帶下壓力液壓啟閉機防閘門回彈設計

2017-12-01 01:51:14蔣德成王小慧

水電站設計 2017年4期

蔣德成，王小慧

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072)

帶下壓力液壓啟閉機防閘門回彈設計

蔣德成，王小慧

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072)

本文針對不同工程帶下壓力液壓啟閉機的防閘門回彈需求，提出了無桿腔增加單向液壓鎖和無桿腔蓄能器補油兩種方案，論述了兩種方案的適用條件和關鍵液壓元件的選型。該研究成果可供類似工程設計參考。

液壓啟閉機；深孔弧形閘門；液壓鎖

0 前言

在水利水電工程中，用于操作深孔弧形閘門的液壓啟閉機大多數為雙作用油缸，即：靠閘門自重無法閉門，需要油缸提供下壓力以克服側水封摩阻力和底止水的彈性反力實現閉門；當下壓力撤銷后，閘門會受到側止水剪切反作用力和底止水的彈性反力，產生上浮現象使底止水壓實不嚴，此時底止水將出現漏水現象，由于深孔閘門擋水水頭高，會引起底止水高速縫隙射流，進而引起閘門振動，嚴重時可能破壞閘門。因此，帶下壓力液壓啟閉機有必要設計防回彈功能。

1 閘門回彈原理分析

弧形閘門閉門力的計算：

式中r0、r1、r2、r3——分別為轉動鉸摩阻力、側止水摩阻力、閘門自重和上托力對弧形閘門轉動中心的力臂；

R1——下壓力對弧形閘門轉動中心的力臂；

Tzd、Tzs——分別為轉動鉸摩阻力和側止水摩阻力；

nT、nG——分別為摩擦阻力安全系數和閘門自重修正系數；

Pt——閘門上托力；

G——閘門自重。

為了防止閘門底部滲漏，閉門下壓力容量控制原則為使底止水在底檻上的壓應力大于門前最大水壓的1.2倍。一般閉門力計算思路認為，除閘門上托力外，閘門停止運動后其余各項摩擦阻力均消失。實際情況則是閘門運動停止，但各構件克服摩擦阻力時產生的變形依然存在，構件將通過自身恢復變形產生回彈。閘門關閉至底檻后，啟閉機下壓力逐漸減小，在頂水封和面板上托力、側止水剪切回彈力、底止水壓縮反力、閘門轉動鉸形變回彈力等回彈趨勢的轉矩作用下，閘門將會向能量趨勢最小位上浮回彈，造成底止水與底檻壓應力減小而使閘門漏水，嚴重時會造成閘門劇烈振動而失事。閘門回彈原理見圖1。

圖1 閘門回彈原理

1.1 側止水剪切回彈力傳遞分析

由于側止水與側止水座板設計有預壓力，當啟閉機帶動閘門閉門時就產生了側止水滑動摩阻力，該摩阻力與運動方向相反，閉門時向上，啟門時向下。側止水座板(埋件)與側止水之間的摩阻力通過閘門門葉傳遞至啟閉機。其中閘門剛度較大，摩阻力引起變形非常微小，但側止水剪切剛度較小，引起變形就比較大。側止水受力見圖2、3。

圖2 側止水布置示意

圖3 側止水受力示意

設側止水型號為P60B，單邊壓縮量為4 mm，每米壓力為56.7 kN，取摩阻系數為0.2，則每米水封承受摩阻力為11.3 kN。根據《機械設計手冊》第11篇159頁矩形橡膠剪切計算公式，取高水頭橡膠肖氏硬度為70 MPa，查表得剪切彈性模量G為1.28 MPa，則側止水變形量為：

根據以上計算，側止水的剪切回彈力在閘門上浮8.2 mm時，逐漸減小至零。反過來講，弧形閘門從鎖定狀態啟動啟閉機進行關閉時，需要下行8.2 mm后側止水才會與水封座板產生相對滑動。側止水摩阻力矩一般占弧形閘門總阻力矩20%～30%，相對加載行程也比較大，其回彈作用對底水封與底檻壓應力影響較為明顯。

