输电杆塔部件试验室液压加荷系统研究.pdf

2 0 1 1 年 4月 第 3 9 卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 NO ． 7 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 7 ． 0 2 6 输电杆塔部件试验室液压加荷系统研究 张新房 ，王成立 ，苏宪华 ，闫军 ，王秋瑾 1 ．国核 电力规划设计研究院，北京 1 0 0 0 9 4 ；2 ．华北电力设计院工程有限公司，北京 1 0 0 0 1 1 摘要 输 电杆塔部件的力学性能试验对输 电线路杆塔的设计和发展起着十分重要 的作用 。介绍我 国唯一 的输 电杆塔 部 件试验室液压加荷系统，研究该系统的试验能力、加荷系统的组成和电气控制系统的设计 ，归纳总结了系统的主要特点。 应用结果表明，该系统各项指标均较好地满足了输电杆塔部件试验的测试需求。 关键词 输 电杆塔；部件试验 ；液压加荷系统 ；测控系统 中图分 类号 T M 7 5 4 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 7 0 8 2 4 Re s e a r c h o n Hy dr a u l i c Pr e s s u r e S y s t e m f o r Tr a n s mi s s i o n To we r Co mpo ne n t Te s t i n g La b Z H A N G X i n f a n g ， WA N G C h e n g l i ，S U X i a n h u a ，Y A N J u n 。WA N G Q i u j i n 1 ． S t a t e N u c l e a r E l e c t ri c P o w e r P l a n n i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 9 4 ， C h i n a ； 2 ． N o r t h C h i n a P o w e r E n g i n e e ri n g C o ． ， L t d o f C h i n a P o w e r E n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g G r o u p ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 1 ，C h i n a Ab s t r a c t S t r e n g t h t e s t o f t r a n s mi s s i o n t o w e r c o mp o n e n t i s v e r y i mp o r t a n t f o r d e s i g n a n d d e v e l o p me n t o f t r a n s mi s s i o n p o w e r ． T h e h y d r a u l i c p r e s s u r e s y s t e m o f t h e o n l y t r a n s mi s s i o n t o we r c o mpo n e n t t e s t i n g l a b i n c h i n a w a s i n t r o d u c e d ． T h e t e s t a b i l i t y ，s y s t e m c o rn p o s i t i o n a n d d e s i g n o f t h e e l e c t ri c c o n t r o l s y s t e m we r e i n v e s t i g a t e d ． Ma i n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e s y s t e m w e re c o n e l u - d e d ．T h e a p p l i c a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t c a p a b i l i t y o f t h e s y s t e m c a n me e t t e s t i n g r e q u i r e me n t s o f t o we r c o mp o n e n t t e s t e x c e l l e n t l y ． Ke y wo r d s T r a n s mi s s i o n t o w e r ；Co mp o n e n t t e s t ； Hy d r a u l i c p r e s s u r e s y s t e m； Me a s u r e a n d c o n t r o l s y s t e m 特高压杆塔试验基地杆塔部件试验室是我国唯一 的专 门用于输 电线路部件静力和动力性能研究的试验 平台，主要功能包括输 电线路杆塔构件和部件 的承载 力试验、节点构造优化设计试验、构件传力试验、循 环荷载强度试验 、结构动力稳定性试验等。 