集成式液壓系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)研究

向 耕，彭振宇，萬(wàn) 鵬

（湖北省引江濟(jì)漢工程管理局，湖北 武漢 430062）

引言

引江濟(jì)漢工程是南水北調(diào)中線水源區(qū)工程之一，是從長(zhǎng)江上荊江河段附近引水至漢江興隆河段、補(bǔ)濟(jì)漢江下游流量的一項(xiàng)大型輸水工程。高石碑出水閘為工程的出水口，干渠設(shè)計(jì)引水流量為350 m3/s，最大引水流量為500 m3/s。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)作為水利行業(yè)中廣泛應(yīng)用的金屬結(jié)構(gòu)起重設(shè)備，對(duì)提高調(diào)水工程的經(jīng)濟(jì)效益起到了重要作用，因此，在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選型時(shí)，應(yīng)綜合考慮其使用環(huán)境以及對(duì)安全、可靠性的極高要求，并做好充分計(jì)算分析。

1 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)計(jì)方案概述

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在水利工程中應(yīng)用較多，常見(jiàn)的類型有平面閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)、露頂式弧形閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)、潛孔式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)和人字閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)等。無(wú)論哪種類型的啟閉機(jī)，其液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都大致相同，一般包括油缸、活塞桿、液壓系統(tǒng)泵站總成、液壓管道系統(tǒng)、主要零部件、行程檢測(cè)和指示裝置、電力拖動(dòng)和控制系統(tǒng)以及專用檢修工具等部件。

高石碑出水閘液壓?jiǎn)㈤]機(jī)總體布置形式為雙吊點(diǎn)式，底部由機(jī)架支承，采用雙作用油缸。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)需滿足現(xiàn)地控制或中央集中控制，且無(wú)論處于哪種控制方式下，啟閉機(jī)均可全程開(kāi)啟，并能滿足同步啟閉要求，同步誤差不應(yīng)大于10 mm。工程共設(shè)8臺(tái)集成式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)、4個(gè)液壓泵站、每個(gè)液壓泵站對(duì)稱控制2孔閘門。將每2個(gè)液壓站的油泵、液壓系統(tǒng)、油箱和電控系統(tǒng)布置在1個(gè)液壓泵房?jī)?nèi)，液壓機(jī)液壓缸露天布置，且設(shè)有避雷保護(hù)，初步設(shè)計(jì)參數(shù)要求如表1所示。

表1 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)初步設(shè)計(jì)參數(shù)要求

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型計(jì)算

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)計(jì)主要遵循SL41—2018《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》及NB/T 35020—2013《水電水利工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，該規(guī)范對(duì)油缸及液壓系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)作出了規(guī)定。高石碑出水閘液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在啟閉閘門過(guò)程中，提供啟門力和閉門力，為雙向作用工況。

首先結(jié)合初步設(shè)計(jì)參數(shù)的要求來(lái)確定油缸的缸徑D、活塞桿直徑d、缸筒壁厚σ等。計(jì)算次序?yàn)椋撼醪竭x定活塞桿直徑，并校核其強(qiáng)度，再選取合適的油缸缸徑，然后再計(jì)算缸筒壁厚，并校核強(qiáng)度。參考規(guī)范和招標(biāo)文件等要求可知，油缸計(jì)算壓力≤20 MPa，活塞桿計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比λ≤180，受壓穩(wěn)定性安全系數(shù)n≥5.5。因此，初步選定活塞桿直徑為120 mm，缸體直徑為220 mm。

2.1 油缸啟門、閉門壓力計(jì)算

將啟門力F1=400 kN，閉門力F2=50 kN，油缸直徑D=220 mm，活塞桿直徑d=120 mm代入式（1）（2）中，計(jì)算出啟門壓力p1=15 MPa，閉門壓力p2=1.3 MPa，壓力滿足要求。

2.2 油缸壁厚計(jì)算

油缸材料為GB/T 699中的45鋼，缸體屈服強(qiáng)度σs≥280 MPa，缸體許用應(yīng)力[σ]≥112 MPa，缸內(nèi)最大啟門壓力p1=15.0 MPa，將相關(guān)參數(shù)代入式（3）中，計(jì)算出缸體要求最小壁厚b=13.6 mm。由此選定油缸外徑為273 mm，油缸凈壁厚為26.5 mm，壁厚滿足要求。

2.3 缸體強(qiáng)度校核計(jì)算

將缸體中心直徑D1=246.5 mm，壁厚b=26.5 mm，啟門壓力p1=15 MPa代入式（4）（5）（6）中，計(jì)算出縱向應(yīng)力σz1=19.5 MPa，環(huán)向應(yīng)力σh1=69.8 MPa，缸體合應(yīng)力σzh1=62.4 MPa＜[σ]，強(qiáng)度滿足要求。

2.4 活塞桿強(qiáng)度校核計(jì)算

活塞桿材料為45調(diào)質(zhì)鋼，活塞桿屈服強(qiáng)度σs≥345 MPa，材料安全系數(shù)n=2.5，所承受的拉力F1=400 kN，活塞桿危險(xiǎn)截面直徑d0=96.5 mm，安全系數(shù)k=1.1，軸承半徑r=50 mm，軸承摩擦系數(shù)f=0.1，將相關(guān)參數(shù)代入式（7）（8）（9）中，計(jì)算出活塞桿最危險(xiǎn)截面積A=7313.8mm2，危險(xiǎn)截面計(jì)算彎矩M=2200N·m，活塞桿計(jì)算應(yīng)力σ=79.2 MPa，許用應(yīng)力[σ]=σs/2.5≥138 MPa＞σ，強(qiáng)度滿足要求。