1.2 底止水壓縮反力傳遞分析

底止水與側止水反力傳遞過程略有不同，正常情況下閘門門葉通過側止水與門槽側止水座板接觸定位，而側輪與側軌是設有間隙，只有閘門受較大偏心外載時，側輪才會接觸側軌，因此側止水承受的剪切力僅與預壓縮力有關。底止水壓縮量則是按作用于底檻埋件上壓應力進行設計的，當底止水壓縮到位后，底止水與底檻壓應力不受閉門力大小影響，僅與自身壓縮量成正比，其閉門力誤差通過閘門面板底緣與底檻之間的壓力調整來平衡。當閘門面板底緣與底檻之間調整至零后，底止水壓縮力才會隨著閘門上浮而逐漸減小至零。一般弧形閘門底止水壓縮量設計為5 mm，即底水封加載位移量為5 mm。

1.3 閘門轉動鉸回彈力傳遞分析

閘門轉動鉸摩阻力傳遞過程為固定支鉸、支鉸軸、活動鉸鏈，最后通過閘門門葉傳遞至啟閉機。固定支鉸、活動鉸鏈及閘門門葉均是剛度非常大的構件，支鉸軸則是通過扭轉剪切傳遞摩擦阻力，而且支鉸軸位于整個旋轉系統中心，相對底止水變形存在非常大的放大作用。

以某工程實例計算(僅考慮支鉸軸變形)：弧門面板半徑R=8 m，總水壓力P=25 450 000 N，支鉸軸軸徑D=480 mm，固定鉸支承腹板距離L=660 mm，球面滑動軸承外徑D1=630 mm，球迷滑動軸承摩擦系數為f=0.13,鋼材扭轉剪切模量G=76 000 MPa。

則閘門轉動鉸摩阻力矩為：

M=PfD1/2=104 247 750 N·mm；

支鉸軸扭轉變形為：

換算底水封處位移量為1.4 mm。

經過多個深孔閘門實例進行計算，支鉸軸轉動摩阻力加載變形引起的底止水位移量為1～3 mm。支鉸軸轉動摩阻力矩一般占弧形閘門總阻力矩10%～20%，由于加載行程相對較小，其回彈作用對底水封與底檻壓應力影響也較小。

2 帶下壓力液壓啟閉機系統設計

閘門下壓閉門時，帶下壓力液壓啟閉機液壓系統常采用主換向閥換向后壓力油直接供油至無桿腔，同時打開有桿腔出口液控單向閥或平衡閥。當閘門關閉到位后，主換向閥切換至中位，而主換向閥均設有中位回油功能，無桿腔很快通過中位回油泄壓，即下壓力撤消。大型深孔弧形閘門自重較大，側止水、支鉸軸摩阻力占比較小，撤消下壓力后閘門浮動不明顯；相反的，對于高水頭小孔口深孔弧形閘門，由于自重較小，國內已有多個工程出現閘門上浮漏水嚴重的事故。這類工程大多數同時通過門葉加重和啟閉機啟門力擴容來解決。門葉加重和啟閉機啟門力擴容直接增加啟門力，油缸和活塞桿安全系數將減小；同時還增加了啟閉機基礎荷載，對承載的混凝土結構安全系數也會降低。常規帶下壓力液壓啟閉機液位原理見圖4，帶中位回油功能主換向閥見圖5。

圖4 常規帶下壓力液壓啟閉機液壓原理

3 無桿腔單向液壓鎖防閘門回彈系統設計

上文中分析無桿腔泄壓主要原因為主換向閥中位回油功能，考慮能否將主換向閥更換為帶中位截止功能的換向閥(見圖6)。主換向閥設中位回油功能的分析：弧形閘門大多數要求可以進行局部開啟，當閘門局開停留在某個開度時，會因為液壓啟閉機的內、外泄漏產生下滑，油缸下滑后活塞桿外伸，無桿腔體積增加需要補充液壓油，中位回油功能就可以從油箱中適當補油。如果主換向閥更換為中位截止換向閥，閘門下滑將引起無桿腔產生真空，輕則油液大量析出氣泡，引起油缸運行出現爬行現象，重則連接液壓油缸的油管會因外壓失穩破壞。況且換向閥一般是滑閥結構，滑閥受內部結構影響，內泄漏相對較大，難以長期保壓。所以更換帶中位截止功能的換向閥是無法達到防回彈的作用，相反會出現很多引起危險事故的風險。

