电控图
液压启闭机
设备概况
1.1.1启闭机设备用途和组成
本工程设有7套2X630kN柱塞式液压启闭机。包括14支液压油缸、4套液压泵站、7套现地控制柜以及液压管道及附件等。其中三套泵站按一站两孔配置，另一套泵站按一站一孔配置。每套液压泵站设备包括1套油箱总成、2套液压泵电动机组（互为备用）、1套调压控制阀组。
1.1.2启闭机设备供货范围
A.启闭机全套设备(包括油缸、埋件、行程检测装置、泵站、阀组、油箱、油管、管夹、管架及附件等配套设备)。
B.从电源总开关开始的全套电气设备(包括拖动、控制、保护、测量、显示、信号等元件组成的现场操作盘柜以及从柜到启闭机的动力电缆和控制电缆)。
C.专用工具及备品备件（详见专用工具及备品备件报价表）。
D.提供足够的、与工厂防腐相同的防腐蚀材料。
2、设计方案
以下分别对液压启闭机液压缸、行程检测装置、同步原理和液压系统部分进行设计说明。
2.1 QPPYI-2X630-6.7液压启闭机
2.1.1液压缸
A结构与功能
工作闸门液压启闭机油缸为立式布置，下端固定联接，上端与闸门连接，并且支承处采用球面支承，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。
B主要技术参数
型号QPPYI-2×630-6.7
数量7套
型式立式单作用
最大启门力kN 2×630
工作行程m 6.5
最大行程m 6.7
启闭速度m/min 0.96-1.38
柱塞杆直径mm 260
油缸内径mm 290
启门压力MPa 11.87
试验压力MPa 17.8
操作条件动水启闭，局部开启
C油缸设计参数计算
根据主要技术参数来确定液压启闭机油缸缸体的缸径D，柱塞杆直径d，缸筒壁厚δ等。
本油缸在启闭闸门过程中，提供启门力，为单向作用工况。
本计算次序为：先根据规范要求，初步选定柱塞杆直径，并校核其稳定性，再选取合适的油缸缸径，然后再计算缸筒壁厚，并校核。
参考QPPYI液压启闭机系列油缸，初步选定柱塞杆直径为260mm，缸体直径为290mm，下面对其进行校核：
1）油缸启门压力计算
P=4 F/πd2
其中，F—启门力，630KN
d—杆径260mm
经计算，P=11.87MPa
2）油缸壁厚计算
缸体材料为ST65#无缝钢管，许用应力σS≥300 MPa，[σ]=σS/2.5≥120MPa。
δ=PmaxD/(2.3[σ]- Pmax)
其中，Pmax—油缸内最高工作压力11.87Mpa
D—缸径290mm
〔σ〕—缸体材料的许用应力，〔σ〕≥120MPa
δ=13.03mm，因此取成品外径为Φ325，壁厚17.5mm。
3）缸体强度校核
材料许用应力〔σ〕≥120MPa；
合成应力σzh1=（σz12+σh12-σz1σh1）0.5
其中，σz1—纵向应力σz1= P（D2-d2）/4D1δ
σh1—环向应力σh1=PD1/2δ
P—工作压力11.87Mpa
D—缸内径290mm
d—柱塞杆直径260mm
D1—缸体中心直径307.5mm
δ—缸体壁厚17.5mm
σzh1=100.1Mpa<〔σ〕
经计算，强度满足要求。
4）柱塞杆稳定性校核
柱塞杆为45#正火状态，σs≥280MPa，[σ]=σs/2.5=112Mpa
由于柱塞杆采用空心杆（260/211），部分压力直接作用于柱塞杆头部，柱塞杆环形面积实际受力为215KN。因此，空心柱塞杆会极大提高柱塞杆的稳定性。同时，我们采用柱塞杆直径2.5倍左右的导向长度，使柱塞杆的导向类似于活塞油缸活塞杆的导向，因此，该项目的稳定性计算可以采用一端固定，一端铰接来计算。
Pcr=π2EI/n(μL)2
其中， Pcr—柱塞杆承受的临界力
E—钢的弹性模量2.1X1011
I—柱塞杆的惯性矩
μ—柱塞杆的长度系数，μ=1
L—安装距L为~7300mm
n—安全系数，取5
