集成式液壓啟閉機液壓系統設計

孫劍，謝寶智

集成式液壓啟閉機液壓系統設計

孫劍1，謝寶智2

（1.海沃機械（中國）有限公司，江蘇 揚州 225006；2.常州工業職業技術學院，江蘇 常州 213164）

介紹了某水閘集成式液壓啟閉機液壓系統的設計過程，主要包含液壓系統原理圖的設計，液壓缸、液壓泵、電動機、控制閥等元件的計算與選型。利用軟件Automation Studio對液壓系統進行仿真分析，驗證了系統的關鍵參數，即開門力、關門力、開門和關門的速度。

液壓啟閉機；液壓系統；系統設計；仿真結果分析

治理江河、城市防洪防澇以及蓄水灌溉、引水發電等工程都離不開閘門，而閘門的開關必須要用專門的機械裝置來實現。啟閉機是水利水電閘門、攔污柵專用的起重機械，目前使用的啟閉機主要有卷揚式啟閉機和液壓式啟閉機兩 大類。

液壓式啟閉機既可以產生向上的拉力，又可以產生向下的推力；與卷揚式啟閉機相比，運行可靠、開關均可主動控制，關閉閘門時不容易卡住，體積小，自重輕，且水工結構布置簡單，可以節省大量投資。此外，運行平穩，系統可方便地實現無級調速，能自動實現過載保護，易于與計算機連接，實現智能化控制。液壓式啟閉機分為集成式啟閉機和普通的液壓啟閉機，相對于普通的液壓啟閉機，集成式液壓啟閉機有著無外置接頭、控制方式簡單可靠等優點，得到了廣泛應用[1]。

1 某水閘集成式液壓啟閉機液壓系統設計要求

某水閘集成式液壓啟閉機結構如圖1所示。當液壓缸活塞桿伸出時，帶動閘門繞支點逆時針旋轉實現關門動作，要求關門力160 kN（單缸）、速度為500 mm/min；當液壓缸活塞桿縮回時，帶動閘門繞支點順時針旋轉實現開門動作，要求開門力320 kN（單缸）、速度為1 000 mm/min；開門和關門的行程為5 000 mm。

圖1 液壓啟閉機結構示意圖

2 液壓啟閉機液壓系統原理圖設計

根據控制要求，設計液壓系統原理如圖2所示。

圖2 集成式液壓啟閉機液壓系統原理圖

為防止電機和油泵故障，本系統采用每個泵站增設一臺備用的電機泵組，與工作油泵電機組互為備用，兩只液壓缸的進排油管對稱布置。系統出現故障時，自動換泵，以滿足可靠運行的要求。

關門控制。啟動液壓泵電動機組，油液經高壓球閥，有桿腔油壓變大，無桿腔液壓油經二通流量控制閥流向泵，閘門關閉。當有活塞桿經過行程開關SQ2時，電機失電。

開門控制。啟動液壓泵電動機組，液壓油經二通流量控制閥，無桿腔液壓油壓變大，有桿腔液壓油經高壓球閥流向泵。閘門打開，當閘門打開至行程開關SQ1，電機失電。

同步控制。閘門開關過程中，閘門的開度和行程檢測裝置全程連續檢測行程的偏差，當偏差達到一定值時，兩回路中的二通流量控制閥通過改變自身的流通量或液壓泵轉速來改變活塞桿的運行速度，調整至同步范圍。當偏差超過更大值時，系統則會嚴重報警，甚至停機。

在系統保護措施中，液壓油路中設定了過壓保護。在開關閘門時，若液壓系統工作壓力超過設定值，由壓力繼電器發出聲光報警信號，切斷電源使電機停止運轉；同時當液壓油壓過低時，也會發出警報，則啟動備用泵組。

3 液壓啟閉機液壓系統元件設計與選型

根據液壓工程師手冊、機械設計手冊和液壓元件選型手冊[2-4]，通過計算與查表，初選液壓系統的工作壓力為 25 MPa；液壓缸無桿腔直徑=200 mm、活塞桿直徑= 140 mm；選用變量柱塞泵，其額定壓力為28 MPa、公稱排量為37 mL/r、總效率為0.92；選用電動機型號為QA180L4A- B35、功率為22 kW、轉速為950 r/min；關門油管取內徑關=15 mm，鋼管的外徑關=22 mm；開門油管內徑取開=20 mm，鋼管的外徑開=28 mm；選擇卡套式管接頭，采用冷拔無縫鋼管。

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更加面向工程實際，同時具有與電氣PLC控制聯合仿真功能。根據液壓系統的原理圖選擇液壓元件并設置相應的技術參數，用油管連接好各個元件，且設置油管的直徑等性能指標，即可得到啟閉機液壓系統的仿真模型。

5 仿真結果分析

Automation Studio Plotter模塊，能夠在運行仿真的同時，自動測量并顯示液壓缸有桿腔、無桿腔的速度、壓力和流量，結束后點擊Export可導出自動測量的數值。可知關門速度為500 mm/min，開門速度為1 000 mm/min，液壓缸的行程為 5 000 mm，可以計算出開關門所需時間，分別是5 min和 10 min，符合設計要求。此外，關門時無桿腔壓力為25 MPa，開門時有桿腔的壓力為5.2 MPa。根據液壓缸的尺寸，通過計算得開門力約為333 kN，關門力約為161 kN，均符合設計要求。

6 結束語

根據液壓啟閉機的控制功用和參數要求，通過計算、選型和仿真，完成了液壓系統的設計和元件造型。經驗收，設計的液壓系統原理圖和選擇的各元件能夠實現預期的動作，輸出的力和閘門開關的速度滿足實際的工作需要。

［1］李珺，楊尚平，關紅艷.典型液壓啟閉機液壓系統分析［J］.液壓與氣動，2008，36（5）：96-98.

［2］陳啟松.液壓傳動與控制手冊［M］.上海：上海科學技術出版社，2007.

［3］王守城，段俊勇.液壓元件及選用［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［4］成大先.機械設計手冊（第五卷）［M］.北京：機械工業出版社，2009.

TH137

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.056

2095－6835（2020）02－0137－02

孫劍（1982—），男，江蘇揚州人，本科，工程師，海沃機械（中國）有限公司技術主管，研究方向為機械設計及自動化。

〔編輯：嚴麗琴〕