劉同安，張建明

（中國水利水電科學(xué)研究院中水科技公司，北京 100038）

1 概況

傳統(tǒng)水輪機(jī)調(diào)速器液壓控制技術(shù)的基本組合是“四通滑閥”（也稱“主配壓閥”）加雙向可控執(zhí)行器（也稱接力器）。主配壓閥系具有多臺(tái)肩圓柱滑閥閥芯和多沉割槽鑄造或鍛造閥體的配磨對稱結(jié)構(gòu)，為非標(biāo)準(zhǔn)大通徑閥（特殊形式的大流量－機(jī)液操縱比例/伺服閥）。由于采用間隙密封且軸向結(jié)構(gòu)尺寸大，其抗油污能力差、易卡死，換向可靠性受到局限；此外，換向時(shí)間、泄漏量、換向沖擊、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面也有諸多不足。從液壓阻尼控制工程的觀點(diǎn)看，它是一種剛性牽連的“四臂液阻”構(gòu)成一“液壓全橋”，簡單通用、應(yīng)用歷史悠久。它無法進(jìn)行“單臂控制”、“可控性”受到局限，難以實(shí)現(xiàn)多形式、廣范圍和靈活多變的集成化。顯然難以滿足現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)速器對液壓技術(shù)日益增高的要求，為此，我們將現(xiàn)代邏輯插裝技術(shù)引入到水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)中，開發(fā)了插裝閥式調(diào)速器。

2 插裝技術(shù)的特征及組合機(jī)理

插裝閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是其功率級采用插裝式結(jié)構(gòu)，并因此得名。所謂插裝式結(jié)構(gòu)是指由閥芯、閥套及附屬的彈簧、密封件等構(gòu)成組件，安裝時(shí)只需插入集成塊的標(biāo)準(zhǔn)孔內(nèi)，并靠蓋板與集成塊之間的螺釘聯(lián)接而固定。相關(guān)尺寸已按DIN24342標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在的ISO7368、GB/T2877與其等效。插裝技術(shù)的基本特征可歸納為：先導(dǎo)控制、閥座主級、插裝式聯(lián)接。同傳統(tǒng)“四通滑閥”相比，它采用微型結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)控制，可以不受限制地接受各種形式的開關(guān)、模擬和數(shù)字信號控制，并進(jìn)行包括機(jī)械、液壓參量的反饋和比較，在同一主級上復(fù)合壓力、流量及方向諸多功能，并和比例閥、開關(guān)閥兼容，若先導(dǎo)信號是連續(xù)或按比例調(diào)節(jié)，閥座主級就可實(shí)現(xiàn)伺服閥/比例閥的控制功能，具有極佳的“可控性”與靈活性。閥座結(jié)構(gòu)上也克服了傳統(tǒng)滑閥工藝性差及徑向間隙泄漏的缺點(diǎn)，其閥座主級系“線密封”和“零遮蓋”，加之軸向結(jié)構(gòu)尺寸短、閥芯質(zhì)量小，這為提高動(dòng)態(tài)品質(zhì)、實(shí)現(xiàn)多形式、大范圍、靈活多變的集成化提供了可能，這些優(yōu)點(diǎn)對工業(yè)液壓控制的技術(shù)進(jìn)步具有十分重要的意義。

圖1 采用插裝閥控制一個(gè)“受控腔”

圖1是采用插裝閥控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)“受控腔”的結(jié)構(gòu)示意圖，它由控制進(jìn)油液阻的CV1和控制回油液阻的CV2兩個(gè)控制液阻組成一個(gè)“液壓半橋”，這種組合的優(yōu)點(diǎn)之一是能用不同規(guī)格的主級來適應(yīng)不同的進(jìn)、回油流量控制，同時(shí)只要改變微型先導(dǎo)級的組合便能實(shí)現(xiàn)壓力和流量的多種復(fù)合控制功能，大部分的液壓控制系統(tǒng)及回路都可含有若干個(gè)這種組合，這一概念使液壓控制系統(tǒng)的組合機(jī)理發(fā)生了根本變化，對傳統(tǒng)液壓控制技術(shù)的變革起了很大推動(dòng)作用；這種控制優(yōu)點(diǎn)對中大功率的水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)集成與使用十分有利。

3 插裝閥的性能特點(diǎn)

插裝閥從原理上講，可看作是一種“可控液阻”。該液阻通過先導(dǎo)控制可以實(shí)現(xiàn)各種不同的控制功能；同時(shí)由于先導(dǎo)控制具有容易復(fù)合的特點(diǎn)，因此一個(gè)主級單元可以具有多種功能。另外，從控制方式看，插裝閥單元有利于采用邏輯控制、比例控制、數(shù)字控制等各種復(fù)雜的控制形式，這也稱之為“軟控制”。可見，“多功能”、“軟控制”是插裝閥的一個(gè)突出特點(diǎn)。插裝閥所具有的一系列技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，概括如下：