Pcr=1005KN>215KN（空心杆实际受力）
经计算，稳定性满足要求。
同时，从Pcr=1005KN，我们可以反推出该项目柱塞杆的稳定性安全系数为20倍左右。
D油缸材料（含工艺）及其附件
1）缸体
选用进口优质无缝钢管，材料为ST65，其品质稳定可靠。经多年使用，特别是在国内大中型水电工程上的使用验证，其质量甚高。前端焊法兰，焊接采用优质碳素合金焊丝，采用自动埋弧焊工艺。然后进行回火热处理，消除焊接应力。
2）柱塞杆
材料选用优质无缝钢管，经正火热处理。活塞杆的主要加工工艺过程：锻件检测→粗车→精车→磨削→镀铬→精磨（抛光）。达到的质量指标为：表面粗糙度小于Ra0.4，母线直线度公差不大于1000：0.1，全长上小于0.25mm，尺寸精度f8。活塞杆表面镀铬为双层镀，第一层镀0.04~0.05mm乳白铬层（有效防腐层），第二层镀0.04~0.05mm硬铬层（有效抗磨层）。
3）密封件
油缸内部的动密封件采用德国MERKEL公司生产的水利工程专用密封圈，耐久性好，无论高压、低压均密封可靠，且启动压力低（≤ 0.5Mpa）；静密封件采用美国PARKER公司生产的O形密封圈。该种密封圈在工程上广为采用，这些密封件的耐压性都在32Mpa以上，保证使用寿命大于10年以上。另外在活塞杆出口端设有高质量的防尘圈和刮污圈。
2.1.2闸门行程开度检测、控制装置和双缸同步控制原理介绍
A．闸门行程开度检测及控制装置：
工作闸门开度测量（油缸行程检测）装置采用外置钢丝绳式行程检测装置。
开度检测装置是由壳体、恒力弹簧、不锈钢丝绳、卷筒、弹簧卷轮、主轴及绝对型光电编码器等组成。开度检测装置利用恒张力弹簧加不锈钢丝绳收卷机构，将线性位移运动转为旋转运动，带动绝对型旋转编码器旋转，通过PLC换算，检测出闸门的开度。检测装置钢丝绳及恒力弹簧材料均采用进口不锈钢材料，恒力弹簧张力90N。
绝对型编码器采用进口高精度产品，检测传感器分辨率<0.1mm，防护等级IP65，数字显示闸门开度值，并输出位置信号；这种编码器不受停电和干扰的影响，只要一给电，就能读取停留在任意位置上的实际数值。
该型号绝对型编码器还在国内广东东河工程（24套），长春伊通河工程（26套），黄河小浪底水利枢纽工程（18套），四川绵阳工程（18套）等水利航运枢纽工程共计使用500多套，质量可靠，性能优越，其主要特点是能抗干扰，不受停电的影响，始终能保持当前测量值。
另外在液压启闭机上还设有全开、全关位限位开关，控制闸门的全开全关位置，这些限位开关均选用进口产品。
B.液压启闭机双缸同步控制原理介绍：
液压系统具有双缸启、闭门同步纠偏功能，以满足闸门同步运行的要求。
1)液压系统通过两组调速回路将主油路分成两路进入闸门两侧的两只油缸，依靠控制两油缸的进出油量来控制两侧油缸的基本同步。由于闸门在运行过程中存在不确定因素，造成闸门两侧油缸的不同步，这时需要依靠旁路纠偏系统来调整两侧油缸的进出油量，从而保持两侧油缸的同步。
2)通过闸门开度检测装置，自动检测出上下运行过程中左右两侧油缸的行程（即闸门的启闭高度），并将检测出的信号传送至PLC。
3)根据闸门开度检测装置传送的信号，PLC将两侧油缸不同步误差信号大小和极性进行比对，当不同步误差超出程序设定值时，PLC输出开关量控制信号控制旁路纠偏系统。
4)当旁路纠偏系统接收到PLC发出的纠偏信号后，旁路纠偏系统将闸门启闭运行过程中相对高的一只油缸放油，从而控制两油缸的行程差，进而消除偏差。放油后，当两侧油缸的行程（闸门高度）达到设定值时，PLC发出信号停止纠偏。
5)这时，整个纠偏程序完成。此过程全程跟踪，保证两只油缸启、闭门同步，偏差在设定范围内。
6)电气控制系统另设置纠偏点动按钮，在自动同步纠偏超差大于最大设定值，造成停机情况下，由操作人员在现地控制单元采用“点动”控制功能，实施手动纠偏，达到同步。
2.1.3液压系统
