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用蓄能器保壓的大容量啟閉機液壓系統設計與應用
發布時間：2017-09-01
在水利水電工程液壓啟閉機中,因油缸或液壓系統泄漏導致閘門下滑是一個目前還不能完全避免的問題,常見的解決辦法是電控程序中設置閘門下滑自動回升功能,即每當下滑量達到設定值時,油泵電機自動啟動,通過對油缸下腔供壓力油,將閘門提升復位。這種辦法雖然可達到目的,但設備頻繁啟動將對液壓泵和電機壽命產生不利影響,更為嚴重的是,閘門止水因反復摩擦易受損壞。對于偏心鉸弧形閘門而言,如果下滑量偏大,超過弧門頂緊止水后允許的下滑量,將導致壓緊式止水的破壞,直接引起止水失效和高速縫隙射流,進而導致閘門的振動,危及泄水建筑物的運行安全。因此,研究新的下滑控制方法十分必要。在水布埡放空洞偏心鉸弧門5 500 kN液壓啟閉機上,嘗試采用了蓄能器進行自動補泄保壓、避免閘門下滑的方法,有一定的效果。
1 啟閉機概況
水布埡水利樞紐的放空洞布置于右岸,是水庫放空檢修的唯一通道,并兼顧施工后期導流及導流洞堵截后向下游供水的任務。放空洞孔口尺寸為6 mX m,工作閘門為偏心鉸式弧形閘門,設計水頭152.20 m,面板半徑為14 m,由液壓啟閉機操縱運行。液壓啟閉機由1臺(主機)5 500/1 000 kN擺動式雙作用液壓啟閉機和1臺(副機)5 500/1 800 kN豎式雙作用液壓啟閉機組成。主機用于操縱弧形工作門的開啟與關閉;副機的作用是控制偏心鉸,即在工作門閉門到位后操縱偏心鉸使工作門前移并壓緊止水,或在開啟工作門前操縱偏心鉸使工作門后撤并松開止水。主機和副機共用一套液壓系統,在滿足系統控制閉鎖的條件下,兩者按程序動作,兩只油缸分時動作。
2 蓄能器在液壓啟閉機上的應用
2.1 啟閉機運行方式及工作原理
該啟閉機主副機協調配合進行啟閉操作。啟門程序為:啟動y副機下壓―閘門偏心鉸機構轉動,止水松開―副機停機―主機上拉―閘門提升至全開位(或檢修位)―主機停機。
閉門程序為:啟動―主機下壓―閘門下降至關終位―主機停機―副機上拉―閘門止水壓縮量達到要求值―副機停機―蓄能器自動接入副機油缸有桿腔,對副缸進行保壓鎖緊,使閘門止水始終處于壓縮狀態(也可利用副缸上的手動鎖錠裝置將副缸長期鎖定)。
2.2 蓄能器的功能分析
蓄能器主要是將壓力液體的液壓能以勢能的形式儲存,在系統需要時再將這種勢能轉化為液壓能,它可以作為輔助或應急動力源,也能用于補充系統漏損液體,穩定系統工作壓力,吸收液壓泵的脈動和系統內的液壓沖擊。蓄能器在本液壓系統中的主要功能是補充泄漏和保持恒壓,它能自動保壓、自動補油。
水布埡閘門啟閉機上采用了蓄能器進行自動補泄保壓,在副機油缸有桿腔油路中設置蓄能器(見圖1),副機油缸上拉過程中,液壓系統中的2臺大排量主油泵(Parker產品,型號PV092R1K1S1NFWS)投入工作,同時也向蓄能器充液(此時壓力為16.3 MPa),另1臺主油泵備用。當副機上拉壓縮閘門止水到設定位時,系統停機,蓄能器中壓力油自動進入副機油缸有桿腔進行保壓,減緩因液壓系統泄漏引起閘門止水松卸及閘門漏水。當蓄能器的壓力降至15 MPa,壓力繼電器PJ2發訊,充液補油電機M4得電,液壓系統中專用的小排量充液補油泵(Parker產品,型號GP2D20)空載啟動,延時10 s后,DT1、DT2、DT3同時得電,系統向蓄能器充液,當壓力升至17 MPa時,壓力繼電器PJ1發訊,充液停止,整個循環自動進行。
蓄能器控制閥組系裝接于蓄能器和液壓系統之間,用于控制蓄能器油液通斷、溢流、泄壓等工況的組合閥件。它由截止閥和安全閥組成,其中截止閥為手動式球閥,安全閥一般為直動式或先導控制型二通插裝式溢流閥。蓄能器控制閥組的主要功能有:1設定蓄能器的安全工作壓力,實施對液壓系統的安全供液和保壓;o控制蓄能器與液壓系統之間管道的通斷,當蓄能器向系統供液或系統向蓄能器供液時打開手動截止閥,當需要停止工作或對蓄能器進行檢查維修時,關閉手動截止閥。在蓄能器控制閥組與系統之間,還串聯設置了一個單向節流閥,作用是通過控制蓄能器的補液速度,達到減少沖擊、改善保壓性能的目的。
此外,蓄能器在液壓系統中還有吸收和緩沖由于快速換向或突然關閉閘門以及快速制動等產生的液壓沖擊。這種情況下的瞬間壓力可高達正常壓力的幾倍,容易導致液壓元件、管道和密封件損壞,引起液壓啟閉機與閘門振動。設置了蓄能器后,由于蓄能器吸收了液壓沖擊,所以壓力不會劇增,為閘門的安全運行提供了更為可靠的保證。
2.3 蓄能器的選型
