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1、11#泄洪排沙洞液压启闭机液压系统设备设计、计算说明书泄洪排沙洞液压启闭机液压系统设备设计、计算说明书1、设备技术参数及技术要求额定启门力：F1=4500KN 额定闭门力：F2=1200KN启门速度：V10.6m/min 油缸内径：D=680mm 活塞杆直径：d=380mm 油缸工作行程：L=11100mm 油缸最大行程：L0=11500mm2、油缸控制回路设计、计算说明2.1 主机控制回路压力、流量的计算：油缸有杆腔面积 S1=（D -d ）/4=0.25dm油缸无杆腔面积 S2=D /4=0.363dm油缸无杆腔与有杆腔面积比 =S2/S1=1.45油缸启门油压 P1=F1/S1=4.5/
2、（0.2510）=18MPa油缸闭门油压 P2=F2/S2=1.2/（36.310）=3.3MPa油缸启门时有杆腔流量 Q1=60.25=150L/min油缸启门时无杆腔流量 Q1=1.45150=217.5L/min油缸提升时有杆腔流量 Q1=7.434.34=254L/min油缸下降时无杆腔流量 Q1=1.46254=370.8L/min油缸闭门时无杆腔流量 Q2=550.24=251L/min2.5 控制组件的设置 压力继电器 SP2-用于主机启门超压保护，当系统启门压力超过额定启门工作压力时，压力继电器向主控系统发出信号，主控报警。2压力继电器 SP3-用于主机有杆腔失压保护，当闸门启
3、门过程中，因管路破裂等原因而引起的系统压力下降时，压力继电器向主控系统发出信号，主控报警停机。压力继电器 SP4-用于主机闭门超压保护，当系统闭门压力超过额定闭门工作压力时，压力继电器向主控系统发出信号，主控报警。压力继电器 SP5-用于副机提升超压保护，当系统启门压力超过额定工作压力时，压力继电器向主控系统发出信号，主控报警。压力继电器 SP6-用于副机提升失压保护，当油缸提升过程中，因管路破裂而引起的系统压力下降时，压力继电器向主控系统发出信号，主控报警停机。压力继电器 SP7-副机下降超压保护，当油缸下降压力超过额定工作压力时，压力继电器向主控系统发出信号，主控报警。压力继电器 SP8-
4、用于蓄能器超压上限控制，当充液压力超过 16MPa时，压力继电器向主控系统发出信号，充液泵停机。压力继电器 SP9-用于蓄能器低压下限控制，当充液压力低于 10MPa时，压力继电器向主控系统发出信号，充液泵启动。闸门开度检测装置 BQ1-BQ2-主机、副机油缸各设置一套闸门开度检测装置。 行程开关 SK1、SK2、SK3、SK4、SK5-用于分别发出主机、副机油缸位置信号，使主控对液压系统进行控制。2.6 动作原理简述启动油泵电机组前 YV1 先得电，随后空载启动液压泵站油泵电机组M1、M2，电机启动后延时 4 秒，YV1 断电系统升压。启门操作时，YV3、YV5 带3电，系统压力油经机旁阀组
5、插装阀至油缸有杆腔，液压启闭机启门。启门过程中由闸门开度检测装置和闸门位置检测装置发出的闸门位置信号送到本现地控制站的PLC 中，由 PLC 处理这些信号实现闸门任意开度或开终的控制。启门压力由溢流插装阀先导压力阀（件 52.1）调定。启动油泵电机组前 YV1 先得电，随后空载启动液压泵站油泵电机组 M1、M2，电机启动后延时 4 秒，YV1 断电系统升压。闭门操作时，YV2、YV4 带电，当闭门压力达到平衡阀控制压力，平衡阀打开，油缸下腔油液经平衡阀、机旁阀组溢流回油箱，液压启闭机运行闭门动作。闭门过程中由闸门开度检测装置和闸门位置检测装置发出的闸门位置信号送到本现地控制站的 PLC 中，由
