【doc】三峡永久船闸人字门和阀门启闭机液压控制系统研究与设计

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1、三峡永久船闸人字门和阀门启闭机液压控制系统研究与设计水力发电第34卷第12期2008年12月文章编号:05599342(2008)12006603三峡永久船闸人字门和阀门启闭机液压控制系统研究与设计熊绍钧,魏文炜,史兵,黄人豪(1.长江勘测规划设计研究院,湖北武汉430010;2.中国船舶重工集团公司第704研究所.上海2000311关键词:液压启闭机;无级变速;电液比例控制;二通插装阀控制;污染控制;三峡永久船闸摘要:三峡永久船闸人字闸门和输水阀门采用液压启闭机操作,启闭机规模巨大,运行条件复杂.在深入研究和模型试验的基础上,其大功率液压控制系统的设计采用了诸如电液比例无级变速,二通插装阀控

2、制,双向负载平衡回路,油缸多级保护阀块,油泵工作组合优化,液压系统污染控制及运行状态监测和故障诊断等一系列的新方法和先进技术,满足了设备复杂的运行工况和可靠性要求.该启闭机经过5年多的运行考验,证明了其设计的合理性和先进性.ResearchandDesignoftheHydraulicControlSystemofGateHoistsforPermanentShiplocksofThreeGorgesProjectXiongShaun,WeiWenwei,ShiBing,HuangRenhao(1.ChaniangInstituteofSurvey,Planning,DesignandRese

3、arch,WuhanHubei430010;2.No.704ResearchInstitute,ChinaShipbuildingIndustryCorporation,Shanghai200031)KeyWords:hydraulicgatehoist;steplessspeedregulation;electro-hydraulicproportionalcontrol;twowaycartridgevalvecontrol;contaminationcontrol;permanentshiplocksofThreeGorgesProjectAbstract:Themitergatesan

4、ddeliverygatesofpermanentshiplockoftheThreeGorgesProjectaremanipulatedbylargescalehydraulichoists,whichoperatesundercomplexconditions.Basedonin-depthstudyandmodeltests,aseriesofnewmeasuresandadvancedtechniques,suchassteplessspeedregulationbyelectro-hydraulicproportionalcontrol,two-waycartridgevalvec

5、ontrol.double-directionloadbalancingcircui4multilevelprotectionforcylinder,optimalworkingcombinationofpumps,contaminationcontrol,andconditionmonitoringandfaultdiagnosis,etcareadoptedinthedesignofhigh-powerhydrauliccontrolsystemsofthesedevices,tomeettherequirementsoftheircomplexworkingconditionsandre

6、liabilitydemands.Fiveyearssuccessfuloperationofthisequipmentdemonstratestherationalityandadvantagesofthisdesign.中图分类号:TH37;TV663.6;TV664.2(263)文献标识码:Bi峡永久船闸为双线五级连续船闸.是三峡工程的主要航运通道其闸室有效尺寸为280mx34mx5mf长x宽x槛上水深).人字闸门最大尺寸为38.5mx20.2rex3m(高宽x厚).最大淹没水深36m,每扇门叶的质量约800t;输水阀门最大工作水头达45.2m人字门及输水阀门启闭机是关系船闸能否安全可靠

7、运行的关键设备.其结构形式,运行方式及启闭力的确定.一直是我国七五和八五国家科技攻关的重要课题在对启闭机的选型和运行方式优化等做了大量的研究后.确定了直连式液压启闭机机型和无级变速的运行方式_1_1】.在九五国家科技攻关中.对三峡永久船闸启闭机的大功率无级变速液压控制系统进行了深入研究.为设计,制豳WetterPowerVol34.No.12造和运行管理提供了科学依据.确保了启闭机在达到世界先进水平的同时能满足船闸的安全运行要求.收稿日期:20080714科技攻关项目:九五国家重点科技攻关项目(973120322)作者简介:熊绍钧(1968一),男,江西遂川人,硕士,高级工程师,从事水工金属结

8、构的设计和研究工作:魏文炜(1956一),男,广西桂林人,教授级高工.从事水工金属结构的设计和研究工作;史兵(1956一),男,河南社旗人,硕士,高级工程师,从事水工机械的设计工作:黄人豪(194),男,上海人,研究员,国家级专家,中国机械工程学会流体传动与控制分会副主任委员.中国液压气动密封件工业协会专家委员会委员.从事船舶,冶金和水工大型液压机械的研制工作.第34卷第12期熊绍钧,等:三峡永久船闸人字门和阀门启闭机液压控制系统研究与设计1启闭机特性及运行工况分析三峡永久船闸每线由5个闸室和6个闸首组成.双线共12个闸首,每个闸首两侧对称布置有人字门卧式摆动液压启闭机和输水阀门立式液压启闭机

