启闭机采用电液比例同步控制液压系统的设计应用.pdf

Hy d r a ul i c s Pn e u ma t i c s S e a l s ／No ． 4． 2 01 0 启闭机采用电液比例同步控制液压系统的设计应用 葛玉麟 武汉力地液压设备有限公司，湖北武汉4 3 0 0 4 0 摘要液压传动广泛用于水电启闭机上，在一字门启闭过程中，对两台液压缸的同步要求比较高，根据其总体布局和工况要求 进行了分析，采用电液比例同步控制液压系统， 经设计计算， 并通过实际使用， 其速度同步误差在3 m m左右。 关键词一字门液压启闭机；电液比例同步控制；液压系统设计 中图分类号T P 2 7 文献标码B 文章编号1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 0 4 0 0 1 3 0 3 De s i g n a n d Ap p l i c a t i o n o f Hy d r a u l i c Ho i s t Us i n g E l e c t r o Hy d r a u l i c Pr o p o r t i o n a l t o S y n c h r o n i z e d Co r ／ t r o 1 Hy d r a u l i c S y s t e m ∞， Z n Wu h a n L i d i H y d r a u l i c E q u i p m e n t C o ， L t d ，Wu h a n H u b e i p r o v i n c e 4 3 0 0 4 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c t r a n s mi s s i o n a r e w i d e l y u s e d i n w a t e r p o w e r h o i s t ， i n t h e g a t e o p e n n e d a n d c l o s e d p r o c e s s ， S y n c h r o n i z e d r e q u i r e me n t o f t w o h y d r a u l i c c y l i n d e r s a r e r e l a t i v e l y h i g h，a c c o r d i n g t o a n a l y s i s o f i t s o v e r a l l l a y o u t a n d w o r k i n g c o n d i t i o n r e q u i r e me n t s ，u s i n g e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l t o s y n c h r o n i z e d c o n t r o l h y d r a u l i c s y s t e m，b y d e s i g n c alc u l a t i o n， a n d t h r o u g h a c t u a l u s e ， t h e s p e e d o f s y n c h r o n o u s e r r o r i s a b o u t 3 mm． Ke y W o r d s t h e w o r d g a t e h y d r a u l i c h o i s t ；e l e c t r oh y d r a u l i c p r o p o rt i o n a l s y n c h r o n i z e d c o n t r o l ；h y d r a u l i c s y s t e m d e s i g n 0 引言 液压启闭机的同步控制对水电站 、防洪大坝，所 用的 “ 一字门” 、“ 人字门” 、“ 平板门”等，它们在 开启与关闭的过程中，要求两液压缸的速度同步，以 往多采用普通流量阀和纠偏控制回路来实现， 其同步 精度较低。普通流量阀分两种 即节流阀和调速阀 ． 前者同步误差 1 0 ％，后者 5 ％，纠偏误差滞后 ，启闭 门易产生抖动，有时因偏载过大而卡住闸门，因此， 提高液压启闭机闸门的稳定性、可靠性，采用比例流 量控制两液压缸的速度同步控制回路可以克服以往存 在的问题。 l 系统方案的确定 本液压启闭机的闸门在大坝的低孔处， 俗称底 L I 3 。 主要用于泄洪和冲沙。