谈水利水电工程液压缸补油方式设计

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摘要:该文通过简述液压启闭机或升船机液压控制的特点，明确了水利水电工程中液压缸可靠补油的重要性，研究了水利水电工程中液压缸各种可靠补油方式的设计条件，为水利水电工程中液压启闭机或升船机设备的安全可靠性提供了保障。

关键词:水利水电工程;液压缸;补油方式;设计研究;安全可靠性

概述

近年来，随着我国水利水电行业的飞速发展，液压传动系统广泛应用在大型水利水电工程上，遍及防洪、航运、水资源利用(发电、灌溉、生态保护)等各个方面。防洪功能的液压控制设备比如:泄洪表孔、泄洪中孔、泄洪洞、泄洪深孔等液压启闭机;水资源利用功能的液压控制设备比如:进水口快速闸门、尾水事故闸门、排沙孔、抽水蓄能、灌溉孔、生态放水孔等液压启闭机;航运功能的液压控制设备比如:船闸人字门及输水阀门、升船机及上下闸首闸门、活动公路桥等。机、电、液联合实现复杂可靠的自动化控制，并具有体积小、重量轻、传动平稳效率高、动作灵敏、无级调速、承载能力大、自动过载保护、使用寿命长等液压传动优越特点。液压传动的灵活性，更有利于优化水利水电工程的整体布局。水利水电工程要求液压启闭机或升船机设备操作的安全可靠性极高，操作失败很可能造成严重后果，因此对液压启闭机或升船机控制设备的安全可靠性要求非常高，可根据不同型式的液压启闭机或升船机的结构特点，设计相应安全可靠的液压控制系统。正常工况下驱动闸门或升船机控制机构平稳运行，非正常工况或事故状态下具备完善的监测、控制、安全闭锁等各种保护功能。液压缸是液压控制系统的执行机构，也是液压启闭机或升船机控制机构的重要组成部分。本文重点研究水利水电工程中液压缸补油方式的可靠性设计。

1水利水电工程中液压缸补油方式设计

1．1自重闭门液压启闭机液压缸上腔补油

1．1．1自重闭门液压启闭机的特点有些液压启闭机是靠闸门自重来关闭闸门的，这类液压启闭机常称为自重闭门液压启闭机，例如泄洪闸门、电站事故快速闸门等液压启闭机。启闭机闸门往往处于长时间开启或长时间关闭状态，相应液压启闭机液压缸活塞杆处于长时间缩回或长时间伸出状态。比如泄洪闸门在泄洪时段开启、非泄洪时段关闭;电站事故快速闸门在正常工况下一直处于开启状态，事故状态下须快速关闭。长时间开启工况的液压启闭机液压缸的下腔处于保压闭锁状态，液压系统尽管从设计、制造、安装、维护等各方面采取了极高密封性能，随着保压时间的不断延长，受油温变化、密封件老化等因素影响，自重闭门的液压启闭机液压缸的活塞有可能会因泄漏出现微微下滑，导致启闭液压缸的活塞上腔容积微微增大，此时如果启闭机液压缸的活塞上腔不能及时补满油液，上腔负压可能会将空气或水汽吸入液压缸活塞上腔，导致液压缸上腔内壁腐蚀生锈，从而给液压启闭机设备的安全可靠运行带来隐患，很可能造成严重后果(当然，液压启闭机液压缸的活塞下滑量到一定值时，电控系统会发信指令液压控制系统将闸门重新提升至设定高度)。因此，自重闭门的液压启闭机液压系统须设置简单可靠的向液压缸上腔的补油回路，用来补偿液压系统及液压缸中可能产生的泄漏。