9、,共48台(各24台)每扇人字门由两扇门叶组成.各由1套启闭机操作.启闭时两门叶绕各自的门枢旋转:输水阀门为弧形闸门.由垂直布置的油缸操作.人字门启闭机操作闸门启闭过程中,其动水阻力形成的负载随开度变化而变化.如按等速方式运行,开,关门全过程的阻力矩变化呈下凹的马鞍形曲线.两端会出现阻力矩峰值.这与启闭机上凸的能力曲线形状相悖,其启闭能力将无法充分利用而须大大增加启闭力为有效削减阻力矩峰值,减小设备规模和制造难度,节约投资.闸门启闭机需作不对称无级变速运行.其速度变化曲线见图1(以第6闸首启闭机为例)譬昌制图1人字门油缸速度一时间曲线输水阀门启闭机承受典型的重力负载.但因水流及负载力矩变化的影

10、响,在整个运行过程属于变负载运行.同时.由于高水头阀门特有的水力学条件,阀门须快速开启,在开,关过程中要求平稳运行,以避免出现冲击和振动.两种启闭机的主要技术参数见表1(以第6闸首为例).表1人字门和输水阀门启闭机技术参数2启闭机液压控制系统关键技术问题的研究2.1人字门启闭机无级变速控制方式研究液压系统常用的变速控制方式有阀调速和泵调速两类阀调速方式可采用电液比例或伺服型流量控制阀伺服阀虽然动态响应快,静态特性好.但对工作环境和油液的清洁度要求很高,难以在水工闸门启闭机上得到应用比例阀应用较普遍,但富余的流量必须溢流.压力损失较大.对这种超大型船闸启闭机.运行过程中负载在不断变化而且要求变速

11、运行,如采用阀调速方式.为同时满足系统的最大压力和最大流量要求,电机功率势必太大,造成能耗大,效率低,噪音大,油液发热.泵调速是一种较先进的液压调速方式.具有无级调速功能的液压泵.有电液比例或伺服变量泵它们将比例或伺服阀与柱塞泵结合成一体.借助这些小通径的阀对斜盘的倾角进行控制.使泵的输出流量与阀的输入电信号成比例,改变输入电信号即可方便,有效地改变输出流量.与阀凋速方式相比,泵调速方式具有如下优点:系统的流量可按照速度曲线由泵自身调节,无需另加流量控制阀.系统元件较少:系统因不存在节流和溢流损失.实现了流量和压力也即功率的匹配,节能效果显着.可减小电动机的规格,降低噪声.并减少油液发热.延长

12、使用寿命上述分析和比较表明.泵调速方式更适合于大功率的液压系统为此.最终选用Rexroth公司的A4VSO250FE1D型电液比例变量泵作为工作主泵.以满足人字门启闭机无级变速运行的要求2.2人字门启闭机同步控制方法研究人字门关门时.为防止两门叶在闸门关终位置发生碰撞和冲击.需使两者之间留有适当缝隙(约20toni).然后利用闸室充,泄水产生的上,下游水位差自行关闭一般两扇门叶运行不必强求精确同步.只需对关终位进行必要的控制.使门叶能顺利进入导卡即可根据以往的经验.可采用在闸门进入导卡前设置等待位来解决这一问题.即让速度快的门叶到达等待位后暂停.待速度慢的门叶赶上后继续一同前行至关终位这实质上

13、属开环的速度同步控制.只在等待位通过强行等待实现两门叶的位置同步.其同步精度取决于船闸和启闭机的规模,闸室两侧门叶和启闭油缸的制造和安装差异,液压系统所用的调速方法等多种因素.若精度过低.同步等待时间过长.必然会延长总的关门时间.从而影响船闸的H通过能力从理论上讲.采用油缸活塞杆位移(或闸门位置)信号反馈的闭环位置同步控制方法具有更高的同步精度.但控制起来较为复杂.鉴于比例泵本身设有斜盘位置反馈装置.对斜盘角度进行闭环控制.其流量控制精度已相当高:因此.实际运行中只需给两台启闭机的比例泵输入完全相同的电压信号(其变化方式与一t曲线对应.其中v为油缸运动速度.t为时间),人字门即可在保持一曲线连

