談水利水電工程液壓缸補油方式設(shè)計

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摘要:該文通過簡述液壓啟閉機或升船機液壓控制的特點，明確了水利水電工程中液壓缸可靠補油的重要性，研究了水利水電工程中液壓缸各種可靠補油方式的設(shè)計條件，為水利水電工程中液壓啟閉機或升船機設(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;補油方式;設(shè)計研究;安全可靠性

概述

近年來，隨著我國水利水電行業(yè)的飛速發(fā)展，液壓傳動系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在大型水利水電工程上，遍及防洪、航運、水資源利用(發(fā)電、灌溉、生態(tài)保護(hù))等各個方面。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、泄洪深孔等液壓啟閉機;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)放水孔等液壓啟閉機;航運功能的液壓控制設(shè)備比如:船閘人字門及輸水閥門、升船機及上下閘首閘門、活動公路橋等。機、電、液聯(lián)合實現(xiàn)復(fù)雜可靠的自動化控制，并具有體積小、重量輕、傳動平穩(wěn)效率高、動作靈敏、無級調(diào)速、承載能力大、自動過載保護(hù)、使用壽命長等液壓傳動優(yōu)越特點。液壓傳動的靈活性，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啟閉機或升船機設(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，因此對液壓啟閉機或升船機控制設(shè)備的安全可靠性要求非常高，可根據(jù)不同型式的液壓啟閉機或升船機的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計相應(yīng)安全可靠的液壓控制系統(tǒng)。正常工況下驅(qū)動閘門或升船機控制機構(gòu)平穩(wěn)運行，非正常工況或事故狀態(tài)下具備完善的監(jiān)測、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)行機構(gòu)，也是液壓啟閉機或升船機控制機構(gòu)的重要組成部分。本文重點研究水利水電工程中液壓缸補油方式的可靠性設(shè)計。

1水利水電工程中液壓缸補油方式設(shè)計

1．1自重閉門液壓啟閉機液壓缸上腔補油

1．1．1自重閉門液壓啟閉機的特點有些液壓啟閉機是靠閘門自重來關(guān)閉閘門的，這類液壓啟閉機常稱為自重閉門液壓啟閉機，例如泄洪閘門、電站事故快速閘門等液壓啟閉機。啟閉機閘門往往處于長時間開啟或長時間關(guān)閉狀態(tài)，相應(yīng)液壓啟閉機液壓缸活塞桿處于長時間縮回或長時間伸出狀態(tài)。比如泄洪閘門在泄洪時段開啟、非泄洪時段關(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。長時間開啟工況的液壓啟閉機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、制造、安裝、維護(hù)等各方面采取了極高密封性能，隨著保壓時間的不斷延長，受油溫變化、密封件老化等因素影響，自重閉門的液壓啟閉機液壓缸的活塞有可能會因泄漏出現(xiàn)微微下滑，導(dǎo)致啟閉液壓缸的活塞上腔容積微微增大，此時如果啟閉機液壓缸的活塞上腔不能及時補滿油液，上腔負(fù)壓可能會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，從而給液壓啟閉機設(shè)備的安全可靠運行帶來隱患，很可能造成嚴(yán)重后果(當(dāng)然，液壓啟閉機液壓缸的活塞下滑量到一定值時，電控系統(tǒng)會發(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，自重閉門的液壓啟閉機液壓系統(tǒng)須設(shè)置簡單可靠的向液壓缸上腔的補油回路，用來補償液壓系統(tǒng)及液壓缸中可能產(chǎn)生的泄漏。