A.结构与功能
液压启闭机共设四套液压泵站液压系统，其中每套液压泵站内均设两套互为备用的油泵电机组，一只油箱、一套调压控制阀组及全套液压附件、管路设备。
液压系统能满足闸门任意位置的启、停。由于液压系统的泄漏，在48h内闸门的下滑量保证不大于150mm。
液压启闭机的液压管道均须按图纸规定的走向布置在泵房和闸墩或工作桥上的管道沟内，所有管道均按规定的数量和间距用管夹固定以防振动。
B.液压泵站的基本参数
根据标书以及油缸基本参数，初步计算出液压启闭机液压泵站的基本参数。详见下表。液压泵站的技术要求全面响应标书。
泵站控制类型一站一孔一套一站两孔三套
泵站总数4
油缸数量2×7
油缸缸径mm 290
柱塞杆径mm 260
油缸最大行程mm 6700
柱塞杆速度m/min 0.96-1.38
启门压力Mpa 11.87
闭门压力Mpa自重闭门
启闭流量l/min 2×50.9—2×73.2
油泵型号PVH57QIC-RSM-13S-10-C25-31-057
电机型号QA180L4A-B5 22KW 1470r/min
上海ABB
油箱容积l一站一孔1500L一站两孔2500L
C.系统计算说明
1）系统最高工作压力、最大工作流量，电机功率的计算
系统最高工作压力：P=nP1
其中，n—安全系数，取1.1
P1—油缸启门油压，P1＝11.87MPa
P=13.1MPa
系统最大工作流量Q=KQ1
其中，K—系统的泄露系数，取1.1
Q1—油缸进行启门动作时的最大流量Q1 =2×73.2L/min
Q= 161L/min
油泵排量Qv=Q/n
其中，选用4极电机，电机转速n=1470 r/min
Qv=161/1.47=109.5ml/rev
电机功率N=PQ/（61.2η）
其中，η—油泵、电机机械效率，取0.9
N=（13.1×161）/（61.2×0.9）=38.3KW
参考招标文件对电机功率的要求，本系统选用两套油泵-电机组，启门时同时开两台油泵-电机组，闭门时开一台油泵-电机组；根据以上计算，油泵选用美国VICKERS进口轴向柱塞泵，型号为PVH57QIC，其公称排量为57.4ml/r；电动机选用上海ABB公司电机，电机型号为QA180L4A-B5 22KW 1470r/min。
油泵和电机均选用优质产品，其性能可靠并且经久耐用；足以能确保系统工作的安全可靠。
2）油箱容积的计算
油箱采用全封闭结构，设检修人孔盖，可以方便地更换油液和去除杂质，并配有液位控制器、液温控制器、精细回油滤油器、吸湿式空气滤清器来保证系统对油液的各项控制要求。同时油箱设有闲时用来循环过滤油液的专用接口，以满足油液的清洁度达到NAS8级。
根据“规范”8.4.2的要求，油箱的容积设计，应充分满足液压系统正常工作和检修工况，并考虑到油箱结构上本身所需的空油面与吸油高度，按照液压泵站油箱公称容量系列的规定，选定一站一孔油箱容积为1500L，一站两孔油箱容积为2500L。
3）液压系统管路管径的设计计算
为减失少压力损和压力冲击，管道系统所有弯头均采用自然冷弯成形弯头。
根据“规范”规定与经验，管路流速不应用的过高，尤其对于管路较长系统。通常我们选压力油管流速不大于3.5m/s，回油管流速不大于2.5 m/s，其它油管流速不大于1.2m/s。
油缸油口管路按照液压系统启门动作时，油缸A口的排油流量（73.2L/min）和回油流速（2.5m/s）来计算：
油缸A口的管径为d1=4.63×(73.2/2.5) 0.5 =25.1mm
同时考虑到油管所承受的压力，因此：
油缸油口管路选用Φ34×3。
D.动作原理简述
启门动作。空载启动液压泵电动机组，延时10秒左右，电磁阀1DT、2DT通电，压力油经换向阀22分两路经25.*调速阀粗调同步后进入左右液压缸腔，启升闸门。启门过程中由油缸开度检测装置测出的闸门位置信号送到本现地控制站的PLC中，由PLC处理这些信号实现两闸门的同步动作，并实现两闸门任意开度或开终的控制。