圖5 帶中位回油功能主換向閥

圖6 帶中位截止功能主換向閥

防止閘門回彈是避免無桿腔液壓油流出，而中位回油功能是保證油箱液壓油進入無桿腔。在無桿腔設置單向液壓鎖可以解決這一問題：閘門閉門時，液壓油順利通過單向液壓鎖，而閘門上浮回彈時，液壓鎖將無桿腔液壓油鎖在腔內；閘門啟門時，先通過控制口打開單向液壓鎖，無桿腔液壓油就可以順利回流至油箱；閘門局開下滑時，單向液壓鎖僅有很小背壓，液壓油可以輕松打開單向液壓鎖。由于液壓鎖采用錐面線密封，泄漏量非常小，可以在一定時間內保持閘門不上浮。

以某工程實例計算：缸徑650 mm，桿徑360 mm，行11.5 m，啟門壓力18.8 MPa，閉門壓力3.0 MPa。液壓油體積3.8 m3，取液壓油體積壓縮系數為7×10-4MPa-1，不考慮油缸自身彈性變形前提下(鋼材彈性模量為206 GPa，而液壓油體積彈性模量為1.5 GPa)，閉門壓力降為2.5 MPa體積變化為1.3 L，相當于活塞桿4.0 mm的位移距離。以目前單向液壓鎖和密封圈產品泄漏情況估算，允許壓力降低0.5 MPa(即泄漏量達到1.3 L)，保持閘門不回彈的時間至少在數十小時內。對于容量較小的液壓啟閉機可以設定電氣控制程序，根據壓力變化情況適時啟動電機進行無桿腔補油補壓。無桿腔單向液壓鎖防回彈系統液壓原理見圖7。

圖7 無桿腔單向液壓鎖防回彈系統液壓原理

4 蓄能器補油防閘門回彈系統設計

4.1 系統設計原理和運行方式

對于需要更長時間保持閘門不回彈的系統，則需要增加蓄能器對無桿腔進行補油。在閘門啟閉過程中，蓄能器通過電磁球閥隔離系統。當閘門閉門到位后，系統停機，蓄能器電磁球閥打開，壓力油自動進入無桿腔內保壓，以防止因液壓系統的各種泄漏引起的閘門回彈漏水。當蓄能器的壓力降至低于無桿腔閉門壓力0.5 MPa時，壓力繼電器發出信號，系統對蓄能器進行補油；系統壓力上升至高于無桿腔閉門壓力0.5 MPa時，壓力繼電器發出信號，系統停止補油。由于蓄能器用油量較小，為了減小大功率油泵電機頻繁啟動對供電系統的沖擊，可專門設置一臺小流量油泵。建議選用帶位置鎖定功能的電磁球閥，避免電磁閥線圈長期帶電。閘門閉門到位后，電磁球閥右側線圈通電后變為開啟狀態；其余運行工況或者壓力小于規定值時，電磁球閥左側線圈通電后變為關閉狀態。

4.2 蓄能器容積計算

蓄能器一般選用氣囊式蓄能器，氣囊式蓄能器要求在系統最低工作壓力P1下，氣囊不能與內壁完全接觸；而在系統最高工作壓力P2下，氣囊收縮后體積不小于充氣壓力下原始體積的1/4；充氣壓力P0為最低工作壓力的0.8～0.85倍。以某工程實例計算：充氣壓力P0=3.0 MPa，選取P1=3.5 MPa，P2=4.5 MPa。補油量按油缸退回10 mm時等效泄漏量3.2 L計算。

本補油系統過程非常緩慢，視為等溫過程。即有：P0V0=P1V1=P2V2，V0為蓄能器總容積，V1為最低壓力時體積，V2為最高壓力時體積；排出油等于蓄能器壓力變化氣體體積差ΔV=V1-V2=P0V0(1/P1-1/P2)，換算得V0=ΔVP1P2/[P0(P2-P1)]。經計算蓄能器總容積V0=16.8L，可以選用額定壓力6.3 MPa，總容積20 L的蓄能器。蓄能器補油防回彈系統液壓原理見圖8。