南水北調(diào)中線工程漢江興隆水利樞紐泄水閘液壓啟閉機(jī)設(shè)計簡介

曹國鋒 陳衛(wèi) 胡國余

摘 要：在設(shè)計中采用安全可靠、自動先進(jìn)、操作方便的設(shè)計原則，對油缸各部位進(jìn)行了全狀態(tài)的受力分析和撓度計算和設(shè)備動態(tài)仿真模型試驗(yàn)；油缸活塞桿采用獨(dú)特的高速火焰噴涂（HVOF）技術(shù)保護(hù)；對雙缸同步糾偏控制主回路采用比例調(diào)速閥+常規(guī)調(diào)速閥回路的控制方式等方面做了一些新的探索，可供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：動態(tài)仿真模型試驗(yàn) 陶瓷活塞桿 比例調(diào)速閥+常規(guī)調(diào)速閥

1項(xiàng)目概況

興隆水利樞紐位于漢江下游湖北省潛江、天門市境內(nèi)，上距丹江口樞紐378.3km，下距河口273.7km，是南水北調(diào)中線漢江中下游四項(xiàng)治理工程之一，同時也是漢江中下游水資源綜合開發(fā)利用的一項(xiàng)重要工程。

興隆水利樞紐泄水閘為56孔開敞式平底閘，其中54孔為泄水孔，另兩孔具備泄水和排漂雙重功能。閘室內(nèi)順?biāo)飨蛞来尾贾檬鹿蕶z修門、弧形工作門及浮式檢修門。

本項(xiàng)目為54孔泄水孔的其中28孔提供2×1000kN液壓啟閉機(jī)設(shè)備。啟閉機(jī)總體布置形式為雙吊點(diǎn)、兩端鉸接方式，液壓啟閉機(jī)油缸布置在每個閘孔兩側(cè)閘墻上，油缸支鉸座埋件中心高程42.00m。液壓泵站和電氣控制柜等布置在閘墩高程45.20m的機(jī)房內(nèi)，采用“二機(jī)一站”方式驅(qū)動和控制（閘墩上每個機(jī)房內(nèi)布置有兩臺（套）啟閉機(jī)共用的一套液壓泵站，每兩臺（套）啟閉機(jī)共用一套控制系統(tǒng)）。

液壓啟閉機(jī)的組成包括：油缸總成、行程檢測和限位裝置、缸旁保壓安全閥塊、聯(lián)門軸及相應(yīng)附件、支鉸座埋件及全關(guān)位支承、液壓泵站、液壓管路系統(tǒng)、專用檢修工具等。每套液壓泵站包括二臺油泵-電動機(jī)組、控制閥組、油箱及其附件等。

2設(shè)計原則

?安全可靠

液壓缸和液壓系統(tǒng)按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行設(shè)計和計算，并參考德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過DBR分析平臺對油缸進(jìn)行三維建模，動態(tài)仿真模擬，對重要部位進(jìn)行了全工況狀態(tài)下的受力分析和撓度計算。

液壓缸全套動密封件選用高可靠性、長壽命的德國MERKEL公司產(chǎn)品。O形圈采用美國Parker公司產(chǎn)品，液壓缸活塞及活塞桿導(dǎo)向均采用德國寶色霞板公司C380型非金屬導(dǎo)向套系列，采用多重組合形式，合理布置，確保有效的導(dǎo)向長度，使之達(dá)到良好的導(dǎo)向效果。

液壓系統(tǒng)采用插裝集成，方向閥設(shè)置有感應(yīng)式閥芯位置監(jiān)測裝置并向電控系統(tǒng)反饋閥芯位置信號。液壓系統(tǒng)選用目前最優(yōu)化的元器件，并設(shè)有足夠的監(jiān)視、測量、控制和保護(hù)裝置如回油堵塞報警、液位油溫傳感器、壓力繼電器、系統(tǒng)壓力傳感器、壓力溫度流量傳感器（PQT）、油水報警器等。其主要元器件如液壓泵、方向閥、溢流閥、調(diào)速閥、插裝閥等全部選用按DIN標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的德國力士樂原裝產(chǎn)品。

在液壓缸上設(shè)有安全鎖錠閥組，內(nèi)置德國力士樂原裝進(jìn)口溢流閥和液控單向閥，既可防止液壓缸內(nèi)壓力超過設(shè)定值，又可將閘門可靠地鎖錠。

