水电站弧形门液压启闭机的设计毕业设计.docx

1、水电站弧形门液压启闭机的设计毕业设计1 绪论 课题背景启闭机在水闸的应用中非常广泛，这是由于油缸内的油液具有缓冲和减震作用，适宜于控制闸门在高水头、不同开度下的无振安全运行；并可对闸门实施下压力，使闸门自重较轻，节约成本。传统的启闭机有螺杆启闭机和卷扬启闭机，近年来液压启闭机在水闸的应用中日渐增多，尤其是江浙沪沿海的发达一带河流入海口处的挡潮闸，液压启闭机的应用尤为广泛。液压启闭机的工作原理是用液压泵把原动机输出地机械能变成液压能，然后经由管道、液压阀进入液压缸，通过液压缸把液压油的液压能变成工作机的机械能，从而驱动水工闸门完成启门和闭门等动作。液压启闭机的油缸与闸门经吊头连接，通过液压油在油

2、缸上下腔的施压与排放、活塞杆在油缸中的伸缩对闸门产生实施推力或拉力，从而达到启闭闸门的目的。启闭机的液压油为柔性工作介质，可减轻闸门局部开启时高速水流对闸门产生的振动，有利于闸门的平稳运行。另一方面，液压启闭机采用的行程检测装置测量准确，并通过控制，实现闸门的自动化控制。行程检测装置采集的信号可传至远方集控室，为实现集中控制和远方自动化控制条件。用于水闸的液压启闭机的工作方式主要有两种：一种是直升门式，闸门为平板门，闸墩上设排架，液压活塞杆埋设于闸墩中，闸门开启时，由两侧活塞杆将闸门垂直顶起；另一种是弧形门式，闸门为常用的弧形门，液压启闭机布置在两侧闸墩的侧面上，闸门启闭时，由两侧的活塞杆将闸

3、门沿弧形轨迹拉起。 主要参数表1-1：主要参数表序号名称参数1最大启门力2630KN2最大闭门力自重闭力3工作行程4700mm4最大行程4800mm5开启速度/s2 设计方案简述液压传动系统是液压机械的一个组成部分，液压传动系统的设计要同主机的总体设计同时进行。着手设计时，必须从实际出发，有机地结合各式各种传动形式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单工作可靠，成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。液压系统的设计步骤并无严格的顺序，各步骤间往往要相互穿插进行。一般来说，在明确设计要求之后，大致按如下步骤进行：（1）进行工况分析，确定系统的主要参数；（2）制定基本方案，拟定液压

4、系统原理图；（3）选择液压元件；（4）确定液压执行元件的形式；设计要求是进行每项工程设计的依据。在制定基本方案并进行进一步着手液压系统各部分设计之前，必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚。（1）主机的概况：用途、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等；（2）液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何；（3）液压驱动机构的运动形式，运动速度；（4）各动作机构的载荷大小及其性质；（5）对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求；（6）自动化程度、操作控制方式的要求；（7）对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求；（8）对效率、成本等方面的要求。 本次设计主要是启闭机液

5、压系统的设计。综合考虑弧形工作闸门液压启闭机油缸务必倾斜式布置，两端铰链连接，并且在油缸的上端吊头与埋件轴以及下端吊头与闸门吊耳连接处内装自润滑球面滑动轴承，满足使油缸自由摆动，并可以消除启闭机或闸门由于安装等误差造成的对油缸的不利影响。油缸与管路之间需要采用软管连接。本液压系统是为水电站弧形控制闸而设计、制造，用于控制弧形闸门启闭机油缸开启和关闭的液压系统。本系统结构紧凑、布局美观、性能安全可靠、能耗低。本套液压系统由两台泵组供油，控制闸门开启，系统配有压力控制器(HED40A10)、压力传感器（PT301）、电接点温度计(WSSX-411)、液位控制器(YKJD24)，可对系统压力、油液温