14、续运行的同时.达到比较精确的同步.使两门叶的同步等待时间相对较短2.3人字门启闭机的变载控制及多级保护研究在人字门运转过程中,其动水阻力随闸门开度而变化.加之航道上常伴有大小和方向不可预测的风浪.因而闸门运转载荷不稳定.尤其当闸门突然遇到与负载方向相反的大风,大浪时.闸门易因速度失控而遭受破坏因此.在油缸的无杆腔和有杆腔油路上同时设置了关键性的变载控制元件瑞士Beringer公司生产的液控限速平衡阀.每个平衡阀的控制油均引自另一腔.进行交叉控制该平衡阀具有超速自动调节功能.能在先导控制压力作用下随时调整开口大小.实现动态平衡.使执行元件的运动速度不受负载大小和方向突然变化的影响.始终以给定流量

15、下的速度平稳运行这种双向负载平衡回路的应用.可在人字门正常运行过程中因风浪产生反向荷载而造成失速时.使其液WaterPowerVo1.34.No.12圃O0000O00O05432l234水力发电2008年12月压系统迅速调整而平稳地过渡如前所述,人字门在关终位上留有适当缝隙,在之后的闸室充,泄水过程中自行关闭.闸门关闭后.若因闸室充,泄水出现较大的超灌,超泄反向水头或遇到短时较大的反向非工作荷载.闸门须以持住方式自动退让(开门).避免发生闸门变形和启闭机构超载为此.在油缸两腔设置了由直动式溢流阀和插装式平衡阀组成的三级负载保护阀块,以利用闸室超灌,超泄反向水头(配合精密水位计与系统的联动)来

16、实现人字门的自动开启3启闭机液压控制系统设计人字门,输水阀门启闭机最大工作流量分别为672,434Ihnin,最大回油流量分别为1076,628L/min对这种大流量的无级变速液压系统.需要配置2台A4VSO250FEID型电液比例变量泵.并与1台A4VSO250DR型手动恒压变量泵组合_T作(3台泵均为Rexroth公司产品).才能满足01100lJmin范围内的全量程无级变速和人字门,输水阀门同时动作的要求鉴于人字门和输水阀门仅短时间同时工作(只在阀门关门末人字门需提前开门).3台油泵的工作组合为(以第6闸首为例):开,关人字门时2台比例泵同时工作;开阀门时恒压泵和其中l台比例泵共同投入:

17、关阀门时由恒压泵单独工作.恒压泵的流量按阀门关门流量凋定,阀门开门时,不足的流量由比例泵补充这种优化组合既可减少油泵的数量,减小泵站的尺寸并节约投资.又有利于延长比例泵的寿命.系统中的液压阀采用插装技术.因为与滑阀相比.插装阀具有通流能力大,组合机能强,集成度高,密封性好,便于维护等优点.能更好地满足大功率启闭机运行的要求.插装阀选用Parker公司的产品.其方向盖板带阀芯位置反馈功能,便于快速查找故障.先导控制阀选用湿式电磁阀,以提高寿命和可靠性.系统中至人字门油缸和阀门油缸的回路单独分开,并各设保护支路(如溢流回路).以适应两者运行时不同压力等参数的要求.防止相互干扰.在启闭机的设计中.采

18、用了储备设计,降额设计,可维修性与故障自动检测设计等可靠性设计方法61.综合考虑了液压系统的减振,降噪,防漏,污染控制,故障监测和诊断等问题并采取了相应的解决措施.大大提高了设备的可靠性.为此,液压系统中配置了一些先进的检测仪器和设备:在各油泵出El设置集压力,流量和温度3参数测量于一体的PQT检测仪.并在比例泵出口及人字门油缸的油路上布置压力传感器.以便于定期检测.也可通过PLC对重要参数进行实时分析,实现对液压系统的在线状态监测和故障诊断.鉴于液压系统所处环境较为恶劣,水,气,沙尘都可能造成污染,除在系统回路上设置滤油器外.首次为启闭机配备了便携式油液污染度激光检测仪和移动式油液净化机.以

