基于節(jié)制閘閘門啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)校核分析

陳飛 錢立君 潘雯璽 陸昊 王亞乒 常州市長江堤防工程管理處

1.工程基本資料

以魏村樞紐節(jié)制閘為例，節(jié)制閘為三孔凈寬24m，設(shè)計(jì)流量300m3/s，閘門采用平板鋼閘門，啟閉機(jī)采用雙吊點(diǎn)直立式雙油缸液壓啟閉機(jī)。以下針對(duì)魏村樞紐節(jié)制閘，中孔閘門液壓啟閉參數(shù)校核分析。啟閉機(jī)基本技術(shù)參數(shù)為，閘門最大啟閉力為2×630KN,啟門速度0.8m/min，閉門速度0.8m/min，工作行程7.3m，油缸安裝距離16m，活塞桿直徑為200mm，油缸內(nèi)徑為300mm。

2.油缸設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算校核

2.1 活塞桿長細(xì)比校核

根據(jù)以上基本參數(shù)，活塞桿直徑為d=200 m m，油缸內(nèi)徑為D=300mm，對(duì)其進(jìn)行活塞桿長細(xì)比校核。

根據(jù)長細(xì)比公式：

活塞桿斷面慣性距：

缸體斷面慣性距：

式中：

d-活塞桿直徑

D-油缸內(nèi)勁

L-閘門全關(guān)時(shí)油缸安裝尺寸16000mm

將(4)代入(1)得λ=246.4。

按照DLT5167-2002水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，液壓啟閉機(jī)拉桿活塞桿長細(xì)比[λ]≤250，壓桿活塞桿長細(xì)比[λ]≤200，通過以上計(jì)算，液壓啟閉機(jī)活塞桿用作拉桿長細(xì)比λ=246.4＜[λ]≤250，說明選取活塞桿直徑為200mm，缸體直徑為300mm，符合長細(xì)比要求。因?yàn)殚l門是靠自重閉門，所以在此只考慮活塞桿作閘門啟門拉桿長細(xì)比。

2.2 油缸啟門、閉門壓力的計(jì)算

啟門壓力，根據(jù)油缸壓力計(jì)算公式：

式中：

F1-啟門力630KN；

D-油缸內(nèi)直徑300mm；

d-活塞桿直徑200mm；

代入P1=4F1/[π(D2-d2)]=16.1MPa,節(jié)制閘閘門開啟時(shí)，油缸正常工作壓力為16.1MPa。

閉門壓力，根據(jù)油缸閉門壓力計(jì)算公式：

式中：

F2-閘門閉門力，閘門自重為45噸，F(xiàn)2=45×10=450KN；

代入計(jì)算得P2=6.4MPa，由于閘門是自重閉門，P2=6.4MPa是在閘門自重關(guān)閉時(shí)，油缸液壓油的無動(dòng)力泄壓壓力。

2.3 油缸壁厚計(jì)算及成品選擇

油缸缸體材料為45號(hào)無縫鋼管，根據(jù)GB/T699-2015標(biāo)準(zhǔn)，查得45號(hào)無縫鋼管材料屈服強(qiáng)度σs≥355MPa，用于水利工程液壓啟閉機(jī)材料屈服強(qiáng)度[σs]=σs/2.5≥142MPa。

式中：

Pmax-油缸最高工作壓力16.1MPa；

D-油缸內(nèi)徑300mm；

[σs]-缸體材料的許用應(yīng)力142MPa；

代入(7) 計(jì)算得油缸壁厚δ=15.6mm，即油缸外徑為15.6×2+300=331.2mm，根據(jù)無縫鋼管國家標(biāo)準(zhǔn)GB-T17395（2008）查得，啟閉機(jī)油缸應(yīng)使用成品外徑為Φ351，壁厚δ1為25.5mm的無縫鋼管。

2.4 缸體強(qiáng)度校核

根據(jù)合成應(yīng)力計(jì)算公式：合成應(yīng)力：

式中：

δ1-無縫鋼管壁厚25.5mm

D1-缸體中心直徑

縱向應(yīng)力

環(huán)向應(yīng)力

將(9)、(10)代入(8)中經(jīng)計(jì)算合成應(yīng)力σzh1=93.1MPa＜材料許用應(yīng)力[σs]=142MPa，強(qiáng)度滿足要求。

2.5 塞桿強(qiáng)度校核

活塞桿兩端車有連接螺紋（M160×4），根據(jù)普通螺紋標(biāo)準(zhǔn)GB/T196-1981，查得M160×4最小直徑d0=155.67mm,活塞桿為45號(hào)鍛件，根據(jù)JB/T6397-2006標(biāo)準(zhǔn)，查得45號(hào)鋼鍛件正火太，σs≥280MPa，用于水利工程液壓啟閉機(jī)時(shí)[σs]=σ_s/2.5≥112MPa。

