船閘液壓啟閉機設計方案

戴科榮 韓國亮

（1.江蘇省水利機械制造有限公司，江蘇 揚州225003；2.江蘇天河水務設備有限公司，江蘇 揚州225267）

1 工程概況

本套閘工程位于海門市東灶港西側，設計最大船舶等級為400HP漁船。船閘尺度為23（16）×200×4.49m（閘室（閘首）寬×閘室長×檻上最小水深）。本套閘工程承受雙向水頭作用，上游為東灶新河，下游為黃海。套閘輸水采用集中短廊道系統(tǒng)型式。上、下閘首工作閘門為鋼質弧形三角門，滿足在不大于30cm水位差（門前后靜水位差）的情況下開通閘和上、下游動水差10cm關通閘的條件；開通上下閘首閥門滿足排澇條件閥門采用鋼質提升平板門。閘、閥門啟閉機用直推式液壓啟閉機。

2 液壓啟閉機設計與布置

本套閘閘門、閥門啟閉機采用直推式液壓機型，閘門啟閉機布置在閘首邊墩的空箱內(nèi)，閥門啟閉機布置在機房外閥門處。每個閘首一側的閘門和閥門啟閉機共用1臺泵站控制系統(tǒng)，4個泵站分別安置在閘首機房內(nèi)。油缸中的密封及導向套采用進口產(chǎn)品，以提高油缸的密封性能。油缸的頭部與門體連接采用球面軸承，中間固定支座采用萬向鉸接。閘門啟閉為無級變速，并且符合“慢一快一慢”的無級變速要求[1]，閘門啟、閉時間控制在3min之內(nèi)。閥門開啟以約l.5m/min運行到位，總時間控制3min之內(nèi)；閥門平水關閉時，采用差動回路，以閥門自重下落；排澇泄水時強制關閉閥門按2r/rdmin（可調）的速度運行。

3 液壓缸的設計計算

根據(jù)招標文件提供的技術參數(shù)及招標文件對投標技術文件的要求[2]，對海門市東灶新河河道工程閘門液壓啟閉機液壓缸參數(shù)進行計算。

表1 液壓缸主要技術參數(shù)

3.1 根據(jù)工作載荷計算工作油壓

3.1.1 桿腔計算油壓

式中，F(xiàn)1為液壓缸活塞桿最大受拉力，F(xiàn)1=300KN。

3.1.2 無桿腔計算油壓

式中，F(xiàn)2為液壓缸安裝時活塞桿最大伸出力，F(xiàn)2=300 KN。

3.2 缸體壁厚計算

根據(jù)《機械設計手冊》，當3.2≤D/δ＜16時，按中等壁厚計算。

此時，δ=Py·D/｛（2.3[σ]-Py）ψ｝+C

式中，D為液壓缸缸徑，D=250mm；Py為試驗壓力，Py=1.5P；

[σ]為缸體材料的許用應力，[σ]=σb/n=600MPa/5=120Mpa；

σb為缸體材料的抗拉強度，對于鋼45正火處理，σb≥600Mpa；

n為安全系數(shù)，取5；Ψ為材料系數(shù)（對優(yōu)質碳素鋼35或45：Ψ=1.0）；C為修正值。

δ≈16.5mm，圓整至24.5mm，即缸體壁厚為24.5mm,缸體外圓為299mm。

3.3 活塞桿計算

3.3.1 活塞桿最危險截面是兩端連接螺紋(M140×4)的退刀槽截面，應力計算如下：

拉應力為σ=4K·F/πd21

式中，K為螺紋擰緊系數(shù)，K=1.5；K1為螺紋內(nèi)摩擦系數(shù)，K1=0.12；d1為螺紋退刀槽內(nèi)徑，d1=135；[σ]為活塞桿材料的許用應力，[σ]=σs/ns；σs為活塞桿材料的屈服強度，對于45鋼調質，σs≥430MPa；ns為安全系數(shù)通常ns=1.5～2.5，此處取ns=2。則σ≈31.4MPa≤[σ]符合要求。

