簡析240米鋼內(nèi)筒煙囪液壓頂升設(shè)備液壓系統(tǒng)

李日森

（湖北工業(yè)大學，湖北武漢，430068）

簡析240米鋼內(nèi)筒煙囪液壓頂升設(shè)備液壓系統(tǒng)

李日森

（湖北工業(yè)大學，湖北武漢，430068）

鋼內(nèi)筒煙囪的應(yīng)用有助于提升火力發(fā)電效率。以240米鋼內(nèi)筒煙囪液壓頂升設(shè)備為研究對象，對液壓系統(tǒng)進行了簡要分析。該液壓系統(tǒng)從仿生學角度出發(fā)，由電氣控制系統(tǒng)、構(gòu)架和插銷組成，分別充當機器人的大腦、骨架和關(guān)節(jié)。主液壓系統(tǒng)和輔助液壓系統(tǒng)相互聯(lián)動，提高了設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性；智能控制系統(tǒng)有助于保護設(shè)備精度和操作人員安全。系統(tǒng)的實用價值得到了驗證，對于擺脫技術(shù)依賴、節(jié)約研發(fā)經(jīng)費等具有現(xiàn)實意義。

鋼內(nèi)筒煙囪；液壓頂升設(shè)備；液壓系統(tǒng)；智能控制；仿生學

引言

由于鋼內(nèi)筒煙囪體積較大，所以安裝時需要用到專門的工具和方法。目前，國內(nèi)外安裝鋼內(nèi)筒煙囪時采用倒裝法，不僅可以保障安裝精度，而且操作過程安全可靠，混凝土不會受力變形[1]，但需要借助一套穩(wěn)定性、精度和自動化程度均較高的液壓頂升設(shè)備，目前能夠自主制造該設(shè)備的國家屈指可數(shù)。我國此項技術(shù)相對落后，亟待發(fā)展。

隨著我國工業(yè)自主創(chuàng)新力度加強，研究發(fā)展自己的液壓頂升設(shè)備技術(shù)，對于擺脫對發(fā)達國家的技術(shù)依賴、節(jié)約經(jīng)費、促進我國工業(yè)自主發(fā)展具有重要意義。

1 系統(tǒng)組成

頂升設(shè)備是一種自動化程度較高的施工設(shè)備，由液壓系統(tǒng)、金屬結(jié)構(gòu)與電氣控制系統(tǒng)三個主要部分構(gòu)成，是一種集液壓、機電于一體的自動化設(shè)備，如圖1所示。液壓頂升設(shè)備設(shè)計者是根據(jù)人體結(jié)構(gòu)和動作，從仿生學的角度設(shè)計的，所以設(shè)備工作時仿佛一個忙碌的工人，手腳并用地將煙囪的各個零部件送到施工位置[2]。隨著近幾年機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，液壓頂升設(shè)備的自動化程度逐步提高，施工精度和質(zhì)量也有巨大提升。

1.1 電氣控制系統(tǒng)

圖1 液壓頂升設(shè)備

電氣控制系統(tǒng)是液壓頂升設(shè)備的大腦，是整個設(shè)備的神經(jīng)中樞，負責發(fā)出各種指令指揮設(shè)備運動。電氣控制設(shè)備一般有人工手動控制、電腦全自動控制與繼電器順序控制三種，可根據(jù)實際情況選擇相應(yīng)的合理控制方式。其中，應(yīng)用最多、最方便的是電腦全自動控制方式，且隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展進步，已經(jīng)可以適應(yīng)一些復雜的施工情況。電腦全自動控制方式一般以單片機為控制核心，使同步頂升實現(xiàn)上升或下降的全自動化，使人們真正從手工勞動中解脫出來，實現(xiàn)施工機械化。繼電器順序控制是一種半自動控制方式，是除電腦全自動控制方式之外的第二選擇。人工手動控制方式一般只有在設(shè)備安裝調(diào)試和排除故障時才會使用。

