基于Fluidsim仿真的津頭泵站排水蝶閥液壓系統設計

賀敏超，馬俊強，李文英，劉奇波

（1.廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023；2.南寧市邕江防洪排澇工程管理中心，南寧 530021；3.南寧精能發電設備有限公司，南寧 530033）

1 工程概述

津頭泵站位于南寧市邕江江北東堤背水面、江北大道內側。泵站控制集雨面積0.788 km2，安裝潛水軸流泵5 臺，總裝機容量800 kW（單機容量160 kW），總抽排流量7.35 m3/s（單機流量1.47 m3/s）。流道層設進水流道5 條，布置5 臺主水泵。泵站進水管通過室外工作井與城市道路排水管網連接，設自排蝶1 臺，防洪期間關閉閥門，水流匯入泵站前池。水泵出水管采用單機單管，與鋼筋混凝土壓力水箱連接，終端處設浮箱拍門。壓力水箱后接鋼筋混凝土排水壓力涵管，5 臺機共用1 條排水涵管通到堤外，在室外工作井設蝶閥（即排水蝶閥），外江側設擋水拍門。泵站承擔著南寧市江北大道內側教育路和桃源路一帶繁華地段的防洪排澇任務。

由于排水蝶閥室外工作深井內約3 m處常年潮濕，原來設置的電動蝶閥線路老化，工作不可靠，需要用人工輔助啟閉閥門，而電動蝶閥的減速機構是采用蝸輪蝸桿機構，其傳動比大，通過人工啟閉蝶閥需要耗費大量的人力和時間。故需要更換為能較好適應潮濕環境下工作可靠、并帶有儲能器的液控蝶閥，確保在防洪期間設備運行可靠，在應急情況下依然能完成相應的啟閉功能，保障邕江北岸人民群眾的生命財產安全[1]。

2 排水蝶閥工作要求

津頭泵站排水蝶閥，要求具有動作靈敏、運行可靠、維修方便等功能。故選用了某公司生產的液控蝶閥D7Q41X-16 型。該液控蝶閥適用于介質為水的管路上，具有截斷水流功能。采用蓄能器結構液壓系統，該結構體積小重量輕、結構簡單（結構本身具有單向作用功能，即閥板本身不能在介質壓力下轉動），液壓系統和電氣控制箱與閥門分體安裝，便于安裝和維護。主要性能指標：公稱壓力PN1.6 MPa，殼體試驗、密封試驗、工作壓力分別為2.40、1.76、1.60 MPa，工作溫度不大于120℃，工作介質為水。

液控蝶閥的工作狀態主要有3 種：一是電動開閥，即液壓站通電，油泵啟動，壓力油通過液壓管道進入液壓缸的無桿腔內，將活塞桿頂出，帶動蝶板從0°（即全關）到90°（即全開），完成閥門開啟；二是電動關閥，即當需要關閉閥門時，相應的電磁閥動作，壓力油進入液壓缸的有桿腔內，活塞桿縮回，帶動蝶板完成閥門關閉；三是手動關閉閥門，即在停電及備用電源失效的情況下，可手動操作相應換向閥手柄，利用蓄能器的能量，將活塞桿縮回，完成閥門關閉[2]。同理，在失電情況下，如果需要開啟閥門，也可以通過手動模式完成閥門開啟。一般情況下，排澇泵站主要是為了防止江水倒灌，所以應急情況下，關閉閥門是最主要的任務，手動開啟功能只是為了試驗等非應急狀態下的輔助功能。

3 排水蝶閥液壓系統設計

3.1 液壓系統原理圖

根據排水蝶閥工作要求，采用帶有儲能器的液壓系統。液壓系統主要有3個回路。第一回路即電動開啟回路，是完成排水蝶閥閥板的開啟動作；第二回路即電動關閉回路，是完成排水蝶閥的關閉動作；第三回路是在斷電及備用電源失效的條件下，手動完成閥板的關門或開啟動作。