1．1．2自重闭门液压启闭机液压缸补油方式设计液压缸补油一般是针对活塞式液压缸。根据液压启闭机的控制功能、结构特点、设备布局等，设计相应可靠的液压缸补油方式:主油箱直接补油、设置高位油箱补油或蓄能器补油。1)主油箱直接补油如果液压启闭机液压泵站的油箱内液位高于或接近于启闭机液压缸上腔油口高度，便可采用简单可靠的主油箱直接补油方式(如图1所示)。主油箱油液通过单向阀1自吸补油到启闭液压缸2的上腔。设计了单向阀1，既能在必要的时候自动补油到启闭机液压缸上腔，又毫不影响正常工况下液压启闭机启闭闸门。2)设计高位油箱补油或蓄能器补油如果液压启闭机液压泵站的油箱内液位大大低于启闭机液压缸上腔油口高度，那么采用简单的主油箱直接补油方式是不可靠的，需考虑设计高位油箱补油(如图2所示)或蓄能器补油(如图3所示)的方式。高位油箱补油方式，需要在相应启闭机液压缸附近高处安装高位油箱，以便满足启闭机液压缸上腔自吸补油。如图2所示，设计了单向阀1，一方面，启闭液压缸2的上腔将出现负压时，高位油箱3内的油液会通过单向阀1自动补油到启闭机液压缸2的上腔;另一方面，高位油箱组件对液压启闭机正常工况下启闭闸门没有任何影响。高位油箱中须容纳一定油液，以满足活塞下滑后启闭液压缸上腔的补油。当高位油箱中液位达到设定低位时，液位继电器LV3发讯，声光报警，启动补油系统给高位油箱补油;高位油箱中液位达到设定高位时，液位继电器LV2发讯，停止补油;如果高位油箱中油液继续上升，液位过高时，液位继电器LV1发讯，声光报警，停止补油并停泵检修。如果受空间或土建结构限制，液压启闭机液压缸附近高处不便安装高位油箱，则需要考虑蓄能器补油的方式，蓄能器控制组件集成安装在启闭机房内的液压泵站上即可。如图3所示，当启闭机液压缸2的上腔将出现负压时，蓄能器3内的油液经过限压控制后，通过单向阀1安全补油到启闭机液压缸2的上腔;而在液压启闭机正常启门或闭门工况时，单向阀1使蓄能器补油支路与主控制回路隔断，蓄能器补油支路对液压启闭机正常工况下启闭闸门没有丝毫影响。蓄能器内油液须保持一定容量及压力范围，以满足活塞下滑后启闭液压缸上腔可靠补油。当蓄能器内压力不足时PJ2发讯，启动蓄能器补压系统开始补压;给蓄能器补压到PJ1发讯，补压系统停。

1．2事故状态下电站快速闸门液压启闭机液压缸无杆腔补油

1．2．1电站快速闸门液压启闭机的特点电站快速闸门是水轮发电机组的重要保护设备。快速闸门是当电站引水钢管破裂或水轮发电机组发生飞逸等异常情况时，为避免事故扩大需在规定时间内快速关闭的事故闸门。电站快速闸门平时靠液压启闭机液压缸悬挂在孔口以上一定位置处待命，当电站机组或引水钢管发生事故时，闸门利用水柱重靠闸门自重快速关闭孔口。当电站机组运行时，进水口快速闸门全开过水，启闭机液压缸处于全开工作位;事故状态下，启闭机液压缸有杆腔持住闸门快速关闭、截断水流，保护电站机组或引水钢管。事故状态下闸门快速关闭时，不需要启动液压泵-电动机组，只需打开快速闭门电控阀组、形成差动回路，靠闸门自重和水柱重快速下落关闭。所谓差动回路，即启闭液压缸从无杆腔进油，有杆腔油液返回到无杆腔，利用无杆腔与有杆腔的面积差产生的压力驱动活塞杆伸出的回路。有杆腔的油液返回到无杆腔，导致液压缸快速伸出动作。无杆腔与有杆腔的面积差导致了无杆腔与有杆腔的流量差，因此快速闭门过程必须补充一定流量的油液到液压缸无杆腔，补油设计流量取决于快速闭门速度要求。可见电站快速闸门液压启闭机液压缸无杆腔补油方式的设计可靠性是至关重要的。

1．2．2电站快速闸门液压启闭机液压缸无杆腔补油方式设计根据快速闸门液压启闭机的结构布局、设备特点等，设计相应可靠的快速闭门工况液压缸无杆腔补油方式:快速闭门主油箱直接补油、或设置快速闭门高位油箱补油、或设置压力补油箱。1)快速闭门主油箱直接补油如果液压泵站主油箱高度满足闸门快速关闭工况液压缸无杆腔快速补油要求，便可采用简单可靠的主油箱直接补油方式(如图4所示)。打开快速闭门电控阀组，主油箱油液通过充液阀1自吸补油到液压缸无杆腔。充液阀1的设计，既能满足事故状态快速闭门工况主油箱油液自动补油到启闭液压缸无杆腔，又毫不影响液压启闭机正常工况启闭闸门。2)快速闭门高位油箱补油或设计压力补油箱如果液压泵站的油箱液位低于快速闸门启闭机液压缸、且快速闭门工况主油箱油液不能充分自吸补油到启闭液压缸无杆腔的情况下，须考虑设计快速闭门高位油箱补油(如图5所示)或设计快速闭门压力补油箱(如图6所示)的方式。快速闭门高位油箱补油方式，需要在快速闸门液压启闭机液压缸上方或旁边高处安装高位油箱，以满足闸门快速关闭时给启闭机液压缸无杆腔充分快速补油的要求。如图5，快速闭门工况，打开快速闭门电控阀组，高位油箱3内的油液会通过充液阀1自动快速补油到启闭机液压缸2的无杆腔;另外，设计了充液阀1，使高位油箱组件对快速闸门液压启闭机正常速度启闭闸门工况没有任何影响。高位油箱内油液容量以及充液阀通径及补油管径，须满足快速闭门过程启闭液压缸无杆腔的充分补油以及快速闭门速度要求。快速闭门高位油箱中液位控制方式参见本文