1.2 構(gòu)架

安裝240米鋼內(nèi)筒煙囪所用液壓頂升設(shè)備的金屬構(gòu)架是的主體是3根高35米、重18噸的立柱，其斷面是帶外卷邊的槽形開口結(jié)構(gòu)。設(shè)備的主液壓缸位于這3根立柱的槽里，是主液壓缸伸縮運動時的導向面，所以每根立柱的3個內(nèi)壁面應(yīng)符合規(guī)定的垂直度和平直度要求，以確保主液壓缸運動的準確性。金屬構(gòu)架中的矩形斷面環(huán)繞梁是支撐煙筒和主液壓缸的主要承重結(jié)構(gòu)。在環(huán)梁上部分周圍徑向布置著12個可伸縮的支托，每個支托都有一個小液壓缸驅(qū)動。當支托外伸時，支托就可以與鋼煙筒的倒牛腳相接觸，從而起到支撐剛煙筒的作用。另外，在環(huán)梁的外緣往往會布置3個伸出來的支座，每個支座之間的角度是120度，3個支座分別插入3個立柱上放置主液壓缸的槽里，那么位于主液壓缸上方的支座就可以沿著立柱的內(nèi)壁面與主液壓缸一起伸縮而上下移動。

1.3 插銷

插銷是機械設(shè)備中經(jīng)常使用的連接工具，牢固、可靠且具有一定靈活性。在240米鋼內(nèi)筒煙囪液壓頂升設(shè)備中也用到了插銷連接，相當于頂升機器人的關(guān)節(jié)。頂升設(shè)備中活塞桿的外露端和主液壓缸的缸體下端的連接就是采用的插銷連接。在這兩個位置，設(shè)計者往往會設(shè)置兩個插銷箱，因為主液壓缸在工作時處于倒置狀態(tài)，所以位于主液壓缸下端的插銷稱為上插銷箱，位于活塞桿處的插銷稱為下插銷箱。兩個插銷箱的孔一般呈矩形，在每個矩形孔中放置著2個能夠橫向伸縮移動的矩形斷面插銷，也可稱為方銷。3個主液壓缸共需要12個插銷才能完成相應(yīng)的關(guān)節(jié)運動，這12個插銷分別由12個小液壓缸驅(qū)動，這樣12個小液壓缸可以通過驅(qū)動各個插銷來調(diào)整主液壓缸的位置，使其做出各種工作姿勢。2個插銷箱中的各個插銷就是液壓頂升設(shè)備的手和腳，用來不斷調(diào)整軀干位置和姿態(tài)。例如，橫向伸縮移動的方銷外伸時插入到立柱方孔中，主液壓缸在伸縮過程中即可完成以方銷為支撐的爬升動作。同時，環(huán)繞梁帶著鋼內(nèi)筒煙囪沿立柱一步步往上爬，從而將煙囪帶到施工位置。

2 系統(tǒng)分析

2.1 基本原理

液壓系統(tǒng)是此臺頂升設(shè)備的動力來源，其原理如圖2所示。主液壓系統(tǒng)是液壓系統(tǒng)中的重要組成部分，本文設(shè)計的頂升設(shè)備所用到的主液壓系統(tǒng)是一個雙泵變量單回路開式系統(tǒng)，選擇液壓油作為傳動介質(zhì)，額定功率60千瓦，額定工作流量115 L∕min，額定工作壓力為29兆帕[3]。來自兩臺液壓泵的液壓油經(jīng)過換向閥、電磁閥與電液比例流量閥的變向和調(diào)節(jié)，為3只主液壓缸的伸縮運動提供驅(qū)動力。除了主液壓系統(tǒng)外，還為240米鋼內(nèi)筒煙囪液壓頂升設(shè)備的液壓系統(tǒng)配置了一個輔助液壓系統(tǒng)，它是一個單泵定量開式液壓動力系統(tǒng)，額定工作功率為2.7千瓦，額定工作流量25 L∕min，額定工作壓力為4兆帕。來自輔助液壓泵的液壓油經(jīng)6個并聯(lián)在一起的電磁閥調(diào)節(jié)后，為12個可伸縮的活動支托、6個上插銷液壓缸和6個下插銷液壓缸提供驅(qū)動力。通過上述設(shè)計，液壓系統(tǒng)中的主液壓系統(tǒng)和輔助液壓系統(tǒng)相互配合，為頂升設(shè)備提供驅(qū)動力。

