器2相連，并由蓄能器2保壓。液壓系統(tǒng)向液氣彈簧缸3的無桿腔及蓄能器2充液壓油到設(shè)定壓力(液氣彈簧預(yù)張力)，以限制機(jī)構(gòu)過載。在船廂正常運(yùn)行過程中，液壓缸活塞桿所受外力小于預(yù)張力，活塞桿與缸體之間不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)豎直位移;在事故狀態(tài)下液氣彈簧載荷增大超過了預(yù)張力時(shí)，液氣彈簧缸3的活塞桿將縮回，無桿腔油液受壓進(jìn)入蓄能器2內(nèi)對(duì)氣體壓縮蓄能。液氣彈簧超載(活塞桿縮回)，高位油箱1內(nèi)的油液自吸補(bǔ)油到有桿腔;無桿腔充壓過程(活塞桿伸出)，有桿腔油液排回到高位油箱?？梢?，此工況下高位油箱內(nèi)油液理論上是沒有損耗的。

2結(jié)語

本文通過簡(jiǎn)述自重閉門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)、電站快速閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的特點(diǎn)以及升船機(jī)液壓控制機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，明確了水利水電工程中液壓缸可靠補(bǔ)油的重要性，詳細(xì)闡述了自重閉門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸上腔補(bǔ)油、事故狀態(tài)下電站快速閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸無桿腔補(bǔ)油以及升船機(jī)控制機(jī)構(gòu)外力作用下高位油箱補(bǔ)油的各種可靠方式以及不同補(bǔ)油方式的設(shè)計(jì)條件，為水利水電工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)或升船機(jī)設(shè)備的安全可靠性提供了保障。

參考文獻(xiàn)

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作者：段惠玲 單位：太重集團(tuán)榆次液壓工業(yè)有限公司