三峡水利枢纽永久船闸液压启闭机液压系统的动态特性研究

三峡水利枢纽永久船闸液压启闭机液压系统的动态特性研究

1启动机的液压分析液压机主要用于控制供水阀和人造门的运行。1.1电-液比例的高压大流量随船输水阀门属于单吊反向弧门,是典型的重力负载.其在运行过程中,由于受水流压力及负载力矩变化等因素的影响,在运行过程中为变负载运行,运行中受动水阻力及推力影响,工况复杂.这些工作特点要求液压系统在运行过程中能根据负载特性对负载变化进行补偿,满足阀门在运行过程中的稳定性要求.在启动、停止过程中,因属于大重力负载,要求液压系统能适应负载的状态变化,避免产生液压冲击.通过对国内、外在建和已建的船闸液压系统的分析和比较,以及在长江三峡临时船闸工程实践中取得的经验,采用电-液比例的高压大流量通轴式轴向柱塞泵,作为无级变速的基本元件同基于“液阻理论”的二通插装阀集成控制结构相组合,组成对船闸输水阀门和人字门启闭机的高压大流量无级变速是目前比较合理和先进的方式.按这种组合方式形成的液压系统作为三峡永久船闸液压启闭机的液压系统,已经通过了三峡总公司组织的两次专家审查并获得了认可.1.1.1油缸体系的设计输水阀门油缸的二通插装阀控制回路是扩展型四通回路,用于对输水阀门油缸进行换向和进、回油阻力控制.针对输水阀门的竖缸布置及其运动特征,液压回路使油缸的有杆腔在进回油的设计,为典型的方向和流量复合控制以及方向和压力复合控制功能控制组件.当油缸加压下行一段距离到接近油缸行程终点和输水阀门即将关闭时(例如高底坎200mm处),为防止反向弧门对闸门底坎的冲击,通过增加油缸下腔的回油阻力使输水阀门处于靠重力自行下降状态.这种采用并联组合的二通插装阀主级来组成油缸受控腔的排油阻力,是“液阻理论”在工程实践中的一种重要应用.1.2高压大流量设计特点三峡人字门最大尺寸为高38.5m,宽20.2m,最大运行淹没水深达36m,工作及边界条件复杂.液压系统必须适应高压大流量的技术要求并保证与电气联动的可靠性.1.2.1通插装阀主级人字门控制回路也是一种典型的四通回路,在主级控制回路中,根据人字门油缸两个受控腔的技术特征,分别采用主级通径规格相异的控制组件,作为连接二台比例泵输出油路(高压端)和油缸两受控腔之间的控制液阻.采用不同规格的插装阀主级来适应不同的受控腔进、回油,是二通插装阀控制回路的主要技术特征之一,在大中型流量控制中,这是一种经济适用的方式.四个插装阀主级,由电磁阀、先导压力阀和节流螺塞等液阻组成的先导控制液压网络进行控制.二通插装阀主级的各方向控制功能以及开、关时间、阻力的大小等功能,是可以通过先导液阻网络进行组合和控制调整的,这对适应中大功率的液压控制,具有很高的实用价值.人字门油缸的二通插装阀主控制回路和电-液比例泵系统,构成了对人字门高压大流量液压系统优良的无级变速运行和控制.对人字门处于关终位或人字门运行时,受到动水作用后,复杂多变的控制要求将进一步由该结构和人字门缸旁控制回路,即多级平衡控制组合起来实现.1.2.2启闭机操作条件输水阀门启闭机与人字门启闭机共用一套液压泵站和电气控制柜,但两者大部分时间不同时工作,只有短时间内需同时工作.在船闸运行期间,人字门启闭机运行时流量较大,需要两台比例变量泵同时供油.只有在输水阀门启闭机关门末段,在闸室水位计控制下人字门需要开门运行.此时输水阀门启闭机关门动作可以由单独一台手动变量泵来供油,而不影响人字门启闭机的运行.而在其余的时间内输水阀门与人字门错开运行.系统中人字门油缸和输水阀门油缸的油路互相独立,分别设置各自的保护支路,以适用两者运行时不同压力等工作参数的要求,并防止相互干扰.2试验研究的重要参考价值对液压系统的试验研究主要是结合产品的出厂试验,着重对不同条件下控制结构的稳态开启特性和动态响应进行了大量的测试,取得一些具有重要参考价值的参数,并加深了对控制的认识.