液压加荷 系统 是杆 塔部件 试验 室的重 要组 成部 分。开展液压加荷系统的研究 ，包括液压系统试验能 力技术参数研究 、加荷 系统的组成 和电气控制系统 的 设计研究 、多通道 液压 缸协调 同步动 作 的试 验研 究 等，对于部件试验室的成功运行具有重要意义 。 1 液压加荷系统试验能力 部件室液压加荷 系统采用液压伺服阀作为输入信 号的转换与放大元件 。液压伺服系统能以小功率 的电 信号输入，控制大功率的液压 流量与压力输出， 并能获得高的控制精度和快 的响应速度 。 系统通 过液压泵 与液压 缸 作 动器 的不 同配 置可实现 3种试验 方式 ，相 当于组 合成 3个 液压 系 统用于模型塔架静力试验的多点协调自动液压加荷 系统 ；用 于 塔 架 和 部 件 动 力试 验 的动 力 加 荷 系 统 作动器 ；与通用反力 支 门 架配套使用 的大吨 位液压加荷器。 根据部件试验需要 ，液压加荷系统由以下 3部分 组成 ，分别完成不 同的试验内容 1 两套动态作动器 最大静载 1 0 0 0 k N ，行程 5 0 0 m m，最大动载 7 0 0 k N，最大频率 5 H z ，加 载时 最大振幅 4 - 5 m m，双出杆设计 ，含力及位移传感器 ， 在满量程时载荷及位移满足 0 ． 2 ％精度要求 ，端部球 铰支座 ，满足杆塔构件 和节点长期疲劳试验需要。 2 七通道协调静 载施加 ，包括 1套 1 1 2 5 0 k N 压力 ／ 8 0 0 0 k N 拉力 油缸 ， 2 1 0 0 k N 拉力 、 1 0 0 0 k N 拉力 、5 0 0 k N 拉力油缸各 2套，行 程均为5 0 0 m m，单出杆设计，在满量程时载荷及位 移满足0 ． 2 ％精度要求，含力及位移传感器 ，端部球 铰支座，主要进行空间节点强度、构件承载力试验。 3 十二通道协调静载施加，其 中8套 2 0 0 k N 拉 力 油 缸 ，4套 3 0 0 k N 拉 力 油 缸 ，行 程 1 5 0 0 m m，不考虑力及位移传感 器。液压缸采用双作 用单杆活塞式油缸 ，速 比 1 ． 3 3 ，行程 1 5 0 0 m i l l ，主 要进行杆塔模 型试验 。 加载系统 需要 具备 伺 服加 载 、保 载 、闭锁 等 功 能 ，实现上位机控制 ，操作方便可靠 。 2液压加荷系统的组成 2 ． 1 油源 系统 油源系统是液压传动与伺 服控制系统中的重要组 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 7 作者简介 张新房 1 9 7 6 一 ，男 ，博 士，高级工程师 ，主要从事 高压输 变 电技术 的研究 。电话 1 3 6 9 1 2 5 3 0 8 7 ，Em a i l z x f e pr i ． s g c c ． C O I I L c n。 第 7期 张新房 等输电杆塔部件试验室液压加荷系统研究 8 3 成部分 ，其能够有效供 给系统执行元件所需 的流量和 压力 ，并能够对液压系统的压力 、流量 、污染度等进 行有效控制 。油源系统 的主要设计特点如下 1 为减少泵 站 设备 配 置 ，提 高使 用效 率 ，在 前述三种试验方 式中 ，油源系统为公用 。 2 油 源 系 统压 力 2 8 MP a 。根 据 系 统 流 量 要 求 ，确定 油泵的排 量和数 量 ，液压 油 源流量 不 小 于 7 2 0 I M mi n 。 3 油泵 与油泵 之 间即可 单独 运行 ，也可 并联 运行。油泵 和电机 的振动小 、噪声低 。油泵输 出压力 波动 1 ％ ，自吸能力强 ，可远程无级调压 。 4 液压油采 用 L ． H M 3 2 抗磨液压 油 ，油液清洁 度 为 N A S 6级 。 5 液压系统 采用水冷 。 6 具有温度超温报警 、液位超限报警、油路 堵塞报警及 自动停机功能。 为满足不同通道的协 调加载要求 ，选 用 3台 1 4 0 mL ／ r和 1台 8 0 m L ／ r低 噪声 径 向恒 压 变量 柱 塞 泵 ， 以及 3台 7 5 k W、1台4 5 k W 低 噪声电机 ，每 台转速 为 1 4 7 5 r ／ m i n 。泵 、电机采用钟型罩及挠性联轴器联 接 ，泵 、电机 组与 外部 联接 采用 三软 减震 垫 、避 震喉 、液压软管 联 接 ，以此减 小 安装 误差 引起 的 机构振动 、噪声和破坏 ，方便维护拆卸安装 ，并且提 高设备使用寿命 及安全性 。 为使 系统压 力 稳定 在 1 ％波 动 范 围内 ，在主 油 路上安装 蓄能器 ，以吸收工 作产 生 的压力 脉动 ；为 使 伺服 阀能 稳 定 工作 ，系统 油 温 必 须保 证 在 3 5～ 5 5℃ 内 ，为此 系统采用独立循 环冷却 系统 ，油水换 热器采用 板式水冷却 器 ，与高 温型 冷却 塔及 净环水 离心泵 配合使用 ，冷 却能力 2 0 0 k W ，油温控制精度 可 以达到 4 - 2℃ 。 采用远程调压 比例溢流 阀恒 压变量泵设 计 ， 依据工况随时调整油源的输出功率，从而最大限度降 低 系统功率损失 。