基于Fluidsim仿真的津頭泵站排水蝶閥液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀敏超，馬俊強(qiáng)，李文英，劉奇波

（1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)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(fā)電設(shè)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(nèi)側(cè)。泵站控制集雨面積0.788 km2，安裝潛水軸流泵5 臺(tái)，總裝機(jī)容量800 kW（單機(jī)容量160 kW），總抽排流量7.35 m3/s（單機(jī)流量1.47 m3/s）。流道層設(shè)進(jìn)水流道5 條，布置5 臺(tái)主水泵。泵站進(jìn)水管通過(guò)室外工作井與城市道路排水管網(wǎng)連接，設(shè)自排蝶1 臺(tái)，防洪期間關(guān)閉閥門(mén)，水流匯入泵站前池。水泵出水管采用單機(jī)單管，與鋼筋混凝土壓力水箱連接，終端處設(shè)浮箱拍門(mén)。壓力水箱后接鋼筋混凝土排水壓力涵管，5 臺(tái)機(jī)共用1 條排水涵管通到堤外，在室外工作井設(shè)蝶閥（即排水蝶閥），外江側(cè)設(shè)擋水拍門(mén)。泵站承擔(dān)著南寧市江北大道內(nèi)側(cè)教育路和桃源路一帶繁華地段的防洪排澇任務(wù)。

由于排水蝶閥室外工作深井內(nèi)約3 m處常年潮濕，原來(lái)設(shè)置的電動(dòng)蝶閥線路老化，工作不可靠，需要用人工輔助啟閉閥門(mén)，而電動(dòng)蝶閥的減速機(jī)構(gòu)是采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，其傳動(dòng)比大，通過(guò)人工啟閉蝶閥需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間。故需要更換為能較好適應(yīng)潮濕環(huán)境下工作可靠、并帶有儲(chǔ)能器的液控蝶閥，確保在防洪期間設(shè)備運(yùn)行可靠，在應(yīng)急情況下依然能完成相應(yīng)的啟閉功能，保障邕江北岸人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)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(dòng)作靈敏、運(yùn)行可靠、維修方便等功能。故選用了某公司生產(chǎn)的液控蝶閥D7Q41X-16 型。該液控蝶閥適用于介質(zhì)為水的管路上，具有截?cái)嗨鞴δ堋２捎眯钅芷鹘Y(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)體積小重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（結(jié)構(gòu)本身具有單向作用功能，即閥板本身不能在介質(zhì)壓力下轉(zhuǎn)動(dòng)），液壓系統(tǒng)和電氣控制箱與閥門(mén)分體安裝，便于安裝和維護(hù)。主要性能指標(biāo)：公稱壓力PN1.6 MPa，殼體試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、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(zhì)為水。

液控蝶閥的工作狀態(tài)主要有3 種：一是電動(dòng)開(kāi)閥，即液壓站通電，油泵啟動(dòng)，壓力油通過(guò)液壓管道進(jìn)入液壓缸的無(wú)桿腔內(nèi)，將活塞桿頂出，帶動(dòng)蝶板從0°（即全關(guān)）到90°（即全開(kāi)），完成閥門(mén)開(kāi)啟；二是電動(dòng)關(guān)閥，即當(dāng)需要關(guān)閉閥門(mén)時(shí)，相應(yīng)的電磁閥動(dòng)作，壓力油進(jìn)入液壓缸的有桿腔內(nèi)，活塞桿縮回，帶動(dòng)蝶板完成閥門(mén)關(guān)閉；三是手動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)，即在停電及備用電源失效的情況下，可手動(dòng)操作相應(yīng)換向閥手柄，利用蓄能器的能量，將活塞桿縮回，完成閥門(mén)關(guān)閉[2]。同理，在失電情況下，如果需要開(kāi)啟閥門(mén)，也可以通過(guò)手動(dòng)模式完成閥門(mén)開(kāi)啟。一般情況下，排澇泵站主要是為了防止江水倒灌，所以應(yīng)急情況下，關(guān)閉閥門(mén)是最主要的任務(wù)，手動(dòng)開(kāi)啟功能只是為了試驗(yàn)等非應(yīng)急狀態(tài)下的輔助功能。

3 排水蝶閥液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 液壓系統(tǒng)原理圖

根據(jù)排水蝶閥工作要求，采用帶有儲(chǔ)能器的液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)主要有3個(gè)回路。第一回路即電動(dòng)開(kāi)啟回路，是完成排水蝶閥閥板的開(kāi)啟動(dòng)作；第二回路即電動(dòng)關(guān)閉回路，是完成排水蝶閥的關(guān)閉動(dòng)作；第三回路是在斷電及備用電源失效的條件下，手動(dòng)完成閥板的關(guān)門(mén)或開(kāi)啟動(dòng)作。

