基于AMESim的船閘啟閉機液壓系統(tǒng)設(shè)計仿真

季立

（江蘇省交通運輸廳港航事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210007）

1 引言

船閘是內(nèi)河航運常見的水工建筑物，在航道存在階梯性水位差的段落利用船閘的閘閥門可以調(diào)節(jié)閘室內(nèi)水位差，幫助船只通過閘室以起到保障上下游通航的作用。船閘的閘閥門是重要的擋水設(shè)施啟閉機是開啟或關(guān)閉閘閥門的驅(qū)動裝置，類似于起重機。啟閉機主要有機械和液壓兩種驅(qū)動方式。現(xiàn)代內(nèi)河船閘閘門形式有人字門、三角門和橫拉門，其中人字門和三角門主要以液壓驅(qū)動為主，橫拉門主要依靠電機齒輪和齒條軌道驅(qū)動。

2 啟閉機液壓系統(tǒng)設(shè)計

目前省內(nèi)常用的船閘三角門和人字門啟閉裝置多為液壓系統(tǒng)控制。為了對啟閉機液壓系統(tǒng)進行設(shè)計仿真，本文對船閘三角門啟閉機液壓系統(tǒng)進行研究，以在建項目魏村樞紐擴容改建工程為研究對象。

2.1 工程概況

魏村船閘位于德勝河上，為魏村水利樞紐重要組成部分。隨著水路貨運需求不斷增長，內(nèi)河運輸船型向大型化發(fā)展，原船閘已無法滿足通航需求，需要擴容改造。改建的魏村雙線船閘規(guī)模為180×23×4.0（m），為Ⅲ級通航建筑物，設(shè)計最大船型為1000 噸級船舶。船閘承受雙向水頭作用，最大正向設(shè)計水頭為3.81m，最大反向設(shè)計水頭為-3.21m。上下閘首采用鋼制弧形三角門，閥門采用鋼制提升平板門。閘閥門采用液壓式啟閉機驅(qū)動。

2.2 啟閉機液壓系統(tǒng)設(shè)計

依據(jù)《船閘啟閉機設(shè)計規(guī)范》等閘閥門啟閉機設(shè)計規(guī)范及一般設(shè)計辦法，采用直推式液壓機型。每個閘首一側(cè)的閘門和閥門啟閉機共用一臺泵站控制系統(tǒng)。閘門啟、閉時間均控制在3min 以內(nèi)，閥門設(shè)置自落關(guān)門功能。系統(tǒng)最大壓力設(shè)定為16Mpa,超過系統(tǒng)最大壓力則停止運行。啟閉機液壓系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 啟閉機主要設(shè)計參數(shù)表

系統(tǒng)主油路采用一臺變量泵供油，由功率15kW 的電動機驅(qū)動。閘門啟閉油路和閥門啟閉油路分別由兩個三位四通電磁換向閥控制。閥門有桿腔油管外接可調(diào)節(jié)流閥，用來控制閥門在下落過程中在重力作用下速度過快的情況。設(shè)計閥門自動下落的工況，采用聯(lián)通閥門油缸有桿腔和無桿腔的方式，油管回路設(shè)置可調(diào)節(jié)流閥和單向閥，用以控制自落過程中閥門下落速度過快的情況并確保油液從有桿腔流向無桿腔。在系統(tǒng)主油路設(shè)置溢流閥，溢流壓力設(shè)置為16Mpa，用來控制系統(tǒng)壓力。啟閉機液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 啟閉機液壓系統(tǒng)原理圖

3 液壓系統(tǒng)的建模與仿真分析

利用AMESim 軟件，將已經(jīng)初步設(shè)計完成的液壓系統(tǒng)原理圖轉(zhuǎn)化為液壓模型，并依據(jù)各種工況設(shè)置參數(shù)，進行仿真模擬，分析液壓系統(tǒng)運行情況及相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.1 液壓系統(tǒng)的AMESim 模型建立