6、 PLC 处理这些信号实现闸门任意关度或关终的控制，闭门压力由溢流插装阀的先导压力阀调定，闭门时，由于可能有液动力的作用，会使上腔所承受负载忽大忽小，为保护油缸有杆腔所承受载荷在其工作范围内，弧门下降到底坎时 YV4 断电，YV2 延时 2 秒断电,使压力油完全释放。2.7 重点问题分析2.7.1 关于采用压力式平衡阀方式进行油缸动作控制分析启闭机油缸控制回路主要压力、方向组件采用了插装阀结构。其中启闭机油缸下腔采用了 BERINGER 公司生产的 CINDY20 型平衡阀来实现启闭机油缸的定位及平稳启闭门。由于闸门在闭门过程中，会受高水头水流冲力作用，受力较大，且无规律。所以油缸活塞杆承受的
7、拉力在闭门过程中也处于一种不稳定状态。为此液压控制回路如何适应该负载，在闸门启、闭全过程中始终保持平稳动作是液压系统控制原理设计的关键。2.7.1.1 当闸门由全开位闭门时，YV2、YV4 同时得电，此时油缸上腔开始升压，4随着压力上升，平衡阀的开口逐渐加大，油缸开始下落。当压力上升至某一值时,平衡阀的开口正好满足油缸以上腔给定流量下的动态平衡速度下降，平衡阀保持该开口，油缸匀速下降闭门。闸门由全开至全闭过程中，随着闸门开度的减小，油缸负载值亦随着变化。此时上一次油缸的动平衡被打破，平衡阀在先导压力作用下随时调整开口，实现又一次动态平衡、油缸仍以上腔给定流量下的速度匀速下降。在此过程中，因为平
8、衡阀的选型在通过 172lmin 流量(闭门时通过平衡阀的流量)时其P 值为 0.7MPa.而闸门实际作用在平衡阀上的 P 值远远大于该值，所以油缸上腔压力（即平衡阀先导压力）小于平衡阀全开口压力 2.8MPa。因水动力作用，油缸活塞杆上作用的负载力会发生振荡，同时负载力开始变向。根据该阀的结构特点来看其阶跃响应特性在 200ms 左右、频响特性在 5HZ 左右。所以闸门因水动力作用而发生的振荡频率小于 5HZ 时，闸门是可以依靠平衡阀开口的瞬时调节，实现油缸全开位至全关位全过程的动态力平衡，保持油缸的匀速下降。同理，当油缸活塞杆负载变向后，闸门是可以依靠平衡阀开口的调节保持油缸的匀速下降。若
9、在此阶段闸门作用在油缸上的负载振荡频率较高时（5HZ 以上） ，平衡阀将无法响应其负载变化，从而造成油缸的振荡和串动。由于下腔有 0.5 MPa 的背压。经过平衡阀调整，油缸保持一个动平衡下降。2.7.1.2 启闭机油缸由全开至全闭过程中，油缸上腔最高压力为 3.3Mpa，即使闸门闭至底坎，油缸上腔压力仍不高于 3.3Mpa。此时，油缸活塞杆受压力值低于油缸活塞杆的要求。所以即使闸门闭至底坎后油缸仍以 3.3Mpa 上腔压力施压的情况下，对油缸和闸门没有损害。2.7.2 平衡阀（件 23）在液压系统中也可用于防止管路破裂后液压缸的失速下落。5在闭门动作中，平衡阀的开口量会随着外负载的变化而变化
10、，保证油缸按设定速度平稳关闭。在启门动作中，如果机旁阀组到缸旁阀组油缸有杆腔管路破裂，平衡阀会立即关启，油缸停止动作。2.7.3 油缸启门和闭门时每套油缸设置的闸门开度检测装置均向 PLC 发出闸门的位置信号，PLC 采集并处理这些信号，以供主控室控制系统。3 液压泵站设计计算说明3.1 计算：3.1.1 系统额定工作压力、最大工作流量，电机功率的计算系统额定工作压力：P=nP1（1+P)式中 n安全系数，取 1.2P系统中的总压力损失，本系统取主、副机最高额定工作压力的 5%P1主副机中额定最高工作压力P=1.218（10.05）=23MPa3.1.2 液压泵站流量计算：根据招标文件的要求，
