一种带自解锁功能的液压启闭机锁定装置设计

引言

液压启闭机作为一种重要的起重设备,因为有着结构紧凑、功率密度大、自动化程度高等优势,在水利水电工程中担任着不可或缺的重要角色。启闭机通过操作控制闸门的启闭达到控制水流的目的,在很多情况下,闸门需要在全开状态下保持长时间不动作,这时,由于油缸存在着不可避免的内泄漏,在重力作用下闸门就会下滑。在液压启闭机操作流程上虽然有下滑一定高程后自动提升复位的动作,但前提条件是电液控设备都要保持在通电状态,这与电站运行条件可能存在冲突,也存在安全隐患。通常的做法,是采用一个机械锁定装置将闸门锁定,以防止闸门下滑。

1常用的液压启闭机机械锁定装置

机械锁定装置可以采用直接锁定闸门的方式。在液压启闭机中更常用的是采用锁定油缸活塞杆的方式来锁定闸门(图1)。

图1为常用的液压启闭机锁定装置,两个锁定油缸对称布置在主缸两侧。其锁定过程为:当主缸活塞杆运动到最上端位置后,闸门全部开启到位;左右两边的锁定油缸油口A2同时进油,推动锁定缸活塞杆伸出,使锁定叉抱住主缸活塞杆。主缸活塞杆下部连接闸门,在重力作用下,主油缸的正常内泄漏会造成活塞杆及闸门下滑。当锁定叉锁定后,由于其挡住了主缸活塞杆顶部的台阶,闸门不会继续下落,从而实现了锁定功能。当需要关闭闸门时,先执行解锁动作:锁定油缸油口A1进油,锁定缸活塞杆缩回,锁定叉脱离主缸活塞杆台阶,实现解锁。锁定油缸的进油和排油通过锁定缸控制油路完成,锁定缸控制回路与液压启闭机主控制油路集成在一个液压控制泵站上。

在笔者参与的某项目中,业主工程师提出一个特殊的要求:如果锁定控制回路由于某种原因失效而不能成功解锁的时候,要能够不依靠外部辅助人力,只依靠主油缸自身的正常闭门力就能强行解锁,实现闭门。

由图1可以看出,在锁定状态下,锁定叉挡住主缸活塞杆台阶,使主缸活塞杆不能向下运动,此时如果强行向主油缸上腔施加油压,除非主活塞杆台阶或者锁定叉中的一个被强行破坏,主活塞杆是不可能伸出的。为了满足业主工程师提出的这个要求,本文提出了一种在现有装置基础上进行改进的方案。

2对锁定油缸结构的改进

为了实现依靠主油缸正常闭门力强行解锁的功能,在原有锁定方式基础上,对锁定油缸进行了重新设计(图2)。

重新设计的锁定油缸同样采用两侧对称布置,图2为单侧锁定油缸结构图。锁定油缸采用多级缸结构,工作原理如下:油口C外接一个压力源,通过压力源提供的油液使油腔M保持一定的压力,将活塞二始终压紧在活塞一右侧的端盖上,活塞二与外部锁定叉通过杆连接。

在正常工况下:液压系统锁定控制回路控制油口A和B的进油和排油,使活塞一带动活塞二左右运动,进而带动锁定叉实现锁定和解锁功能。

当锁定控制回路出现故障不能正常解锁,即活塞一不能正常动作时:直接执行启闭机主油缸的闭门操作,此时主缸活塞腔压力将逐渐上升到额定闭门压力,并通过孔系D作用到活塞二的右端面,克服M腔压力、锁定叉与主缸活塞杆台阶处的摩擦力以及其他阻力,推动活塞二及锁定叉向左运动,实现非正常工况下的解锁动作。

3锁定缸结构尺寸及计算

锁定缸能否正常动作决定了锁定装置是否能够正常运行,其关键点如下:

(1)在正常工况下,锁定缸油腔M应保持恒定压力,使活塞二始终紧贴端盖,通过活塞一的运动才能够带动活塞二,实现锁定和解锁,不会产生解锁误动作。

(2)在非正常工况下,活塞二能够在启闭机额定闭门力的作用下单独向左运动,实现解锁。

要实现这两点,重点在于活塞二直径尺寸的选择和确定:直径太小,在额定闭门力作用下,不能在活塞二右端面产生足够的推力,推动其向左动作:直径太大,有可能在很低的压力下即产生误动作,且整个锁定油缸尺寸会过大。

