引言

液壓啟閉機作為一種重要的起重設備,因為有著結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大、自動化程度高等優(yōu)勢,在水利水電工程中擔任著不可或缺的重要角色。啟閉機通過操作控制閘門的啟閉達到控制水流的目的,在很多情況下,閘門需要在全開狀態(tài)下保持長時間不動作,這時,由于油缸存在著不可避免的內(nèi)泄漏,在重力作用下閘門就會下滑。在液壓啟閉機操作流程上雖然有下滑一定高程后自動提升復位的動作,但前提條件是電液控設備都要保持在通電狀態(tài),這與電站運行條件可能存在沖突,也存在安全隱患。通常的做法,是采用一個機械鎖定裝置將閘門鎖定,以防止閘門下滑。

1常用的液壓啟閉機機械鎖定裝置

機械鎖定裝置可以采用直接鎖定閘門的方式。在液壓啟閉機中更常用的是采用鎖定油缸活塞桿的方式來鎖定閘門(圖1)。

圖1為常用的液壓啟閉機鎖定裝置,兩個鎖定油缸對稱布置在主缸兩側(cè)。其鎖定過程為:當主缸活塞桿運動到最上端位置后,閘門全部開啟到位;左右兩邊的鎖定油缸油口A2同時進油,推動鎖定缸活塞桿伸出,使鎖定叉抱住主缸活塞桿。主缸活塞桿下部連接閘門,在重力作用下,主油缸的正常內(nèi)泄漏會造成活塞桿及閘門下滑。當鎖定叉鎖定后,由于其擋住了主缸活塞桿頂部的臺階,閘門不會繼續(xù)下落,從而實現(xiàn)了鎖定功能。當需要關閉閘門時,先執(zhí)行解鎖動作:鎖定油缸油口A1進油,鎖定缸活塞桿縮回,鎖定叉脫離主缸活塞桿臺階,實現(xiàn)解鎖。鎖定油缸的進油和排油通過鎖定缸控制油路完成,鎖定缸控制回路與液壓啟閉機主控制油路集成在一個液壓控制泵站上。

在筆者參與的某項目中,業(yè)主工程師提出一個特殊的要求:如果鎖定控制回路由于某種原因失效而不能成功解鎖的時候,要能夠不依靠外部輔助人力,只依靠主油缸自身的正常閉門力就能強行解鎖,實現(xiàn)閉門。

由圖1可以看出,在鎖定狀態(tài)下,鎖定叉擋住主缸活塞桿臺階,使主缸活塞桿不能向下運動,此時如果強行向主油缸上腔施加油壓,除非主活塞桿臺階或者鎖定叉中的一個被強行破壞,主活塞桿是不可能伸出的。為了滿足業(yè)主工程師提出的這個要求,本文提出了一種在現(xiàn)有裝置基礎上進行改進的方案。

2對鎖定油缸結(jié)構(gòu)的改進

為了實現(xiàn)依靠主油缸正常閉門力強行解鎖的功能,在原有鎖定方式基礎上,對鎖定油缸進行了重新設計(圖2)。

重新設計的鎖定油缸同樣采用兩側(cè)對稱布置,圖2為單側(cè)鎖定油缸結(jié)構(gòu)圖。鎖定油缸采用多級缸結(jié)構(gòu),工作原理如下:油口C外接一個壓力源,通過壓力源提供的油液使油腔M保持一定的壓力,將活塞二始終壓緊在活塞一右側(cè)的端蓋上,活塞二與外部鎖定叉通過桿連接。

在正常工況下:液壓系統(tǒng)鎖定控制回路控制油口A和B的進油和排油,使活塞一帶動活塞二左右運動,進而帶動鎖定叉實現(xiàn)鎖定和解鎖功能。

當鎖定控制回路出現(xiàn)故障不能正常解鎖,即活塞一不能正常動作時:直接執(zhí)行啟閉機主油缸的閉門操作,此時主缸活塞腔壓力將逐漸上升到額定閉門壓力,并通過孔系D作用到活塞二的右端面,克服M腔壓力、鎖定叉與主缸活塞桿臺階處的摩擦力以及其他阻力,推動活塞二及鎖定叉向左運動,實現(xiàn)非正常工況下的解鎖動作。

3鎖定缸結(jié)構(gòu)尺寸及計算

鎖定缸能否正常動作決定了鎖定裝置是否能夠正常運行,其關鍵點如下:

(1)在正常工況下,鎖定缸油腔M應保持恒定壓力,使活塞二始終緊貼端蓋,通過活塞一的運動才能夠帶動活塞二,實現(xiàn)鎖定和解鎖,不會產(chǎn)生解鎖誤動作。

(2)在非正常工況下,活塞二能夠在啟閉機額定閉門力的作用下單獨向左運動,實現(xiàn)解鎖。

要實現(xiàn)這兩點,重點在于活塞二直徑尺寸的選擇和確定:直徑太小,在額定閉門力作用下,不能在活塞二右端面產(chǎn)生足夠的推力,推動其向左動作:直徑太大,有可能在很低的壓力下即產(chǎn)生誤動作,且整個鎖定油缸尺寸會過大。