深孔双工作闸门 2 x 6 3 0 k N液压启 闭机共 8孔，工作闸门为 8扇，共有 l 6套 Q P P Y I I 一 2 X 6 3 0 1 3 ． 1 液压启闭机，分别启闭8孔深孔工作闸门， 启门 负载6 3 0 k N ， 启门速度0 ． 5 0 ． 8 m ／ m i n ， 两液压缸速 度同步误差小于 l O m m 。仅举一孔闸门液压控制系统来阐 述，其他7 孔闸门的控制系统相同。 收稿 日期 2 0 0 9 -．0 9 -0 1 作者简介 葛玉麟 1 9 4 6 一 ， 男， 湖北汉川人， 高级工程师， 长期从事液压 系统设计及产品开发。 2 拟定比例液压缸的主要结构和技术参数 比例液压缸 ，是采用内置式 “ 磁致伸缩位移传感 器” ，俗称开度仪。钢缆安装在液压缸内的活塞端部， 当活塞在运动过程中，它是由两个不同磁场相交产生 一 个应变脉冲信号， 通过电控系统计算这个信号被探 测到的所需时间，从而换算出准确的位移。 2 ． 1 主要结构 比例液压缸是由双作用单活塞杆加位移传感器组 成。采用头部法兰和活塞杆端带关节轴承耳环安装连 接方式，以便分单吊点和双吊点与闸门相连。 2 ． 2 主要技术参数 按照 水利 水 电工程 启 闭机 设计 规 范 D L ／ T 5 1 6 72 0 0 2相 关标 准，底孔 门液压 缸 缸径 D 2 5 0 m m，杆径 d1 4 0 ra m，行程 S 1 3 1 0 0 m m，单液压 缸有杆腔输出负载 F 。 启门力6 3 0 k N，两液压缸有 杆腔运行速度 t ， 0 ． 5～ 0 ． 8 m ／ m i n ，两液压缸无杆腔靠 闸f - j 自重下行 闭门 ，两液压缸在启门和闭门运行 中，速度同步误差应小于 1 0 m m。 2 ． 2 ． 1 计算比例液压缸有杆腔工作压力 通常启闭机的液压缸在启门 即闸门开启过程 中， 有杆腔的工作压力作为主要参数来确定输出负 载，即 p 1 8 ． 7 M Pd E 2 5 1 4 一竹 D 一 一 1 T 一 ～ 1 取有杆腔的工作压力P为 1 9 MP a 。 1 3 液压 气动 与 密封／ 2 0 1 0年 第 4期 2 ． 2 ． 2 计算两台比例液压缸有杆腔的启门流量Q 。 一 般一扇底孔门由两台液压缸速度同步开启和关 闭。这里按两台液压缸 的启 门速度来计算，取 0 ． 5 m ／ m i n ，设有杆腔的面积 A ， 即 孚 D 一 d 3 3 7 c m 叶 2 A 2 6 7 4 c m 2 ， ，4 - 6 6 ． 7 L ／ ra i n 2 当需要多扇闸门同时开启时，则按 Q 。 取。 3 拟定液压系统原理图 液压系统原理 图主要 由三大部分组成 动力控 制、阀组控制和执行控制。 3 ． 1 动力控制 动力控制 如图 1 所示是由两组油泵电机组组 成， 一组工作，一组备用。其压力控制是由阀组 1 2 的一台常开电磁溢流阀来设定系统最大启门工作压 力。溢流阀的溢流 T口与回油阀组 2 l 相连，为液压 缸无杆腔提供闭门和检修闸门时的流量。 图 1 3 ． 2 阀组控制 阀组控制 如图2所示是由电液换向阀、压力 阀、两组整流板 桥式回路 、普通调速阀和比例调 速阀组成。左右整流板的出口分别接左右比例液压缸 的有杆腔 闸门开启 ，由电液比例调速阀 右速 度跟踪左边比例液压缸的速度， 从而实现两比例液压 缸位置同步．。压力阀是用来控制缸上平衡阀组的液控 单向的开启压力， 在闸门关闭过程中， 使两比例液压 缸的有杆腔油液经左右整流板同步后流回油箱。 3 ． 3 执行控制 ． 执行控制 如图3 所示是由两台比例液压缸和 两组缸上平衡阀组 2 0 组成。比例液压缸的活塞杆端 吊头与闸门相连，同步开启与关闭闸门。缸上平衡阀 组由 液控单向阀和溢流阀组成，液控单向阀可使闸门 1 4 ． 2 - 3 4 ／ M3 32 4 2 ／ M 2 2 2 2X 1 ．5 2 在任意位置停止，溢流阀在这里有两个作用，一是当 启门压力大于设定压力时它就溢流；二是在无电源或 检修闸门时，可将其手动调节至有杆腔的油液流回油 箱， 在闸门自 重力的作用下使闸门关闭或在任意位置 停 I 匕 。 图 3 启 门 闭门 4 主要元件的计算 4 ． 1液压泵的实际工作压力 由于底孑 L 门共有 8扇，主管路大约 4 0 0 m长，支 管直角接点较多，沿程压力损失 △ p 。 ，局部压力损失 △ p 和阀类元件局部压力损失 △ p ， 的总和应加上启门 压力，即 P 。 p∑△ p 3 式中 p 已选定为1 9 M P a ； ∑△ p 油路压力损失总和。 4 ． 1 ． 1沿程压力损失 卸 △ p 。 A 寺 4 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ． 