電動開啟回路和電動關閉回路通過一個具有中位機能三位四通電磁換向閥。由于需要在斷電情況下能短時保壓，故選用O型中位機能的三位四通換向閥。通過換向閥兩端的電磁閥切換動作，可以實現排水閥門開啟、保壓和關閉功能。在開啟和關閉回路上，都設置有可調節流閥，可調節流閥后端設置壓力表，以便觀察工作過程液壓缸的有桿腔和無桿腔的壓力情況。

為了實現斷電及備用電源失效還能開啟或關閉蝶閥，設置了第三液壓回路。該回路與前述兩個回路是并聯關系。回路上設置有儲能器，儲能器的一端接壓力源，以便在正常供電時完成儲能工作；另一端作為液壓油輸出端，通過一個三位三通換向閥，控制液壓油通向液壓缸的有桿腔還是無桿腔，實現手動控制閥門的開啟和關閉功能。為了實現手動控制閥門開啟或關閉功能，還需要在開啟和關閉回路上設置二位三通電磁閥，手動操作實現通油或回油動作，配合完成手動啟閉閥門。在液壓桿伸縮的最大值和最小值處，設置行程開關，當液壓桿伸出到最遠端時，即表示閥門已經完成開啟（開度為90°），整個開啟回路停止并短時保壓；當液壓桿縮回到最近短時，即表示閥門已經完成關閉（開度為0°），整個關閉回路停止并短時保壓。在整個液壓回路上還設置了安全溢流閥，以保障整個液壓系統處于安全受控狀態[3]。為了方便仿真，在過濾器后端增加一個二位三通電磁閥，在實際應用中可以不需要該電磁閥。當該電磁閥不通電時，該處后方的液壓回路將處于保壓狀態。利用Fluidsim仿真軟件，結合上述功能需求，得出液壓系統原理圖及其電氣控制圖（見圖1）。

圖1 液壓系統原理圖及其電氣控制圖

3.2 液壓系統工作過程分析

結合液壓系統原理圖，蝶閥工作過程液壓系統運行如下：

（1）閥門開啟。液壓站通電后，油泵工作，提供預設額定油壓。液壓油經過件2過濾后進入總回路上的二位三通電磁閥3（系統斷電仿真需要，實際工程中可以不需該電磁閥）。件6 三位四通換向閥的1Y 電磁閥得電，油路P 口通向A 口，進入件11 二位三通換向閥左位，液壓油從P口通向A口，經過件13可調節流閥后進入液壓缸的無桿腔，將液壓桿推出，實現閥門開啟[4]。

（2）閥門關閉。液壓站通電后，油泵工作，油路跟閥門開啟一致，只是件6三位四通換向閥2Y電磁閥得電，油路P 口通向B 口，經過件12 可調節流閥后進入液壓缸的有桿腔，液壓桿縮回，閥門關閉。

（3）手動操作模式。分為手動開啟閥門和關閉閥門。在通電正常情況下，件3二位三通換向閥3Y得電、件9 二位三通換向閥4Y 得電，油路通向件17隔膜式蓄能器，實現蓄能器蓄能（蓄能器中常態下操作手柄向右，通電自動蓄能，即為自帶關閉裝置）。需要說明的是，隔膜式蓄能器用于貯存壓力油，其安裝有溢流閥，以防止過壓。FluidSIM 軟件在仿真期間簡化了隔膜式蓄能器的動態關系，即隔膜式蓄能器流量為斷續的，而不是連續的。

在斷電的情況下，件3 的電磁閥3Y 失電，在彈簧的作用下，液壓油從P口進T口直接回件5油箱。件9二位二通換向閥的4Y電磁閥失電，換向閥也處于右位狀態，油路斷開。件6 三位四通電磁換向閥兩邊的電磁閥都處于失電狀態，換向閥處于中位機能位置。此時油路處于暫時保壓狀態。件16 三位三通換向閥也處于中位位置。此時件17 隔膜式儲能器就是壓力源。當需要手動開閥（即液壓桿推出）時，需要手動將件10二位三通換向閥推到左位，使有桿腔的液壓油回到油箱；再將件16三位三通換向閥推到左位，使儲能器的液壓油通向液壓缸的無桿腔；最后手動操作件17 隔膜式儲能器換向閥，使其處于右位工作，儲能器內液壓油釋放，進入液壓缸無桿腔，實現閥門開啟。同理，要實現手動關閉閥門，即手動將液壓桿縮回。就需要將儲能器的高壓油輸送到有桿腔內，同時將無桿腔連接到油箱卸油。手動操作件11二位三通換向閥，使其工作在右位，有桿腔與油箱連通。再推動件10二位三通換向閥手柄，使其工作在右位，以便液壓缸有桿腔與儲能器連通。最后手動操作件16三位三通換向閥，使其工作在右位，實現儲能器的高壓油與液壓缸有桿腔連通，液壓桿縮回，實現閥門關閉。上述元件動作順序如表1所示。