6、度及液位高度实现自动控制。每只油缸都配置了行程检测装置，在闸门启闭过程中，能对弧形闸门开度及行程实行全程检测，通过电控、液控进行同步纠编，实现自动调整闸门同步启闭1。具体设计见原理图（0-101）：图2.1 设计原理图 控制过程综述系统采用流量调速阀来控制液压启闭机两侧油缸的进出流量，实现同步运行和纠偏。同时并联手动流量控制阀，便于设备调试和检修时操作油缸和闸门，最大程度地保证了闸门的安全和稳定运行。2.2 选材要求在液压启闭机液压油缸各零部件材料的选择上，油缸缸体材料采用优质无缝钢管，活塞杆采用符合GB699的优质45#实心锻钢正火处理、销轴材料采用锻钢40Cr调质处理、并做无损探伤检测，上

7、端盖、下端盖及活塞、吊头材料均采用45钢锻焊结构、其焊缝为类焊缝、并按类焊缝进行检查和探伤。油缸活塞杆强度、油缸内径、活塞宽度、活塞杆导向长度及零部件的公差、配合的设计依据DL/T5167-2002、机械设计手册等相关标准要求，从设计上保障了油缸启闭机性能的先进性及可靠性。弧形工作闸门液压启闭机油缸为倾斜式布置2，两端铰接连接，并且在油缸的上端吊头与埋件轴以及下端吊头与闸门吊耳连接处内装自润滑球面滑动轴承，满足使油缸自由摆动，并可以消除启闭机或闸门由于安装等误差造成的对油缸的不利影响。油缸与管路之间采用软管连接。液压控制系统包含下述功能：一次、二次安全调压保护，分别满足启门和闭门打开液控单向阀

8、的压力控制要求，并起安全保护作用。方向控制，实现启门和闭门动作，在此功能里设置了消除换向冲击的功能，使闸门启、停平稳。任意位置锁定，在任何开度均通过装于油缸上的专用阀组实现安全锁定，防止任何意外事故对闸门系统产生影响。双缸启、闭门同步功能3，通过流量调速阀分别控制两只油缸的油量，如果两侧油缸在运行中产生了偏差，纠编仪将发出偏差信号，相应的电磁铁得失电，把相对快速的油缸的多余流量放掉一部分，从而控制两油缸的流量，进而消除偏差，此过程全程跟踪，保证两只油缸启、闭门同步，偏差10mm。3 液压系统方案确定 液压系统动力装置：（参见液压原理图0-101）球阀（序号）处于开启状态，方可启动1#主油泵电机

9、，启动1#主油泵电机，往外输出压力油液，完成1#主油泵的启动。球阀（序号）处于开启状态，方可启动2#主油泵电机，启动 2#主油泵电机，往外输出压力油液，完成2#主油泵的启动。3.2 液压系统压力调试 4：（参见液压原理图0-101）本液压控制系统由二台手动变量油泵组提供压力油源，在通常情况下一套工作，一套备用，且互为备用。油泵变量形式为手动变量，使用时可根据具体工况要求适当调整输出流量以满足油缸运动速度及压力要求(油泵初次灌油，调节输出流量不得小于满流量的百分之四十)。在设备初次调试前，要检查液压系统的各溢流阀、各安全溢流阀、各调速阀的手柄，确定都处于松开状态，各球阀均处在正确的启闭位置（应在

10、压力初调试阶段先关闭油缸进出口球阀）。确定油箱内已加满液压油；拆开油泵泄油胶管，从油泵泄油口加入清洁的液压油，直至充满壳体，装上主油泵泄油胶管；拆下电机的防护罩，按顺时针方向手动盘车2030圈，排尽油泵吸油区的空气，装上防护罩；点动主油泵电机，确定电机旋转方向正确。按原理图要求连接好试车油缸，油缸锁紧块，启动1#油泵电机组，空载运行数分钟，确定电机油泵运行正常后，电磁铁YV1得电，逐级（建议每级压力上调11MP，每级运行时间不得少于二分钟）调节电磁溢流阀（序号11）和变量油泵(序号03)变量手柄，使溢流阀压力值压力表P1显示压力至，刻度盘显示变量油泵变量(油泵初次灌油，高压输出流量不得少于满流