3.3.2 活塞桿連接螺紋應力計算如下：

式中，K為螺紋擰緊系數(shù)，K=1.5；K1為螺紋內(nèi)摩擦系數(shù)，K1=0.12；d1為螺紋內(nèi)徑，d1=135.67；d0為螺紋外徑，此處d0=140；t為螺紋螺距，此處t=4mm；[σ]為活塞桿材料的許用應力，[σ]=σs/ns；σs為活塞桿材料的屈服強度，對于45鋼調質，σs≥430MPa；ns為安全系數(shù)，通常ns=1.5～2.5，此處取ns=2。

可得，σ≈31.2MPa，τ≈15.2MPa，σn≈40.8MPa≤[σ]=215MPa，符合要求。

3.3.3 活塞桿長細比校核

按照設計規(guī)范和招標文件的要求，拉桿活塞桿許用長細比，剪應力為≤250。

式中，L0——活塞桿的折算長度，L0=μL′；

L′——下極限位置，油缸支撐中心到活塞桿固定處的距離，L′=7630mm；

I1——活塞桿斷面慣性矩，

I2——油 缸 斷 面 慣 性 矩，392313656mm4；

μ=0.752，λ=127.5＜[λ]。

從以上計算可以看出，閘門300kN/300kN液壓啟閉機油缸活塞桿的長細比符合要求。

3.4 有效導向支承長度

有效導向支承長度是指閘門全關時液壓缸活塞中心至活塞桿導向套中心的距離，其長度需滿足以下要求：L≥S/20+D/2。

式中，S—液壓缸活塞最大行程，4200mm；D—液壓缸缸徑，250mm。

經(jīng)計算，L≥335mm，設計時合理布置，優(yōu)化下蓋處結構設計，有效支承長度為510mm，滿足計算要求。

3.5 上下蓋與缸體聯(lián)接螺栓強度校核計算

上、下端蓋與缸體采用高強度內(nèi)六角頭螺釘（M14×110）聯(lián)接，總數(shù)量為57件，螺柱強度等級10.9級。其強度校核現(xiàn)以28件計算如下：

式中，Z為螺釘數(shù)量，這里Z=28；d1為螺釘小徑，d1=11.835mm；d0為螺釘外徑，d0=14mm；[σ]為螺釘材料的許用應力，[σ]=σs/n=900MPa/2=450MPa；σs為螺釘材料的屈服強度，對于10.9級螺釘，σs=900MPa；n為安全系數(shù)，這里取n=2。則σ≈146.1MPa，τ≈81.4MPa，σn≈203MPa≤[σ]，符合要求。

3.6 銷軸強度計算計算

銷軸材料選用鍛鋼40Cr，其直徑按軸承所承受的最大應力來選取，按雙面純剪應力進行強度校核。

剪應力為：τ=2F/πd2≤[τ]。

式中，F(xiàn)為液壓缸輸出拉力，F(xiàn)=300kN；d為銷軸直徑，d=140mm；[τ]為銷軸材料的許用剪應力，[τ]=（0.6-0.8）σb/n=（0.6-0.8）×980MPa/5=（117.6-156.8）Mpa；[σ]為銷軸材料的許用應力；σb為銷軸材料的抗拉強度，對于40Cr調質后，σb≥980MPa；n為安全系數(shù)，這里取n=5。則τ≈10MPa≤[τ]，符合要求。

同理可根據(jù)招標文件提供的技術參數(shù)[3]及招標文件對投標技術文件的要求，對海門市東灶新河河道工程閥門液壓啟閉機液壓缸參數(shù)進行計算，結果也滿足要求。

4 液壓系統(tǒng)的設計計算

閘、閥門共用一套液壓系統(tǒng)控制，現(xiàn)按閘門參數(shù)進行計算[4]。

表2 液壓系統(tǒng)主要技術參數(shù)

4.1 閘門計算參數(shù)

4.1.1 根據(jù)工作載荷計算啟閉機液壓缸工作油壓

啟閉機啟門時有桿腔計算油壓：

P=4F/π（D2-d2）≈12.7MPa

4.1.2 液壓系統(tǒng)流量計算（按最大速度計算）

啟閉門所需流量計算：

QA1=π（D2-d2）V×10-3/4≈33L/min

啟閉門所需流量計算：

QB1=πD2V×10-3/4≈36L/min

4.2 閥門計算參數(shù)

