三峡升船机液压控制系统在船厢升降过程中的安全可靠性设计.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． O 9 ． 2 0 1 6 d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ． 0 9 ． 0 0 9 三峡升船机液压控制系统在船厢升降过程中的 安全可靠性设计 段惠玲 太重集 团榆次液压工业有 限公司， 山西 榆次 0 3 0 6 0 0 摘要 该文重点阐述船厢升降过程中驱动机构液气弹簧设备及船厢横导向装置设备的液压控制系统的安全可靠性设计。 关键词 船厢升降； 液压控制系统； 安全可靠； 设计 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 9 - 0 0 2 9 0 3 S a f e t y a n d R e l i a b i l i ty De s i g n o f T h r e e G o r g e s S h i p L i f t Hy d r a u l i c C o n t r o l S y s t e m i n t h e P r o c e s s o f Ch a mb e r Ra i s i n g an d L o we r i n g DU ANHu i l i n g T a i y u a n He a v y Ma c h i n e r y Gr o u p Y u c i Hy d r a u l i c I n d u s t r y C o ． ， L t d ． ， Y u c i 0 3 0 6 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t T h i s p a p e r ma i n l y e l a b o r a t e s t h e s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y d e s i g n o f h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f t h e l i q u i d g a s s p r i n g e q u i p me n t i n d r i v i n g me c h a n i s m a n d h o r i z o n t a l g u i d i n g e q u i p me n t i n t h e p r o c e s s o f s p c h a mb e r r ms ing a n d l o we r i n g ． Ke y w o r d s s h i p c h am b e r r a i s ing and l o w e r i n g ； h y dra u l i c c o n t r o l s y s t e m； s a f e ty and r e l i a b i l i t y ； d e s i gn 1 概述 三峡升船机为齿轮齿条爬升式全平衡垂直提升式 升船机， 提升高度达 1 1 3 m， 提升重量达1 6 0 0 0 t ， 升船机 过船规模为3 0 0 0 t 级， 是 目前世界上技术难度和规模最 大的升船机。 三峡升船机项 目 是三峡工程的关键性工 程之一， 也是三峡工程重大技术攻关项 目 之一。三峡升 船机主要是为客轮提供通道 ， 运载对象的特殊性使得 安全可靠性的标准高于一般升船机， 在设计、 制造、 安 装、 运行等建设全过程充满了探索性和挑战性。确保 升船机的安全可靠运行是三峡升船机液压控制系统设 计制造首要考虑因素。 三峡升船机是为客轮和特种船舶设计的快速过坝 通道。相当于船舶乘坐电梯一次过坝 ， 设计时间为 4 0 m i n ， 大大缩短了客轮过闸时间， 提高了枢纽通航能 力， 对促进长江航运发展将发挥重要作用。 液压传动控制有其独特的优越性 重量轻、 体积 小、 运动惯性小、 可实现频繁迅速换向、 操纵控制方便， 可实现无级大范围调速、 传动工作平稳、 容易实现缓冲 吸震、 自动实现过载保护且布局灵活， 易于自动化控制 并可按设定速度曲线运行以获得各种优化的动力传动 特性。鉴于此， 液压控制系统广泛应用在三峡水利枢 纽工程中。 收稿 日期 2 0 1 6 0 6 1 6 作者简介 段惠玲 1 9 6 7 一 ， 女， 山西榆次人 ， 工程师， 学士， 从事液压元 件、 液压系统及设备的设计开发工作。 