蔣德成， 王小慧

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

帶下壓力液壓啟閉機(jī)防閘門回彈設(shè)計(jì)

蔣德成， 王小慧

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

本文針對(duì)不同工程帶下壓力液壓啟閉機(jī)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(bǔ)油兩種方案，論述了兩種方案的適用條件和關(guān)鍵液壓元件的選型。該研究成果可供類似工程設(shè)計(jì)參考。

液壓啟閉機(jī)；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(jī)大多數(shù)為雙作用油缸，即：靠閘門自重?zé)o法閉門，需要油缸提供下壓力以克服側(cè)水封摩阻力和底止水的彈性反力實(shí)現(xiàn)閉門；當(dāng)下壓力撤銷后，閘門會(huì)受到側(cè)止水剪切反作用力和底止水的彈性反力，產(chǎn)生上浮現(xiàn)象使底止水壓實(shí)不嚴(yán)，此時(shí)底止水將出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，由于深孔閘門擋水水頭高，會(huì)引起底止水高速縫隙射流，進(jìn)而引起閘門振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能破壞閘門。因此，帶下壓力液壓啟閉機(jī)有必要設(shè)計(jì)防回彈功能。

1 閘門回彈原理分析

弧形閘門閉門力的計(jì)算：

式中r0、r1、r2、r3——分別為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸摩阻力、側(cè)止水摩阻力、閘門自重和上托力對(duì)弧形閘門轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力臂；

R1——下壓力對(duì)弧形閘門轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力臂；

Tzd、Tzs——分別為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸摩阻力和側(cè)止水摩阻力；

nT、nG——分別為摩擦阻力安全系數(shù)和閘門自重修正系數(shù)；

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(yīng)力大于門前最大水壓的1.2倍。一般閉門力計(jì)算思路認(rèn)為，除閘門上托力外，閘門停止運(yùn)動(dòng)后其余各項(xiàng)摩擦阻力均消失。實(shí)際情況則是閘門運(yùn)動(dòng)停止，但各構(gòu)件克服摩擦阻力時(shí)產(chǎn)生的變形依然存在，構(gòu)件將通過自身恢復(fù)變形產(chǎn)生回彈。閘門關(guān)閉至底檻后，啟閉機(jī)下壓力逐漸減小，在頂水封和面板上托力、側(cè)止水剪切回彈力、底止水壓縮反力、閘門轉(zhuǎn)動(dòng)鉸形變回彈力等回彈趨勢(shì)的轉(zhuǎn)矩作用下，閘門將會(huì)向能量趨勢(shì)最小位上浮回彈，造成底止水與底檻壓應(yīng)力減小而使閘門漏水，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成閘門劇烈振動(dòng)而失事。閘門回彈原理見圖1。

圖1 閘門回彈原理

1.1 側(cè)止水剪切回彈力傳遞分析

由于側(cè)止水與側(cè)止水座板設(shè)計(jì)有預(yù)壓力，當(dāng)啟閉機(jī)帶動(dòng)閘門閉門時(shí)就產(chǎn)生了側(cè)止水滑動(dòng)摩阻力，該摩阻力與運(yùn)動(dòng)方向相反，閉門時(shí)向上，啟門時(shí)向下。側(cè)止水座板(埋件)與側(cè)止水之間的摩阻力通過閘門門葉傳遞至啟閉機(jī)。其中閘門剛度較大，摩阻力引起變形非常微小，但側(cè)止水剪切剛度較小，引起變形就比較大。側(cè)止水受力見圖2、3。

圖2 側(cè)止水布置示意

圖3 側(cè)止水受力示意

設(shè)側(cè)止水型號(hào)為P60B，單邊壓縮量為4 mm，每米壓力為56.7 kN，取摩阻系數(shù)為0.2，則每米水封承受摩阻力為11.3 kN。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第11篇159頁矩形橡膠剪切計(jì)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(cè)止水變形量為：