11、量的百分之四十，具体工况据实而定)；让电磁铁YV2得电，先让电磁铁YV1得电，调节溢流阀(序号20)使压力表P2显示压力为0.5 MPa(如果油缸水平放置时此处压力可适当调高一些给无杆腔加载)，锁紧调节螺母；让电磁铁YV1、YV3得电，YV2失电，调节溢流阀（件号22）使压力表P1显示压力为10MPa(此压力为锁紧块控制油压力)，锁紧调节螺母；让电磁铁YV1、YV2得电，YV3失电，逐级调节电磁溢流阀（序号11）和锁紧阀块上安全溢流阀（序号、），使安全溢流阀溢压力略高于系统工作压力（建议值21MPa），注意调整左油缸锁紧块时必需将左右缸压力油入口的球阀(序号、)关紧，压力值调定后锁定调节螺母；

12、最后让电磁铁YV2、YV3失电、YV1得电，锁定电磁溢流阀(序号11)控制压力为，锁紧所有压力阀上调节螺母。这样便完成1#工作油泵和1#油缸组的压力调试。按同样的方法启动2#油泵电机组，每组阀组的压力控制元件初调试数次正常后，方可进入动作初调试。系统在各工作点均设有压力控制器，使用时必须根据具体工况及原理要求调节好每个压力控制元件的发讯点(PK1至PK5)，当所处点压力降低或升高至压力控制器的调定压力时，压力控制器会发出报警讯号，实现系统各点压力的自动控制。当液压系统压力过高（20MPa）时，PK1发讯报警，停泵检查；当液压系统压力过低（11 MPa）时，PK2发讯报警，切换备用油泵；当液压系

13、统有杆腔压力过低（2MPa）时，PK4和PK5发讯报警，停泵检查；当无杆腔油压过高（）时，PK3发讯报警，停泵检查，系统压力由压力传感器有模拟输出到主控室。缸旁锁紧阀块在液压系统中同时起保压和安全作用，当有杆腔超压会自动泄荷；当液控单向阀的控制油被切断时，闸门可实现任意位置锁定；当系统管路意外破裂时，缸旁阀块会自动锁住闸门而不会跌落，从而保获整个系统受损。3.3 液压系统动作过程：（参见液压原理图0-101）本系统含一个工作阀组，共控制一扇弧形闸门的启闭动作，下面以1#油缸组为例作动作说明5。系统各部分压力调试正常后锁定各调压螺母，系统压力流量输出正常，确定各高压球阀处在正确的开启位置；让电磁

14、换向阀（序号21）电磁铁YV2得电、YV3失电，压力油经过电磁换向阀(序号21)分两股进入二个调速整流装置(件号23、24组合)，通过高压球阀、液控单向阀进入油缸有杆腔；两处无杆腔油液经球阀后合成一股，通过球阀(序号28)、背压阀(序号20)、回油滤油器回油箱，实现闸门开启动作；闸门开启到位后便进入失电、停机保压状态，因系统内泄闸门下滑至电控设定值，发讯，启动电机对有杆腔补油，闸门上升至原高度；让电磁换向阀电磁铁YV3得电、YV2失电，压力油经电磁换向阀分两路进入油缸锁紧块成为控制油打开锁紧块上液控单向阀(序号、)， 有杆腔油液经锁紧块、高压球阀、调速整流阀、电磁换向阀、进入油缸无杆腔，油缸靠

15、自重下行，同时无杆腔出现负压时，无杆腔可通过单向阀( 序号)从油箱补油，实现闸门关闭动作。这样启闭机油缸实现整个动作过程。每组油缸动作初调试数次正常后，便可进入速度及同步初调试。 液压系统同步设计：（参见原理图0-101） 表3-1电磁铁动作表：M1或M2YV1YV2YV3YV4YV5电机启动+-系统启动+闸门开启缸一过快+-+-缸二过快+-+闸门关闭缸一过慢+-+缸二过慢+-+-+下面仅以1#油缸组为例来说明。油缸动作正常后，在闸门开启、关闭过程中，调节调速阀（序号、）通过整流板可调节活塞杆伸出、退回速度（即开关闸门速度），调速阀可无级调节活塞杆运动速度，所以，通过调节相应的调速阀可达到两只