下面用一个实例来计算说明活塞二直径尺寸的确定方法。

3.1启闭机基本参数

启闭机基本参数如表1所示。

3.2参数设置和计算

(1)液压启闭机运行过程中,为了保证其运行的稳定性,通常在液压系统中设置一定的背压,一般设置不高于lMPa。为保险起见,这里取l.5MPa,即:锁定油缸在背压Pb=l.5MPa时不能有误动作,否则锁定装置在正常启门到最高位置时,锁定叉可能会在背压作用下始终处于解锁位置。

(2)按照设计要求,锁定油缸在额定闭门力作用下要能够可靠解锁,即:在P2作用下要能够使锁定油缸动作。为保证可靠性,这里取P2=l0MPa时锁定缸活塞二就能够开始动作。

(3)在闭门力作用下,主缸活塞杆台阶与锁定叉之间、锁定叉与主油缸上端盖滑槽之间的总摩擦力Ff是锁定缸解锁时需要克服的主要阻力。摩擦力计算如下:

式中,μ为摩擦系数,油缸零部件材质一般都选用钢材,且有充分润滑,这里μ取为0.2:N为摩擦副上的正压力,当P2=l0MPa时,N=33l6.7kN。

计算得:Ff=663.3kN。

(4)对于锁定缸内密封件及其他因素产生的摩擦阻力,因为这里的摩擦阻力难以量化,且力大小处于变化中,这里按摩擦阻力产生的最大压力损失P0=0.5MPa取值。

(5)综上,要满足以上(l)(2)两个条件,需满足以下不等式方程组:

式中,Pb为启闭机工作时塞腔背压,这里取Pb=l.5MPa:A为活塞二端面面积:Pm为油腔M内的压力:P0为密封件摩擦阻力等产生的等效压力损失,取P0=0.5MPa:P2为强行闭门时的塞腔压力,这里取P2=l0MPa:Ff为锁定叉处的摩擦阻力,这里Ff=663.3kN。

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

3.3其他说明

(1)如前文所述,为保证锁定油缸正常动作,需要给锁定缸油腔M提供恒定的压力,且满足以下要求:

1)在正常工况下,油腔M的压力应保持设定的恒定压力,使活塞二始终压紧在端盖上,以免出现误动作:

2)在自解锁工况下,活塞二从最右端锁定位置运动到最左端解锁位置的过程中,油腔M内的压力也不能有明显的升高,否则有可能导致阻力过大而解锁失败。

活塞二的行程将近l00mm,容积为8L左右,要满足这两个要求,采用蓄能器+溢流阀是最经济可靠、不需要外部动力的实现手段。其中溢流阀的溢流压力设定为2MPa,蓄能器工作容积经计算应不小于50L,具体计算过程在此不再赘述。但每使用一次,都需要对蓄能器进行重新充液。

(2)改进后的锁定油缸自解锁功能的实现,其实是依靠主油缸闭门力产生的压力驱动活塞二来完成的,因此,这种解锁装置只能运用于具有闭门力的液压启闭机中。

4结语

本文所述带自解锁功能的液压启闭机锁定装置设计方案为解决客户提出的要求提出了一种设计思路,已作为备选方案之一在工程实践中加以考虑。但是,可以看到,这种改进的锁定油缸还存在着结构复杂、尺寸比普通锁定油缸大很多等问题,还有待进一步研究。

液压启闭机作为水电站重要的金属结构设备,其正常运行需要厂家提供优质的设备,更需要电站运维的正确使用、精心维护和保养,不管多好的设备,如果没有正确的使用和及时的保养,都难免出现故障。本文机械锁定装置的自解锁功能,作为一种应急状态下的手段,不仅对液压启闭机设备本身有一定的损坏,不应该成为正常操作流程的一部分被经常使用,而且支持这个解锁装置运行,还需要一个单独的蓄能器回路,在解决前一个问题的同时,很有可能带来另一个故障点。因此,设备的运行维护还是要及时发现问题,解决问题,将故障消灭在萌芽状态,这才是正确的解决之道。