根據(jù)以上計(jì)算，側(cè)止水的剪切回彈力在閘門上浮8.2 mm時(shí)，逐漸減小至零。反過來講，弧形閘門從鎖定狀態(tài)啟動(dòng)啟閉機(jī)進(jìn)行關(guān)閉時(shí)，需要下行8.2 mm后側(cè)止水才會(huì)與水封座板產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。側(cè)止水摩阻力矩一般占弧形閘門總阻力矩20%～30%，相對(duì)加載行程也比較大，其回彈作用對(duì)底水封與底檻壓應(yīng)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(cè)止水反力傳遞過程略有不同，正常情況下閘門門葉通過側(cè)止水與門槽側(cè)止水座板接觸定位，而側(cè)輪與側(cè)軌是設(shè)有間隙，只有閘門受較大偏心外載時(shí)，側(cè)輪才會(huì)接觸側(cè)軌，因此側(cè)止水承受的剪切力僅與預(yù)壓縮力有關(guān)。底止水壓縮量則是按作用于底檻埋件上壓應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)的，當(dāng)?shù)字顾畨嚎s到位后，底止水與底檻壓應(yīng)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(diào)整來平衡。當(dāng)閘門面板底緣與底檻之間調(diào)整至零后，底止水壓縮力才會(huì)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(shè)計(jì)為5 mm，即底水封加載位移量為5 mm。

1.3 閘門轉(zhuǎn)動(dòng)鉸回彈力傳遞分析

閘門轉(zhuǎn)動(dòng)鉸摩阻力傳遞過程為固定支鉸、支鉸軸、活動(dòng)鉸鏈，最后通過閘門門葉傳遞至啟閉機(jī)。固定支鉸、活動(dòng)鉸鏈及閘門門葉均是剛度非常大的構(gòu)件，支鉸軸則是通過扭轉(zhuǎn)剪切傳遞摩擦阻力，而且支鉸軸位于整個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中心，相對(duì)底止水變形存在非常大的放大作用。

以某工程實(shí)例計(jì)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(dòng)軸承外徑D1=630 mm，球迷滑動(dòng)軸承摩擦系數(shù)為f=0.13,鋼材扭轉(zhuǎn)剪切模量G=76 000 MPa。

則閘門轉(zhuǎn)動(dòng)鉸摩阻力矩為：

M=PfD1/2=104 247 750 N·mm；

支鉸軸扭轉(zhuǎn)變形為：

換算底水封處位移量為1.4 mm。

經(jīng)過多個(gè)深孔閘門實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，支鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)摩阻力加載變形引起的底止水位移量為1～3 mm。支鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)較小，其回彈作用對(duì)底水封與底檻壓應(yīng)力影響也較小。

2 帶下壓力液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閘門下壓閉門時(shí)，帶下壓力液壓啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)常采用主換向閥換向后壓力油直接供油至無桿腔，同時(shí)打開有桿腔出口液控單向閥或平衡閥。當(dāng)閘門關(guān)閉到位后，主換向閥切換至中位，而主換向閥均設(shè)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(cè)止水、支鉸軸摩阻力占比較小，撤消下壓力后閘門浮動(dòng)不明顯；相反的，對(duì)于高水頭小孔口深孔弧形閘門，由于自重較小，國內(nèi)已有多個(gè)工程出現(xiàn)閘門上浮漏水嚴(yán)重的事故。這類工程大多數(shù)同時(shí)通過門葉加重和啟閉機(jī)啟門力擴(kuò)容來解決。門葉加重和啟閉機(jī)啟門力擴(kuò)容直接增加啟門力，油缸和活塞桿安全系數(shù)將減??；同時(shí)還增加了啟閉機(jī)基礎(chǔ)荷載，對(duì)承載的混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)也會(huì)降低。常規(guī)帶下壓力液壓啟閉機(jī)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(guī)帶下壓力液壓啟閉機(jī)液壓原理

3 無桿腔單向液壓鎖防閘門回彈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上文中分析無桿腔泄壓主要原因?yàn)橹鲹Q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(shè)中位回油功能的分析：弧形閘門大多數(shù)要求可以進(jìn)行局部開啟，當(dāng)閘門局開停留在某個(gè)開度時(shí)，會(huì)因?yàn)橐簤簡㈤]機(jī)的內(nèi)、外泄漏產(chǎn)生下滑，油缸下滑后活塞桿外伸，無桿腔體積增加需要補(bǔ)充液壓油，中位回油功能就可以從油箱中適當(dāng)補(bǔ)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(chǎn)生真空，輕則油液大量析出氣泡，引起油缸運(yùn)行出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，重則連接液壓油缸的油管會(huì)因外壓失穩(wěn)破壞。況且換向閥一般是滑閥結(jié)構(gòu)，滑閥受內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，內(nèi)泄漏相對(duì)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(dá)到防回彈的作用，相反會(huì)出現(xiàn)很多引起危險(xiǎn)事故的風(fēng)險(xiǎn)。

