液控式平衡閥在三峽船閘液壓控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

章鵬

摘 要：三峽船閘作為世界上最大的船閘，其人字門(mén)和反弧門(mén)等設(shè)備均采用液壓技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如何保證水平布置的人字門(mén)油缸運(yùn)行的平穩(wěn)和可靠是三峽船閘安全運(yùn)行的重要因素。本文就液控式平衡閥在三峽船閘人字門(mén)油缸液壓系統(tǒng)所起的作用、運(yùn)行初期出現(xiàn)的問(wèn)題及解決的方案進(jìn)行了初步研究。

關(guān)鍵詞：三峽船閘 液壓系統(tǒng) 液控式平衡閥

三峽船閘作為舉世矚目的長(zhǎng)江三峽水利樞紐工程的重要組成部分，確保其在運(yùn)行過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性是非常重要的。三峽船閘人字門(mén)和反弧門(mén)都是通過(guò)液壓系統(tǒng)啟閉的，液壓控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性直接影響到船閘的正常運(yùn)行。因此在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中采用了大量的進(jìn)口液壓元件：如采用了力士樂(lè)的比例變量泵和恒壓變量泵；Parker公司的二通插裝閥和Hydac公司的壓力傳感器等。其中Beringer公司的LBc40系列平衡閥在人字門(mén)液壓控制系統(tǒng)中對(duì)于人字門(mén)油缸運(yùn)行的平穩(wěn)性起著非常關(guān)鍵的作用。

以下通過(guò)對(duì)人字門(mén)液壓系統(tǒng)的分析，談?wù)凩Bc40系列平衡閥在三峽船閘人字門(mén)液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用，人字門(mén)油缸及平衡閥原理圖如下：

1、人字門(mén)關(guān)門(mén)過(guò)程

根據(jù)船閘人字門(mén)運(yùn)行特點(diǎn)，關(guān)門(mén)過(guò)程為水平關(guān)門(mén)，整個(gè)人字門(mén)運(yùn)行所阻力較小。目前液壓系統(tǒng)配制雙平衡閥回路，在三峽船閘的多次有水調(diào)試過(guò)程中可知系統(tǒng)運(yùn)行壓力僅為70bar左右，此時(shí)回油平衡閥的壓降損失為20bar左右。當(dāng)負(fù)載壓力為和運(yùn)行方向一致的正向負(fù)載時(shí)，此時(shí)油缸有桿腔壓力將會(huì)升高。從而系統(tǒng)壓力也會(huì)有所提高，系統(tǒng)壓力的提高使回油平衡閥控制油壓力上升，平衡閥開(kāi)口變大對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，液壓系統(tǒng)達(dá)到新的平衡點(diǎn)，此時(shí)回油平衡閥壓降降低。由測(cè)試曲線可知LBC平衡閥控制壓力的敏感性，可使平衡閥控制壓力點(diǎn)基本維持在空載運(yùn)行壓力附近，即系統(tǒng)運(yùn)行壓力基本穩(wěn)定。

當(dāng)負(fù)載壓力為和運(yùn)行方向相反的負(fù)向負(fù)載時(shí)，由于系統(tǒng)壓力克服負(fù)載壓力而上升，此時(shí)回油平衡閥控制壓力升高，其開(kāi)口變大對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，液壓系統(tǒng)達(dá)到新的平衡點(diǎn)，此時(shí)回油平衡閥壓降降低，其閥口壓降補(bǔ)償由于負(fù)載力產(chǎn)生的影響。

2、人字門(mén)關(guān)門(mén)過(guò)程

人字門(mén)開(kāi)門(mén)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，不僅受門(mén)樞阻力、動(dòng)水阻力和風(fēng)浪影響，還受到閘室水位超灌超泄影響。

在三峽船閘的運(yùn)行過(guò)程中，可知系統(tǒng)運(yùn)行壓力僅為60bar左右，回油平衡閥壓力損失為20bar左右，人字門(mén)運(yùn)行負(fù)載阻力影響和動(dòng)水阻力影響，均可通過(guò)平衡閥的自動(dòng)補(bǔ)償性能進(jìn)行補(bǔ)償。在系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行壓力為60bar左右，回油平衡閥壓力損失為20bar左右，亦可通過(guò)平衡閥進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。

當(dāng)超灌超泄現(xiàn)象反向水頭達(dá)到200mm時(shí)，人字門(mén)液壓系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行退讓，使下游超灌水頭低于200mm。此過(guò)程后，人字門(mén)轉(zhuǎn)入開(kāi)門(mén)運(yùn)行工況，此時(shí)負(fù)載產(chǎn)生一定的壓力作用在無(wú)桿腔，負(fù)載力方向與運(yùn)行方向一致，為正向負(fù)載。人字門(mén)運(yùn)行可以認(rèn)為是勻速低速運(yùn)行，根據(jù)油缸力平衡原理，可知此時(shí)液壓系統(tǒng)運(yùn)行壓力有提高趨勢(shì)，又因LBC平衡閥的負(fù)載敏感性，液壓系統(tǒng)壓力提高使回油平衡閥控制壓力上升，其平衡閥閥口壓降降低，液壓系統(tǒng)在原系統(tǒng)運(yùn)行壓力附近達(dá)到平衡點(diǎn)。