常用的蓄能器有氣囊式、隔膜式、活塞式、彈簧式和重錘式幾種,經過分析和比較,選用氣囊式蓄能器較適合水利水電工程液壓啟閉機的運行工況。氣囊式蓄能器由充氣閥、殼體、氣囊、提升閥、密封圈等組成(見圖2),它是通過改變氣囊內預充氮氣的體積,從而使蓄能器儲油腔內的液壓油成為具有一定液壓能的壓力油。在使用時首先向蓄能器充以預定壓力的氮氣,然后在液壓泵壓力的作用下,油液進入蓄能器,壓縮其氣囊,氣腔和油腔壓力始終相等,從而使氣囊處于浮動平衡狀態。當系統需要油時,在氣體壓力作用下,使油液排出。氣囊式蓄能器的優點是:氣腔和油腔之間密封可靠,二者之間無泄漏;膠囊慣性小,反應靈敏;效率高;結構緊湊,尺寸小,重量輕;容易維護。本啟閉機的蓄能器及蓄能器控制閥組采用了德國HYDAC公司的產品,采用氮氣作為可壓縮介質來工作,允許工作壓力33 MPa,允許的工作溫度為(-10~+80)e。
2.4 蓄能器容積的計算
(1)蓄能器充氣壓力p0的確定
從保護氣囊并延長其使用壽命的角度出發(即在系統最低工作壓力下,蓄能器的氣囊仍未膨脹得與殼體內壁完全接觸;而在系統最高工作壓力下,氣囊收縮后的體積不小于充氣壓力下原始體積的1/4),一般取:
式中:p2為系統的最高工作壓力(絕對壓力);p1為系統的最低工作壓力(絕對壓力,蓄能器供液壓力降至此值時充液泵自動啟動對其充液)。
為了減小蓄能器的體積,這里取大值,即p0=0.9p1,對本啟閉機,p1= 15. 1 MPa,因而p0=13.6 MPa,本機的p2=16.4 MPa。
(2)蓄能器有效容積ΔV的計算
用于補償系統泄漏的蓄能器所需的有效容積為:一定時間里,啟閉機不工作的情況下,系統中所有元件的泄漏量的總和。蓄能器在工作過程中,壓力差Δp是變化的,所以元件的泄漏量也是變化的。開始較大,后來隨著蓄能器中的壓力降低而減少。但要精確計算所有元件的泄漏量的總和幾乎不可能,因此不妨認為補充的油量相當于油缸活塞下滑8 mm的泄漏量,則可計算出相應ΔV=2.7 L。
(3)蓄能器總容積V0的確定
蓄能器的總容積即充氣容積V0。根據啟閉機的工作狀況,因補充泄漏過程緩慢,可認為蓄能器工作在等溫狀態。等溫過程時理想的氣體容積Vi按式(2)計算:
經計算,Vi=37.8 L,考慮實際氣體特性的修正因素,根據p2/p1=1.1,查得修正系數Ci=1.13,則V0=CiVi=42.7 L。
因此按公稱容積50 L選取蓄能器(型號SB330H-50A1/112A-330A),查HYDAC蓄能器產品樣本,其有效氣體容積為47.5 L,滿足要求。
2.5 蓄能器的使用和維護注意事項
蓄能器是精心設計、制造并按標準檢驗的壓力容器,正確的安裝、使用和維護是保證其使用性能、安全可靠工作和延長壽命的前提條件。使用蓄能器時主要應注意以下幾方面問題:1）氣囊式蓄能器只能充氮氣,絕不能充氧氣,以防引起爆炸;2）蓄能器要安裝在便于檢查和維修的位置,要遠離熱源,并且必須用抱箍或卡箍等緊固件牢靠固定;3）氣囊式蓄能器應使其油口朝下(充氣閥朝上)垂直安裝,這樣在液體排放時可獲得最大的輸出流量。如果采用臥式安裝,氣囊就趨向于向蓄能器殼體托靠并產生摩擦,這將造成皮囊磨損加快;4）蓄能器屬于壓力容器,不允許對其進行敲打,更不允許在其上進行任何焊接、鉚接或機械加工;5）充油狀態下的氣囊式蓄能器是不能拆卸的,否則會引發設備或人身事故,因此對液壓回路或蓄能器本身進行檢修時也必須先釋放蓄能器內的壓力油;6）要定期(一般每半年一次)對皮囊進行氣密性檢查,定期更換皮囊及密封件,一旦發現皮囊中充氣壓力低于規定值,必須及時補充氮氣,以保證蓄能器能供給系統足夠的壓力油;7）要定期檢查蓄能器表面處理層和其內部的銹蝕情況,如發現問題應及時更換;8）蓄能器最高工作壓力應低于產品所規定的最高工作壓力,且p2/p0,這將保證最佳效率和工作壽命;9）蓄能器工作參數的設定應保證在排放液體時不能全部排空,達到最低工作壓力時必須保留少量油液(約為蓄能器容積的10%,以使氣囊不會在每次膨脹過程中撞擊提升閥,保證皮囊的工作壽命;10）油溫對蓄能器皮囊的壽命也有相當大的影響,工作油溫過高或過低,都會縮短皮囊的使用壽命,因此系統的工作溫度要控制在一個合理的范圍內。
3 結 語
要保證放空洞閘門關閉時不漏水,其啟閉機的工作性能是重要因素之一。鑒于水布埡放空洞偏心鉸弧門設計水頭高、啟閉容量大、液壓控制系統較復雜,給啟閉機的運行尤其是如何使閘門止水始終保持壓縮狀態帶來了一定的困難,設計中通過采用蓄能器自動保壓鎖緊油缸這一措施,提高了啟閉機的運行可靠性并改善了閘門的封水效果。該閘門和啟閉機自2005年投入使用以來,狀況良好,達到了設計的預期目標。
摘自：中國計量測控網