適于高壓、大流量；

適用于各種工作介質(zhì)，包括高水基甚至純水液壓系統(tǒng)；

適于集成化、組合化。插裝閥系統(tǒng)不僅具有一般液壓集成系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有集成塊結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)部流道短、彎曲少、阻力損失小、靈活多變、三化程度高，以及安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)；

可實(shí)現(xiàn)無泄漏控制；

具有大流量、低液阻特性，因而其系統(tǒng)效率高、節(jié)省能量，這也是滑閥系統(tǒng)所無法比擬的；

既具有快速的開啟與關(guān)閉特性，又可容易地對開、關(guān)特性進(jìn)行控制，包括緩沖與減速；

流量控制特性好，在緩沖尾部開有適當(dāng)?shù)目刂拼翱诘牟迦朐?，可以用作具有良好線性和工作頻寬的流量控制元件及流量傳感器；

抗油污能力強(qiáng)、性能可靠、工作壽命長。

4 插裝閥調(diào)速器應(yīng)用中的壓力干擾和壓力沖擊問題

由插裝閥組成水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)與采用主配壓閥等傳統(tǒng)液壓元件組成的水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)的基本原則盡管是一致的，但由于插裝閥本身的多機(jī)能和組合靈活的特點(diǎn)，使設(shè)計(jì)過程較傳統(tǒng)系統(tǒng)要復(fù)雜一些。插裝閥無論從結(jié)構(gòu)原理上還是從控制機(jī)能上來看，與傳統(tǒng)液壓閥相比有很大差別，因此插裝閥液壓系統(tǒng)與現(xiàn)在常用的滑閥系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)形式上顯然是不同的，其設(shè)計(jì)方法也不一樣，它有以下3個(gè)主要特征：

(1)作為系統(tǒng)基本工作單元的插裝閥具有兩個(gè)重要特征：一是組合化，二是多機(jī)能化。它是由主級和先導(dǎo)級兩部分組成，作為直接控制工作液流的主級，它的結(jié)構(gòu)相對簡單，其工作狀態(tài)是受先導(dǎo)級控制的，只需配置不同的先導(dǎo)元件和改變聯(lián)接形式，即可實(shí)現(xiàn)不同的方向、壓力、流量控制功能，應(yīng)用十分靈活方便。所以，系統(tǒng)主級的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡單，變化也不大，而先導(dǎo)級的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)卻是比較復(fù)雜的，變化也大，是插裝技術(shù)的關(guān)鍵所在。

(2)作為系統(tǒng)的基本控制單元是以執(zhí)行元件（接力器）的基本工作單元——單個(gè)工作腔作為控制對象的。一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)可以有多個(gè)執(zhí)行元件、許多復(fù)雜的動(dòng)作和功能要求，但如果從每個(gè)工作腔的工作情況來分析的話，無非是要求控制它的液流方向、壓力和流量這三大參數(shù)。所以，在插裝系統(tǒng)中就以單個(gè)工作腔的復(fù)合控制作為設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)與基本回路的基礎(chǔ)，它具有很強(qiáng)的通用性。一個(gè)完整的插裝系統(tǒng)主要就是由與執(zhí)行元件單個(gè)工作腔數(shù)目相當(dāng)?shù)幕究刂茊卧M合而成。

(3)插裝閥液壓系統(tǒng)總是以插裝式聯(lián)接，以集成化的形式出現(xiàn)，且不受壓力與通徑的限制。

4.1 插裝閥主閥單元的工作特性

插裝閥的原理符號至今還沒有標(biāo)準(zhǔn)化，圖2是方向流量插裝閥插件畫法之一，它形象地表明了插裝元件的結(jié)構(gòu)與工作原理。

一般來說，插裝元件的工作狀態(tài)由作用在閥芯上的合力大小和方向決定的。其受力狀態(tài)的定性分析可參見有關(guān)資料，這里不再引述。

圖2 方向流量插裝閥插件的基本原理符號(帶緩沖尾部)

4.2 主級回路設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)、接力器的形式與容量規(guī)格，以及主機(jī)對調(diào)節(jié)保證、過渡過程的要求，確定主控回路主級插件的數(shù)量、構(gòu)成以及各插裝閥單元的規(guī)格、結(jié)構(gòu)形式、面積比等參數(shù)。