但根據(jù)三峽船閘電氣控制方面水平信號(hào)的設(shè)置情況和現(xiàn)在有水調(diào)試的情況看來(lái)，人字門(mén)有時(shí)會(huì)處于正向水頭開(kāi)門(mén)狀態(tài)。如果此時(shí)人字門(mén)進(jìn)入開(kāi)門(mén)工況，此時(shí)負(fù)載產(chǎn)生一個(gè)很大的壓力作用在有桿腔，負(fù)載方向和運(yùn)行方向相反，此時(shí)系統(tǒng)壓力升高將會(huì)無(wú)桿腔平衡閥達(dá)到一個(gè)很大的開(kāi)口或處于全開(kāi)位置，無(wú)桿腔平衡閥的反向壓力損失很小。油缸會(huì)加速運(yùn)行一小段距離。當(dāng)油缸有桿腔壓力降低，有桿腔和無(wú)桿腔重新回到壓力平衡狀態(tài)時(shí)。此時(shí)回油平衡閥控制壓力降低，其開(kāi)口變小對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，此時(shí)回油壓降升高，液壓系統(tǒng)達(dá)到新的平衡點(diǎn)。

3、平衡閥部分性能測(cè)試數(shù)據(jù)

由LBC40型平衡閥正向壓降損失數(shù)據(jù)不難看出，LBC40型平衡閥的正向壓力損失比較大，但如果在平衡閥旁并聯(lián)一個(gè)單向閥，其正向壓力損失在通過(guò)500L/min流量時(shí)，其壓損也僅為10bar左右。當(dāng)油缸運(yùn)行，特別是開(kāi)門(mén)運(yùn)行時(shí)，有桿腔工作壓力比較高，如果平衡閥的壓損過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)發(fā)熱和系統(tǒng)工作壓力過(guò)高甚至超過(guò)系統(tǒng)的最高設(shè)定壓力值，這對(duì)液壓元件的使用壽命影響非常大甚至有可能在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生超壓報(bào)警，影響船閘的正常運(yùn)行。因此并聯(lián)一個(gè)平衡閥來(lái)減小平衡閥的正向壓力損失。

平衡閥嘯叫聲產(chǎn)生的原因及其解決辦法

在三峽船閘初期的無(wú)水和有水調(diào)試過(guò)程中，都存在人字門(mén)油缸在伸出過(guò)程中即有桿腔平衡閥在回油過(guò)程中產(chǎn)生比較大的嘯叫聲，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)判斷分析可知這都是由于液壓脈動(dòng)現(xiàn)象造成的，即是在不改變閥的壓差的情況下，流量會(huì)出現(xiàn)時(shí)大時(shí)小的情況。這種現(xiàn)象一般多出現(xiàn)在節(jié)流閥口處于小開(kāi)口狀態(tài)或進(jìn)出壓差較大的情況下。結(jié)合三峽液壓系統(tǒng)具體工作情況分析其產(chǎn)生的原因，可能為以下幾個(gè)方面：

在關(guān)門(mén)過(guò)程中，由于無(wú)桿腔工作壓力較小，那即是有桿腔平衡閥控制壓力比較小，平衡閥工作在小開(kāi)口的情況下。此時(shí)就容易產(chǎn)生液壓脈動(dòng)。

由于油液受到擠壓后產(chǎn)生帶電的極性分子，而節(jié)流縫隙的金屬表面上存在電位差，故極性分子被吸附到縫隙表面，形成牢固的邊界吸附層，吸附層厚度一般為5～8μm，因而影響節(jié)流縫隙的大小。以上堆積、吸附物增長(zhǎng)到一定厚度時(shí)，就會(huì)被液流沖刷掉，隨后又重新吸附在閥口上。這樣周而復(fù)始，就形成了液壓脈動(dòng)。

閥口壓損過(guò)大時(shí)，將會(huì)使閥口溫度升高，液體受擠壓程度增強(qiáng)，金屬表面也更易受摩擦作用而形成電位差，也就容易產(chǎn)生形成了液壓脈動(dòng)。

油液中的機(jī)械雜質(zhì)或因氧化析出的膠質(zhì)、瀝青等污物堆積在節(jié)流縫隙口，減小了節(jié)流縫隙口的大小，從而產(chǎn)生液壓脈動(dòng)。

解決人字門(mén)有桿腔平衡閥嘯叫聲的方法

在滿足平衡閥工作性能的情況下加大平衡閥中R1 和R2的阻尼大小，這樣就加大了平衡閥控制活塞的兩端壓力差，這能在控制壓力不變的情況下增加平衡閥的開(kāi)口大小，從而減輕或消除脈動(dòng)現(xiàn)象，也就減小了平衡閥的嘯叫聲。

對(duì)液壓油進(jìn)行定期過(guò)濾，保證油液的清潔度，清除了油液中的膠質(zhì)雜質(zhì)，減小了它們?cè)诠?jié)流縫隙口堆積的可能性，也能夠減小平衡閥的嘯叫聲。

（作者單位：長(zhǎng)江三峽通航管理局）