集成式液壓系統的選型設計研究

向 耕，彭振宇，萬 鵬

（湖北省引江濟漢工程管理局，湖北 武漢 430062）

引言

引江濟漢工程是南水北調中線水源區工程之一，是從長江上荊江河段附近引水至漢江興隆河段、補濟漢江下游流量的一項大型輸水工程。高石碑出水閘為工程的出水口，干渠設計引水流量為350 m3/s，最大引水流量為500 m3/s。液壓啟閉機作為水利行業中廣泛應用的金屬結構起重設備，對提高調水工程的經濟效益起到了重要作用，因此，在液壓系統設計和選型時，應綜合考慮其使用環境以及對安全、可靠性的極高要求，并做好充分計算分析。

1 液壓啟閉機設計方案概述

液壓啟閉機在水利工程中應用較多，常見的類型有平面閘門液壓啟閉機、露頂式弧形閘門液壓啟閉機、潛孔式液壓啟閉機和人字閘門液壓啟閉機等。無論哪種類型的啟閉機，其液壓系統結構都大致相同，一般包括油缸、活塞桿、液壓系統泵站總成、液壓管道系統、主要零部件、行程檢測和指示裝置、電力拖動和控制系統以及專用檢修工具等部件。

高石碑出水閘液壓啟閉機總體布置形式為雙吊點式，底部由機架支承，采用雙作用油缸。液壓啟閉機需滿足現地控制或中央集中控制，且無論處于哪種控制方式下，啟閉機均可全程開啟，并能滿足同步啟閉要求，同步誤差不應大于10 mm。工程共設8臺集成式液壓啟閉機、4個液壓泵站、每個液壓泵站對稱控制2孔閘門。將每2個液壓站的油泵、液壓系統、油箱和電控系統布置在1個液壓泵房內，液壓機液壓缸露天布置，且設有避雷保護，初步設計參數要求如表1所示。

表1 液壓啟閉機初步設計參數要求

2 液壓系統設計選型計算

液壓啟閉機設計主要遵循SL41—2018《水利水電工程啟閉機設計規范》及NB/T 35020—2013《水電水利工程液壓啟閉機設計規范》，該規范對油缸及液壓系統各個參數作出了規定。高石碑出水閘液壓啟閉機在啟閉閘門過程中，提供啟門力和閉門力，為雙向作用工況。

首先結合初步設計參數的要求來確定油缸的缸徑D、活塞桿直徑d、缸筒壁厚σ等。計算次序為：初步選定活塞桿直徑，并校核其強度，再選取合適的油缸缸徑，然后再計算缸筒壁厚，并校核強度。參考規范和招標文件等要求可知，油缸計算壓力≤20 MPa，活塞桿計算長細比λ≤180，受壓穩定性安全系數n≥5.5。因此，初步選定活塞桿直徑為120 mm，缸體直徑為220 mm。

2.1 油缸啟門、閉門壓力計算

將啟門力F1=400 kN，閉門力F2=50 kN，油缸直徑D=220 mm，活塞桿直徑d=120 mm代入式（1）（2）中，計算出啟門壓力p1=15 MPa，閉門壓力p2=1.3 MPa，壓力滿足要求。

2.2 油缸壁厚計算

油缸材料為GB/T 699中的45鋼，缸體屈服強度σs≥280 MPa，缸體許用應力[σ]≥112 MPa，缸內最大啟門壓力p1=15.0 MPa，將相關參數代入式（3）中，計算出缸體要求最小壁厚b=13.6 mm。由此選定油缸外徑為273 mm，油缸凈壁厚為26.5 mm，壁厚滿足要求。

2.3 缸體強度校核計算

將缸體中心直徑D1=246.5 mm，壁厚b=26.5 mm，啟門壓力p1=15 MPa代入式（4）（5）（6）中，計算出縱向應力σz1=19.5 MPa，環向應力σh1=69.8 MPa，缸體合應力σzh1=62.4 MPa＜[σ]，強度滿足要求。

2.4 活塞桿強度校核計算

活塞桿材料為45調質鋼，活塞桿屈服強度σs≥345 MPa，材料安全系數n=2.5，所承受的拉力F1=400 kN，活塞桿危險截面直徑d0=96.5 mm，安全系數k=1.1，軸承半徑r=50 mm，軸承摩擦系數f=0.1，將相關參數代入式（7）（8）（9）中，計算出活塞桿最危險截面積A=7313.8mm2，危險截面計算彎矩M=2200N·m，活塞桿計算應力σ=79.2 MPa，許用應力[σ]=σs/2.5≥138 MPa＞σ，強度滿足要求。