试验取得的大量试验数据对今后的现场试验和研究也具有重要的参考价值.2.1各部分参数变化的影响1)输水阀门运行过程中负载阶跃变化试验;2)输水阀门启动过程及停止过程;3)输水阀门运行过程中高速运行转慢速运行的切换过程;4)部分参数变化对开启和关闭过程的影响;5)模拟输水阀门开启、关闭及过程试验(模拟弧门)6)模拟人字门运行过程试验(采用比例阀加载):控制装置包括PLC可编程控制器,采用HY-EC100型PLC控制台.并配以相应的控制回路元件.检测装置采用美国尼高力公司的Vision16通道检测仪.其液压试验装置如下图2所示.整体试验装置如图3所示.2.2稳态和动态响应特性通过对输水阀门和人字门实际产品在不同负载条件下的试验,可以得到:1)输水阀门和人字门液压系统在试验条件下,全部试验曲线表明它们的开启和关闭过程是平稳的,未出现异常情况.整个受试的控制回路具有良好的动态响应.无论是开启,还是关闭过程,其动态调节时间均小于500～600ms,而且通过改变节流口的大小和先导液阻网络的节流阻尼螺塞参数,还能使过程调节时间得到相应的改变.2)试验还表明,作为上述控制结构的基本元件,二通插装阀控制组件具有优良的稳态和动态响应特性,通过对曲线的分析可以了解阀芯的开启和关闭情况,完全能满足输水阀门和人字门控制回路的要求.3液压系统的仿真分析对于根据经验和知识设计出的液压系统,仅知道所拟用的系统驱动负载从一种状态到另一种状态是不够的,还要重视介于两者之间的时域轨迹,知道系统响应是否稳定,响应速度是否够快,以及响应是否振荡.因此建立液压系统的数学模型,对其进行动态仿真分析十分必要.3.1通插装阀“开”与“关”的动态仿真1)利用计算机数字仿真技术,对所设计的启闭机液压系统进行动态仿真,研究系统在正常工作以及动作切换状态下的动态特性是否满足工作要求.根据现有设备设计实验方案进行一些项目的实验,与仿真结果进行比较,以验证仿真模型的正确性.2)针对采用二通插装阀组成的液压系统中可能出现的“瞬时失压”对系统产生的不利影响,对弧门上下行动作切换过程中系统的动态特性进行仿真研究,观察“瞬时失压”对系统的影响,提出对系统的改进措施,并通过仿真实验验证改进措施的可行性,为系统的现场调试提供理论依据.传统换向阀A、B工作口的“开”与“关”是由机械同步完成的,但在插装阀系统中,“开”与“关”之间已没有机械同步,完全由管道液容特性和插装阀组的动特性所左右,这正是插装阀系统的特殊性.如何通过先导电磁阀通断时间异步及各插装阀阻尼器调节,来达到二通插装阀“开”与“关”的匹配,无疑这是在系统设计阶段容易忽视或难以预测的问题,也是系统调试工程师难以掌握的技术.通过动态仿真来揭示二通插装阀“开”与“关”的失配将对系统产生什么不利影响,以及采取什么措施可以达到匹配等问题.针对“失压”现象产生的机理,有一些解决措施.通过合理调节插装阀的结构参数(液阻、阀芯行程、弹簧刚度)可以改善系统的“瞬时失压”现象.还可以采用不对称液阻网络来改善系统性能.见图6,当CV01关,CV02开时,先使CV01的先导控制阀动作,等CV01接近关闭后,再使CV02的先导控制阀动作,让它开启,这样可阻止高压腔与低压腔的瞬时短路,也就避免了系统的“瞬时失压”出现.3)对长管道给系统动态特性带来的影响进行初步的研究,观察在长管道情况下系统动态特性的变化以及是否系统能满足工作要求.3.2仿真方法与实验验证1)对二通插装阀动态仿真模型进行了二次开发,建立了便于参数修改,可重复使用的元件仿真模型库,为今后液压系统仿真打下良好的基础.2)运用节点法建立液压系统仿真模型,通过实验验证了模型的可行性,证明用节点法建模进行系统动态仿真是一种很有效的方法.3)针对由二通插装阀组成的液压系统,研究了二通插装阀“开”与“关”的失配给系统带来的不利影响.提出了解决措施并通过动态仿真证明