設(shè)備出廠時進(jìn)行機(jī)電液聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，保證設(shè)備性能完善，程序動作準(zhǔn)確，減少現(xiàn)場安裝調(diào)試工作。

?自動先進(jìn)

油缸的設(shè)計采用美國PTC公司研制的由設(shè)計至制造的機(jī)械化自動化軟件Pro/ENGINEER，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的三維實(shí)體造型系統(tǒng)。利用該軟件，可以建立油缸的零部件模型和油缸總成的裝配模型，在計算機(jī)上預(yù)先進(jìn)行動態(tài)/靜態(tài)分析，裝配干涉檢驗(yàn)，甚至運(yùn)動仿真功能。由3D實(shí)體模型可以隨時生成2D工程圖，而且自動標(biāo)注工程圖尺寸，不論在3D或2D圖形上作尺寸修正時，其相關(guān)的2D圖形或3D實(shí)體模型均自動修改，同時裝配、制造等相關(guān)設(shè)計也自動修改，確保資料的正確性，并避免反復(fù)修正的耗時性，工程同步，確保油缸數(shù)據(jù)的完整和設(shè)計修正的高效。

液壓系統(tǒng)設(shè)計采用當(dāng)前世界上最先進(jìn)和密集集成的Pro/Engineer高端軟件，經(jīng)過數(shù)十年的設(shè)計積累，已建立了完備的液壓元件模型庫，加上本軟件的快速有效的建模和三維制圖功能，不僅可以快速有效的進(jìn)行各類閥件的集成和裝配，還能對閥塊的設(shè)計孔道進(jìn)行校驗(yàn)，確保系統(tǒng)設(shè)計的準(zhǔn)確和高效。

液壓系統(tǒng)選用目前最先進(jìn)的自動化元器件，并留有擴(kuò)充口和遠(yuǎn)程接口。

?操作簡便

所有控制、檢測、監(jiān)視和保護(hù)信號均可送到現(xiàn)地PLC，并可通過遠(yuǎn)程接口送到集中控制單元，既可在現(xiàn)地進(jìn)行手動和自動控制，也可在集中控制單元實(shí)現(xiàn)集中控制。液壓系統(tǒng)中所有元器件標(biāo)識清楚，部分元器件還帶有燈光指示，操作一目了然。

?易于維護(hù)

液壓系統(tǒng)所有控制閥件均集中安裝于閥塊上，檢修和更換方便。液壓啟閉機(jī)所有零件、元件均具有通用性、互換性，更換方便。液壓系統(tǒng)管路上設(shè)有手動隔離閥，方便檢修。

?長使用壽命

為保證本液壓啟閉機(jī)具有較長的使用壽命，將采取如下具體措施來保證這些指標(biāo)：

選用高可靠性的德國力士樂原裝液壓元件，包括泵、閥，力士樂液壓元件具有在羅馬尼亞鐵門水電站船閘運(yùn)行31年無故障的記錄。

選用密封性能良好的德國Merkel密封件，力士樂有使用該產(chǎn)品25年不更換而密封性能良好的記錄。

選用壓力等級較大（350bar～400bar）的液壓元件。

油箱、管道使用不銹鋼材料。

3液壓啟閉機(jī)設(shè)計

3.1設(shè)計參數(shù)

2）液壓啟閉機(jī)操作方式為：動水啟閉。

3）工作方式為：全程啟閉，局部開啟或關(guān)閉。

4）控制方式：遠(yuǎn)方控制；現(xiàn)地單機(jī)控制；現(xiàn)地檢修單步控制；三種控制方式相互聯(lián)鎖。

3.2液壓缸設(shè)計

液壓缸的缸筒采用國產(chǎn)整段優(yōu)質(zhì)無縫鋼管，具有較高的機(jī)械性能和良好的沖擊韌性；缸體內(nèi)孔加工采用進(jìn)口強(qiáng)力珩磨機(jī)珩磨作為最終工序，保證內(nèi)孔尺寸精度和形位公差以及表面粗糙度達(dá)到設(shè)計要求。