根據(jù)強(qiáng)度校核公式：

活塞桿危險(xiǎn)斷面彎距：

活塞桿最危險(xiǎn)截面積：

式中：

K-安全系數(shù)取1.1；

r-活塞桿閘門銷軸半徑80mm；

f-摩擦系數(shù)一般為0.1；

d0-活塞桿最危險(xiǎn)斷面為155.5 mm；

F1-啟門力630KN；

計(jì)算(12)、(13)代入(11)得σ=630/0.019+5.544/0.1×0.1553=48MPa＜[σs],活塞桿強(qiáng)度滿足要求。

2.6 活塞桿穩(wěn)定性校核

確定活塞桿所能承受的最大閉門力，根據(jù)公式：

式中：

n-末端條件系數(shù)取1；

E-活塞桿材料的彈性模數(shù)取2.1×1011N/m2；

J-活塞桿截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩J=πd2/64=78.5×106；

Nk-為安全系數(shù)，一般取5；

L-安裝距，約為16m；

將以上各項(xiàng)代入(14)計(jì)算P_k=127KN,因此活塞桿可以承受127KN的閉門力，由于閘門是通過自重閉門，穩(wěn)定性完全可以滿足要求。

3.啟閉機(jī)油缸加工工藝

啟閉機(jī)缸體選用成品45號(hào)無縫鋼管進(jìn)行加工，內(nèi)壁可以采用拉鏜和珩磨工藝，提高表面質(zhì)量，降低粗糙度，改善表面潤滑條件，減少密封件的磨損，使成品達(dá)到表面粗糙度小于Ra0.4，尺寸精度H9級(jí)，缸體內(nèi)徑圓度公差不低于GB1184中的9級(jí)，內(nèi)表面母線直線度小于1000：0.2，全長上不大于0.3mm。活塞桿材料45號(hào)鋼，經(jīng)正火熱處理，精加工表面粗糙度小于Ra0.3，母線直線度公差不大于1000：0.1，全長上小于0.25mm，尺寸精度f8。

4.液壓泵站的參數(shù)計(jì)算校核

4.1 系統(tǒng)最高工作壓力

n-安全系數(shù)，取1.1

4.2 單根油缸啟門流量

計(jì)算得：Q1=[3.14×8×(32-22)]/4=31.4L/min；無桿腔流量Q2=(πVD2)/4=56.5 L/min (注意單位換算分米代入)。

4.3 系統(tǒng)最大工作流量

根據(jù)公式：

K-系統(tǒng)的泄漏系數(shù)，取1.2；

計(jì)算得：Q=1.2×2×31.4=75.4 L/min

4.4 油泵流量

4.5 油泵電機(jī)功率

計(jì)算得：N=(17.7×75.4)/(61.2×0.8)=27.2 KW.

根據(jù)以上計(jì)算，油泵可選變量柱塞泵其公稱流量為57mL/rev，電機(jī)可選功率為30KW，轉(zhuǎn)速為 1470r/min的電動(dòng)機(jī)。

4.6 油箱的容積設(shè)計(jì)

應(yīng)充分考慮滿足液壓系統(tǒng)正常工作和檢修狀況下的油箱容量，計(jì)算如下：

V1應(yīng)為油泵流量的4 倍，V1=4×0.051=0.204m3；

V2油缸檢修時(shí)無桿腔的容積，V2=2πR2L1=2×3.14×0.152×7=0.98m3；（L1為活塞桿最大工作行程7m）

計(jì)算的 V=1.1(V1V2)=1.1×(0.204+0.98)=1.3m3，考慮到油箱結(jié)構(gòu)上本身所需的空油面與吸油高度，按照液壓泵站油箱公稱容量系列的規(guī)定，油箱容積為1400L,根據(jù)設(shè)備使用環(huán)境，選用L-HV46（即YC-N46）液壓油，適用環(huán)境溫度-30～40℃。

4.7 管路管徑計(jì)算

根據(jù)液壓啟閉運(yùn)行規(guī)定，管路流速不應(yīng)用的過高，尤其對(duì)于管路較長系統(tǒng)。通常我們選取壓力油管流速不大于3.5m/s，回油管流速不大于2.5 m/s，其它油管流速不大于1.0m/s。以下以v=2.5 m/s計(jì)算。

根據(jù)管徑計(jì)算公式計(jì)算：

油缸啟門流量（31.4L/min）計(jì)算為 d1=(4Q1/πv)0.5=4.63×(31.4/2.5)0.5=16.4mm；無桿腔回油管管徑d2=4.63×(56.5/2.5)0.5=22mm。

油泵出油口管徑，按油泵最大流量（75.4 L/min）計(jì)算為d2=(4Q/πv)0.5=4.63×(75.4/2.5)0.5=25.4mm。

考慮各個(gè)油管所承受壓力，根據(jù)GB-T17395-2008，查的標(biāo)準(zhǔn)無縫鋼管，油缸進(jìn)出油口管徑為Φ27×3，油泵管徑為Φ34×3，控制油管管徑為Φ18×2，在油泵出口和油缸壓力進(jìn)油口，需使用高壓軟管連接，減少油管受到的壓力沖擊。

5.結(jié)語

液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)在水利工程中是個(gè)系統(tǒng)工程，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算需按照國家標(biāo)準(zhǔn)逐步進(jìn)行，必要時(shí)還需模擬仿真試驗(yàn)，確保工程符合設(shè)計(jì)規(guī)范。本文圍繞節(jié)制閘液壓啟閉機(jī)主要參數(shù)的計(jì)算校核，剖析液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與計(jì)算過程，為水利工程液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安全穩(wěn)定運(yùn)行提供基礎(chǔ)性參考。通過以上計(jì)算，明確了魏村節(jié)制閘液壓啟閉機(jī)相關(guān)參數(shù)，符合工程相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，能滿足現(xiàn)場運(yùn)行要求。