1．1．2自重閉門液壓啟閉機液壓缸補油方式設(shè)計液壓缸補油一般是針對活塞式液壓缸。根據(jù)液壓啟閉機的控制功能、結(jié)構(gòu)特點、設(shè)備布局等，設(shè)計相應(yīng)可靠的液壓缸補油方式:主油箱直接補油、設(shè)置高位油箱補油或蓄能器補油。1)主油箱直接補油如果液壓啟閉機液壓泵站的油箱內(nèi)液位高于或接近于啟閉機液壓缸上腔油口高度，便可采用簡單可靠的主油箱直接補油方式(如圖1所示)。主油箱油液通過單向閥1自吸補油到啟閉液壓缸2的上腔。設(shè)計了單向閥1，既能在必要的時候自動補油到啟閉機液壓缸上腔，又毫不影響正常工況下液壓啟閉機啟閉閘門。2)設(shè)計高位油箱補油或蓄能器補油如果液壓啟閉機液壓泵站的油箱內(nèi)液位大大低于啟閉機液壓缸上腔油口高度，那么采用簡單的主油箱直接補油方式是不可靠的，需考慮設(shè)計高位油箱補油(如圖2所示)或蓄能器補油(如圖3所示)的方式。高位油箱補油方式，需要在相應(yīng)啟閉機液壓缸附近高處安裝高位油箱，以便滿足啟閉機液壓缸上腔自吸補油。如圖2所示，設(shè)計了單向閥1，一方面，啟閉液壓缸2的上腔將出現(xiàn)負(fù)壓時，高位油箱3內(nèi)的油液會通過單向閥1自動補油到啟閉機液壓缸2的上腔;另一方面，高位油箱組件對液壓啟閉機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油。當(dāng)高位油箱中液位達(dá)到設(shè)定低位時，液位繼電器LV3發(fā)訊，聲光報警，啟動補油系統(tǒng)給高位油箱補油;高位油箱中液位達(dá)到設(shè)定高位時，液位繼電器LV2發(fā)訊，停止補油;如果高位油箱中油液繼續(xù)上升，液位過高時，液位繼電器LV1發(fā)訊，聲光報警，停止補油并停泵檢修。如果受空間或土建結(jié)構(gòu)限制，液壓啟閉機液壓缸附近高處不便安裝高位油箱，則需要考慮蓄能器補油的方式，蓄能器控制組件集成安裝在啟閉機房內(nèi)的液壓泵站上即可。如圖3所示，當(dāng)啟閉機液壓缸2的上腔將出現(xiàn)負(fù)壓時，蓄能器3內(nèi)的油液經(jīng)過限壓控制后，通過單向閥1安全補油到啟閉機液壓缸2的上腔;而在液壓啟閉機正常啟門或閉門工況時，單向閥1使蓄能器補油支路與主控制回路隔斷，蓄能器補油支路對液壓啟閉機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油。當(dāng)蓄能器內(nèi)壓力不足時PJ2發(fā)訊，啟動蓄能器補壓系統(tǒng)開始補壓;給蓄能器補壓到PJ1發(fā)訊，補壓系統(tǒng)停。

1．2事故狀態(tài)下電站快速閘門液壓啟閉機液壓缸無桿腔補油

1．2．1電站快速閘門液壓啟閉機的特點電站快速閘門是水輪發(fā)電機組的重要保護(hù)設(shè)備?？焖匍l門是當(dāng)電站引水鋼管破裂或水輪發(fā)電機組發(fā)生飛逸等異常情況時，為避免事故擴大需在規(guī)定時間內(nèi)快速關(guān)閉的事故閘門。電站快速閘門平時靠液壓啟閉機液壓缸懸掛在孔口以上一定位置處待命，當(dāng)電站機組或引水鋼管發(fā)生事故時，閘門利用水柱重靠閘門自重快速關(guān)閉孔口。當(dāng)電站機組運行時，進(jìn)水口快速閘門全開過水，啟閉機液壓缸處于全開工作位;事故狀態(tài)下，啟閉機液壓缸有桿腔持住閘門快速關(guān)閉、截斷水流，保護(hù)電站機組或引水鋼管。事故狀態(tài)下閘門快速關(guān)閉時，不需要啟動液壓泵-電動機組，只需打開快速閉門電控閥組、形成差動回路，靠閘門自重和水柱重快速下落關(guān)閉。所謂差動回路，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充一定流量的油液到液壓缸無桿腔，補油設(shè)計流量取決于快速閉門速度要求。可見電站快速閘門液壓啟閉機液壓缸無桿腔補油方式的設(shè)計可靠性是至關(guān)重要的。

