專利名稱：液壓啟閉機高壓大流量無級變速控制方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種閥門啟閉機，更具體的是指一種液壓啟閉機高壓大流量無級變速控制方法及系統(tǒng)，應(yīng)用在長江三峽水利樞紐永久船閘等水利水電船閘中。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有啟閉機的傳動方式主要有機械和液壓兩種形式，機械式啟閉機結(jié)構(gòu)龐大、占據(jù)空間大、運行過程不平穩(wěn)，而現(xiàn)有的液壓啟閉機無法適應(yīng)高壓大流量的工況要求，無法實現(xiàn)無級變速要求，系統(tǒng)能耗大，內(nèi)泄露嚴重。(見江蘇交通工程2000年第1期(總第89期)船閘閘、閥門啟閉機的液壓控制系統(tǒng)設(shè)計)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決如下問題1、適應(yīng)高壓大流量的要求；2、調(diào)節(jié)方式為無級調(diào)速；3、節(jié)能；4、無泄露，提供一種液壓啟閉機高壓大流量無級變速控制方法及系統(tǒng)。本發(fā)明的解決方案為采用電一液比例的高壓大流量通軸式軸向柱塞泵作為無級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，組成對船閘輸水閥門和人字門啟閉機的高壓大流量無級變速是目前比較合理和先進的方式。從長江三峽永久船閘運行情況看該液壓系統(tǒng)對永久船閘大慣量負載的控制準確可靠、運行平穩(wěn)，具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，并保證和滿足了永久船閘啟閉設(shè)備的運行技術(shù)要求。
液壓啟閉機主要技術(shù)特征及運行工況的分析液壓啟閉機主要控制輸水閥門和人字門運行。
輸水閘門屬于單吊反向弧門，是典型的重力負載。其在運行過程中，由于受水流壓力及負載力矩變化等因素的影響，在運行過程中為變負載運行，運行中受動水阻力及推力影響，工況復(fù)雜。這些工作特點要求液壓系統(tǒng)在運行過程中能根據(jù)負載特性對負載變化進行補償，滿足閥門在運行過程中的穩(wěn)定性要求。在啟動、停止過程中，因?qū)儆诖笾亓ω撦d，要求液壓系統(tǒng)能適應(yīng)負載的狀態(tài)變化，避免產(chǎn)生液壓沖擊。
輸水閥門啟閉機主要運行要求1、高水頭動水啟門，低水頭動水閉門，同時需要考慮事故條件下高水頭動水閉門和單邊啟閉閥門；2、在閥門全開位，啟閉機停機后必須可靠保壓持住閥門；3、在廊道充、泄水過程中，為控制閘室超灌或超泄，閥門需低水頭動水關(guān)閉；4、啟閉機運行應(yīng)適應(yīng)閥門和輸水廊道水力學(xué)條件；
5、液壓系統(tǒng)與人字門啟閉機共用；6、液壓系統(tǒng)應(yīng)具有事故狀態(tài)下通過手動方式操作閥門的功能。
三峽人字門最大尺寸為高38.5m，寬20.2m，最大運行淹沒水深達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)動的可靠性。
人字閘門啟閉機主要運行要求各級閘首兩臺人字門啟閉機經(jīng)電氣同步控制后運行誤差不大于25mm。啟閉機按給定的V-T變速特性曲線運行，且可在現(xiàn)場對該曲線進行調(diào)整修改。
第一、二、六閘首人字門全開到位后，由液壓鎖定鉤自動鎖定閘門。人字門閉門啟動前，鎖定鉤提前自動脫鉤，液壓自動鎖定鉤應(yīng)與啟閉機電氣連鎖。
對于人字門在正常運行過程中由于風(fēng)、浪可能對啟閉機造成的負向載荷而造成的失速，液壓系統(tǒng)應(yīng)能迅速平穩(wěn)地調(diào)整過渡。在調(diào)整過程中，系統(tǒng)應(yīng)控制速度、壓力及流速等參數(shù)平穩(wěn)變化，避免出現(xiàn)沖擊和振動。
在閘室充、泄水在出現(xiàn)較大的超灌超泄或遇到較大荷載時，即在閘室出現(xiàn)反向水頭直至0.4m(第六閘首為0.6m)時，人字門啟閉機應(yīng)以持住方式操縱閘門開門，避免啟閉機承受過大荷載。
液壓系統(tǒng)還應(yīng)具備利用閘室充、泄水過程中出現(xiàn)的超灌超泄所產(chǎn)生的人字門反向水頭，配合水位計與系統(tǒng)的聯(lián)動控制實現(xiàn)人字門的初始開啟。
