集成式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫劍，謝寶智

集成式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫劍1，謝寶智2

（1.海沃機(jī)械（中國(guó)）有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225006；2.常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

介紹了某水閘集成式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，主要包含液壓系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)，液壓缸、液壓泵、電動(dòng)機(jī)、控制閥等元件的計(jì)算與選型。利用軟件Automation Studio對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，即開(kāi)門(mén)力、關(guān)門(mén)力、開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)的速度。

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)；液壓系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；仿真結(jié)果分析

治理江河、城市防洪防澇以及蓄水灌溉、引水發(fā)電等工程都離不開(kāi)閘門(mén)，而閘門(mén)的開(kāi)關(guān)必須要用專(zhuān)門(mén)的機(jī)械裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。啟閉機(jī)是水利水電閘門(mén)、攔污柵專(zhuān)用的起重機(jī)械，目前使用的啟閉機(jī)主要有卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)和液壓式啟閉機(jī)兩 大類(lèi)。

液壓式啟閉機(jī)既可以產(chǎn)生向上的拉力，又可以產(chǎn)生向下的推力；與卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)相比，運(yùn)行可靠、開(kāi)關(guān)均可主動(dòng)控制，關(guān)閉閘門(mén)時(shí)不容易卡住，體積小，自重輕，且水工結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單，可以節(jié)省大量投資。此外，運(yùn)行平穩(wěn)，系統(tǒng)可方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，易于與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)智能化控制。液壓式啟閉機(jī)分為集成式啟閉機(jī)和普通的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，相對(duì)于普通的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，集成式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)有著無(wú)外置接頭、控制方式簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用[1]。

1 某水閘集成式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

某水閘集成式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)液壓缸活塞桿伸出時(shí)，帶動(dòng)閘門(mén)繞支點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)關(guān)門(mén)動(dòng)作，要求關(guān)門(mén)力160 kN（單缸）、速度為500 mm/min；當(dāng)液壓缸活塞桿縮回時(shí)，帶動(dòng)閘門(mén)繞支點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)動(dòng)作，要求開(kāi)門(mén)力320 kN（單缸）、速度為1 000 mm/min；開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)的行程為5 000 mm。

圖1 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 集成式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

為防止電機(jī)和油泵故障，本系統(tǒng)采用每個(gè)泵站增設(shè)一臺(tái)備用的電機(jī)泵組，與工作油泵電機(jī)組互為備用，兩只液壓缸的進(jìn)排油管對(duì)稱(chēng)布置。系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)換泵，以滿足可靠運(yùn)行的要求。

關(guān)門(mén)控制。啟動(dòng)液壓泵電動(dòng)機(jī)組，油液經(jīng)高壓球閥，有桿腔油壓變大，無(wú)桿腔液壓油經(jīng)二通流量控制閥流向泵，閘門(mén)關(guān)閉。當(dāng)有活塞桿經(jīng)過(guò)行程開(kāi)關(guān)SQ2時(shí)，電機(jī)失電。

開(kāi)門(mén)控制。啟動(dòng)液壓泵電動(dòng)機(jī)組，液壓油經(jīng)二通流量控制閥，無(wú)桿腔液壓油壓變大，有桿腔液壓油經(jīng)高壓球閥流向泵。閘門(mén)打開(kāi)，當(dāng)閘門(mén)打開(kāi)至行程開(kāi)關(guān)SQ1，電機(jī)失電。

同步控制。閘門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中，閘門(mén)的開(kāi)度和行程檢測(cè)裝置全程連續(xù)檢測(cè)行程的偏差，當(dāng)偏差達(dá)到一定值時(shí)，兩回路中的二通流量控制閥通過(guò)改變自身的流通量或液壓泵轉(zhuǎn)速來(lái)改變活塞桿的運(yùn)行速度，調(diào)整至同步范圍。當(dāng)偏差超過(guò)更大值時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)嚴(yán)重報(bào)警，甚至停機(jī)。

在系統(tǒng)保護(hù)措施中，液壓油路中設(shè)定了過(guò)壓保護(hù)。在開(kāi)關(guān)閘門(mén)時(shí)，若液壓系統(tǒng)工作壓力超過(guò)設(shè)定值，由壓力繼電器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，切斷電源使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；同時(shí)當(dāng)液壓油壓過(guò)低時(shí)，也會(huì)發(fā)出警報(bào)，則啟動(dòng)備用泵組。

3 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)元件設(shè)計(jì)與選型

根據(jù)液壓工程師手冊(cè)、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)和液壓元件選型手冊(cè)[2-4]，通過(guò)計(jì)算與查表，初選液壓系統(tǒng)的工作壓力為 25 MPa；液壓缸無(wú)桿腔直徑=200 mm、活塞桿直徑= 140 mm；選用變量柱塞泵，其額定壓力為28 MPa、公稱(chēng)排量為37 mL/r、總效率為0.92；選用電動(dòng)機(jī)型號(hào)為QA180L4A- B35、功率為22 kW、轉(zhuǎn)速為950 r/min；關(guān)門(mén)油管取內(nèi)徑關(guān)=15 mm，鋼管的外徑關(guān)=22 mm；開(kāi)門(mén)油管內(nèi)徑取開(kāi)=20 mm，鋼管的外徑開(kāi)=28 mm；選擇卡套式管接頭，采用冷拔無(wú)縫鋼管。

4 基于Automation Studio建立仿真模型

與其他的液壓仿真軟件相比，Automation Studio更加面向工程實(shí)際，同時(shí)具有與電氣PLC控制聯(lián)合仿真功能。根據(jù)液壓系統(tǒng)的原理圖選擇液壓元件并設(shè)置相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，用油管連接好各個(gè)元件，且設(shè)置油管的直徑等性能指標(biāo)，即可得到啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)的仿真模型。

5 仿真結(jié)果分析

Automation Studio Plotter模塊，能夠在運(yùn)行仿真的同時(shí)，自動(dòng)測(cè)量并顯示液壓缸有桿腔、無(wú)桿腔的速度、壓力和流量，結(jié)束后點(diǎn)擊Export可導(dǎo)出自動(dòng)測(cè)量的數(shù)值。可知關(guān)門(mén)速度為500 mm/min，開(kāi)門(mén)速度為1 000 mm/min，液壓缸的行程為 5 000 mm，可以計(jì)算出開(kāi)關(guān)門(mén)所需時(shí)間，分別是5 min和 10 min，符合設(shè)計(jì)要求。此外，關(guān)門(mén)時(shí)無(wú)桿腔壓力為25 MPa，開(kāi)門(mén)時(shí)有桿腔的壓力為5.2 MPa。根據(jù)液壓缸的尺寸，通過(guò)計(jì)算得開(kāi)門(mén)力約為333 kN，關(guān)門(mén)力約為161 kN，均符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的控制功用和參數(shù)要求，通過(guò)計(jì)算、選型和仿真，完成了液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和元件造型。經(jīng)驗(yàn)收，設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)原理圖和選擇的各元件能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的動(dòng)作，輸出的力和閘門(mén)開(kāi)關(guān)的速度滿足實(shí)際的工作需要。

［1］李珺，楊尚平，關(guān)紅艷.典型液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)分析［J］.液壓與氣動(dòng)，2008，36（5）：96-98.

［2］陳啟松.液壓傳動(dòng)與控制手冊(cè)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［3］王守城，段俊勇.液壓元件及選用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［4］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五卷）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

TH137

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.056

2095－6835（2020）02－0137－02

孫劍（1982—），男，江蘇揚(yáng)州人，本科，工程師，海沃機(jī)械（中國(guó)）有限公司技術(shù)主管，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