電動(dòng)開(kāi)啟回路和電動(dòng)關(guān)閉回路通過(guò)一個(gè)具有中位機(jī)能三位四通電磁換向閥。由于需要在斷電情況下能短時(shí)保壓，故選用O型中位機(jī)能的三位四通換向閥。通過(guò)換向閥兩端的電磁閥切換動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)排水閥門(mén)開(kāi)啟、保壓和關(guān)閉功能。在開(kāi)啟和關(guān)閉回路上，都設(shè)置有可調(diào)節(jié)流閥，可調(diào)節(jié)流閥后端設(shè)置壓力表，以便觀察工作過(guò)程液壓缸的有桿腔和無(wú)桿腔的壓力情況。

為了實(shí)現(xiàn)斷電及備用電源失效還能開(kāi)啟或關(guān)閉蝶閥，設(shè)置了第三液壓回路。該回路與前述兩個(gè)回路是并聯(lián)關(guān)系?；芈飞显O(shè)置有儲(chǔ)能器，儲(chǔ)能器的一端接壓力源，以便在正常供電時(shí)完成儲(chǔ)能工作；另一端作為液壓油輸出端，通過(guò)一個(gè)三位三通換向閥，控制液壓油通向液壓缸的有桿腔還是無(wú)桿腔，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉功能。為了實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制閥門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉功能，還需要在開(kāi)啟和關(guān)閉回路上設(shè)置二位三通電磁閥，手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)通油或回油動(dòng)作，配合完成手動(dòng)啟閉閥門(mén)。在液壓桿伸縮的最大值和最小值處，設(shè)置行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)液壓桿伸出到最遠(yuǎn)端時(shí)，即表示閥門(mén)已經(jīng)完成開(kāi)啟（開(kāi)度為90°），整個(gè)開(kāi)啟回路停止并短時(shí)保壓；當(dāng)液壓桿縮回到最近短時(shí)，即表示閥門(mén)已經(jīng)完成關(guān)閉（開(kāi)度為0°），整個(gè)關(guān)閉回路停止并短時(shí)保壓。在整個(gè)液壓回路上還設(shè)置了安全溢流閥，以保障整個(gè)液壓系統(tǒng)處于安全受控狀態(tài)[3]。為了方便仿真，在過(guò)濾器后端增加一個(gè)二位三通電磁閥，在實(shí)際應(yīng)用中可以不需要該電磁閥。當(dāng)該電磁閥不通電時(shí)，該處后方的液壓回路將處于保壓狀態(tài)。利用Fluidsim仿真軟件，結(jié)合上述功能需求，得出液壓系統(tǒng)原理圖及其電氣控制圖（見(jiàn)圖1）。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖及其電氣控制圖

3.2 液壓系統(tǒng)工作過(guò)程分析

結(jié)合液壓系統(tǒng)原理圖，蝶閥工作過(guò)程液壓系統(tǒng)運(yùn)行如下：

（1）閥門(mén)開(kāi)啟。液壓站通電后，油泵工作，提供預(yù)設(shè)額定油壓。液壓油經(jīng)過(guò)件2過(guò)濾后進(jìn)入總回路上的二位三通電磁閥3（系統(tǒng)斷電仿真需要，實(shí)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(jìn)入件11 二位三通換向閥左位，液壓油從P口通向A口，經(jīng)過(guò)件13可調(diào)節(jié)流閥后進(jìn)入液壓缸的無(wú)桿腔，將液壓桿推出，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)啟[4]。

（2）閥門(mén)關(guān)閉。液壓站通電后，油泵工作，油路跟閥門(mén)開(kāi)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(jīng)過(guò)件12 可調(diào)節(jié)流閥后進(jìn)入液壓缸的有桿腔，液壓桿縮回，閥門(mén)關(guān)閉。

（3）手動(dòng)操作模式。分為手動(dòng)開(kāi)啟閥門(mén)和關(guān)閉閥門(mén)。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(shí)現(xiàn)蓄能器蓄能（蓄能器中常態(tài)下操作手柄向右，通電自動(dòng)蓄能，即為自帶關(guān)閉裝置）。需要說(shuō)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(guò)壓。FluidSIM 軟件在仿真期間簡(jiǎn)化了隔膜式蓄能器的動(dòng)態(tài)關(guān)系，即隔膜式蓄能器流量為斷續(xù)的，而不是連續(xù)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(jìn)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(tài)，油路斷開(kāi)。件6 三位四通電磁換向閥兩邊的電磁閥都處于失電狀態(tài)，換向閥處于中位機(jī)能位置。此時(shí)油路處于暫時(shí)保壓狀態(tài)。件16 三位三通換向閥也處于中位位置。此時(shí)件17 隔膜式儲(chǔ)能器就是壓力源。當(dāng)需要手動(dòng)開(kāi)閥（即液壓桿推出）時(shí)，需要手動(dòng)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(chǔ)能器的液壓油通向液壓缸的無(wú)桿腔；最后手動(dòng)操作件17 隔膜式儲(chǔ)能器換向閥，使其處于右位工作，儲(chǔ)能器內(nèi)液壓油釋放，進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)啟。同理，要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)，即手動(dòng)將液壓桿縮回。就需要將儲(chǔ)能器的高壓油輸送到有桿腔內(nèi)，同時(shí)將無(wú)桿腔連接到油箱卸油。手動(dòng)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(dòng)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(chǔ)能器連通。最后手動(dòng)操作件16三位三通換向閥，使其工作在右位，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能器的高壓油與液壓缸有桿腔連通，液壓桿縮回，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)關(guān)閉。上述元件動(dòng)作順序如表1所示。