16、油缸基本同步。在闸门启闭过程中，同孔闸门两只油缸要求有较高的同步精度。闸门开度及行程控制装置全程实行自动检测，同孔闸门两只油缸行程偏差大于或等于10mm时，电磁换向阀(序号)动作，当左油缸运动速度快于右油缸运动速度，自动纠编仪发信，电磁换向阀(序号)电磁铁YV5得电，进入左油缸的压力油液会经过单向节流阀（序号）、电磁换向阀（序号）进行分流而降低运动速度，调节单向节流阀（序号）左端可控制分流量大小；当右油缸运动速度快于左油缸运动速度，自动纠编仪发信，电磁铁YV4得电，进入右油缸的压力油会经过单向节流阀（序号）、电磁换向阀（序号）进行分流而降低运动速度，调节节流阀（序号）右端可控制分流量大小，这样

17、便可实现闸门开启过程的同步自动微调整；同样在闸门关闭过程中，通过电磁换向阀（序号）的得失电及节流阀(序号)的调节，可实现工作油缸关闭过程同步的自动微调整。油缸在行程过程中，行程偏差大于10mm，启动纠编；行程偏差大于20mm，液压系统报警自动停机6。3.5 闸门自动复位设计：（参见原理图0-101）闸门在全开位置因液压系统内泄漏使闸门下沉150mm时，行程控制装置发出指令，自动将闸门提升至全开高度；因液压泵故障使闸门下沉量达200时，行程控制装置发出指令启动备用油泵，提升闸门至全开高度，同时发出报警讯号。本液压系统的调试必须由液压、电器专业人员现场进行，这样可确保同步精度高及自动微调整准确。3

18、.6 油箱设计要求：（参见原理图0-101）当回油过滤器（序号06）进出口压力差上升到时（显示过滤器的滤芯已堵塞），滤油器报警装置触点闭合并发讯启动声光报警，提醒更换或清洗滤芯。按油箱的实际使用情况合理的安装面板式液位控制器，当液位超过上限时，LVS2发出声光报警，停止往油箱内加液压油，停泵检查；当液位降至低液位时，LVS1发出声光报警，停泵检查液面下降原因，人工往油箱内加油7。油箱内安装电接点温度计 (序号、)，共设有四个发讯点，当液温低于10时，TS1发出低温报警；当温度高于60时，TS2发出高温报警，延时5秒停泵检查；当油温低于20时，TS3发讯接通电加热器；当油温高于40时，TS4发讯

19、停止加热。4 液压系统组成 油缸4. 油缸的结构形式图4.1 油缸简图本设计共设3扇弧形闸门，一站控制一门，液压站布置在溢洪坝工作弧门侧墙的支墩上，油缸活塞式双作用缸，安装方式为双吊点拉斜吊两端铰支方式。4. 油缸的密封本次油缸设计充分考虑了其所处的环境恶劣，选用O型圈密封，在密封件的造型上力求密封性能的可靠和寿命有可靠保证8。4. 油缸缸体本工程油缸的缸体材料为优质无缝钢管制作，强度高于，内径采用GB1184中的H9配合要求，表面粗糙度达，直线度要求达，圆度要求达，孔口有导向角，粗糙度为，缸口采用法兰连接，法兰材料为45#锻钢，并经正火处理。有关焊接采用氩弧焊，焊前预热，焊后局部高温回火去应

20、力处理，并对焊缝进行100%超声波探伤，按JB4730-1级标准验收。4. 活塞杆 油缸的活塞杆材料用优质45#锻钢并正火处理，表面防腐采用镀铬工艺，首先镀上的乳白铬，再镀硬铬，杆头开有夹头及导向角，所有结构均符合国标要求，表面硬度达HRC60以上，圆度公差值达7级精度。4. 活塞活塞所用材料为45#锻件正火处理加支承环结构（材料为QA19-4），活塞外径公差达f8，内径采用基孔制，公差为H9，其密封面（槽）的加工精度为h9，粗糙度为，两端面对内孔的垂直度为，外径对内径的同轴度为，定位有导向角导入。4. 缸底、缸盖缸底、缸盖均采用锻焊钢件，材料为45#并经正火处理，各配合处的圆柱度高于9级，同