系统大量采用集成化设计 ，力求结 构形式简捷 、合理 ，安装布置 、维护方便 。部件试验 室加载 系统伺服油源液压原理见图 1 。 图 1 部件试验室加载系统伺服油源液压原理图 2 ． 2作 动 器 2 ． 2 ． 1 二通 道动态加载 系统 二通道动态加载 系统 中，作动器是实施振动主动 控制 的关键部件 。作动器按照确定的荷载谱对控 制对 象施加作用力 ，由伺服液压油源 、伺服液压缸及 伺服 阀阀控单元 、测控系统和电控系统组成闭环电液伺服 自动控制系统 。作动器设置泄荷 阀 ，在伺服阀出现故 障致使加荷腔过载时 ，通过强制泄荷 阀上的电磁阀可 实现强制泄荷，以保护试件不被损坏。 伺服液压油源启 动所有液压油泵 即可满足试验要 求 ，油源提供可控的液压能源 ，其流量和功率随负载 的变化 而变化 ；伺 服液 压缸 作 动器 及 伺 服 阀阀 8 4 机床 与液压 第 3 9卷 控单元接收控制信号 ，并在一定的精度范 围内按 照控 制信号的规律输 出相应的技术形态 位移或力 ；测 控系统接收反馈信号 、输 出控制信号 ，使输出的技术 形态按照可控 的方式进行 ；电控系统提供系统所需的 电能 ，并使 系统的各种用 电设 备按照预定 的逻辑关系 动作 。 二通道动态加载系统的工作原理见图 2 。为 了保 证两个方 向动态特性一致 ，伺服液压缸采用双活塞杆 形式。由于动态加载时流量很大 ，所 以选用二级伺服 阀。动态加载时 ，压力油经伺服阀、驱动作动器产生 动作 。作动器 通过 S P H磁致 伸缩位 移传感器 及解 调 器、功率放大器等组成闭环伺服系统，来控制伺服液 压缸的运 动状态。 自油 源 图2 动态加载单元工作原理示意图 2 ． 2 ． 2 七通道静力加荷 系统 液压缸采用双作用单杆活塞式油缸。为使油缸 免 受径向力，保证其直线运动，采用两端耳环球铰联 接 ，耳环装有关节轴承。工作原理见 图 3 。 7 63． 6 DN20 T P 6 o 图 3 七通道静力协调加载系统原理 图 2 ． 2 ． 3 十二通道静力协调加载系统 伺服液压油 源只需启 动一组 7 5 k W 的泵组 系 统压力 2 8 MP a ，系统流量 2 0 0 L ／ mi n 即可满足试验 要求 ，由远程控制 比例溢 流阀实现可控 的液压能源 。 耳环连接 ，缸头耳环与活塞杆为整体连接方式 ，缸盖 为法兰式连接 。为使油缸免受径 向力 ，保证其直线运 动 ，液压缸头部设置活塞杆支撑运行小车 ，小车上装 有轴承 。活塞杆耳环装有关节轴承。 为 了不 占用部 件 室地 面 空 间 ，充分 利 用试 验 台座 地 下 室空 问，将 1 2套液压 缸布 置在 地 下 ，地 面 设 置 开 口，平 时使 用 钢 板 盖住 开 口。液 压 缸 倾 斜 4 5 。 布置 ，在最大 行 图 4 十二通道静力协调 加载系统布置图 程时活塞杆端部露 出地面 ，布置见图 4 。 工作原理见图 5 。为使 系统 可靠使用 ，每路 加载 通道均设计 了备用手动加载阀组 ，以使伺服阀发生故 障情况下 ，系统亦能正常试验 。另外 ，在每次油缸安 装接管后 ，宜先采用手动阀组往复动作油缸数次 ，以 冲洗管路及油缸 。 ≯ 6 03 ．2 4 s3 ． 2 T P 图 5 静力协调加载单元工作原理示意图 3液压加荷电气测控系统 3 ． 1 电机控制部 分 液压加荷电气系统中，电动机的启动与停止控制采 用软启动控制技术 ， 将液压加荷系统中电机启动对电网 的影响减小到最小。软启动器 具有完 善的电机保护功 能 ，能对所驱动的电机进行有效保护。软启动器的控制 是弱电控制，很方便与 P L C进行接 口，实现 P L C控制和 中心控制室的远程控制。控制原理如图 6 所示。 7 5kW 7 5 kW 7 5kW 4 5kW 图 6 电机控 制原理 图 第 7期 张新房 等输电杆塔部件试验室液压加荷系统研究 8 5 3 ． 2测控 系统 系统 ，见 图 7 。 测控系统采用 S ma r T E S T型多通 道协 调加载 控制 1 控 制液压 作 动器 ，完成 结 构整 体或 大部 件 5 七通道 静态 加载 系统 和动态 加载 系统 同时 的静力试验和疲劳试验； 配有力和位移传感器，控制系统可以在力控制模式和 2 控制 系统最 多可 以 同时运 行 5个 独 立 的试 位移控制模式之 间进行切换 ，同时监控力 和位移 ，亦 4 控制 系统具 有扩 展 能力 ，最 大可 以扩展 到 系统 的硬件 、软件的各项指标均达 到预定 的 目标 ，系 2 加载点多 ，加载精度 高 ，试验 加载 能力大 ， 【 2 】王占林． 近代液压控制[ M] ． 北京 机械工业出版社， 3 七通 道静 态加 载系 统的液 压缸 可安 装在 反 【 3 】马永欣 ， 郑山锁 结构试验 [ M] - 北京 科学出版社， 三 通 道 静 态 加 载 系 统 ， 可 满 足 空 间 任 【 4 】 Z张 U U新 O 房． ，邢 海 军 ，周 立 民 ． 特 高 压 杆 塔 试 验 基 地 部 件 试 验 意 方 向 的 力 蓑 苎 ．鉴 ⋯ ⋯。 ⋯ ～ 善 ]。． 蚤 4 系 统 可 同 时 进 行 动 态 与 静 态 加 载 试 验 。进 ～ ⋯ ⋯ 一⋯⋯～⋯ 。 ⋯～一⋯ ⋯