表1 元件動(dòng)作表（√表示得電工作）

4 排水蝶閥液壓系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)以上動(dòng)作分析，結(jié)合液壓系統(tǒng)原理圖及其電氣控制圖，在Fluidsim 軟件中建立仿真模型。電動(dòng)開(kāi)閥只需操作按鈕SB1 即可，電動(dòng)關(guān)閥只需操作按鈕則操作SB2。選用按鈕開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是可以隨時(shí)放開(kāi)按鈕，閥門(mén)停止在任意位置，控制不同開(kāi)度。在液壓桿的最遠(yuǎn)端MAX 端和最近端MIN 端設(shè)置了行程開(kāi)關(guān)（Fliudsim 軟件中用標(biāo)尺來(lái)表示），用以控制全開(kāi)或全關(guān)后，以免過(guò)載而導(dǎo)致液壓缸或液壓桿受損。行程開(kāi)關(guān)分別串聯(lián)在電動(dòng)開(kāi)閥和電動(dòng)關(guān)閥的電路上。為了仿真停電狀態(tài)，在控制電路中設(shè)置了按鍵式常閉開(kāi)關(guān)SB3，當(dāng)按下時(shí)，總電路斷開(kāi)，液壓回路處于斷電狀態(tài)[5]。

4.1 電動(dòng)開(kāi)閥仿真

在正常通電情況下，電磁閥3Y和4Y得電，液壓系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，同時(shí)儲(chǔ)能器儲(chǔ)能。按下按鈕開(kāi)關(guān)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(jìn)入液壓缸的無(wú)桿腔，將液壓缸推出，經(jīng)B口通向T口后返回油箱。仿真圖見(jiàn)圖2。

圖2 電動(dòng)開(kāi)閥仿真圖

4.2 電動(dòng)關(guān)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(jìn)入有桿腔；A 口與T 口連通，無(wú)桿腔的液壓回路與油箱5連通，使液壓桿縮回，實(shí)現(xiàn)關(guān)閥功能。仿真圖見(jiàn)圖3。

圖3 電動(dòng)關(guān)閥仿真圖

4.3 手動(dòng)開(kāi)閥仿真

將按鍵式開(kāi)關(guān)SB3 按下，表示仿真系統(tǒng)無(wú)電力輸入，需要手動(dòng)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(chǔ)能器中的手動(dòng)換向閥也推向右位，使壓力油得到釋放，經(jīng)由件16的A口到P口進(jìn)入液壓缸的無(wú)桿腔，液壓桿被推出，完成手動(dòng)開(kāi)閥動(dòng)作。仿真圖見(jiàn)圖4。

圖4 手動(dòng)開(kāi)閥仿真圖

4.4 手動(dòng)關(guān)閥仿真

在斷電的情況下，儲(chǔ)能器就是壓力源。手動(dòng)操作件11使其在右位工作，換向閥中的A口與T口連通，無(wú)桿腔與油箱連通。手動(dòng)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(chǔ)能器連通，儲(chǔ)能器中的手動(dòng)關(guān)閉換向閥處于右位，釋放液壓油，液壓缸中的液壓桿縮回，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)。仿真圖見(jiàn)圖5。

圖5 手動(dòng)關(guān)閥仿真圖

5 結(jié)論

利用Fluidsim 軟件，建立了排水泵站液控蝶閥的液壓系統(tǒng)仿真模型，并通過(guò)軟件中的仿真模塊進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的蝶閥液壓控制系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)啟閉的動(dòng)作要求。雖然防洪排澇泵站抽排控制系統(tǒng)中，都會(huì)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(shí)關(guān)閉排水蝶閥，外江側(cè)的浮箱拍門(mén)剛好脫落失效，有可能發(fā)生江水倒灌的現(xiàn)象，對(duì)江堤沿岸人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅。因此，防洪排澇泵站建設(shè)一套安全可靠、能臨時(shí)獨(dú)立于電網(wǎng)運(yùn)行的液控蝶閥控制系統(tǒng)是很有必要的。