油缸缸體采用優(yōu)質(zhì)無縫鋼管（材質(zhì)：Q345B，正火處理），材料按JB4730Ⅱ級進(jìn)行100%超聲波探傷。

活塞桿采用進(jìn)口博世力士樂荷蘭公司ENDUROQ2000產(chǎn)品，采用獨(dú)特的高速火焰噴涂（HVOF）技術(shù)保護(hù)活塞桿，活塞桿母體材質(zhì)為S355J2G3正火處理。

活塞桿表面金屬氧化陶瓷層的噴涂工藝按DIN德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，陶瓷保護(hù)層是均勻、不導(dǎo)電及不滲透；保護(hù)層很硬，有足夠彈性可與液壓缸-活塞桿一起撓曲。金屬氧化陶瓷層的機(jī)械性能如耐沖擊性、抗彎強(qiáng)度及對金屬的黏結(jié)力足以承受在活塞桿材料機(jī)械強(qiáng)度極限內(nèi)的沖擊和負(fù)載。

油缸的上吊耳端蓋和下端蓋材料選用45鋼鍛件，正火處理。

活塞桿連接吊頭材料采用45鋼鍛件，正火處理。吊頭材料按GB/T6402Ⅱ級進(jìn)行100%超聲波探傷。

油缸活塞和活塞桿密封件均采用德國MERKEL公司產(chǎn)品。

液壓缸活塞及活塞桿導(dǎo)向均采用德國寶色霞板公司C380型非金屬導(dǎo)向套系列，采用多重組合形式。

防塵圈采用德國Hallite公司產(chǎn)品。

3.3液壓泵站設(shè)計

泄水閘弧形工作閘門采用雙缸液壓機(jī)操作，28扇閘門設(shè)有14個泵站，采用二機(jī)一站控制方式。

液壓泵站由不銹鋼油箱（含其附件）、兩臺油泵電機(jī)組、兩套功能獨(dú)立的雙缸比例閥同步回路和兩套獨(dú)立的簡單閥件組成的雙缸同步回路、站內(nèi)管路及附件等組成。電機(jī)與油泵之間采用“鐘型罩+聯(lián)軸器”聯(lián)接方式，便于油泵電機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，降低噪音。液壓泵站包括二臺油泵-電動機(jī)組（同時工作，互為熱備用）。系統(tǒng)控制閥塊固定在油泵電機(jī)組支架旁。

油泵和主要控制閥件均選用原裝進(jìn)口博世力士樂公司產(chǎn)品，液壓系統(tǒng)閥組采用插裝集成。所有方向閥均設(shè)置閥芯位置監(jiān)測指示器，向電控系統(tǒng)反饋閥芯位置信號。

不銹鋼油箱設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)人孔蓋，排污球閥，注油濾器，回油過濾器，液位液溫計，液位油溫傳感器，油水報警器、防潮式空氣濾清器等附件。

液壓泵站配置在線檢測壓力、流量、溫度（P、Q、T）的專用檢測儀器一套，檢測儀器與液壓泵站的連接接頭每套泵站均設(shè)置一套。

3.4液壓回路設(shè)計

泄水閘弧形工作門采用二通插裝閥控制的回路，是典型的四通回路，該控制回路由先導(dǎo)控制回路和主級控制回路（功率回路）組合而成。

A.壓力控制回路：主泵的壓力控制采用雙泵共用二通插裝閥壓力控制組件，回路安全溢流的壓力由先導(dǎo)壓力控制閥調(diào)整并被整定。泵壓力控制組件通過二位四通電磁換向閥進(jìn)行卸荷；

B.方向控制回路：通過主回路上先導(dǎo)電磁換向閥電磁鐵的得電與失電，切換二位二通插裝閥閥芯的開合，改變液壓油的流向，從而實(shí)現(xiàn)液壓缸活塞桿的伸縮動作即閘門的關(guān)閉與開啟動作控制

C.速度控制回路：在液壓缸的有桿腔回路中設(shè)置了比例調(diào)速閥+常規(guī)調(diào)速閥回路，從而控制液壓缸活塞桿的伸縮速度即弧門的關(guān)閉與開啟速度，以及安裝連接時的速度調(diào)節(jié)。通過安裝在液壓缸上的行程檢測裝置全程連續(xù)檢測二只油缸的行程，當(dāng)左右吊點(diǎn)兩只油缸的不同步誤差大于等于不同步設(shè)定值時，PLC反饋電信號至調(diào)速閥比例電磁鐵，自動調(diào)整液壓缸有桿腔進(jìn)、回油量，從而使閘門左右吊點(diǎn)達(dá)到同步控制要求；