表1 元件動作表（√表示得電工作）

4 排水蝶閥液壓系統仿真分析

根據以上動作分析，結合液壓系統原理圖及其電氣控制圖，在Fluidsim 軟件中建立仿真模型。電動開閥只需操作按鈕SB1 即可，電動關閥只需操作按鈕則操作SB2。選用按鈕開關的優點是可以隨時放開按鈕，閥門停止在任意位置，控制不同開度。在液壓桿的最遠端MAX 端和最近端MIN 端設置了行程開關（Fliudsim 軟件中用標尺來表示），用以控制全開或全關后，以免過載而導致液壓缸或液壓桿受損。行程開關分別串聯在電動開閥和電動關閥的電路上。為了仿真停電狀態，在控制電路中設置了按鍵式常閉開關SB3，當按下時，總電路斷開，液壓回路處于斷電狀態[5]。

4.1 電動開閥仿真

在正常通電情況下，電磁閥3Y和4Y得電，液壓系統進入待機狀態，同時儲能器儲能。按下按鈕開關SB1，電磁閥1Y 得電，件6 三位四通換向閥在左位，P口與A口連通，B口與T口連通，高壓油從進入液壓缸的無桿腔，將液壓缸推出，經B口通向T口后返回油箱。仿真圖見圖2。

圖2 電動開閥仿真圖

4.2 電動關閥仿真

在正常通電情況下，按下按鈕SB2，電磁閥2Y得電，件6 三位四通換向閥處于右位工作，P 口與B口連通，高壓油進入有桿腔；A 口與T 口連通，無桿腔的液壓回路與油箱5連通，使液壓桿縮回，實現關閥功能。仿真圖見圖3。

圖3 電動關閥仿真圖

4.3 手動開閥仿真

將按鍵式開關SB3 按下，表示仿真系統無電力輸入，需要手動將液壓桿推出。將件10二位三通換向閥推向左位，使P口與T口連通，T口與油箱連通；件16三位三通換向閥也推向左位，使A口與P口連通。件17儲能器中的手動換向閥也推向右位，使壓力油得到釋放，經由件16的A口到P口進入液壓缸的無桿腔，液壓桿被推出，完成手動開閥動作。仿真圖見圖4。

圖4 手動開閥仿真圖

4.4 手動關閥仿真

在斷電的情況下，儲能器就是壓力源。手動操作件11使其在右位工作，換向閥中的A口與T口連通，無桿腔與油箱連通。手動操作件10二位三通換向閥和件16 三位三通換向閥，使其工作在右位，件10 換向閥的A 口與P 口連通，件16 的A 口與T 口連通，使液壓缸有桿腔與儲能器連通，儲能器中的手動關閉換向閥處于右位，釋放液壓油，液壓缸中的液壓桿縮回，實現手動關閉閥門。仿真圖見圖5。

圖5 手動關閥仿真圖

5 結論

利用Fluidsim 軟件，建立了排水泵站液控蝶閥的液壓系統仿真模型，并通過軟件中的仿真模塊進行仿真分析。仿真結果顯示所設計的蝶閥液壓控制系統能夠滿足現場閥門啟閉的動作要求。雖然防洪排澇泵站抽排控制系統中，都會有備用電源，但在理論上還是存在備用電源失效的可能性，如果不能及時關閉排水蝶閥，外江側的浮箱拍門剛好脫落失效，有可能發生江水倒灌的現象，對江堤沿岸人民群眾的生命財產安全構成重大威脅。因此，防洪排澇泵站建設一套安全可靠、能臨時獨立于電網運行的液控蝶閥控制系統是很有必要的。