三峽水利樞紐永久船閘液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究

三峽水利樞紐永久船閘液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究

1啟動(dòng)機(jī)的液壓分析液壓機(jī)主要用于控制供水閥和人造門(mén)的運(yùn)行。1.1電-液比例的高壓大流量隨船輸水閥門(mén)屬于單吊反向弧門(mén),是典型的重力負(fù)載.其在運(yùn)行過(guò)程中,由于受水流壓力及負(fù)載力矩變化等因素的影響,在運(yùn)行過(guò)程中為變負(fù)載運(yùn)行,運(yùn)行中受動(dòng)水阻力及推力影響,工況復(fù)雜.這些工作特點(diǎn)要求液壓系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中能根據(jù)負(fù)載特性對(duì)負(fù)載變化進(jìn)行補(bǔ)償,滿(mǎn)足閥門(mén)在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性要求.在啟動(dòng)、停止過(guò)程中,因?qū)儆诖笾亓ω?fù)載,要求液壓系統(tǒng)能適應(yīng)負(fù)載的狀態(tài)變化,避免產(chǎn)生液壓沖擊.通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)、外在建和已建的船閘液壓系統(tǒng)的分析和比較,以及在長(zhǎng)江三峽臨時(shí)船閘工程實(shí)踐中取得的經(jīng)驗(yàn),采用電-液比例的高壓大流量通軸式軸向柱塞泵,作為無(wú)級(jí)變速的基本元件同基于“液阻理論”的二通插裝閥集成控制結(jié)構(gòu)相組合,組成對(duì)船閘輸水閥門(mén)和人字門(mén)啟閉機(jī)的高壓大流量無(wú)級(jí)變速是目前比較合理和先進(jìn)的方式.按這種組合方式形成的液壓系統(tǒng)作為三峽永久船閘液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的液壓系統(tǒng),已經(jīng)通過(guò)了三峽總公司組織的兩次專(zhuān)家審查并獲得了認(rèn)可.1.1.1油缸體系的設(shè)計(jì)輸水閥門(mén)油缸的二通插裝閥控制回路是擴(kuò)展型四通回路,用于對(duì)輸水閥門(mén)油缸進(jìn)行換向和進(jìn)、回油阻力控制.針對(duì)輸水閥門(mén)的豎缸布置及其運(yùn)動(dòng)特征,液壓回路使油缸的有桿腔在進(jìn)回油的設(shè)計(jì),為典型的方向和流量復(fù)合控制以及方向和壓力復(fù)合控制功能控制組件.當(dāng)油缸加壓下行一段距離到接近油缸行程終點(diǎn)和輸水閥門(mén)即將關(guān)閉時(shí)(例如高底坎200mm處),為防止反向弧門(mén)對(duì)閘門(mén)底坎的沖擊,通過(guò)增加油缸下腔的回油阻力使輸水閥門(mén)處于靠重力自行下降狀態(tài).這種采用并聯(lián)組合的二通插裝閥主級(jí)來(lái)組成油缸受控腔的排油阻力,是“液阻理論”在工程實(shí)踐中的一種重要應(yīng)用.1.2高壓大流量設(shè)計(jì)特點(diǎn)三峽人字門(mén)最大尺寸為高38.5m,寬20.2m,最大運(yùn)行淹沒(méi)水深達(dá)36m,工作及邊界條件復(fù)雜.液壓系統(tǒng)必須適應(yīng)高壓大流量的技術(shù)要求并保證與電氣聯(lián)動(dòng)的可靠性.1.2.1通插裝閥主級(jí)人字門(mén)控制回路也是一種典型的四通回路,在主級(jí)控制回路中,根據(jù)人字門(mén)油缸兩個(gè)受控腔的技術(shù)特征,分別采用主級(jí)通徑規(guī)格相異的控制組件,作為連接二臺(tái)比例泵輸出油路(高壓端)和油缸兩受控腔之間的控制液阻.采用不同規(guī)格的插裝閥主級(jí)來(lái)適應(yīng)不同的受控腔進(jìn)、回油,是二通插裝閥控制回路的主要技術(shù)特征之一,在大中型流量控制中,這是一種經(jīng)濟(jì)適用的方式.四個(gè)插裝閥主級(jí),由電磁閥、先導(dǎo)壓力閥和節(jié)流螺塞等液阻組成的先導(dǎo)控制液壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制.二通插裝閥主級(jí)的各方向控制功能以及開(kāi)、關(guān)時(shí)間、阻力的大小等功能,是可以通過(guò)先導(dǎo)液阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組合和控制調(diào)整的,這對(duì)適應(yīng)中大功率的液壓控制,具有很高的實(shí)用價(jià)值.人字門(mén)油缸的二通插裝閥主控制回路和電-液比例泵系統(tǒng),構(gòu)成了對(duì)人字門(mén)高壓大流量液壓系統(tǒng)優(yōu)良的無(wú)級(jí)變速運(yùn)行和控制.對(duì)人字門(mén)處于關(guān)終位或人字門(mén)運(yùn)行時(shí),受到動(dòng)水作用后,復(fù)雜多變的控制要求將進(jìn)一步由該結(jié)構(gòu)和人字門(mén)缸旁控制回路,即多級(jí)平衡控制組合起來(lái)實(shí)現(xiàn).1.2.2啟閉機(jī)操作條件輸水閥門(mén)啟閉機(jī)與人字門(mén)啟閉機(jī)共用一套液壓泵站和電氣控制柜,但兩者大部分時(shí)間不同時(shí)工作,只有短時(shí)間內(nèi)需同時(shí)工作.