2.5 活塞桿穩(wěn)定性校核

按Euler公式等截面計(jì)算，此處為兩端鉸接，末端條件系數(shù)n=2，活塞桿材料的彈性模數(shù)E=2.1×1011N/m2，穩(wěn)定性安全系數(shù)Nk=5.5，油缸全關(guān)時(shí)的安裝長(zhǎng)度L=10 000 mm，將相關(guān)參數(shù)代入式（10）（11）中，計(jì)算出活塞桿截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩J=1.0×107mm4，可承受的閉門載荷pk=75.3 kN＞50 kN，穩(wěn)定性滿足要求。

2.6 吊頭設(shè)計(jì)計(jì)算

吊頭材料初步選定ZG310-570鑄鋼，吊頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。吊頭屈服強(qiáng)度σs≥345 MPa，所承受的荷載F=400 kN，軸孔直徑d=180 mm，吊頭厚度σ=130 mm，吊頭寬度B=340 mm，應(yīng)力集中系數(shù)a=2.2，吊頭外形最小半徑R=170 mm，將相關(guān)參數(shù)代入式（12）（13）（14）中，計(jì)算出吊頭孔壁承壓應(yīng)力σm=17.1 MPa，A-A截面拉應(yīng)力σ1=42.3 MPa，B-B截面拉應(yīng)力σ2=30.4 MPa，吊頭設(shè)計(jì)滿足要求。

圖1 吊頭結(jié)構(gòu)示意圖

2.7 液壓泵組系統(tǒng)計(jì)算

系統(tǒng)工作壓力p1=15.0 MPa，系統(tǒng)壓力損耗系數(shù)n1=1.1，系統(tǒng)泄漏系數(shù)Κ=1.2，最大計(jì)算流量Q1=2×21.4=42.8 L/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，油泵電機(jī)組效率η=0.88，將相關(guān)參數(shù)代入式（15）（16）（17）（18）中，計(jì)算出系統(tǒng)最大工作壓力pmax=16.5 MPa，最大工作流量Q=51.4 L/min，油泵最小排量Qv=35.4 mL/r，電機(jī)最小功率N=15.7 kW。選定油泵排量為40 mL/r，電動(dòng)機(jī)功率為18.5 kW。

2.8 液壓油箱容積計(jì)算

油泵流量的4倍V1=172 L，一孔檢修的無(wú)桿腔容積V2=684 L，其余系統(tǒng)正常運(yùn)行需要的容積V3=169 L，將相關(guān)參數(shù)代入式（19）中，計(jì)算出油箱所需容積V=1 128 L。考慮到油箱結(jié)構(gòu)上本身所需的空油面與吸油高度，按照液壓泵站油箱公稱容量系列的規(guī)定，選定液壓泵站的油箱容積為1 250 L。

2.9 油路管徑計(jì)算

油管管徑dy應(yīng)滿足流量及流速的要求，工作流量Q＝51.4 L/min，油管最大工作壓力pmax＝16.5 MPa。按照DL/T 5167—2018規(guī)定，管內(nèi)允許流速v≤2.5 m/s，油管許用應(yīng)力[σ]≤112 MPa，通過(guò)式（20）（21）計(jì)算出管徑d＝20 mm，壁厚δ≥1.6 mm。考慮到為減失少壓力損失和壓力沖擊，油管彎曲半徑應(yīng)不小于3倍管徑，系統(tǒng)管道所有彎頭均采用自然冷彎成形彎頭，有桿腔和無(wú)桿腔管路可選用規(guī)格為Φ20 mm×2.5 mm的無(wú)縫鋼管。

3 液壓系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

參照啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖，忽略油缸的制造、安裝誤差和系統(tǒng)泄漏等因素，構(gòu)建雙吊點(diǎn)集成式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)系統(tǒng)仿真模型，調(diào)用Automation Studio軟件液壓模塊中電機(jī)、油泵、換向閥、溢流閥等組件，并結(jié)合實(shí)際液壓系統(tǒng)對(duì)電機(jī)、溢流閥、流量控制閥、單向閥以及液壓油缸等組件的各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)啟閉、閉門等正常工況和系統(tǒng)超壓、油缸下滑等異常工況進(jìn)行仿真操作，對(duì)其工作原理和保護(hù)功能等進(jìn)行操作驗(yàn)證，試驗(yàn)項(xiàng)目如表2所示。

表2 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)仿真試驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目，在軟件的仿真界面依次進(jìn)行各步驟的仿真演示，在程序運(yùn)行過(guò)程中，平臺(tái)能夠模擬出各個(gè)閥件的動(dòng)作，也可通過(guò)PLC端子顯示燈查看各信號(hào)的通斷。通過(guò)仿真分析，獲得了啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)試驗(yàn)壓力為22.5 MPa，與主溢流閥設(shè)定壓力一致，啟門到位時(shí)間為9.3 min，閉門到位時(shí)間為13.1 min。通過(guò)該液壓系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，為后續(xù)的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試等提供了有效的基礎(chǔ)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)已廣泛應(yīng)用于水利工程中，且新技術(shù)和新材料的運(yùn)用、機(jī)電液一體化的不斷發(fā)展，都是促進(jìn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)步的重要因素。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，必要時(shí)還需進(jìn)行仿真試驗(yàn)，以確保工程符合設(shè)計(jì)規(guī)范。高石碑出水閘集成式液壓系統(tǒng)，根據(jù)控制運(yùn)用和參數(shù)要求，通過(guò)計(jì)算完成了液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型，經(jīng)仿真分析得出閘門的啟閉力和開(kāi)關(guān)速度均滿足工況需求，驗(yàn)證了項(xiàng)目設(shè)計(jì)的正確性和合理性。