1．2．2電站快速閘門液壓啟閉機液壓缸無桿腔補油方式設(shè)計根據(jù)快速閘門液壓啟閉機的結(jié)構(gòu)布局、設(shè)備特點等，設(shè)計相應(yīng)可靠的快速閉門工況液壓缸無桿腔補油方式:快速閉門主油箱直接補油、或設(shè)置快速閉門高位油箱補油、或設(shè)置壓力補油箱。1)快速閉門主油箱直接補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油要求，便可采用簡單可靠的主油箱直接補油方式(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自吸補油到液壓缸無桿腔。充液閥1的設(shè)計，既能滿足事故狀態(tài)快速閉門工況主油箱油液自動補油到啟閉液壓缸無桿腔，又毫不影響液壓啟閉機正常工況啟閉閘門。2)快速閉門高位油箱補油或設(shè)計壓力補油箱如果液壓泵站的油箱液位低于快速閘門啟閉機液壓缸、且快速閉門工況主油箱油液不能充分自吸補油到啟閉液壓缸無桿腔的情況下，須考慮設(shè)計快速閉門高位油箱補油(如圖5所示)或設(shè)計快速閉門壓力補油箱(如圖6所示)的方式。快速閉門高位油箱補油方式，需要在快速閘門液壓啟閉機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)閉時給啟閉機液壓缸無桿腔充分快速補油的要求。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)的油液會通過充液閥1自動快速補油到啟閉機液壓缸2的無桿腔;另外，設(shè)計了充液閥1，使高位油箱組件對快速閘門液壓啟閉機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油管徑，須滿足快速閉門過程啟閉液壓缸無桿腔的充分補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)。對于小型快速閘門液壓啟閉機需要考慮高位油箱補油的情況，如果空間或周邊土建結(jié)構(gòu)限制，導(dǎo)致快速閘門液壓啟閉機液壓缸上方或旁邊高處不便安裝高位油箱，可以考慮設(shè)計壓力補油箱來滿足閘門快速關(guān)閉時啟閉機液壓缸無桿腔充分快速補油的要求。所謂壓力補油箱，是指此高位補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)入壓力補油箱3，靠PB管路約小于1MPa的安全壓力將流過壓力補油箱3的油液通過B管路不斷輸送到啟閉液壓缸2的無桿腔，實現(xiàn)活塞桿伸出動作?？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油箱3內(nèi)油液會自動快速補油到啟閉液壓缸2的無桿腔。設(shè)計了單向閥1，快速閉門過程用以平衡壓力補油箱3內(nèi)壓力，為快速閉門可靠補油提供了保障;另外，單向閥1對快速閘門液壓啟閉機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)閉閘門時啟閉液壓缸2的無桿腔補油做好了準(zhǔn)備。

1．3外力作用下高位油箱補油

水利水電工程中的升船機液壓控制系統(tǒng)是自動智能綜合控制的液壓系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)控制的各種機構(gòu)協(xié)調(diào)配合、安全可靠運行。其中有些液壓缸只有單方向運行靠液壓力、另一個方向運行靠外力。如圖7，驅(qū)動機構(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)計了高位油箱1來可靠實現(xiàn)活塞桿伸出及縮回動作。液氣彈簧缸3為雙活塞液壓缸，作為船廂驅(qū)動機構(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)，以限制機構(gòu)過載。在船廂正常運行過程中，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產(chǎn)生相對豎直位移;在事故狀態(tài)下液氣彈簧載荷增大超過了預(yù)張力時，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?？梢姡斯r下高位油箱內(nèi)油液理論上是沒有損耗的。

2結(jié)語

本文通過簡述自重閉門液壓啟閉機、電站快速閘門液壓啟閉機的特點以及升船機液壓控制機構(gòu)特點，明確了水利水電工程中液壓缸可靠補油的重要性，詳細(xì)闡述了自重閉門液壓啟閉機液壓缸上腔補油、事故狀態(tài)下電站快速閘門液壓啟閉機液壓缸無桿腔補油以及升船機控制機構(gòu)外力作用下高位油箱補油的各種可靠方式以及不同補油方式的設(shè)計條件，為水利水電工程液壓啟閉機或升船機設(shè)備的安全可靠性提供了保障。

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作者：段惠玲 單位：太重集團榆次液壓工業(yè)有限公司