基于Fluidsim仿真的津頭泵站排水蝶閥液壓系統(tǒng)設計

賀敏超，馬俊強，李文英，劉奇波

（1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學院，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，總裝機容量800 kW（單機容量160 kW），總抽排流量7.35 m3/s（單機流量1.47 m3/s）。流道層設進水流道5 條，布置5 臺主水泵。泵站進水管通過室外工作井與城市道路排水管網(wǎng)連接，設自排蝶1 臺，防洪期間關(guān)閉閥門，水流匯入泵站前池。水泵出水管采用單機單管，與鋼筋混凝土壓力水箱連接，終端處設浮箱拍門。壓力水箱后接鋼筋混凝土排水壓力涵管，5 臺機共用1 條排水涵管通到堤外，在室外工作井設蝶閥（即排水蝶閥），外江側(cè)設擋水拍門。泵站承擔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。

由于排水蝶閥室外工作深井內(nèi)約3 m處常年潮濕，原來設置的電動蝶閥線路老化，工作不可靠，需要用人工輔助啟閉閥門，而電動蝶閥的減速機構(gòu)是采用蝸輪蝸桿機構(gòu)，其傳動比大，通過人工啟閉蝶閥需要耗費大量的人力和時間。故需要更換為能較好適應潮濕環(huán)境下工作可靠、并帶有儲能器的液控蝶閥，確保在防洪期間設備運行可靠，在應急情況下依然能完成相應的啟閉功能，保障邕江北岸人民群眾的生命財產(chǎn)安全[1]。

2 排水蝶閥工作要求

津頭泵站排水蝶閥，要求具有動作靈敏、運行可靠、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，具有截斷水流功能。采用蓄能器結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)體積小重量輕、結(jié)構(gòu)簡單（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），液壓系統(tǒng)和電氣控制箱與閥門分體安裝，便于安裝和維護。主要性能指標：公稱壓力PN1.6 MPa，殼體試驗、密封試驗、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：一是電動開閥，即液壓站通電，油泵啟動，壓力油通過液壓管道進入液壓缸的無桿腔內(nèi)，將活塞桿頂出，帶動蝶板從0°（即全關(guān)）到90°（即全開），完成閥門開啟；二是電動關(guān)閥，即當需要關(guān)閉閥門時，相應的電磁閥動作，壓力油進入液壓缸的有桿腔內(nèi)，活塞桿縮回，帶動蝶板完成閥門關(guān)閉；三是手動關(guān)閉閥門，即在停電及備用電源失效的情況下，可手動操作相應換向閥手柄，利用蓄能器的能量，將活塞桿縮回，完成閥門關(guān)閉[2]。同理，在失電情況下，如果需要開啟閥門，也可以通過手動模式完成閥門開啟。一般情況下，排澇泵站主要是為了防止江水倒灌，所以應急情況下，關(guān)閉閥門是最主要的任務，手動開啟功能只是為了試驗等非應急狀態(tài)下的輔助功能。

3 排水蝶閥液壓系統(tǒng)設計

3.1 液壓系統(tǒng)原理圖

根據(jù)排水蝶閥工作要求，采用帶有儲能器的液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)主要有3個回路。第一回路即電動開啟回路，是完成排水蝶閥閥板的開啟動作；第二回路即電動關(guān)閉回路，是完成排水蝶閥的關(guān)閉動作；第三回路是在斷電及備用電源失效的條件下，手動完成閥板的關(guān)門或開啟動作。

電動開啟回路和電動關(guān)閉回路通過一個具有中位機能三位四通電磁換向閥。由于需要在斷電情況下能短時保壓，故選用O型中位機能的三位四通換向閥。通過換向閥兩端的電磁閥切換動作，可以實現(xiàn)排水閥門開啟、保壓和關(guān)閉功能。在開啟和關(guān)閉回路上，都設置有可調(diào)節(jié)流閥，可調(diào)節(jié)流閥后端設置壓力表，以便觀察工作過程液壓缸的有桿腔和無桿腔的壓力情況。

為了實現(xiàn)斷電及備用電源失效還能開啟或關(guān)閉蝶閥，設置了第三液壓回路。該回路與前述兩個回路是并聯(lián)關(guān)系。回路上設置有儲能器，儲能器的一端接壓力源，以便在正常供電時完成儲能工作；另一端作為液壓油輸出端，通過一個三位三通換向閥，控制液壓油通向液壓缸的有桿腔還是無桿腔，實現(xiàn)手動控制閥門的開啟和關(guān)閉功能。為了實現(xiàn)手動控制閥門開啟或關(guān)閉功能，還需要在開啟和關(guān)閉回路上設置二位三通電磁閥，手動操作實現(xiàn)通油或回油動作，配合完成手動啟閉閥門。在液壓桿伸縮的最大值和最小值處，設置行程開關(guān)，當液壓桿伸出到最遠端時，即表示閥門已經(jīng)完成開啟（開度為90°），整個開啟回路停止并短時保壓；當液壓桿縮回到最近短時，即表示閥門已經(jīng)完成關(guān)閉（開度為0°），整個關(guān)閉回路停止并短時保壓。在整個液壓回路上還設置了安全溢流閥，以保障整個液壓系統(tǒng)處于安全受控狀態(tài)[3]。為了方便仿真，在過濾器后端增加一個二位三通電磁閥，在實際應用中可以不需要該電磁閥。當該電磁閥不通電時，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)工作過程分析