19、便在运行管理中定期或不定期地进行污染检测:并在必要时利用净化机进行在线净化,除去油液中的杂质,水分和空气,综合改善油液的工作性能.预防因污染引起故障固WaterPowerVo1.34.No./24液压控制系统的模型试验为检验基于以上分析,研究和计算进行设计的启闭机液压控制系统.建立了油缸模拟试验装置和系统模拟综合试验台.获取了在施加模拟负载(采用比例阀加载)的状况下人字门和输水阀门的稳态开启,关闭和在负载变化时相应的稳态开启和动态响应性能参数对人字门油缸.通过采用比例阀加载模拟一些基本的变化.可以检测比例泵流量恒定状态时.不同的模拟负载对人字门运行过程稳态,动态性能的影响.动态响应过程的时域分

20、析曲线见图2.0R一延迟时间Tr一上升时间To-峰值时间一调节时间;一允许误差(取稳态值h的5%);口超调量(口(h),hxl00%)图2动态响应过程的时域分析曲线试验结果表明.人字门和输水阀门主控制阀组(二通插装阀控制组件)在模拟工况下的开,关过程平稳,控制结构(回路)动态响应良好.其过程调节时间小于600ms,瞬态压力超调量o-在15%以内;而且通过改变节流Et的大小和先导液阻网络的节流阻尼螺塞参数.还可使过程调节时间得到相应的改变7,8l根据试验观测结果和上述动态指标值,可以判断:所设计的液压控制系统能较好地满足三峡永久船闸人字门及输水阀门启闭机这种庞大设备的运行要求.5结论三峡永久船闸

21、液压启闭机自2003年6月16日投入使用以来.运行平稳,安全可靠.在中国的黄金水道上发挥着十分重要的社会和经济作用人字门的实际运行速度与给定的t曲线吻合.输水阀门工作正常,都达到了预期的效果.经过5年多的实际运行考验.可以得出以下结论:(1)具有高压大流量和电液比例控制特征的A4VSO250FE1D型比例泵具有优异的电气比例输出性能和响应性能.确保了液压系统具有良好的无级变速特性和较高的同步控制精度.(2)人字门启闭机采用液控限速平衡阀进行变载和反向负载控制.结合比例泵的功率适应控制,使闸门在复杂的运行工况下.能始终按设定的一t曲线平稳运行,体现了技术上的先进性(3)对于大功率的液压启闭机.采

22、用插装阀集成技术不仅可以提高启闭机的工作性能,而且液压系统体积小,无泄漏,维护方便.(下转第83页)第34卷第12期刘跃,等:狮泉河水电站引水,泄水建筑物工程布置设计浆.灌浆孔呈梅花形布置.间距3m.孔深6m进口塔右侧设置与塔顶同高的混凝土挡墙.挡墙顶宽7.00Il1.长25.285m.中间设1道沉降缝.挡墙内设储门槽:挡墙后用砂砾石回填至坝顶高程(4318.0m)作为塔顶工作平台对外交通公路坝下廊道段,明渠段基础岩石比较破碎,属于类围岩,对基础进行固结灌浆.固结灌浆孔按梅花形布置.问排距为3mX3m.孑L深6m.泄水廊道及开敞段底板混凝土厚2nl,垂直水流方向设温度缝.缝间距10m.缝问设止

23、水存缝下设横向反滤排水软管西100nlm.再与纵向反滤排水软管连通排到下游.3.1溢洪道布置溢洪道为开敞式.担负主要泄洪任务.由溢流堰,泄槽段,出口消能段3部分组成.其进口位于进口塔靠山侧,全长213,612m,方位N7oE.堰顶高程4309.0m,进口净宽6m.(1)进水口.电站校核洪水位时,堰顶最大水头日为8.26m为减少堰顶可能出现的负压.不致发生破坏性空蚀和振动,定型设计水头取0.78疗一为6.5In.选定的堰面曲线:Y=0.10186X.溢流堰柱号(泄)0+004.570处设平板检修门.塔顶4318.00111高程布置移动式启闭机.与放空底孔,引水道检修门共用;弧形工作门.采用固定式

24、启闭机.启闭机排架设于塔顶,由上,下游柱,启闭机大梁及联系梁组成.启闭机平台高程4321.O0m(2)泄槽段.泄槽段分泄水廊道段与开敞段两部分.泄槽底坡/=0.05.泄水廊道段长57.835m.断面为城门洞形.为4mX5-5m(宽X高),直墙高4.5m,顶拱半径2.5m.中心角106.26.上覆混凝土厚1,5m.开敞段长95.98m,过流断面为矩形断面.底宽4m.边墙高7m(3)出口消能段.溢洪道采用挑流消能.起挑桩号(泄)【)+l84.79,起挑高程为4287.0m.挑角18o.反弧半径7Om.挑坎曲面末点桩号(泄)0+207.612.后接i=tg18o的斜面.中心线上挑坎末端高程4291.