4 ． 2 0 1 0 式中 f 管路长度，取4 0 0 m； d 管路内径，取 0 ． 0 4 m； u 液流平均速度，取 3 m ／ s ； p 液压油密度， 取9 0 0 k g ／ m ； A 沿程阻力系数，经查表后计算为0 ． 0 4 6 。 △ p 6 9丁 0 0 X 3 2 1 8 ． 6 3 x 1 0 5 P a 4 ． 1 ． 2 管路局部压力损失 △ p 有3 处。一是管道缩 小处二是两处弯头，弯头共 l 8 个 ，查表分别是 0 ． 4和 1 ． 1 2则 卸 z A 寺 ∑ 5 式中 局部阻尼系数 △ p 0 ． 0 4 6 2 0 - 4 1 8 1 ． 1 2 9丁 0 0 x 3 2 0 ． 8 9 X 1 0 P a 4 ． 1 ． 3 阀类局部压力损失 却。 仃 2 △ p ， △ p 6 式中△ p 阀的额定压力损失 P a ，在产品样本上 查得其为71 0 P a ； g 通过阀的实际流量，单位为 m ／ s ； g 阀的额定流量，单位为 m ／ s 。 A p 3 7 l 0 2 8 0 P a 将以上三种压力损失带人 3 式 ，则 P 2 3 7 ． 5 2 X 1 0 ’ P a 2 3 ． 7 5 MP a 4 ． 2 确定液压泵的流量 Q 。 八扇底 F L f l 的双液压缸一般分别工作 ，有时四扇 底孔门八台液压缸同时工作，按／ 台液压缸总的工作 流量来选，即 Q 。 即 7 式中．]} 溢流阀溢流量系数 ，取 1 ． 2 5 ； Q 一液压执行元件同时工作总流量 ，单位 为 L 。 由2式可知 Q 。 I ． 2 5 3 3 ． 3 5 X 8 3 3 3 ． 5 L ／ m i n 4 ． 3 确定液压泵的电动机功率Ⅳ 为了满足单扇底孔门和四扇底孔门的工况要求， 油泵电动机分为四组， 可分别工作和同时工作，亦可 互为备用。取液压泵的排量为 6 3 m L ／ r 的手动变量四 台，按一台确定电动机功率， v ， 取电动机为4 级，即 8 式中 p 实 际 工 作 压 力，由式 3 可 知 为 2 3 ． 7 5 M P a ； 田 泵的总效率，取8 5 ％； 口 泵的排量为6 3 m L ／ r 。 带入 8 式 N 4 2 ． 5 k W 取电动机功率4 5 k W即可。 配置四台液压泵电动机组 ，可实现单扇底孔门和 四扇底孔门的启门负载、 速度要求。 4 ． 4 确定油箱容量 油箱的有效容量 ，应按底孔闸门液压缸无杆腔的 容积多少来定。本底孔门共有八扇 l 6台液压缸，当 闸门全开时，液压缸无杆腔的液压油一部份流人油 箱，另一部分进入液压缸的有杆腔，还应考虑泵的吸 油高度，通常取 3 0 ％，即 ≥ 孚 D 一 d 1 ． 3 n S 1 0 9 叶 式中n 液压缸数量 ； ．S 液压缸有效行程，单位为 c m 。 由前述2 ． 2主要技术参数可知，油箱有效容积带 入 9 式 ，则 孚 2 5 一 1 4 x 1 3 1 0 1 6 1 0 ～ 9 1 8 1 L 取油箱容量为 1 0 0 0 0 L ，可满足四扇底孔门 l 6台 液压缸的启闭正常运行。 5 结束语 该液压系统经出厂试验和现场安装调试，完全达 到设计要求 ．采用电液 比例控制双液压缸和电脑建模 P L C控制的液压回路， 其速度同步精度均小于 3 m m， 大大提高了闸门的稳定性和液压控制系统的可靠性。 参考文献 [ 1 ] 雷天觉． 新编液压工程手册[ M] ． 北京 北京理工大学出版 社 ， 1 9 9 9 ． ． [ 2 ] 何存兴． 液压元件[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 2 ． [ 3 ] 徐灏． 机械设计手册[ M ] 北京 机械工业出版社， 1 9 8 8 ． [ 4 ] 官忠范． 液压传动系统[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 7 ． [ 5 ] 杨文华， 液控原理[ M] ． 北京 学术书刊出版社， 1 9 9 0 ． [ 6 ] 谢建， 等。 基于电液比 例溢流阀的模拟加载系统研究[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 9 1 ． [ 7 ] 孙衍石， 等． 电液伺服 比例阀控缸位置控制系统 _ A M E S i m ／ M a t l a b 联合仿真研究[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 9 4 ． 1 5