1．1．2中的第2小节。对于小型快速闸门液压启闭机需要考虑高位油箱补油的情况，如果空间或周边土建结构限制，导致快速闸门液压启闭机液压缸上方或旁边高处不便安装高位油箱，可以考虑设计压力补油箱来满足闸门快速关闭时启闭机液压缸无杆腔充分快速补油的要求。所谓压力补油箱，是指此高位补油箱可以承受约小于1MPa的压力，不需专设注油口;此压力补油箱靠支架集成固定在启闭液压缸上部，结构紧凑、安装方便。如图6，启闭液压缸正常启门工况，液压油从PA管路进入启闭液压缸2的有杆腔，无杆腔油液通过B管路进入压力补油箱3，再通过PB管路最终回到主油箱。启闭液压缸正常速度闭门工况(活塞杆伸出)，液压油通过PB管路进入压力补油箱3，靠PB管路约小于1MPa的安全压力将流过压力补油箱3的油液通过B管路不断输送到启闭液压缸2的无杆腔，实现活塞杆伸出动作。快速闭门工况，打开快速闭门电控阀组，启闭液压缸2的无杆腔进油，有杆腔油液通过A管路、快速闭门电控阀组、经C管路返回到无杆腔，快速闭门过程中压力补油箱3内油液会自动快速补油到启闭液压缸2的无杆腔。设计了单向阀1，快速闭门过程用以平衡压力补油箱3内压力，为快速闭门可靠补油提供了保障;另外，单向阀1对快速闸门液压启闭机正常速度启闭闸门工况没有任何影响。在正常工况启门过程或启门到位，压力补油箱3内是充满油液的，为事故状态快速关闭闸门时启闭液压缸2的无杆腔补油做好了准备。

1．3外力作用下高位油箱补油

水利水电工程中的升船机液压控制系统是自动智能综合控制的液压系统，该液压系统控制的各种机构协调配合、安全可靠运行。其中有些液压缸只有单方向运行靠液压力、另一个方向运行靠外力。如图7，驱动机构液气弹簧缸3，只有无杆腔受液压力，在外力作用下活塞杆缩回，因此设计了高位油箱1来可靠实现活塞杆伸出及缩回动作。液气弹簧缸3为双活塞液压缸，作为船厢驱动机构液气弹簧的重要组成部分，液压缸两有杆腔与高位油箱1连接;无杆腔通过控制阀组与蓄能器2相连，并由蓄能器2保压。液压系统向液气弹簧缸3的无杆腔及蓄能器2充液压油到设定压力(液气弹簧预张力)，以限制机构过载。在船厢正常运行过程中，液压缸活塞杆所受外力小于预张力，活塞杆与缸体之间不会产生相对竖直位移;在事故状态下液气弹簧载荷增大超过了预张力时，液气弹簧缸3的活塞杆将缩回，无杆腔油液受压进入蓄能器2内对气体压缩蓄能。液气弹簧超载(活塞杆缩回)，高位油箱1内的油液自吸补油到有杆腔;无杆腔充压过程(活塞杆伸出)，有杆腔油液排回到高位油箱。可见，此工况下高位油箱内油液理论上是没有损耗的。

2结语

本文通过简述自重闭门液压启闭机、电站快速闸门液压启闭机的特点以及升船机液压控制机构特点，明确了水利水电工程中液压缸可靠补油的重要性，详细阐述了自重闭门液压启闭机液压缸上腔补油、事故状态下电站快速闸门液压启闭机液压缸无杆腔补油以及升船机控制机构外力作用下高位油箱补油的各种可靠方式以及不同补油方式的设计条件，为水利水电工程液压启闭机或升船机设备的安全可靠性提供了保障。

参考文献

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［3］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，2004．

［4］官忠范．液压传动系统［M］．北京:机械工业出版社，1981．

［5］何存兴．液压元件［M］．北京:机械工业出版社，1982．

作者：段惠玲 单位：太重集团榆次液压工业有限公司