25、55m.为避免水流直冲泄槽下游右岸洪坡积体.右边墙在挑坎段采用圆弧转弯将水流转向河床侧;左边墙留溢水缺口.解决小流量出流问题(上接第68页)(4)含污染控制,状态监测等在内的可靠性设计方法的运用,大大提高了液压系统的可靠性,并可延长设备的使用寿命(5)模型试验验证了三峡永久船闸液压启闭机液压系统设计的合理性和先进性,试验结果表明.系统的静,动态性能可满足启闭机的运行工况要求.为该系统投入实际应用奠定了科学基础(6)三峡永久船闸液压启闭机的成功运行.标志着液压技术在水利水电工程中的应用达到了一个新的高度.同时.也为大型船闸的启闭机设计积累了宝贵的经验参考文献:【1】张瑞凯,李云,徐新敏,等.三峡

26、多级船闸人字门液压启闭机运行方式优化试验研究报告R.南京水利科学研究院,1995.2】李云,徐新敏.三峡永久船闸人字门液压启闭机运行方式优化3_2放空底子L布置放空底孔系由施导流洞后期改建而成.洪水期配合泄洪.水库检修时有水库放空功能(1)进水1:3.放空底孔进水12I位于进15塔中下部,底板高程4290.2m.喇叭口尺寸7.6mx7.67Ill(宽高).进口采用四向收缩.上缘与两侧采用部分椭圆曲线.进口底板采用圆弧连接.半径lm进口桩号(泄)0+004.57处设平板检修闸门:弧形工作闸门孔口尺寸5mx4m(宽X高).距检修门槽5m.启闭机室设在塔身内.平台高程为4314.30i33.通过爬梯

27、上到塔顶(2)泄段槽.泄槽段分泄水廊道段与开敞段两部分,泄槽底坡0.02.泄水廊道长约60.5m,断面为城门洞形.尺寸5rex6m(宽X高),直墙高5m,顶拱半径R=3.625m,中心角87.206o.上覆混凝土厚1.5In.开敞段长91.0In.过流断面为矩形断面.断面底宽5m.边墙高度67ITI(3)出口消能段放空底孔采用挑流消能,起挑点桩号(泄)0+182.591,高程4287.0m,挑坎挑角20.,反弧半径=50m.挑坎曲面后接i=tg20o的斜面挑坎末端中心线处高程为4291.47131左边墙留5m长溢流缺口.以利小流量出槽.3.3水力学模型试验根据本工程推荐的泄水建筑物布置方案.通

28、过水二r模型试验.对泄水建筑物的设计进行了验证和进一步优化模型试验成果表明.泄水建筑物的泄流能力满足设计要求.泄水建筑物出口体形调整后水流归槽较好.并且避开了对下游洪坡积体的直接冲刷4结语在狮泉河水电站枢纽布置设计中.结合本丁程堤坝式开发的特点.引水,泄水建筑物的布置均采用坝下廊道穿过置于岩基上的基础混凝土.为防止坝下廊道与土石坝之间形成渗漏通道.在坝下廊道上设置了高塑性粘土.并在施T过程巾严格要求.从目前看.大坝已经蓄水半年,此部位未出现渗漏点;通过水力学模型试验验证.引水,泄水建筑物的布置是合理的.试验研究J.水利水运科学研究,2000(1):1-7.3魏文炜.三峡永久船闸重点启闭设备设计

29、研究IJ1.机械工程学报.2001.37(12):7982.XiongShaun.Researchandapplicationofelectro-hydrauliccontrolsystemonshiploekhoistforThreeGorgesPrectC.Proceedingsofthe4thInternationalSymposiumonFluidPowerTransmissionandControl,Wuhan,China,April2003,p457461.5】熊绍钧.=三峡工程液压启闭机的可靠性设计Jl_液压与气动,2007(7):3134.6雷天觉.液压工程手册【M.北京:机械工业出版社,1990.7】黄人豪,魏文炜,胡伟民,等.三峡永久船闸液压启闭机高压大流量无级变速系统研究报告【RI.中船重工第七0四研究所,2001年12月.【8】毛武荣,张围贤,黄人豪,等.启闭机液压系统的动态特性研究【JJ.机电设备,2004,2l(3):1519.WrterPowerVo1.34.No.12蕊