人字門在全關(guān)位時，啟閉機應(yīng)能適應(yīng)閘室泄水過程中閘門上、下游水位差造成的人字門塌拱變形。該部分發(fā)明內(nèi)容另案申請，本案不作詳述。
液壓啟閉機液壓系統(tǒng)分析通過對國內(nèi)、外在建和已建的船閘液壓系統(tǒng)的分析和比較，以及在長江三峽臨時船閘工程實踐中取得的經(jīng)驗，本發(fā)明采用電一液比例的高壓大流量通軸式軸向柱塞泵作為無級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，組成對船閘輸水閥門和人字門啟閉機的高壓大流量無級變速是目前比較合理和先進的方式。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啟閉機的液壓系統(tǒng)已經(jīng)通過了三峽總公司組織的兩次專家審查并獲得了認可。泵調(diào)速是一種較先進的液壓調(diào)速方式，具有調(diào)速功能的液壓泵有電液比例變量泵、電液伺服泵。這類泵的輸出流量與輸入的控制電信號成比例，通過改變電控輸入信號可以方便和有效的改變系統(tǒng)流量，從而達到控制執(zhí)行機構(gòu)—油缸的運行速度的目的。同時，由于液壓系統(tǒng)內(nèi)不存在節(jié)流和溢流損失，實現(xiàn)了流量、壓力匹配，有效的節(jié)約了能源，減少了油液發(fā)熱，延長了壽命。但電液伺服變量泵對系統(tǒng)清潔度的要求更高，考慮到船閘啟閉機的運行工況和設(shè)備的維護性，選用了REXROTH公司的A4VSO250FEID電液比例泵。傳統(tǒng)的滑閥式結(jié)構(gòu)響應(yīng)慢、易泄露及通流能力不大。對于高壓、大流量的液壓系統(tǒng)，滑閥式液壓閥在使用性能上已不盡人意，近十幾年來，啟閉機上逐漸采用了二通插裝閥集成控制系統(tǒng)。二通插裝閥是一種基于“液阻理論”而發(fā)展起來的新型元件，具有通流能力大、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高和易于控制的優(yōu)點，特別適用于高壓大流量和對大慣量運動負載進行控制的液壓系統(tǒng)。
輸水閥門啟閉機液壓控制回路輸水閥門油缸的二通插裝閥控制回路是擴展型四通回路，用于對輸水閥門油缸進行換向和進、回油阻力控制。針對輸水閥門的豎缸布置及其運動特征，液壓回路使油缸的有桿腔在進回油的設(shè)計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和輸水閥門即將關(guān)閉時(例如高底坎200mm處)，為防止反向弧門對閘門底坎的沖擊，通過增加油缸下腔的回油阻力使輸水閥門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來組成油缸受控腔的排油阻力，是“液阻理論”在工程實踐中的一種重要應(yīng)用。
人字門啟閉機液壓控制回路人字門控制回路也是一種典型的四通回路，在主級控制回路中，根據(jù)人字門油缸兩個受控腔的技術(shù)特征，分別采用主級通徑規(guī)格相異的控制組件，作為連接二臺比例泵輸出油路(高壓端)和油缸兩受控腔之間的控制液阻。該部分發(fā)明內(nèi)容另案申請，本案不作詳述。
本發(fā)明采用不同規(guī)格的插裝閥主級來適應(yīng)不同的受控腔進、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)濟適用的方式。四個插裝閥主級，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)進行控制。二通插裝閥主級的各方向控制功能以及開、關(guān)時間、阻力的大小等功能是可以通過先導(dǎo)液阻網(wǎng)絡(luò)進行組合和控制調(diào)整的，這對適應(yīng)中大功率的液壓控制具有很高的實用價值。
人字門油缸的二通插裝閥主控制回路和電一液比例泵系統(tǒng)構(gòu)成了對人字門高壓大流量液壓系統(tǒng)優(yōu)良的無級變速運行和控制。對人字門處于關(guān)終位或人字門運行時，受到動水作用后復(fù)雜多變的控制要求將進一步由該結(jié)構(gòu)和人字門缸旁控制回路即多級平衡控制組合起來實現(xiàn)。