21、轴度公差为，粗糙度为。4. 导向面导向套用QA19-4材料，导向面的配合公差为H9和f8，粗糙度为。配合面的圆度公差为，同轴度为。4.1.8 轴承关节轴承采用自润滑轴承，使用时使用时可免维护。4. 备注对液压启闭机的运输采取了可靠的防撞、防震、防刮伤、防擦伤、防磕碰等防护措施。4.2 液压系统本启闭机液压系统的设计制造采用了独特技术：每一台液压站包括：油泵电机组、油箱、控制阀组、油缸旁路阀组、回油过滤器、压力控制器、压力变送器、液位变送器等。4. 开启闸门：任意一台电机得电，空载启动油泵电机延时5s后，YV1通电，系统调定压力为，压力油进入有杆腔，开启闸门，油缸无杆腔油经单向阀回到油箱。4.

22、关闭闸门：任意一台电机得电，空载油泵电机组，延时6s后，相应电磁铁通电，开启液控单向阀的压力调为10MPa，压力油打开液控单向阀，左、右油缸有杆腔中油返回到无杆腔，不够油可由油箱供给，闸门自重关闭，必要时可在油缸无杆腔加1MPa的压力，保证闸门能正常关闭。4. 闸门同步控制：在闸门启闭过程中，闸门开度和行纠编装置全程连续检测2根油缸的行程偏差，当偏差值6mm时，相应电磁铁通电，自动调整相应油缸有杆腔的进、出油量，使闸门达到同步运行，当行程偏差值超过设定值6mm时，液压系统自动停机并发出报警信号。4. 闸门定位过程：当闸门在开启悬挂时，由于液压系统的泄漏，下滑100mm时，液压启闭机能自动将闸门

23、提升到原悬挂位置；如下滑100mm液压启闭机未能启动，当闸门继续下滑至200mm时，液压启闭机可以自动接通油泵另一组备用电机电源，将闸门提升到原悬挂位置，同时发出声光报警信号。 4. 系统压力控制过程：当PK1发讯时，系统压力过高，停泵，声光报警。当PK2发讯时，表明系统压力过低，声光报警，延时15s切换到备用泵。当PK3发讯时，无杆压力过高，声光报警。当PK4、PK5发讯时（在闸门启闭过程中），无杆压力过低，声光报警停泵。系统压力有模拟量、液压有模拟量输入主控制室。4. 闸门保护：油缸旁路阀组中液压锁确保闸门在任意位置锁定，当闸门在开启悬挂中，当液压系统内泄漏，下滑100mm时，液压启闭机自

24、动将闸门提升至原来悬挂位置；如果下滑100mm时，液压启闭机未能启动，闸门继续下滑至200mm时，液压启闭机自动切换至备用泵，使闸门复位，并发出声光报警信号。当系统压力异常，缸旁溢流阀对缸起溢流保护作用。4. 滤油器堵塞报警：当SP1发讯时，说明回油滤油器已堵塞，声光报警，提醒清洗或更换滤器。4. 油箱液位控制：LVS1发讯时，高液位发讯报警。LVS2发讯时，低液位发讯报警。4. 油箱温度控制：TS3发讯：油液温度过低，接通加热器；TS4发讯：油液温度高，断开加热器；TS2发讯：温度过高发讯报警；TS1发讯：温度过低发讯报警。4.3 行程检测装置:闸门开度检测（即油缸行程检测）采用优质的纠编仪

25、，PLC通过传感器信号，检测出闸门开度，此开度检测装置在弧形门应用中精度提高，磁性好，抗干忧性强。4.4 液压缸支托埋件：液压缸支托埋件主要采用高牌号焊接钢，去应力后，埋件设计充分考虑了安全实用、经济，便于安装等特点，主要受力由多件加强筋板占圆筒焊成，焊后整体入箱成炉退火处理，消除由于焊接产生的内应力。主要受力焊缝按GB11345-B-I级要求进行超声波探伤。表面清洁度达GB8923-88的级，液压缸吊耳装配在埋件两支承板之间更好地防护了风霜雨雪对液压缸吊耳及销轴的侵蚀。5 液压系统相关计算5.1 主要技术参数（1）最大启门力 2630KN（2）最大闭门力 自重闭门（3）最大行程/工作行程：