2 船厢升降过程中液压控制系统的安 全可靠性设计 三峡升船机液压系统设备贯穿于船舶过坝的整个 过程。包括船厢升降过程的驱动机构液气弹簧设备、 船厢横导向装置设备 ； 闸首与船厢对接时的间隙密封 机构、 对接锁定机构、 纵向顶紧装置； 船舶进出船厢时 的防撞装置及船厢门启闭控制； 上、 下闸首工作门及活 动公路桥的启闭及锁定等等。本文重点阐述船厢升降 过程中驱动机构液气弹簧设备及船厢横导向装置设备 的液压控制系统的安全可靠性设计。 2 ． 1驱动机构液气弹簧设备的液压控制系统安全可靠 性设计 驱动机构采用齿轮齿条爬升形式， 4 套驱动机构对 称分布在承船厢两侧， 通过机械轴联结， 形成机械同步 系统。齿轮与固定在塔柱上的齿条相啮合 ， 通过小齿 轮沿齿条的运转 ， 实现船厢升降。事故状态下， 船厢的 全平衡状态被破坏 ， 驱动机构小齿轮过载， 监测和控制 系统发出停机信号使驱动机构停止运行； 载荷继续增 大时， 液气弹簧产生竖向位移， 使船厢与小齿轮之间的 相对位置改变， 直至船厢被安全机构锁定。 液气弹簧机构是船厢驱动系统中驱动机构的小齿 轮托架系统组成部分， 小齿轮托架系统是船厢驱动小 齿轮的支承系统， 具有传递小齿轮载荷、 适应塔柱和船 厢变形从而保持小齿轮与齿条精确啮合、 限制小齿轮 载荷等功能。 2 9 液 压 气 鼋 与 疆p 封 ／ 20 1 6年 第 09期 液气弹簧缸作为液气弹簧机构的组成部分为双活 塞油缸 ， 油缸两有杆腔与补油箱 1 连接， 无杆腔通过控 制阀件与蓄能器 2 相连， 油缸无杆腔由蓄能器 2 保压。 液压系统向液气弹簧缸无杆腔和蓄能器2 充液压油到 设定压力 液气弹簧预张力 ， 以限制小齿轮过载。在 船厢升降期间， 油缸无杆腔压力降低到一定值时， 启动 系统给液气弹簧缸补压， 直至设定压力。在承船厢正 常运行过程中， 液压缸的作用力小于预张力 ， 缸体与活 塞杆之间不会产生相对竖直位移。在事故状态下如果 小齿轮过载增大液气弹簧载荷超过了预张力时， 缸体 与活塞杆之间产生相对竖直位移， 弹簧缸活塞杆将缩 回， 无杆腔油液受压进入蓄能器2 内对气体压缩蓄能。 安全溢流阀3 用于安全保护、 防止过载； 设置了防破裂 保护阀4 ， 用于在高压软管万一爆破时封闭液气弹簧缸 无杆腔 ， 保持承船厢继续安全可靠运行。 驱动机构停止运转后， 需要将小齿轮卸载。这时 相应电磁铁Y V 得电， 液气弹簧缸无杆腔缓慢泄载 ， 泄 载压力 由压力阀 5 控制 ， 以防无杆腔油液全部 回流 ， 提 高液气弹簧工作效率及安全可靠性。 驱动机构液气弹簧设备液压控制示意图如图 1 所示。 图1驱动机构液气弹簧设备液压控制示意图 2 ．2船厢横导向装置设备的液压控制系统安全可靠性 设计 船厢横 向导向装置由横导向机构及补偿系统组 成。用于对船厢进行横向引导， 使两侧齿条始终相对 于船厢中心线对称 ， 并将船厢上的横向载荷传递给塔 柱。横导 向机构在船厢两侧对称布置并以齿条作导 轨， 由双活塞杆导向油缸及导向架等组成。补偿系统 与导向油缸连接， 用于补偿液压系统的泄漏和温变产 生的体积变化。导向架通过导向轮约束在横向导轨的 前后导轨面， 并通过导向油缸与船厢连接。在船厢运 3 0 行时导向架随船厢沿着齿条导轨运行 。在地震工况 下 ， 导向轮弹簧压缩 ， 压条与导轨的间隙消失， 横向导 向装置处于工作状态。 船厢横导向装置液压系统控制回路的主要功能是 更换和补充导向油缸 内的液压油、 控制导向油缸活塞 的位置、 调整补偿油缸内的压力。两只导向油缸2 ． 和 补偿油缸 1 的管路交叉连接 ， 形成两个封闭油腔， 其油 腔相互分离。在导向油缸2 ． 上设有防破裂保护阀3 ． ， 用于在高压软管万一爆破时关闭油缸回路， 保持承船 厢继续安全运行。 横导向装置的两个驱动油缸的缸筒和船厢相连 ， 油缸活塞杆与横导向轨道相连。当船厢偏移时， 引起 缸筒偏移 ， 使得导向缸 P a 或P b 油路压力升高， 另一 油路压力降低。地震工况下 ， 当船厢偏移引起 P a 或 P b 油路增加到一定压力时， 补偿油缸将回缩 ， 保持承 船厢继续安全可靠运行。 正常工作时， 横导向补偿油缸在 Y之间位置 ， 导 向缸在 x之间位置， 一旦出现偏差， 系统将会 自动纠 偏。如果缸筒向左 右 移超过x， 或补偿缸缩进 伸出 超过Y 后 ， 液压系统将启动调整 ， 直到油缸活塞位置返 回到其初始位置。蓄能器4 使补偿油缸无杆腔保持一 定的预压力。