在船閘運(yùn)行期間,人字門(mén)啟閉機(jī)運(yùn)行時(shí)流量較大,需要兩臺(tái)比例變量泵同時(shí)供油.只有在輸水閥門(mén)啟閉機(jī)關(guān)門(mén)末段,在閘室水位計(jì)控制下人字門(mén)需要開(kāi)門(mén)運(yùn)行.此時(shí)輸水閥門(mén)啟閉機(jī)關(guān)門(mén)動(dòng)作可以由單獨(dú)一臺(tái)手動(dòng)變量泵來(lái)供油,而不影響人字門(mén)啟閉機(jī)的運(yùn)行.而在其余的時(shí)間內(nèi)輸水閥門(mén)與人字門(mén)錯(cuò)開(kāi)運(yùn)行.系統(tǒng)中人字門(mén)油缸和輸水閥門(mén)油缸的油路互相獨(dú)立,分別設(shè)置各自的保護(hù)支路,以適用兩者運(yùn)行時(shí)不同壓力等工作參數(shù)的要求,并防止相互干擾.2試驗(yàn)研究的重要參考價(jià)值對(duì)液壓系統(tǒng)的試驗(yàn)研究主要是結(jié)合產(chǎn)品的出廠(chǎng)試驗(yàn),著重對(duì)不同條件下控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)開(kāi)啟特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了大量的測(cè)試,取得一些具有重要參考價(jià)值的參數(shù),并加深了對(duì)控制的認(rèn)識(shí).試驗(yàn)取得的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)今后的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和研究也具有重要的參考價(jià)值.2.1各部分參數(shù)變化的影響1)輸水閥門(mén)運(yùn)行過(guò)程中負(fù)載階躍變化試驗(yàn);2)輸水閥門(mén)啟動(dòng)過(guò)程及停止過(guò)程;3)輸水閥門(mén)運(yùn)行過(guò)程中高速運(yùn)行轉(zhuǎn)慢速運(yùn)行的切換過(guò)程;4)部分參數(shù)變化對(duì)開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程的影響;5)模擬輸水閥門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉及過(guò)程試驗(yàn)(模擬弧門(mén))6)模擬人字門(mén)運(yùn)行過(guò)程試驗(yàn)(采用比例閥加載):控制裝置包括PLC可編程控制器,采用HY-EC100型PLC控制臺(tái).并配以相應(yīng)的控制回路元件.檢測(cè)裝置采用美國(guó)尼高力公司的Vision16通道檢測(cè)儀.其液壓試驗(yàn)裝置如下圖2所示.整體試驗(yàn)裝置如圖3所示.2.2穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性通過(guò)對(duì)輸水閥門(mén)和人字門(mén)實(shí)際產(chǎn)品在不同負(fù)載條件下的試驗(yàn),可以得到:1)輸水閥門(mén)和人字門(mén)液壓系統(tǒng)在試驗(yàn)條件下,全部試驗(yàn)曲線(xiàn)表明它們的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程是平穩(wěn)的,未出現(xiàn)異常情況.整個(gè)受試的控制回路具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng).無(wú)論是開(kāi)啟,還是關(guān)閉過(guò)程,其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間均小于500～600ms,而且通過(guò)改變節(jié)流口的大小和先導(dǎo)液阻網(wǎng)絡(luò)的節(jié)流阻尼螺塞參數(shù),還能使過(guò)程調(diào)節(jié)時(shí)間得到相應(yīng)的改變.2)試驗(yàn)還表明,作為上述控制結(jié)構(gòu)的基本元件,二通插裝閥控制組件具有優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,通過(guò)對(duì)曲線(xiàn)的分析可以了解閥芯的開(kāi)啟和關(guān)閉情況,完全能滿(mǎn)足輸水閥門(mén)和人字門(mén)控制回路的要求.3液壓系統(tǒng)的仿真分析對(duì)于根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)設(shè)計(jì)出的液壓系統(tǒng),僅知道所擬用的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)是不夠的,還要重視介于兩者之間的時(shí)域軌跡,知道系統(tǒng)響應(yīng)是否穩(wěn)定,響應(yīng)速度是否夠快,以及響應(yīng)是否振蕩.因此建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析十分必要.3.1通插裝閥“開(kāi)”與“關(guān)”的動(dòng)態(tài)仿真1)利用計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù),對(duì)所設(shè)計(jì)的啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真,研究系統(tǒng)在正常工作以及動(dòng)作切換狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性是否滿(mǎn)足工作要求.