特別需要指出的是，在調(diào)速器中接力器的位置隨動(dòng)控制需要運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、位移誤差小。由于水輪機(jī)調(diào)速器的接力器容積一般較龐大，故主級插件的許用流量與通徑也較大，若采用普通的方向插件，是很難由先導(dǎo)控制油路的調(diào)整來徹底解決運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性與控制精度的。這是因?yàn)槠胀ǚ较虿寮]有緩沖尾部，其啟閉過程的重要特點(diǎn)就是，只要閥芯從閥座上稍一抬起便立刻接通了油路，并且閥口流道的過油面積增加很快，這盡管帶有啟閉過程快、能實(shí)現(xiàn)快速換向的優(yōu)點(diǎn)；但由于這種啟閉方式無法對流量進(jìn)行平滑精密的調(diào)節(jié)，其缺點(diǎn)是換向易過沖、接力器定位不平穩(wěn)、隨動(dòng)精度低。

鑒于此，在設(shè)計(jì)插裝式調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量采用帶有緩沖尾部的方向流量插件，參見圖2其特征是閥芯尾部帶有開三角槽的圓柱形節(jié)流塞，帶節(jié)流塞后，閥芯啟閉分為兩個(gè)階段，在節(jié)流塞未進(jìn)入閥口前為一個(gè)階段，此時(shí)與普通閥芯沒多少差別；在節(jié)流塞進(jìn)入閥口后為另一階段，此時(shí)閥口流道截面的變化變得比較平緩，所以有利于消除啟閉過程的壓力沖擊，也可以實(shí)現(xiàn)小流量范圍內(nèi)比較精細(xì)的流量調(diào)節(jié)。

4.3 先導(dǎo)回路的設(shè)計(jì)

前面已提到，系統(tǒng)主級的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡單，而先導(dǎo)級的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)卻是比較復(fù)雜的，變化也大，是插裝技術(shù)的關(guān)鍵所在。

4.3.1 先導(dǎo)級調(diào)節(jié)元件

根據(jù)插裝閥單元的規(guī)格不同，對先導(dǎo)回路及先導(dǎo)閥的最大通流能力的要求也不盡相同。起調(diào)節(jié)作用的先導(dǎo)閥的選用可以由比例閥、高速開關(guān)閥或其它類型的閥供選擇；不起調(diào)節(jié)作用的輔助性先導(dǎo)閥，如緊急停機(jī)閥，則可直接采用普通用途的標(biāo)準(zhǔn)電磁閥。

參見圖2所示的插件結(jié)構(gòu)原理圖，通過改變K腔的控制壓力，就可以控制主閥的開度；例如，當(dāng)調(diào)節(jié)用的先導(dǎo)閥采用比例溢流閥時(shí)，主閥芯的位移量就與比例溢流閥的驅(qū)動(dòng)電流成正比，某知名液壓元件廠商的插裝式方向流量比例閥產(chǎn)品就是直接采用該方法組合而成。而中國水科院CVT系列調(diào)速器是將高速開關(guān)閥作為先導(dǎo)閥，通過控制高速開關(guān)閥改變控制腔K的壓力，從而實(shí)現(xiàn)對主閥開度的連續(xù)控制。

4.3.2 關(guān)于壓力干擾問題

對插裝系統(tǒng)的壓力干擾問題必須高度重視。由于插裝閥本質(zhì)上是一種壓力控制型元件，所以在用于調(diào)速器液壓控制回路時(shí)必須經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算，清楚了解接力器位置隨動(dòng)控制過程中每個(gè)局部油路的壓力變化情況，以及每個(gè)插裝元件A、B、K口的壓力變化情況、插裝閥的啟閉速度等因素；尤其注意分析接力器換向過程及小波動(dòng)過渡過程中壓力變化的影響。應(yīng)充分重視先導(dǎo)油路中單向閥、梭閥的作用及其功能的巧妙應(yīng)用。如果只是簡單照抄某些應(yīng)用場合不太完整的系統(tǒng)圖，且未作周密細(xì)致的考慮與分析計(jì)算，則在使用中有可能影響到接力器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致局部誤動(dòng)或動(dòng)作失調(diào)。

4.3.3 關(guān)于主級油路壓力沖擊問題

壓力沖擊的直接成因是短時(shí)間內(nèi)流道內(nèi)液流速度或方向的改變，它只與流量變化率或流速變化率（即流量變化的大小與方向、變化時(shí)間）、流道長度與走向、流道材料、油液密度等直接相關(guān)，與其它任何因素均無直接關(guān)系。