人字門啟閉機與輸水閥門啟閉機協(xié)調(diào)運行的問題輸水閥門啟閉機與人字門啟閉機共用一套液壓泵站和電氣控制柜，但兩者大部分時間不同時工作，只有短時間內(nèi)需同時工作。在船閘運行期間，人字門啟閉機運行時流量較大，需要兩臺比例變量泵同時供油。只有在輸水閥門啟閉機關(guān)門末段，在閘室水位計控制下人字門需要開門運行。此時輸水閥門啟閉機關(guān)門動作可以由單獨一臺手動變量泵來供油而不影響人字門啟閉機的運行。而在其余的時間內(nèi)輸水閥門與人字門錯開運行。系統(tǒng)中人字門油缸和閥門油缸的油路互相獨立，分別設(shè)置各自的保護支路，以適用兩者運行時不同壓力等工作參數(shù)的要求并防止相互干擾。
四

圖是本發(fā)明輸水閥門啟閉機液壓系統(tǒng)原理簡圖。
五具體實施例方式根據(jù)附圖，P為泵源接口，T接油箱6，A口接油缸有桿腔即下腔，B接油缸無桿腔即上腔，L為先導(dǎo)泄油口。
輸水閥門啟閉機液壓控制回路由電機泵組及由二通插裝閥構(gòu)成的四通控制回路組成電機泵組由電機7、電液比例變量泵5通過聯(lián)軸器、鐘罩剛性連接；四通控制回路由二通插裝閥組件中1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6通過油路塊8進行連接，各組件又分別連接電磁換向閥2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6，同時二通插裝閥1-1的壓力通過電磁換向閥2-1先導(dǎo)選擇控制，組件1-1的壓力值通過與之連接的壓力組件3-1、3-2調(diào)定，1-2通斷由2-2控制，1-3的通斷由2-3控制，1-4的通斷由2-4控制，1-5的通斷由2-5控制，1-6的通斷由2-6控制，1-6的壓力值通過與之連接的壓力組件3-3調(diào)定，梭閥4-1、4-2作為壓力比較元件對分別與之連接的1-4、1-5的控制壓力進行選擇；電機泵組與四通控制回路之間通過液壓管路剛性連接。
各插裝閥功能如下插裝閥1-4、1-5控制壓力油供給，1-4開啟壓力油進入弧門油缸下腔；1-5開啟壓力油進入弧門油缸上腔。
插裝閥1-6控制上腔回油壓力，及上腔超載壓力。
插裝閥1-3控制下腔鎖定，防止弧門下滑。
插裝閥1-2控制自重下滑速度。
插裝閥1-1通過先導(dǎo)壓力級的選擇，控制下降背壓，防止弧門下降失控。上升、下降過程中由1-1、1-4、1-5、1-6組成四通回路實現(xiàn)以上動作，在自重下降過程中由1-2、1-4、1-5、1-6組成四通回路實現(xiàn)動作，而1-3為鎖定的典型單向閥功能。
動作原理如下油缸上升動作比例泵的輸出流量作為動力源，同時電磁鐵2-4、2-3、2-6得電，壓力油經(jīng)1-4→1-3進入有桿腔，推動閥門上升，無桿腔油經(jīng)1-6流回油箱6，通過調(diào)整比例泵的控制電壓，可控制閥門上升的速度。
油缸下降動作比例泵的輸出流量作為動力源，同時電磁鐵2-5、2-3、2-2得電，壓力油經(jīng)1-5進入無桿腔，推動閥門下降，此時1-6起限壓保護作用，有桿腔油經(jīng)1-3→1-1流回油箱6，控制閥門下降，可調(diào)整3-1或3-2背壓設(shè)定值，控制下降時的動作穩(wěn)定性和上腔油壓。通過調(diào)整比例泵的控制電壓，可控制閥門下降的速度。
閥門自重下降比例泵向系統(tǒng)供油，電磁閥2-5、2-3、2-1得電，輸水閥門利用自重下滑，調(diào)整1-1對應(yīng)蓋板的節(jié)流手柄，控制下滑速度。
輸水閥門和人字閘門啟閉機液壓系統(tǒng)的實驗研究對液壓系統(tǒng)的試驗研究主要是結(jié)合產(chǎn)品的出廠試驗，著重對不同條件下控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)開啟特性和動態(tài)響應(yīng)進行了大量的測試，取得一些具有重要參考價值的參數(shù)，并加深了對控制的認識。試驗取得的大量試驗數(shù)據(jù)對今后的現(xiàn)場試驗和研究也具有重要的參考價值。
主要試驗項目輸水閥門運行過程中負載階躍變化試驗；輸水閥門啟動過程及停止過程；輸水閥門運行過程中高速運行轉(zhuǎn)慢速運行的切換過程；部分參數(shù)變化對開啟和關(guān)閉過程的影響；模擬輸水閥門開啟、關(guān)閉及過程試驗(模擬弧門)；模擬人字門運行過程試驗(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。并配以相應(yīng)的控制回路元件。檢測裝置采用美國尼高力公司的Vision 16通道檢測儀。