根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行一些項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn),與仿真結(jié)果進(jìn)行比較,以驗(yàn)證仿真模型的正確性.2)針對(duì)采用二通插裝閥組成的液壓系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的“瞬時(shí)失壓”對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響,對(duì)弧門(mén)上下行動(dòng)作切換過(guò)程中系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真研究,觀(guān)察“瞬時(shí)失壓”對(duì)系統(tǒng)的影響,提出對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)措施,并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)措施的可行性,為系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試提供理論依據(jù).傳統(tǒng)換向閥A、B工作口的“開(kāi)”與“關(guān)”是由機(jī)械同步完成的,但在插裝閥系統(tǒng)中,“開(kāi)”與“關(guān)”之間已沒(méi)有機(jī)械同步,完全由管道液容特性和插裝閥組的動(dòng)特性所左右,這正是插裝閥系統(tǒng)的特殊性.如何通過(guò)先導(dǎo)電磁閥通斷時(shí)間異步及各插裝閥阻尼器調(diào)節(jié),來(lái)達(dá)到二通插裝閥“開(kāi)”與“關(guān)”的匹配,無(wú)疑這是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段容易忽視或難以預(yù)測(cè)的問(wèn)題,也是系統(tǒng)調(diào)試工程師難以掌握的技術(shù).通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真來(lái)揭示二通插裝閥“開(kāi)”與“關(guān)”的失配將對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生什么不利影響,以及采取什么措施可以達(dá)到匹配等問(wèn)題.針對(duì)“失壓”現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理,有一些解決措施.通過(guò)合理調(diào)節(jié)插裝閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)(液阻、閥芯行程、彈簧剛度)可以改善系統(tǒng)的“瞬時(shí)失壓”現(xiàn)象.還可以采用不對(duì)稱(chēng)液阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)改善系統(tǒng)性能.見(jiàn)圖6,當(dāng)CV01關(guān),CV02開(kāi)時(shí),先使CV01的先導(dǎo)控制閥動(dòng)作,等CV01接近關(guān)閉后,再使CV02的先導(dǎo)控制閥動(dòng)作,讓它開(kāi)啟,這樣可阻止高壓腔與低壓腔的瞬時(shí)短路,也就避免了系統(tǒng)的“瞬時(shí)失壓”出現(xiàn).3)對(duì)長(zhǎng)管道給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性帶來(lái)的影響進(jìn)行初步的研究,觀(guān)察在長(zhǎng)管道情況下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的變化以及是否系統(tǒng)能滿(mǎn)足工作要求.3.2仿真方法與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1)對(duì)二通插裝閥動(dòng)態(tài)仿真模型進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā),建立了便于參數(shù)修改,可重復(fù)使用的元件仿真模型庫(kù),為今后液壓系統(tǒng)仿真打下良好的基礎(chǔ).2)運(yùn)用節(jié)點(diǎn)法建立液壓系統(tǒng)仿真模型,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可行性,證明用節(jié)點(diǎn)法建模進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真是一種很有效的方法.3)針對(duì)由二通插裝閥組成的液壓系統(tǒng),研究了二通插裝閥“開(kāi)”與“關(guān)”的失配給系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響.提出了解決措施并通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真證明