對于水輪機(jī)調(diào)速器而言，主油路壓力沖擊由主控閥（主配壓閥或插裝閥）迅速啟閉與主接力器慣性制動(dòng)引起，其實(shí)后者也是受到主控閥啟閉特性影響。也就是說，在管道長度、走向一定的情況下，調(diào)速器管道壓力沖擊直接由主控閥（主配壓閥或插裝閥）開度（或節(jié)流開口）變化的大小與開度變化速度（啟閉規(guī)律）決定。

從流體動(dòng)力控制的角度而言，無論是主配壓閥還是插裝閥，都是利用閥口開度的改變，實(shí)現(xiàn)對接力器的運(yùn)動(dòng)控制，這一點(diǎn)無任何本質(zhì)區(qū)別。只要閥口開度發(fā)生改變，都會(huì)引起壓力沖擊，無論使用主配壓閥還是插裝閥都不例外，凡是流體傳動(dòng)都存在壓力沖擊，世上不存在無任何壓力沖擊的流體傳動(dòng)！但必須對壓力沖擊作出適當(dāng)控制，把它限制在管道、密封件、液壓件所能承受的允許范圍內(nèi)，即工程實(shí)際所允許的范圍內(nèi)。

圖3 主配壓閥、插裝閥開度控制示意圖

從閥芯操縱方式的角度來看，主配壓閥是利用壓力差控制主閥芯的軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而引起閥口開度的改變，插裝閥也是如此；因而不能簡單地認(rèn)為利用插裝閥控制的主油路就一定比主配壓閥的壓力沖擊大。根據(jù)前面的分析可知，如果閥芯的啟閉速度能得到適當(dāng)控制，壓力沖擊也就能控制在適當(dāng)范圍了！閥芯啟閉速度取決于主閥（主配壓閥或插裝閥）的加速度或操縱力（即壓差×有效作用面積）與導(dǎo)閥（如電液轉(zhuǎn)換器、伺服閥、比例閥、高速開關(guān)閥、微電機(jī)帶動(dòng)的引導(dǎo)閥等等）的先導(dǎo)控制流量。所以，如果插裝閥采用帶有緩沖尾部的方向流量插件，且合理設(shè)計(jì)與控制先導(dǎo)油路的控制流量與壓力，以使啟閉速度得到適當(dāng)控制，其壓力沖擊完全可以保證在工程實(shí)際所允許的范圍內(nèi)，且可以做到比主配壓閥的壓力沖擊還要小。

以湖南柘溪水電站為例，自2001年中國水科院的插裝閥調(diào)速器在柘溪水電站2號機(jī)上投運(yùn)，到2007年為止，湖南柘溪水電站6臺(tái)機(jī)組調(diào)速器全部更換為中國水科院的插裝閥調(diào)速器，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果是，油擊引起的管道沖擊震動(dòng)遠(yuǎn)比原傳統(tǒng)調(diào)速器要小得多。

我們投運(yùn)的湖南蟒塘溪水電站也是如此，該電站同期投運(yùn)中國水科院的2臺(tái)插裝閥調(diào)速器和1臺(tái)其它公司的插裝閥調(diào)速器，我們的2臺(tái)插裝閥調(diào)速器一次投運(yùn)成功，無任何管道壓力沖擊，至今運(yùn)行狀況良好，而其另一臺(tái)則不然。

四川雅安川王宮水電站以前采用的是四川某一家公司生產(chǎn)的插裝閥調(diào)速器，運(yùn)行后壓力沖擊嚴(yán)重，調(diào)速器不能穩(wěn)定運(yùn)行，2010年5月更換為中國水科院的插裝閥調(diào)速器，一次投運(yùn)成功，無任何管道壓力沖擊，運(yùn)行狀況良好。

通過上述幾個(gè)實(shí)例再次證明了如果插裝閥采用帶有緩沖尾部的方向流量插件，且合理設(shè)計(jì)與控制先導(dǎo)油路的控制流量與壓力，以使啟閉速度得到適當(dāng)控制，其壓力沖擊完全可以保證在工程實(shí)際所允許的范圍內(nèi)，且可以做到比主配壓閥的壓力沖擊還要小。

5 結(jié)語

迄今為止，中國水科院的CVT系列插裝閥式調(diào)速器在國內(nèi)外100多個(gè)電站200多臺(tái)機(jī)組上得到成功應(yīng)用，產(chǎn)品系列已涵蓋了混流、軸流、沖擊、貫流等機(jī)型，插裝閥調(diào)速器“壓力沖擊”這樣的在某些單位調(diào)速器產(chǎn)品開發(fā)中沒有有效解決的問題，對我們來說已是“不是問題的問題”。

[1]張建明，等.插裝式液壓技術(shù)在水輪機(jī)調(diào)速器開發(fā)中的應(yīng)用[C].2009年中國水電站控制設(shè)備學(xué)術(shù)交流會(huì)議論文.