啟閉機在水工閘門上的使用性能分析

高志萌 張文

摘 要：啟閉機功能在于控制水工閘門的起閉，如速度控制異常，或產生其他故障，啟閉機的性能將無法實現。本文簡要介紹了常見的啟閉機類型，基于此，重點以液壓啟閉機為例，分析了機械的缺陷。并從液壓系統子回路、液壓元件參數等方面，闡述了啟閉機的優化設計方案。通過對仿真結果的觀察，證實了優化后的啟閉機，在性能方面的優勢。

關鍵詞：液壓啟閉機 水工閘門 平衡保壓 速度控制

1.前言

閘門為水利工程所需應用的主要裝置，通過對閘門開啟與關閉狀態的調整，可使水力資源的分布及應用情況得到控制。啟閉機的功能，在于開啟與關閉閥門。如機械出現故障，將對水利工程造成嚴重的影響。根據啟閉機類型的不同，其常見缺陷以及優化方案同樣不同。因此，有必要就某一類型的啟閉機性能優化方案進行分析，使其性能得以增強。

2.常見水工閘門啟閉機類型及其性能

水利工程中常用的啟閉機，以固定卷揚式啟閉機、螺桿啟閉機，及液壓啟閉機為主，不同啟閉機的優勢各不相同：（1）固定卷揚式啟閉機：該類型的啟閉機出現時間較早，具有同步化強、運行平穩性與可靠性高的優勢。加之設備構造較為簡單，因此后期維修相對方便。利用固定卷揚式啟閉機控制水工閘門的過程，需借助鋼絲繩的帶動而實現。閘門需與鋼絲繩連接，而啟閉機則可通過使鋼絲繩執行“收”與“放”指令的方式，對閘門動作進行控制。（2）螺桿啟閉機：該類型啟閉機由傳動機構、螺栓等構成。啟閉機啟動后，螺母可隨之轉動。而閘門則可隨螺母的轉動以及升降，執行開啟與關閉的動作。（3）液壓啟閉機：液壓啟閉機為較為先進的啟閉機類型，要求利用液體，使壓力得以傳遞。通過油缸，帶動閘門開啟或關閉。與固定卷揚式啟閉機與螺桿啟閉機相比，液壓啟閉機的數字化水平更高，優勢顯著。

3.液壓啟閉機在水工閘門上的性能缺陷分析

本部分主要以液壓啟閉機為例，對啟閉機的使用缺陷進行了分析：

3.1 兩液壓缸不同步

液壓啟閉機雖優勢顯著，但如設計存在缺陷，使用性能同樣會受到一定的影響。以液壓缸為例，兩液壓缸不同步，為啟閉機的主要應用缺陷之一，多由系統性能不達標所導致。啟閉機中，液壓泵需分別對兩個液壓缸供油。液壓缸排量，是決定其需油量的主要因素。因此，如排量不同，則兩者對油量的需求同樣不同。在同一液壓泵的作用下，液壓缸常難以同步運行。為解決上述問題，優化系統子回路，提高回路運行的平穩性是關鍵。

3.2平衡及速度回路缺陷

液壓系統中，平衡回路存在的目的，在于確保系統能夠穩定運行，確保液壓缸活塞可隨時停止。通常情況下，平衡回路的運行狀態，主要包括上升、靜止、下降三種。如狀態調整頻率過高，導致平衡系統處于不斷開關的過程中，平衡保壓的問題則會產生。就速度控制問題而言，啟閉機中，速度回路的功能，在于實現對液壓系統進出油量的控制。如調速回路，與同步回路同時被系統控制，關閉速度不平穩等現象，既可隨之產生。

4.水工閘門啟閉機的使用性能優化設計方法及效果

為增強啟閉機性能，彌補現有的缺陷。本部分主要從液壓系統子回路及液壓元件方面，對啟閉機的性能優化方法進行了探討：

4.1啟閉機的優化設計

（1）液壓系統子回路優化設計

本課題所設計的液壓系統子回路，由液壓源回路、壓力控制回路、濾油回路構成，不同回路的優化設計方法如下：①液壓源回路：液壓啟閉機管路復雜，兩液壓缸不同步的風險發生率較高。對此，設計人員可將兩套電機油泵，應用到液壓源回路的設計中。通過將兩者對稱布置的形式，實現冗余設計，使液壓缸不同步的問題得到解決。②壓力控制回路：本課題所設計的液壓系統子回路中，壓力控制回路需依靠電液比例溢流閥而實現。該回路的應用，可確保啟閉機所控制的閘門的壓力以及啟動、關閉的平穩性得以提升。③濾油回路構成：濾油回路中，過濾器為主要設備。如過濾器表面磨損過于嚴重，則回路的性能必然受到影響。此時，可將過濾器安裝在液壓泵的出口，減少污染與磨損，確保濾油回路性能無異常。