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(jìn)入無桿腔。在無桿腔設(shè)置單向液壓鎖可以解決這一問題：閘門閉門時(shí)，液壓油順利通過單向液壓鎖，而閘門上浮回彈時(shí)，液壓鎖將無桿腔液壓油鎖在腔內(nèi)；閘門啟門時(shí)，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(shí)，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(shí)間內(nèi)保持閘門不上浮。

以某工程實(shí)例計(jì)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(shù)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(dāng)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(chǎn)品泄漏情況估算，允許壓力降低0.5 MPa(即泄漏量達(dá)到1.3 L)，保持閘門不回彈的時(shí)間至少在數(shù)十小時(shí)內(nèi)。對(duì)于容量較小的液壓啟閉機(jī)可以設(shè)定電氣控制程序，根據(jù)壓力變化情況適時(shí)啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行無桿腔補(bǔ)油補(bǔ)壓。無桿腔單向液壓鎖防回彈系統(tǒng)液壓原理見圖7。

圖7 無桿腔單向液壓鎖防回彈系統(tǒng)液壓原理

4 蓄能器補(bǔ)油防閘門回彈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和運(yùn)行方式

對(duì)于需要更長時(shí)間保持閘門不回彈的系統(tǒng)，則需要增加蓄能器對(duì)無桿腔進(jìn)行補(bǔ)油。在閘門啟閉過程中，蓄能器通過電磁球閥隔離系統(tǒng)。當(dāng)閘門閉門到位后，系統(tǒng)停機(jī)，蓄能器電磁球閥打開，壓力油自動(dòng)進(jìn)入無桿腔內(nèi)保壓，以防止因液壓系統(tǒng)的各種泄漏引起的閘門回彈漏水。當(dāng)蓄能器的壓力降至低于無桿腔閉門壓力0.5 MPa時(shí)，壓力繼電器發(fā)出信號(hào)，系統(tǒng)對(duì)蓄能器進(jìn)行補(bǔ)油；系統(tǒng)壓力上升至高于無桿腔閉門壓力0.5 MPa時(shí)，壓力繼電器發(fā)出信號(hào)，系統(tǒng)停止補(bǔ)油。由于蓄能器用油量較小，為了減小大功率油泵電機(jī)頻繁啟動(dòng)對(duì)供電系統(tǒng)的沖擊，可專門設(shè)置一臺(tái)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(cè)線圈通電后變?yōu)殚_啟狀態(tài)；其余運(yùn)行工況或者壓力小于規(guī)定值時(shí)，電磁球閥左側(cè)線圈通電后變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。

4.2 蓄能器容積計(jì)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(tǒng)最低工作壓力P1下，氣囊不能與內(nèi)壁完全接觸；而在系統(tǒng)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(shí)例計(jì)算：充氣壓力P0=3.0 MPa，選取P1=3.5 MPa，P2=4.5 MPa。補(bǔ)油量按油缸退回10 mm時(shí)等效泄漏量3.2 L計(jì)算。

本補(bǔ)油系統(tǒng)過程非常緩慢，視為等溫過程。即有：P0V0=P1V1=P2V2，V0為蓄能器總?cè)莘e，V1為最低壓力時(shí)體積，V2為最高壓力時(shí)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(jīng)計(jì)算蓄能器總?cè)莘eV0=16.8L，可以選用額定壓力6.3 MPa，總?cè)莘e20 L的蓄能器。蓄能器補(bǔ)油防回彈系統(tǒng)液壓原理見圖8。

圖8 蓄能器補(bǔ)油防回彈系統(tǒng)液壓原理

5 結(jié) 語

隨著高壩大庫不斷的新建，深孔弧形閘門的應(yīng)用越來越多，部分靠液壓啟閉機(jī)下壓閉門的深孔弧形閘門出現(xiàn)閘門上浮現(xiàn)象，給工程安全運(yùn)行帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)不同工程閘門的防回彈需求，采用無桿腔增加單向液壓鎖和無桿腔蓄能器補(bǔ)油兩種方案，能解決深孔弧形閘門因上浮造成的漏水、振動(dòng)等問題。

[1] 水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)-金屬結(jié)構(gòu)[S]. 水利電力出版社，1988.

[2] DL/T 5167-2003 水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2003.

[3] 張利平. 液壓氣動(dòng)技術(shù)速查手冊(cè)[S].2002.

[4] 成大先. 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版[S].化工工業(yè)出版社，2006.

2017- 01- 15

蔣德成(1979-)，男，四川廣安人，工程碩士，高級(jí)工程師，從事水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、送電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

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