下面用一個實例來計算說明活塞二直徑尺寸的確定方法。

3.1啟閉機基本參數(shù)

啟閉機基本參數(shù)如表1所示。

3.2參數(shù)設置和計算

(1)液壓啟閉機運行過程中,為了保證其運行的穩(wěn)定性,通常在液壓系統(tǒng)中設置一定的背壓,一般設置不高于lMPa。為保險起見,這里取l.5MPa,即:鎖定油缸在背壓Pb=l.5MPa時不能有誤動作,否則鎖定裝置在正常啟門到最高位置時,鎖定叉可能會在背壓作用下始終處于解鎖位置。

(2)按照設計要求,鎖定油缸在額定閉門力作用下要能夠可靠解鎖,即:在P2作用下要能夠使鎖定油缸動作。為保證可靠性,這里取P2=l0MPa時鎖定缸活塞二就能夠開始動作。

(3)在閉門力作用下,主缸活塞桿臺階與鎖定叉之間、鎖定叉與主油缸上端蓋滑槽之間的總摩擦力Ff是鎖定缸解鎖時需要克服的主要阻力。摩擦力計算如下:

式中,μ為摩擦系數(shù),油缸零部件材質(zhì)一般都選用鋼材,且有充分潤滑,這里μ取為0.2:N為摩擦副上的正壓力,當P2=l0MPa時,N=33l6.7kN。

計算得:Ff=663.3kN。

(4)對于鎖定缸內(nèi)密封件及其他因素產(chǎn)生的摩擦阻力,因為這里的摩擦阻力難以量化,且力大小處于變化中,這里按摩擦阻力產(chǎn)生的最大壓力損失P0=0.5MPa取值。

(5)綜上,要滿足以上(l)(2)兩個條件,需滿足以下不等式方程組:

式中,Pb為啟閉機工作時塞腔背壓,這里取Pb=l.5MPa:A為活塞二端面面積:Pm為油腔M內(nèi)的壓力:P0為密封件摩擦阻力等產(chǎn)生的等效壓力損失,取P0=0.5MPa:P2為強行閉門時的塞腔壓力,這里取P2=l0MPa:Ff為鎖定叉處的摩擦阻力,這里Ff=663.3kN。

按式①得:Pm>lMPa,這里取Pm=2MPa,代入公式②得:A>99408mm2:按A=99408mm2計算得活塞二直徑D2=3l5.3mm,圓整后取D2=320mm。

3.3其他說明

(1)如前文所述,為保證鎖定油缸正常動作,需要給鎖定缸油腔M提供恒定的壓力,且滿足以下要求:

1)在正常工況下,油腔M的壓力應保持設定的恒定壓力,使活塞二始終壓緊在端蓋上,以免出現(xiàn)誤動作:

2)在自解鎖工況下,活塞二從最右端鎖定位置運動到最左端解鎖位置的過程中,油腔M內(nèi)的壓力也不能有明顯的升高,否則有可能導致阻力過大而解鎖失敗。

活塞二的行程將近l00mm,容積為8L左右,要滿足這兩個要求,采用蓄能器+溢流閥是最經(jīng)濟可靠、不需要外部動力的實現(xiàn)手段。其中溢流閥的溢流壓力設定為2MPa,蓄能器工作容積經(jīng)計算應不小于50L,具體計算過程在此不再贅述。但每使用一次,都需要對蓄能器進行重新充液。

(2)改進后的鎖定油缸自解鎖功能的實現(xiàn),其實是依靠主油缸閉門力產(chǎn)生的壓力驅(qū)動活塞二來完成的,因此,這種解鎖裝置只能運用于具有閉門力的液壓啟閉機中。

4結(jié)語

本文所述帶自解鎖功能的液壓啟閉機鎖定裝置設計方案為解決客戶提出的要求提出了一種設計思路,已作為備選方案之一在工程實踐中加以考慮。但是,可以看到,這種改進的鎖定油缸還存在著結(jié)構(gòu)復雜、尺寸比普通鎖定油缸大很多等問題,還有待進一步研究。

液壓啟閉機作為水電站重要的金屬結(jié)構(gòu)設備,其正常運行需要廠家提供優(yōu)質(zhì)的設備,更需要電站運維的正確使用、精心維護和保養(yǎng),不管多好的設備,如果沒有正確的使用和及時的保養(yǎng),都難免出現(xiàn)故障。本文機械鎖定裝置的自解鎖功能,作為一種應急狀態(tài)下的手段,不僅對液壓啟閉機設備本身有一定的損壞,不應該成為正常操作流程的一部分被經(jīng)常使用,而且支持這個解鎖裝置運行,還需要一個單獨的蓄能器回路,在解決前一個問題的同時,很有可能帶來另一個故障點。因此,設備的運行維護還是要及時發(fā)現(xiàn)問題,解決問題,將故障消滅在萌芽狀態(tài),這才是正確的解決之道。