4.2.1 根據(jù)工作載荷計算啟閉機液壓缸工作油壓

啟閉機啟門時有桿腔計算油壓：

P=4F/π（D2-d2）≈11.2MPa

4.2.2 液壓系統(tǒng)流量計算(按最大速度計算)

啟閉門所需流量計算：

QA1=π（D2-d2）V×10-3/4≈27L/min

啟閉門所需流量計算：

QB1=πD2V×10-3/4≈40L/min

4.2.3 系統(tǒng)最大工作壓力計算

根據(jù)《水利水電工程啟閉機設計規(guī)范》（SL41-93），油泵最高工作壓力按下式計算：

Pi≥P+ΣΔP。

式中，P為液壓缸額定工作壓力；ΔP為系統(tǒng)中的總壓力損失，通常取額定工作壓力P的5-10%。

P=12.7Mpa，ΣΔP=P×0.05，可求得油泵的最大工作壓力Pi=13.3Mpa。

4.2.4 系統(tǒng)最大工作流量計算

Qmax=K×∑QA×2

式中，K為系統(tǒng)的泄漏系數(shù)，1.1～1.3，取1.1；QA為系統(tǒng)動作時單個液壓缸的開啟流量。

啟閉機最大工作流量計算：

Qmax＝K×∑QA=1.1×40≈44L/min。

4.2.5 液壓泵額定壓力、排量、電機功率計算

考慮到系統(tǒng)的動態(tài)壓力及油泵的使用壽命，通常在選擇油泵規(guī)格時，其額定壓力為系統(tǒng)工作壓力的1.25～1.6倍，這里選P額定=31.5Mpa。

電機功率計算（按最大壓力計算）：液壓泵的工作機制為兩臺單獨工作，互為備用。則電機功率N＝PmaxQ/60η=13.3×40/（60×0.85）≈10.4KW。

根據(jù)以上計算，選用上海ABB電機，型號為QA160MA-B35-TH。其主要技術參數(shù)：電機功率11KW，同步轉速n=1460rpm（50HZ、380V）。

液壓泵排量計算：根據(jù)招標文件，液壓泵的工作機制為兩臺單獨工作，互為備用。則啟閉機液壓泵排量q=Qmax/n=44/1460≈30ml/rev。

油泵選用美國PARKER公司的PV046R1K1T1NUPR電比例軸向柱塞泵，數(shù)量2臺。其主要技術參數(shù)：排量46m l/rev，額定壓力可達35MPa，峰值壓力可達42MPa。使用時可以將泵的排量調到實際需要量。

4.2.6 液壓系統(tǒng)用油量計算

兩種液壓缸的全部無桿腔容積最大值為336L，考慮管路和油箱的最低液面，取1000L。液壓油選用L-HV32低凝液壓油。

4.2.7 管路通徑計算

由前面的計算得知,啟閉門液壓缸有桿腔油量為33L/min，無桿腔油量為40L/min。

按液壓設計手冊及水利水電工程啟閉機設計規(guī)范規(guī)定，油管內(nèi)允許流速為：

壓力油管V壓=2.50～5.0m/s；吸油管V吸=0.60～1.2m/s；回油管V回=1.50～2.50m/s。油管內(nèi)徑d應滿足DN=4.63

考慮管路的壓力損失，有桿腔、無桿腔油管均選φ34×3的不銹鋼0Cr18Ni9鋼管。

4.2.8 壓力管路壁厚校驗

δ≥p.d/（2［δ］）

式中，p為工作壓力,12.7MPa；d為管子內(nèi)徑28mm；[δ]為許用應力，對于鋼管，[δ]=δb/n；δb為不銹鋼鋼管抗拉強度，δb≥530MPa；n為安全系數(shù)，n=4。

計算得出，δ≥1.4mm，壓力油管選用φ34×3不銹鋼0Cr18Ni9鋼管，壁厚為3mm,滿足要求。

5 結論

實踐證明，海門東灶港船閘在設計原理上是安全可靠的，使用上符合技術規(guī)范要求。

［1］雷天覺.液壓工程手冊［M］.北京:海洋出版社，1990.

［2］路甬祥.液壓氣動技術手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［3］王國慶，等.兩通插裝閥控制技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［4］JTJ309-2005.船閘啟閉機設計規(guī)范［S］.