通過對輸水閥門和人字門實際產(chǎn)品在不同負載條件下的試驗，可以得到輸水閥門和人字門液壓系統(tǒng)在試驗條件下，全部試驗曲線表明它們的開啟和關(guān)閉過程是平穩(wěn)的，未出現(xiàn)異常情況。整個受試的控制回路具有良好的動態(tài)響應(yīng)。無論是開啟，還是關(guān)閉過程，其動態(tài)調(diào)節(jié)時間均小于500～600ms，而且通過改變節(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)，還能使過程調(diào)節(jié)時間得到相應(yīng)的改變。
試驗還表明，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)和動態(tài)響應(yīng)特性，通過對曲線的分析可以了解閥芯的開啟和關(guān)閉情況，完全能滿足輸水閥門和人字門控制回路的要求。
限于模擬負載與實際的負載特性，無論在動水阻力、慣量大小，運行特征等各方面都存在較大的差異，因此本試驗數(shù)據(jù)與今后的現(xiàn)場進一步試驗測試中會有差別，還需要進行大量的工作。但是，經(jīng)驗和分析表明，提供給三峽的實際產(chǎn)品將能滿足輸水閥門和人字門的運行要求，并可以根據(jù)實際情況需求進一步進行調(diào)整。
液壓仿真對于根據(jù)經(jīng)驗和知識設(shè)計出的液壓系統(tǒng)，僅知道所擬用的系統(tǒng)驅(qū)動負載從一種狀態(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，對其進行動態(tài)仿真分析十分必要。
仿真的主要內(nèi)容包括用計算機數(shù)字仿真技術(shù)，對所設(shè)計的啟閉機液壓系統(tǒng)進行動態(tài)仿真，研究系統(tǒng)在正常工作以及動作切換狀態(tài)下的動態(tài)特性是否滿足工作要求。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備設(shè)計實驗方案進行一些項目的實驗，與仿真結(jié)果進行比較，以驗證仿真模型的正確性。
針對采用二通插裝閥組成的液壓系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的“瞬時失壓”對系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響，對弧門上下行動作切換過程中系統(tǒng)的動態(tài)特性進行仿真研究，觀察“瞬時失壓”對系統(tǒng)的影響，提出對系統(tǒng)的改進措施，并通過仿真實驗驗證改進措施的可行性，為系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試提供理論依據(jù)。傳統(tǒng)換向閥A、B工作口的“開”與“關(guān)”是由機械同步完成的，但在插裝閥系統(tǒng)中，“開”與“關(guān)”之間已沒有機械同步，完全由管道液容特性和插裝閥組的動特性所左右，這正是插裝閥系統(tǒng)的特殊性。如何通過先導(dǎo)電磁閥通斷時間異步及各插裝閥阻尼器調(diào)節(jié)，來達到二通插裝閥“開”與“關(guān)”的匹配，無疑這是在系統(tǒng)設(shè)計階段容易忽視或難以預(yù)測的問題，也是系統(tǒng)調(diào)試工程師難以掌握的技術(shù)。通過動態(tài)仿真來揭示二通插裝閥“開”與“關(guān)”的失配將對系統(tǒng)產(chǎn)生什么不利影響，以及采取什么措施可以達到匹配等問題。
對長管道給系統(tǒng)動態(tài)特性帶來的影響進行初步的研究，觀察在長管道情況下系統(tǒng)動態(tài)特性的變化以及是否系統(tǒng)能滿足工作要求。
通過對長江三峽水利樞紐永久船閘啟閉機液壓系統(tǒng)的動態(tài)仿真和研究，得到如下成果二通插裝閥動態(tài)仿真模型進行了二次開發(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，為今后液壓系統(tǒng)仿真打下良好的基礎(chǔ)。
用節(jié)點法建立液壓系統(tǒng)仿真模型，通過實驗驗證了模型的可行性，證明用節(jié)點法建模進行系統(tǒng)動態(tài)仿真是一種很有效的方法。
針對由二通插裝閥組成的液壓系統(tǒng)，研究了二通插裝閥“開”與“關(guān)”的失配給系統(tǒng)帶來的不利影響。提出了解決措施并通過動態(tài)仿真證明了方法的有效性。
運用集中參數(shù)模型和離散分布式模型相結(jié)合的方法對長管道給系統(tǒng)動態(tài)特性帶來的影響進行了初步的研究。說明長管道對系統(tǒng)的動態(tài)特性有一定的影響，在調(diào)試過程中應(yīng)引起注意。