26、4800mm/4700mm（4）开门/闭力速度 5.2 初选系统的工作压力 水电站液压启闭机是属于大型机械设备，故初选压力为20MPa。5.3 计算液压缸的主要结构尺寸计算活塞直径，由公式 10 （5.1）图5.1 油缸受力示意图其中： F=2630KN p1=20MPa p2=1MPa 由以上计算，得： D=，选取活塞直径为：D=250mm取d/D=0.7，活塞杆的直径是：250mm=140mm （5.2）5.4 油缸控制回路流量计算 油缸作用面积计算：油缸无杆腔作用面积： （5.3）油缸有杆腔作用面积： （5.4） 启门流量的计算：无杆腔回油流量： （5.5）有杆腔回油流量： （5.6）5

27、.5 电机、油泵确定油泵最高工作压力、最大工作流量，电机功率的计算。 油泵工作压力计算：液压泵的出口压力必需满足系统中启门的最大工作压力（18.7MPa），并考虑沿程压力流量损失和油泵的使用工作寿命等因素，选取油泵出口压力，根据要求，液压系统油泵最高工作压力应满足： Pmax=n（P1+P）10 (5.7)其中：P1（油缸启动额定工作压力）（安全系数）P（系统中沿程压力损失）故： （5.8）（1）油泵最大工作流量计算：油泵最大工作流量：Qmax=KQ10 （5.9）其中：K为系统的泄漏系数：由于系统不允许有外漏，内漏不能过大，所以K取。Q为：同时动作的液压缸最大总工作流量，故：Q=216.8=

28、/min （5.10）每台液压站设有一备一用的二套油泵电机组，备用泵和工作泵能互相切换，故每台油泵流量必须大于或等于Qmax，故：Qmax=33.61.2=/min。 （5.11）（2）油泵排量计算：q=Qmax/n10 （5.12）其中：Qmax为油泵最大工作流量。n为电机工作转速，选用三相异步电机，4级转速故额定转速n=1470rpm。那么：q=43.2103 （5.13）因此：油泵选用邵液公司的32SCY14-1B柱塞泵11，排量32ml/rev，在转速1470rev/min情况下，流量为47L/min，额定工作压力为32MPa。（3）电机功率计算：N=PQmax/60 （5.14）其中

29、： 为电机效率取0.85.P为液压系统油泵出口压力那么:/60/ （5.15）选用： 电机型号为Y180L-4-B511，转速n=1470rpm,电机功率为22kw。6 管路的设计6.1 管路内径的计算公式 管子内径(m)计算公式为 10 (6.1) 上式中： 为通过管路的流量，L/min v为流体在管路的流速，m3/s 液压泵吸油管路的计算液压泵最大输出流量为/min；吸油管路流速一般小于12m/s，此处取 ；则液压泵吸油管路内径： （6.2）圆整取钢管公称通径为25mm,取钢管外径为28mm，即钢管壁厚为3mm。 系统控制油管路的计算 用过控制油管路流量为18L/min；压油管路流速 ，系

30、统压力很高，故压油管流速可取较大值，取3m/s；则压油管路内径 （6.3）控制油管路油液压力较大，管子壁厚要较大11，圆整取钢管公称通径为8mm外径为14mm，则壁厚为6mm。 回油管路的计算 通过回油管路的流量为62L/min；回油管路流速 ，取；则回油管路内径 （6.4）圆整取钢管内径为18mm，外径为22mm，壁厚为4mm。 油管的管径按设计要求，油管内允许流速为：压油管：VA吸油管：Vs回油管：VB=2.0 m/s根据公式10，以及管道壁厚计算公式10，计算结果如下：表6-1管道的管径的计算： 管道名称通过流量（L/min）允许流速（m/s）管路内径/m管道外径/m泵吸油管4058控制油管183泵回油管6220.180.22分开吸油9合并后回油1242故，油路中吸油管路的管径为28mm，18mm，压力控制油路的管径为14mm，回油油路管径为22mm，34mm10127 液压阀的选择：原理图中11，21，3阀门的选择： 电磁溢流阀（11）的选择图7.1 电磁溢流阀11简图溢流阀设定压力19.5MPa；稳定启动时系统流量很小，故卸荷时流量较小