压力传感器S P 3 监测补偿油缸无杆腔压 力并兼 P c 管路压力控制发讯功能 ， 进而采取相应措 施。压力传感器S P 2 监测两只导向油缸封闭油腔P b 管 路的压力并兼 P b 管路压力控制发讯功能， 进而采取相 应措施。压力传感器* S P 4 监钡 4 两只导向油缸封闭油腔 P a 管路的压力并兼 P a 管路压力控制发讯功能， 进而采 取相应措施。保证了船厢升降过程中的安全可靠性。 船厢横导向装置设备液压控制示意图如图2 所示。 圈2横导向装置设备液压控制示意图 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 9 ．2 0 1 6 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ． 0 9 ． 0 1 0 微小型 2 D数字伺服阀的设计与研究 孔晨菁， 刘 奎， 童成伟， 孙 坚， 丁方园， 阮 健 浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室， 浙江 杭州3 1 0 0 1 4 摘要 该文在利用伺服螺旋机构实现单个阀芯的双 自由度的2 D结构基础上 ， 提出了一种微小型4 通径的2 D数字伺服阀。该阀较其 他类型的微小型伺服阀， 结构更加简化， 具有体积小重量轻抗污染能力强频响高等优势。该文对该阀进行了结构分析， 并建立了力学 模型， 搭建实验台进行静态及动态特性分析。实验结果表明， 该阀具有良好的静动态特性， 其滞环小于 1 ％， 在2 5 ％ 满量程的正弦输入 信号下 ， 一 3 d B 、 一 9 0 。 处的频宽约为 1 3 0 H z 。 关键词 2 D数字伺服阀； 实验研究； 微小型； 小流量 中图分类号 T H 1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 9 - 0 0 3 1 - 0 4 De s i g n a n d Re s e a r c h o f a M i c r o mi ni a t u r i z e 2 D Di g i t a l S e r v o Va l ve KO NG C h e n -fin g , L I UKu i , T O NG C h e n g - we L S U NJ i a n , D I NGF a n g - y u a n , R U A NJ i a n Ke y L a b o r a t o r y o f S p e c i a l P u r p o s e E q u i p me n t a n d Ad v anc e d P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y , Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， Z h e j i ang U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy, Hang z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a Ab s t r a c t A mi c r o mi n i a t u r i z e 2 D d i g i t a l s e r v o v a l v e i s p r o p o s e d ， wi t h a b a s i c the o r y o f 2 D s p i r a l s t r u c t u r e t o a c h i e v e a t wo d i me n s i o n a l dis t i n c t mo t i o n s o f a s i n g l e v a l v e ． Co mp a r e m o the r t y p e s o f t i n y s e r v o v a l v e ， thi s v a l v e h a v e ma n y a d v a n t a g e s s u c h a s a s i mp l e s t r u c t u r e ， a s ma l l v o l um e ， a l i g h t we i ght ， a s t r o n g a b i l i t y o f anti - p o l l u t i