11、本液压系统泵站要求设置 2 台主油泵，互为备用。油泵最大工作流量 Q=KQ1/2式中 K系统的泄漏系数，取 1.1Q1主副机所需最大工作流量。Q=1.1150=165L/min3.1.3 主油泵电机功率计算：电机功率 N=PQ/（612）式中 油泵、电机机械效率，取 0.856N=200140/（6120.85）=53.8KW根据以上计算可以选定电机型号为 Y250M-4-B35 功率： 55KW 转速：1480rpm3.1.4 油箱容积的计算：油箱的容积应满足液压启闭机的油缸正常工作和维修的工况油箱容积 V=1.25(V1+V2+V3)式中：V1 取泵流量的 4 倍，V1=4Q=1120LV
12、2 取主机油缸检修时的最大排油量 V2=S2L0=4418 LV3 取副机油缸正常工作时吐油量与吸油量之差。 V3=（S2-S1）L=477 L，所以，液压泵站 油箱容积为 V=7519L 油箱容积取为 V=7.5M33.1.5 液压系统热平衡的说明液压系统的发热源由液压泵的机械损耗、液压系统的高压溢流、液压系统管路的压力损失产生。因为液压泵选用的手动变量柱塞泵，其机械效率较高，泵输出的流量几乎全部用来提供油缸的工作，系统高压溢流较少。经计算启闭机在一个动作（启或闭）过程中，系统发热量造成的油箱油温升仅 3，所以液压系统泵站可不设置冷却装置。3.2 控制组件的设置加热器 EH-用于加热油箱油液
13、温度，其开关由温度继电器经主控控制。压力继电器 SP1-用于系统超压保护，当系统压力高于系统最大工作压力时，压力继电器 SP1 发讯，向主控系统报警。7回油过滤油器的压差发讯器 SF1-当回油滤油器进出口压差大于 0.2MPa 时，压差发讯器报警。表示回油过滤油器堵塞，需要更换滤芯。液位继电器 SL1-SL3-实现对油箱高液位报警、低液位发讯，极低液位停机的控制。温度继电器 WJ1-WJ2-输出开关量信号，实现加热器开（低于 15） 、加热器停（高于 30） 、高油温（高于 60）报警的控制。3.3 动作原理简介：二台手动变量柱塞泵同时工作，一台备用，启动油泵电机组前电磁铁 YV1 先带电，随
14、后空载启动油泵电机组 M1、M2，延时 4 秒后，YV1 断电，系统升压。系统的流量由手动变量柱塞泵调定。系统压力由溢流插装阀的先导阀（件 15）调定，系统回油经过回油滤油器(件 3)回油箱。3.4 重点问题分析在闸门的任意开度上，因泄漏而使闸门（油缸）下滑量大于 200mm 时，电控系统发出声、光信号，并自动启动液压泵站将闸门重新开启至设定高度。4、高位油箱补油回路的设计计算说明4.1 容积的计算：高位油箱的容积至少应保证油缸因泄漏下滑 300mm 时无杆腔油液的补充，以免造成无杆腔的吸空。主副机油缸下滑 300mm 时，油缸上腔补油量 V=3S=150L考虑安全系数，取高位油箱总容积 V=
15、4V=600L4.2 高位油箱补油的动作说明：当高位油箱中的油液位置到达液位继电器的下极限点时，液位继电器发讯，8补油电机启动，向高位油箱补油。液位继电器设置了两个高位发讯点，当补油油位达液位继电器的上位时，液位继电器发讯，补油电机停止，高位油箱停止补油。当到达上极限位时，继电器发讯，报警，停机。为防止继电器损坏后，油液溢流，补油泵启动后延时 5 分钟需自动停止，并报警，同时显示补油系统故障信号。4.3 高位油箱控制组件的设置：液位继电器（SL4-SL9 监测高位油箱液位）-液位继电器向主控室发送上极限位、高、低液位三路开关信号，供主控室监测高位油箱液位变化，启动或关闭补油泵。5 液压系统管路管径的设计计算5.1 油缸 A 口（接油缸有杆腔） 、B 口（接油缸无杆腔）油缸管径的计算油缸管路通过的最大流量为油缸启门时无杆腔的排油流量（油缸 B 口） ，根据SL41 标准取回油流速为 V=2.5m/s油缸 B 腔油管的内径 d1=4.63370/2.5 =55mm油缸 A 腔油管的内径 d2=4.63172/2.5 =38.4mm油缸 B、A 口油管的壁厚 1（2） （ Pgd）/2（）式中 Pg 油管最大工作压力，取