同時在有桿腔回路中設(shè)置有比例調(diào)速閥回路一側(cè)并聯(lián)了常規(guī)調(diào)速閥回路，并設(shè)置旁路電磁換向閥糾偏回路作為備用回路，可以通過球閥切換。當(dāng)安裝檢修或比例調(diào)速閥出現(xiàn)故障時，即可打開此備用回路常閉球閥，使此回路投入運(yùn)行，同時投入旁路電磁換向閥糾偏回路，大大提高了設(shè)備的運(yùn)行可靠性，確保安全渡汛。

D.安全鎖定回路：在液壓缸有桿腔回路中設(shè)置了安全鎖定閥組。內(nèi)置原裝進(jìn)口液控單向閥，用于弧門開啟至任意高度時閘門的鎖定。同時該閥組內(nèi)置原裝進(jìn)口溢流閥為安全閥，用于對下腔的超壓保護(hù)。

插入CAD圖紙

4關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

1：全行程動態(tài)仿真模型試驗(yàn)

考慮到本工程泄水閘液壓啟閉機(jī)油缸均為斜拉式傾斜安裝，在重力和關(guān)節(jié)軸承摩擦力的作用下，在閘門全關(guān)狀態(tài)和閘門啟閉過程中，液壓缸往往存在一定的撓度和彎曲。油缸自重勢必會對活塞桿產(chǎn)生撓度影響，對啟閉機(jī)布置方式優(yōu)化設(shè)計、對油缸各部位進(jìn)行了全狀態(tài)的受力分析和撓度計算和設(shè)備動態(tài)仿真模型試驗(yàn)。

2：采用獨(dú)特的高速火焰噴涂（HVOF）技術(shù)

油缸陶瓷活塞桿ENDUROQ2000為進(jìn)口博世力士樂荷蘭公司產(chǎn)品，采用獨(dú)特的高速火焰噴涂（HVOF）技術(shù)保護(hù)活塞桿，其致密的組織結(jié)構(gòu)具有極高的耐腐蝕、抗刮及耐磨損性能，極大延長了使用壽命、減少了維修費(fèi)用，經(jīng)受了實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)并得到許多用戶的贊揚(yáng)。

活塞桿噴涂材料采用含有碳化物的復(fù)合金屬材料，每根活塞桿有各自的工藝程序和連續(xù)的過程控制，對每根活塞桿進(jìn)行最終檢測。

3：雙缸同步糾偏控制主回路設(shè)計

根據(jù)招標(biāo)文件要求，“啟閉機(jī)采用“二機(jī)一站”控制傳動方式；配套布置上采用一套液壓泵站總成（即一套液壓泵站總成由共用泵組、共用油箱、兩套功能獨(dú)立的雙缸比例閥同步回路和兩套獨(dú)立的簡單閥件組成的雙缸同步回路組成）分別依次驅(qū)動二套雙油缸總成（分別依次驅(qū)動相鄰兩扇弧形工作閘門），雙油缸同步運(yùn)行”，在設(shè)計時雙缸同步糾偏控制主回路采用比例調(diào)速閥+常規(guī)調(diào)速閥回路，備用回路采用雙回路常規(guī)調(diào)速閥+旁路電磁換向閥回路的控制方式，既滿足招標(biāo)文件要求的高精度閉環(huán)同步控制要求，又能滿足應(yīng)急人工單步手動控制可雙缸同步啟閉閘門。

5結(jié)語

我們相信，作為國內(nèi)水利液壓傳動系統(tǒng)的供應(yīng)商，我們有信心通過提供專業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)、高質(zhì)量的產(chǎn)品、現(xiàn)代的生產(chǎn)設(shè)備使這項(xiàng)工程取得圓滿成功。我們的確能夠提供給客戶一個安全的、維護(hù)費(fèi)低的、可靠的和耐用的驅(qū)動和控制系統(tǒng)。

自2013年10月投入運(yùn)行以來，運(yùn)行情況良好，受到業(yè)主單位的表揚(yáng)，其設(shè)計成果對今后類似液壓啟閉機(jī)設(shè)計有一定借鑒作用。