o n and a f a i r l y f a s t f r e q u e n c y r e s p o n s e ． I n t h i s p a p e r , the s t r u c t u r e o f the v a l v e wa s an a l y z e d ， a me c h a n i c s mo d e l Was e s t a b l i s h e d and a t e s t b e n c h wa s b u i l d f o r s t a t i c an d d y n a mi c an a l y s i s ． Th e e x p e r i me n tal r e s u l t s s h o w tha t ， thi s v a l v e h a s a g o o d s t a t i c a n d d yn am i c c h a r a c t e r i s t i c s ． I t s h y s t e r e s i s i s l e s s t h an 1 ％， an d wi t h a s i n u s o i d a l inp u t s i g n a l u n d e r 2 5 ％ o f r a t e d flo w ， the fre q u e n c y b an d wi d th i s a b o u t 1 3 0 Hz a t - 3 d B an d- 9 0 。 a p p o x i ma t e l y a t 2 5 ％ o f ma x i mum s p o o l dis p l a c e me n t s ． Ke y wo r d s 2 D dig i t a l s e r v o v a l v e ； e x p e r i me n tal r e s e a r c h ； mi c r o ； s ma l l flo w O 引言 电液伺服控制系统以其诸多优点如控制精度高、 响应速度块、 抗负载刚性大等， 已在航空航天领域如导 弹、 火箭的模拟加载装置， 冶金领域如纠偏机构、 张力 控制机构， 军事领域如火炮控制机构 ， 工程领域如推土 机、 压路机等液压系统中广泛得以运用 ]。而电液伺服 收稿 日期 2 0 1 6 0 3 1 0 基金项目 浙江省重点科技创新团队 2 0 1 1 R 5 0 0 1 1 作者简介 孔晨菁 1 9 9 3 一 ， 女 ， 山西洪洞人 。 硕士研究生， 主要研究方向 是流体传动与电液数字控制方向。 阀作为电液伺服系统中的信号转换和功率放大元件， 其主要作用为一种电液转换元件 ， 同时也是一种功率 放大元件。对于整个电液伺服系统来说 ， 电液伺服阀 的性能对系统的控制精度、 响应特性、 工作可靠性及寿 命起着决定性的作用嘲 。 电液伺服阀代表性的形式有喷嘴挡板阀、 射流管 阀和动圈滑阀等口 。电液伺服阀对液压系统极为敏感， 而在应用中所出现的故障中以油污染造成喷嘴挡板阀 的堵塞最为常见[4 1。喷嘴挡板阀在国内应用范围极广， 其对油液的要求为精度 N A S 5 6 级， 然而在国内许多工 况下这样的精度要求非常难做到或者保持， 且由于其 3 结束语 本文结合三峡升船机主体设备驱动机构及船厢横 导向装置的设备布置、 结构组成及机构功能等 ， 充分利 用液压传动控制的优越特点 ， 重点阐述了三峡升船机 船厢升降过程中驱动机构液气弹簧设备及船厢横导向 装置设备液压控制系统设计的安全可靠性。 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 98． [ 2 】 金卓． 三峡升船机简述[ J 】 ． 长江航运杂志， 2 0 0 8 ， 6 ． [ 3 】 路 甬祥． 液压气动技术手册[ M ] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 o 2 ． [ 4 ] 成大先． 机械设计手册单行本 液压传动 [ M 】 ． 北京 化学工业 出版社。 2 0 0 4 ． [ 5 】 官忠范．液压传动系统[ M 】 ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 1 ． [ 6 】 何存兴．液压元件[ M 】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 2 ． 3 1