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

（1）閥門開啟。液壓站通電后，油泵工作，提供預設額定油壓。液壓油經(jīng)過件2過濾后進入總回路上的二位三通電磁閥3（系統(tǒng)斷電仿真需要，實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)過件13可調(diào)節(jié)流閥后進入液壓缸的無桿腔，將液壓桿推出，實現(xiàn)閥門開啟[4]。

（2）閥門關(guān)閉。液壓站通電后，油泵工作，油路跟閥門開啟一致，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)過件12 可調(diào)節(jié)流閥后進入液壓缸的有桿腔，液壓桿縮回，閥門關(guān)閉。

（3）手動操作模式。分為手動開啟閥門和關(guān)閉閥門。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，通電自動蓄能，即為自帶關(guān)閉裝置）。需要說明的是，隔膜式蓄能器用于貯存壓力油，其安裝有溢流閥，以防止過壓。FluidSIM 軟件在仿真期間簡化了隔膜式蓄能器的動態(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。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)，換向閥處于中位機能位置。此時油路處于暫時保壓狀態(tài)。件16 三位三通換向閥也處于中位位置。此時件17 隔膜式儲能器就是壓力源。當需要手動開閥（即液壓桿推出）時，需要手動將件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，使儲能器的液壓油通向液壓缸的無桿腔；最后手動操作件17 隔膜式儲能器換向閥，使其處于右位工作，儲能器內(nèi)液壓油釋放，進入液壓缸無桿腔，實現(xiàn)閥門開啟。同理，要實現(xiàn)手動關(guān)閉閥門，即手動將液壓桿縮回。就需要將儲能器的高壓油輸送到有桿腔內(nèi)，同時將無桿腔連接到油箱卸油。手動操作件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能器連通。最后手動操作件16三位三通換向閥，使其工作在右位，實現(xiàn)儲能器的高壓油與液壓缸有桿腔連通，液壓桿縮回，實現(xiàn)閥門關(guān)閉。上述元件動作順序如表1所示。

表1 元件動作表（√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。電動開閥只需操作按鈕SB1 即可，電動關(guān)閥只需操作按鈕則操作SB2。選用按鈕開關(guān)的優(yōu)點是可以隨時放開按鈕，閥門停止在任意位置，控制不同開度。在液壓桿的最遠端MAX 端和最近端MIN 端設置了行程開關(guān)（Fliudsim 軟件中用標尺來表示），用以控制全開或全關(guān)后，以免過載而導致液壓缸或液壓桿受損。行程開關(guān)分別串聯(lián)在電動開閥和電動關(guān)閥的電路上。為了仿真停電狀態(tài)，在控制電路中設置了按鍵式常閉開關(guān)SB3，當按下時，總電路斷開，液壓回路處于斷電狀態(tài)[5]。

4.1 電動開閥仿真

在正常通電情況下，電磁閥3Y和4Y得電，液壓系統(tǒng)進入待機狀態(tài)，同時儲能器儲能。按下按鈕開關(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，高壓油從進入液壓缸的無桿腔，將液壓缸推出，經(jīng)B口通向T口后返回油箱。仿真圖見圖2。

圖2 電動開閥仿真圖

4.2 電動關(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，高壓油進入有桿腔；A 口與T 口連通，無桿腔的液壓回路與油箱5連通，使液壓桿縮回，實現(xiàn)關(guān)閥功能。仿真圖見圖3。

圖3 電動關(guān)閥仿真圖

4.3 手動開閥仿真

將按鍵式開關(guān)SB3 按下，表示仿真系統(tǒng)無電力輸入，需要手動將液壓桿推出。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儲能器中的手動換向閥也推向右位，使壓力油得到釋放，經(jīng)由件16的A口到P口進入液壓缸的無桿腔，液壓桿被推出，完成手動開閥動作。仿真圖見圖4。

圖4 手動開閥仿真圖

4.4 手動關(guān)閥仿真

在斷電的情況下，儲能器就是壓力源。手動操作件11使其在右位工作，換向閥中的A口與T口連通，無桿腔與油箱連通。手動操作件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能器連通，儲能器中的手動關(guān)閉換向閥處于右位，釋放液壓油，液壓缸中的液壓桿縮回，實現(xiàn)手動關(guān)閉閥門。仿真圖見圖5。

圖5 手動關(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，并通過軟件中的仿真模塊進行仿真分析。仿真結(jié)果顯示所設計的蝶閥液壓控制系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場閥門啟閉的動作要求。雖然防洪排澇泵站抽排控制系統(tǒng)中，都會有備用電源，但在理論上還是存在備用電源失效的可能性，如果不能及時關(guān)閉排水蝶閥，外江側(cè)的浮箱拍門剛好脫落失效，有可能發(fā)生江水倒灌的現(xiàn)象，對江堤沿岸人民群眾的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅。因此，防洪排澇泵站建設一套安全可靠、能臨時獨立于電網(wǎng)運行的液控蝶閥控制系統(tǒng)是很有必要的。