本發(fā)明課題通過仿真和實驗驗證了所用仿真方法的可行性，針對液壓系統(tǒng)在設(shè)計和調(diào)試階段可能出現(xiàn)的問題進行了仿真，提出改進措施并通過仿真進行驗證，對實際的工程應(yīng)用具有重要的意義。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用在長江三峽水利樞紐永久船閘的液壓啟閉機高壓大流量無級變速控制方法，主要控制輸水閥門運行，其特征在于采用電—液比例的高壓大流量通軸式軸向柱塞泵作為無級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，組成對船閘輸水閥門和人字門啟閉機的高壓大流量無級變速，具有調(diào)速功能的液壓泵有電液比例變量泵、電液伺服泵，其泵的輸出流量與輸入的控制電信號成比例，通過改變電控輸入信號可以方便和有效的改變系統(tǒng)流量，從而達到控制執(zhí)行機構(gòu)—油缸的運行速度的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓啟閉機高壓大流量無級變速控制方法，其特征在于所述的電液比例變量泵選用REXROTH公司的A4VSO250FEID電液比例泵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液壓啟閉機高壓大流量無級變速控制方法，其特征在于所述的啟閉機的液壓系統(tǒng)中采用了二通插裝閥集成控制系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的液壓啟閉機高壓大流量無級變速控制方法，其特征在于輸水閥門啟閉機與人字門啟閉機共用一套液壓泵站和電氣控制柜，但兩者大部分時間不同時工作，只有短時間內(nèi)需同時工作。
5.一種由權(quán)利要求1～4中任一項方法組成的液壓啟閉機高壓大流量無級變速控制系統(tǒng)，其特征在于輸水閥門啟閉機液壓控制回路由電機泵組及由二通插裝閥構(gòu)成的四通控制回路組成a)電機泵組由電機(7)、電液比例變量泵(5)通過聯(lián)軸器、鐘罩剛性連接；b)四通控制回路由二通插裝閥組件中(1-1)、(1-2)、(1-3)、(1-4)、(1-5)、(1-6)通過油路塊(8)進行連接，各組件又分別連接電磁換向閥(2-1)、(2-2)、(2-3)、(2-4)、(2-5)、(2-6)，同時二通插裝閥(1-1)的壓力通過電磁換向閥(2-1)先導(dǎo)選擇控制，組件(1-1)的壓力值通過與之連接的壓力組件(3-1)、(3-2)調(diào)定，(1-2)通斷由(2-2)控制，(1-3)的通斷由(2-3)控制，(1-4)的通斷由(2-4)控制，(1-5)的通斷由(2-5)控制，(1-6)的通斷由(2-6)控制，(1-6)的壓力值通過與之連接的壓力組件(3-3)調(diào)定，梭閥(4-1)、(4-2)作為壓力比較元件對分別與之連接的(1-4)、(1-5)的控制壓力進行選擇；c)電機泵組與四通控制回路之間通過液壓管路剛性連接。
全文摘要
本發(fā)明為一種應(yīng)用在長江三峽水利樞紐永久船閘的液壓啟閉機高壓大流量無級變速控制方法，主要控制輸水閥門運行，其特征在于采用電—液比例的高壓大流量通軸式軸向柱塞泵作為無級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，組成對船閘輸水閥門和人字門啟閉機的高壓大流量無級變速，具有調(diào)速功能的液壓泵有電液比例變量泵、電液伺服泵，其泵的輸出流量與輸入的控制電信號成比例，通過改變電控輸入信號可以方便和有效的改變系統(tǒng)流量，從而達到控制執(zhí)行機構(gòu)—油缸的運行速度的目的。其裝置中輸水閥門啟閉機液壓控制回路由電機泵組及由二通插裝閥構(gòu)成的四通控制回路組成。本發(fā)明對永久船閘大慣量負載的控制準確可靠、運行平穩(wěn)，具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，并保證和滿足了永久船閘啟閉設(shè)備的運行技術(shù)要求。
文檔編號E02B7/20GK1707033SQ20041002500
公開日2005年12月14日 申請日期2004年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月9日
發(fā)明者毛武榮, 張國賢, 黃人豪, 吳白羽, 胡偉民, 唐立, 周海勇 申請人:上海海岳液壓機電工程合作公司