圖2 液壓系統(tǒng)原理簡圖

設(shè)備主液壓系統(tǒng)之所以選擇雙液壓泵配置，是從實用性和經(jīng)濟性兩方面考慮的。若設(shè)備只有一個液壓泵，從實用性方面，一旦其發(fā)生故障，整個液壓頂升設(shè)備無法工作，導致施工無法進行，影響了設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性。從經(jīng)濟性的角度，主液壓系統(tǒng)的額定功率為60千瓦，若是單液壓泵配置，由于目前還沒有60千瓦的電動機，那么就必須選擇75千瓦的電動機，造成了資源浪費。因此，決定采用2臺30千瓦的電動機驅(qū)動2臺液壓變量泵的雙液壓泵配置。30千瓦電動機比75千瓦電動機啟動速度更快，使用更方便，且一旦某個液壓泵發(fā)生故障，還有另外一個可以繼續(xù)驅(qū)動設(shè)備，速度雖然慢一些，但不至于使設(shè)備完全無法工作，進而提高了頂升設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。在現(xiàn)實施工中，雙液壓泵配置頂升系統(tǒng)的實用價值已經(jīng)得到了驗證，對于保證施工進度，按時完成工程具有重要意義。

2.2 控制分析

對液壓系統(tǒng)的準確控制是保證精確科學施工的基礎(chǔ)，也是衡量液壓頂升設(shè)備優(yōu)劣的一個重要標準。通過查閱相關(guān)的資料文獻，發(fā)現(xiàn)對于位置同步的控制大多采用電液伺服系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的控制方式具有靜態(tài)性能好、反應(yīng)快、無延時的優(yōu)點[4]，但造價和精密度較高，且對液壓油規(guī)格和質(zhì)量具有比較嚴格的要求，所以使用和維護成本較高。本文介紹的液壓頂升設(shè)備工作速度較慢，對于控制系統(tǒng)的響應(yīng)性要求不是很高，所以出于經(jīng)濟性考慮，決定選擇性價比更好的DYBQ—G系列電液比例流量閥來控制，其靜態(tài)性與電液伺服系統(tǒng)不相上下，且對液壓油的要求和敏感性相對較低，使用和維護費用也較低[5]，雖然響應(yīng)性相對差一些，但足以滿足頂升設(shè)備的相應(yīng)要求。同時，流量閥在以單片機MCS—51為核心的數(shù)字控制技術(shù)的控制下，電腦按照同步誤差比例、積分和微分對其進行離散化控制，達到同步精度的要求，具有調(diào)節(jié)效果明顯、運算量小的優(yōu)點。

若要保證設(shè)備的運動精度，在液壓控制系統(tǒng)中還應(yīng)設(shè)置好兩組電液比例流量閥，一個流量閥只能實現(xiàn)一個運動方向上的調(diào)速，因此只有設(shè)置兩組才能實現(xiàn)主液壓缸在上升和回縮時達到小于1毫米的同步誤差要求。為了降低液壓控制系統(tǒng)成本，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，經(jīng)常會采用一個電液比例流量閥和一個普通高壓電磁閥相串聯(lián)的形式，以此實現(xiàn)主液壓缸的雙向運動控制，且保證運動精度。另外，為了保證濕式高壓電磁鐵磁套中的液壓油壓力不超過6兆帕，應(yīng)使電磁換向閥在滿足電磁控制換向的同時具備一定減壓能力，所以需要特別在電磁換向閥中設(shè)置一個簡單減壓結(jié)構(gòu)，確保濕式電磁鐵工作安全可靠。