（2）液壓元件參數計算與選擇

為確保液壓元件性能無異常，應將啟門與閉門速度，以及壓力等指標，納入到元件參數的計算過程中。在提高參數計算結果精確度的同時，提高元件選擇的合理性。各元件中，液壓缸內徑的計算公式如下：

P1（π/4）（D2-d2）φm=F/2

公式中，P1代表閘門啟動所需的壓力，D代表內徑參數，d代表液壓缸中活塞的直徑，F代表啟動閘門時啟閉機所需的最大力，φ為常數。根據計算多得到的數值，選擇液壓元件，既可有效滿足液壓系統的運行需求。除液壓缸外，電動機同樣為液壓系統的重要組成部分，本課題所選擇的電動機參數如下：①型號：Y315M-6型。②額定功率：90kW。③轉速：980r/min。④質量：1.08kg。

（3）速度控制系統的優化設計

啟閉機中液壓系統的運行，需滿足動態循環與靜態特性兩大條件。除此之外，必須確保系統處于平穩的狀態，方可使速度控制系統初始化。在此過程中，如系統負載存在異常，且液壓系統穩定性差，速度控制系統的性能，同樣會出現異常，導致啟閉機的性能下降。為確保速度控制系統性能正常，可將油管的直徑、長度，應用到液壓缸容積的計算過程中。通過提高液壓缸合理性的途徑，確保供油穩定，避免液壓系統出現異常。如采用V達標液壓缸的容積，則有公式如下：

V=（π×402×10-6）/4

將計算后所得到的數據，進行進一步計算，既可得到最終的液壓缸兩腔容積，進而使供油穩定性得以提升。考慮到響應精確度問題，本課題將傳感器應用到了速度控制系統中，將液壓缸的位移偏差，控制在了2mm以下，使得速度控制系統得到了優化，提高了啟閉機的性能。

4.2優化設計效果觀察

為評估本課題所設計的液壓啟閉機的性能，本部分應用MATLAB仿真軟件，設計了仿真實驗，并對仿真效果進行了觀察：

（1）仿真設計

本課題中，仿真實驗所使用的仿真軟件，以MATLAB軟件為主，核心模塊為Simulink。該軟件可將相應參數及啟閉機回路系統，以三維模型的形式呈現。進而在運行模型的基礎上，得到仿真結果，以供判斷啟閉機性能是否存在異常。頻率特性，指正弦信號下，穩態輸出與輸入之間的關系。將該特性納入到仿真設計中，可提高仿真結果的準確度。對此，設計人員可采用以下關系式，確定時頻特性與傳遞函數之間的關系。關系式如下：

G（jw）=X0（jw）/X1（jw）=A（w）e

上述關系式中，G代表時頻特性，X0及X1代表傳遞函數，A代表實數。利用上述函數，求得時頻特性功能與函數之間的關系，既可得到最終的參數。將參數輸入至MATLAB軟件中，Bode圖則可顯示。

（2）仿真結果

通過對仿真結果的觀察發現，優化設計前的啟閉機，運行參數穩定性較差。為判斷優化設計后的機械性能是否達標，本課題將PID校正理念，納入到了仿真過程中。分別設置了三個采樣序號，提高了采樣數據的代表性。假設系統最大速度為30mm/s，最大干擾力為500kN，系統穩定度為0.05。當采樣信號中的微分信號為0.7、積分信號為0.05時，隨著偏差信號的增大，系統的調整時間顯著減少。當偏差信號為0.7時，系統的動態性能明顯增強。當采樣信號中的偏差信號為0.7、微分信號為0時，隨著微分信號的增大，系統的調整時間顯著減少。當積分信號為1.5時，系統的動態性能明顯增強。以此類推，當偏差信號為0.15時，系統的動態性能明顯增強。可見，當偏差信號為0.7、微分信號為0、積分信號為0.15時，啟閉機性能可達到最強。

5.結論

綜上所述，本課題所設計的液壓啟閉機，各系統的性能均能夠滿足水工閘門的控制需求。與優化設計前相比，啟閉機性能顯著提升。機械及水利工程領域，可根據自身所使用的啟閉機類型，對其在運行過程中存在的缺陷進行分析。在此基礎上，詳細計算啟閉機不同元件的不同運行參數。并通過仿真實驗，驗證設計方案，以使啟閉機的整體性能得以提升。

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