2.5 活塞桿穩定性校核

按Euler公式等截面計算，此處為兩端鉸接，末端條件系數n=2，活塞桿材料的彈性模數E=2.1×1011N/m2，穩定性安全系數Nk=5.5，油缸全關時的安裝長度L=10 000 mm，將相關參數代入式（10）（11）中，計算出活塞桿截面的轉動慣性矩J=1.0×107mm4，可承受的閉門載荷pk=75.3 kN＞50 kN，穩定性滿足要求。

2.6 吊頭設計計算

吊頭材料初步選定ZG310-570鑄鋼，吊頭結構如圖1所示。吊頭屈服強度σs≥345 MPa，所承受的荷載F=400 kN，軸孔直徑d=180 mm，吊頭厚度σ=130 mm，吊頭寬度B=340 mm，應力集中系數a=2.2，吊頭外形最小半徑R=170 mm，將相關參數代入式（12）（13）（14）中，計算出吊頭孔壁承壓應力σm=17.1 MPa，A-A截面拉應力σ1=42.3 MPa，B-B截面拉應力σ2=30.4 MPa，吊頭設計滿足要求。

圖1 吊頭結構示意圖

2.7 液壓泵組系統計算

系統工作壓力p1=15.0 MPa，系統壓力損耗系數n1=1.1，系統泄漏系數Κ=1.2，最大計算流量Q1=2×21.4=42.8 L/min，電機轉速n=1 450 r/min，油泵電機組效率η=0.88，將相關參數代入式（15）（16）（17）（18）中，計算出系統最大工作壓力pmax=16.5 MPa，最大工作流量Q=51.4 L/min，油泵最小排量Qv=35.4 mL/r，電機最小功率N=15.7 kW。選定油泵排量為40 mL/r，電動機功率為18.5 kW。

2.8 液壓油箱容積計算

油泵流量的4倍V1=172 L，一孔檢修的無桿腔容積V2=684 L，其余系統正常運行需要的容積V3=169 L，將相關參數代入式（19）中，計算出油箱所需容積V=1 128 L。考慮到油箱結構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定，選定液壓泵站的油箱容積為1 250 L。

2.9 油路管徑計算

油管管徑dy應滿足流量及流速的要求，工作流量Q＝51.4 L/min，油管最大工作壓力pmax＝16.5 MPa。按照DL/T 5167—2018規定，管內允許流速v≤2.5 m/s，油管許用應力[σ]≤112 MPa，通過式（20）（21）計算出管徑d＝20 mm，壁厚δ≥1.6 mm。考慮到為減失少壓力損失和壓力沖擊，油管彎曲半徑應不小于3倍管徑，系統管道所有彎頭均采用自然冷彎成形彎頭，有桿腔和無桿腔管路可選用規格為Φ20 mm×2.5 mm的無縫鋼管。

3 液壓系統仿真試驗

參照啟閉機液壓系統原理圖，忽略油缸的制造、安裝誤差和系統泄漏等因素，構建雙吊點集成式液壓啟閉機系統仿真模型，調用Automation Studio軟件液壓模塊中電機、油泵、換向閥、溢流閥等組件，并結合實際液壓系統對電機、溢流閥、流量控制閥、單向閥以及液壓油缸等組件的各參數進行設置，對啟閉、閉門等正常工況和系統超壓、油缸下滑等異常工況進行仿真操作，對其工作原理和保護功能等進行操作驗證，試驗項目如表2所示。

表2 液壓啟閉機仿真試驗項目

根據試驗項目，在軟件的仿真界面依次進行各步驟的仿真演示，在程序運行過程中，平臺能夠模擬出各個閥件的動作，也可通過PLC端子顯示燈查看各信號的通斷。通過仿真分析，獲得了啟閉機液壓系統試驗壓力為22.5 MPa，與主溢流閥設定壓力一致，啟門到位時間為9.3 min，閉門到位時間為13.1 min。通過該液壓系統仿真試驗，為后續的液壓啟閉機的現場安裝、調試等提供了有效的基礎性試驗數據和經驗。

4 結語

液壓啟閉機已廣泛應用于水利工程中，且新技術和新材料的運用、機電液一體化的不斷發展，都是促進液壓啟閉機的可靠性設計進步的重要因素。液壓系統的設計不僅要參照國家標準進行，必要時還需進行仿真試驗，以確保工程符合設計規范。高石碑出水閘集成式液壓系統，根據控制運用和參數要求，通過計算完成了液壓系統的設計選型，經仿真分析得出閘門的啟閉力和開關速度均滿足工況需求，驗證了項目設計的正確性和合理性。