主液壓缸大部分場合處于高空作業(yè)狀態(tài)，需在高達36米的立柱上下反復運動。由于為主液壓缸供油的油箱位于地面，所以當主液壓缸在高空中工作時一般會用軟管作為液壓缸的進、出油回路。由于施工中軟管中的液壓油都是極高壓油，所以一旦發(fā)生破裂，會對周圍生命財產(chǎn)帶來嚴重威脅，后果不堪設(shè)想。出于安全考慮，在修建240米鋼內(nèi)筒煙囪時，會在頂升設(shè)備液壓系統(tǒng)中的3個主液壓缸的缸體上分別設(shè)置一個液控單向安全閥，不僅解決了軟管發(fā)生破裂的危險隱患，還能夠為工人的施工作業(yè)帶來便利[6]。液控單向閥的存在可允許液壓缸長時間駐留在某一位置，而液壓油路不會由于油壓過高而發(fā)生破裂，使頂升設(shè)備長時間安全處于某一固定位置，為工人施工搭建一個固定平臺。

3 結(jié)語

倒裝法是建設(shè)240米鋼內(nèi)筒煙囪時應(yīng)用最多的一種方法，而以此為基礎(chǔ)的施工需要借助相應(yīng)的頂升設(shè)備才能夠進行。頂升設(shè)備往往以液壓形式提供動力，是液壓系統(tǒng)是的重要組成部分。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓系統(tǒng)性能較之前有了很大提升，與其他技術(shù)的結(jié)合也越來越多，正邁向智能化和精準化的發(fā)展方向。

[1]陳國華, 束廉階. 240米鋼內(nèi)筒煙囪液壓頂升施工技術(shù)[C]// 中國電機工程學會土建專委會施工分專委會第四次年會. 2001.

[2]丁小明. 珠海電廠240 m煙囪設(shè)計和施工技術(shù)[J]. 電力建設(shè), 2001, 22(1):20-22.

[3]吳留恩. 揚州第二發(fā)電廠240m多管煙囪施工[C]// 中國電機工程學會土建專委會施工分專委會第四次年會. 2001.

[4]江蘇省電力建設(shè)第三工程公司, 江蘇大學.240m煙囪鋼內(nèi)筒液壓提升倒裝法成套施工技術(shù)應(yīng)用研究鑒定材料[Z].

[5]李剛, 許林, 程耿東. 基于ANSYS軟件的大型復雜結(jié)構(gòu)可靠度分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2002(5):58-61.

[6]聶磊, 鐘毓寧, 張業(yè)鵬,等. 基于ANSYS的緩沖包裝結(jié)構(gòu)可靠性分析方法[J]. 湖北工業(yè)大學學報, 2002, 17(4):25-27.

Brief Analysis on the Hydraulic System for Hydraulic Lifting Equipment in 240 m Steel Inner Cylindrical Chimney

LI Ri-sen
(Hubei University of Technology, Wuhan, Hubei,430068, China)

The application of the steel inner cylindrical chimney is helpful to improve the efficiency of thermal power generation. The hydraulic system for hydraulic lifting equipment of 240 m steel inner cylindrical chimney is briefly analyzed. Such a hydraulic system is designed from the view of bionics, and its composition such as electrical control system, structure and bolt, are respectively acted as brain, skeleton and joint of a robot. The main hydraulic system and auxiliary hydraulic system cooperate with each other, and greatly improve the stability and reliability of the equipment; intelligent control system ensures the accuracy and operation safety of the equipment. The practical value of such a hydraulic system has been verified, which is of practical significance to break away from technological dependence on the developed countries, reduce the cost of technology and develop the industrial economy.

Steel Inner Cylindrical Chimney; Hydraulic Lifting Equipment; Hydraulic System; Intelligent Control; Bionics

TH112.2

A

2095-8412 (2016) 06-1097-04

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.010

李日森(1980-)，男，漢族，廣東化州人，本科，實驗師。研究方向：機械工程。