在AMESim 軟件中對啟閉機液壓系統(tǒng)建立模型。AMESim 軟件的元件庫，包括液壓系統(tǒng)庫、液壓組件庫、機械元件庫、信號元件庫、電子元件庫等等。船閘的閘閥門工況主要包括閘門啟閉機的開啟和關(guān)閉以及閥門啟閉機的提升和下落。根據(jù)以上特點，啟閉機液壓系統(tǒng)模型采用液壓系統(tǒng)元件、機械元件和信號元件組成。

利用AMESim 軟件建立的液壓系統(tǒng)模型與啟閉機液壓系統(tǒng)原理圖基本一致。電磁換向閥通過信號元件控制，閘門的開啟和關(guān)閉承受水的阻力可以利用摩擦元件來模擬，閥門的提升和下落的受力可以利用重力元件進行模擬系統(tǒng)模型建立完畢后，進入?yún)?shù)設(shè)置，將油缸活塞直徑、桿徑、行程、電機轉(zhuǎn)速、液壓泵排量、溢流閥壓力等參數(shù)進行預(yù)定義。AMESim 軟件建立的液壓系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)的AMESim 模型

3.2 閘門開啟和閉合的仿真與分析

對閘門的開啟和閉合進行仿真，根據(jù)閘門的設(shè)計要求，閘門的啟閉均控制在3min 以內(nèi)。因此，在仿真模式下設(shè)置運行參數(shù)，設(shè)置仿真時間為240s，仿真步長0.1s。

閘門在開啟時，控制閘門的換向閥處于左位，控制閥門的換向閥不通電處于中位。信號控制元件輸出為40mA。對液壓系統(tǒng)模型進行仿真，結(jié)果如圖3所示。

圖3 閘門開啟的仿真結(jié)果

閘門在關(guān)閉時，控制閘門的換向閥處于右位，控制閥門的換向閥不通電處于中位。信號控制元件輸出為-40mA。對液壓系統(tǒng)模型進行仿真，結(jié)果如圖4所示。

圖4 閘門關(guān)閉的仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果可知，閘門在開啟時在100s 內(nèi)完成動作；有桿腔的壓力一開始有波動，隨后穩(wěn)定在38bar左右。閘門在關(guān)閉時在210s 內(nèi)完成動作，比設(shè)計時間略慢；閘門無桿腔壓力一開始有波動，隨后穩(wěn)定在16bar 左右。

3.3 閥門提升和下落的仿真與分析

對閥門的提升和下落進行仿真。在仿真模式下設(shè)置運行參數(shù)，設(shè)置仿真時間為120s，仿真步長0.1s。

閥門在提升時，控制閥門的三位四通閥處于右位，二位二通閥處于左位以切斷差動回路，信號控制元件輸出為-40mA 結(jié)果如圖5所示。

圖5 閥門提升的仿真結(jié)果

閥門在自由下落的工況下，兩個三位四通閥都不通電，二位二通閥通電換至有位形成差動回路。在回路中設(shè)置變量節(jié)流閥控制下落速度。利用單向閥控制差動回路中油液的流向。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 閥門下落的仿真結(jié)果

據(jù)仿真結(jié)果可知，閥門在提升過程中用時較長，在70s 內(nèi)完成動作；閥門有桿腔的壓力一開始有波動，隨后穩(wěn)定在40bar 左右；活塞行程到終點，如果液壓泵不停止運行，有桿腔壓力繼續(xù)增加，直至達到溢流壓力。閥門在自落過程中用時較短，需要通過節(jié)流閥控制下落時間；閥門有桿腔下落過程中壓力穩(wěn)定在32bar，下落完成后壓力基本歸零。

4 結(jié)論

本文對船閘啟閉機液壓系統(tǒng)進行設(shè)計，并利用AMESim 軟件進行模擬仿真。仿真結(jié)果可以證明，液壓系統(tǒng)初步設(shè)計可以滿足使用要求，仿真結(jié)果與實際運行情況基本吻合。在后續(xù)的深化設(shè)計過程中，可以增加流量傳感器、溢流閥等增加壓力穩(wěn)定性，使用行程開關(guān)來控制液壓泵的啟閉，增加啟閉機運行的平穩(wěn)性。