闭门动作。空载启动液压泵电动机组，延时10秒左右，电磁阀1DT、3DT通电，压力油经换向阀22打开液控单向阀,两只油缸内油液分两路经25.*调速阀粗调同步后经换向阀流回油箱。闭门过程中由油缸开度检测装置测出的闸门位置信号送到本现地控制站的PLC中，由PLC处理这些信号实现两闸门的同步动作，并实现两闸门任意开度或开终的控制。
闸门同步控制。在闸门启闭过程中，闸门开度及行程控制装置全程连续检测两只液压缸的行程偏差，当偏差值≥20mm时，电磁阀4DT或5DT自动得电，调整液压缸进、出油量，当双缸同步偏差值达到10mm时纠偏调节停止。当两只液压缸的行程偏差值≥30mm时，液压系统自动停机并发出报警信号。
液压系统压力保护：
当SP1发讯时，表明液压系统工作压力过高，应有声光报警，停泵检修；
当SP2发讯时，表明液压泵工作异常，应有声光报警，启动备用泵或停泵检修；
油箱部分电气控制：
当LS1发讯时，表明滤油器已堵塞，应有声光报警，提请清洗或更换滤芯;
当TS1发讯时，表明油箱温度过高，应有声光报警;
当LL1发讯时，表明油箱液位过高，应有声光报警，停泵检修；
当LL2发讯时，表明油箱液位过低，应有声光报警，停泵检修。
E.主要液压元件的选型
油泵电机组：油泵选用美国VICKERS公司进口优质轴向柱塞泵；电动机选用上海ABB公司优质电动机。油泵和电动机品质优良，性能可靠并且经久耐用。
阀组：液压系统中的大部分阀件均选用美国VICKERS公司的优质产品，VICKERS液压为世界着名品牌，其产品广泛应用于工业、航空及军事行业。电液换向阀选用PARKER公司产品，并带阀芯位置监控。阀组功能先进，结构紧凑，调试维护方便。
油箱：采用全封闭结构，设检修人孔盖，可以方便地更换油液和去除杂质。并配有液位液温计、液位控制器、温度控制器、优质精细回油滤油器、吸湿式空气滤清器来保证系统对油液的各项控制要求。同时油箱设有闲时用来循环过滤油液的专用接口，以满足油液的清洁度达到NAS8级。
液压附件：液压系统中压力传感器、高压球阀、耐震压力表、PQT测试装置、高压软管，测压软管等液压附件也均选用优质进口产品，因此足以确保系统的品质优良，性能可靠和经久耐用。
液压元件的选型详见液压原理图。
3、设备主要部分的组装与调试说明：（详见制造加工工艺和质量保证要点）
油缸总成是这部分设备的主要部分，油缸零部件在组装前经过再检查并清洗达到清洁度标准进入装配工序。油缸装配好后必须在试验站进行各项规定的试验。
最低启动压力试验：不加负荷，油缸从零增加到活塞杆平衡移动时的最低启动压力应不超过0.5MPa。
耐压试验：按试验压力进行，保压10分钟以上，不能有外泄漏和其他变形及破坏迹象。
4、涂装：（详见制造加工工艺和质量保证要点）
根据招标文件规定的技术要求，为了满足要求，我公司经过调研和咨询，采用重防腐涂料系列产品和涂装施工服务，保证涂装质量达到目前最高的要求。
5、安装规程和现场调试说明：（中标后，提供详细的使用、安装、维护说明书）
a.检查液压启闭机全部设备是否已按设计完备，各零部件是否完好无损，油缸、油口是否封堵完好。
b.安装前应证实闸门、门槽、安装基准面等已符合设计要求，安装所需的专用设备（起吊、焊割、弯管、清洗）已具备。
c.油缸吊装就位时应采取适当措施防止活塞杆滑动。
d.电气设备的安装和接线应正确。
e.液压油管应进行二次安装，第一次配管、试装，然后拆下清洗，干燥后再安装，安装好后短接进出油管，用专用冲洗设备进行循环冲洗直到达到清洁度要求。
安装其余要求按DL/T5019-94中第8.4条执行。
f.调试：调试前应对已安装各部分进行再检查，确定各连接无误，然后按照DL/T5019-94中第8.5条规定逐项进行。
6、设备的包装、搬运、贮存技术说明：
液压启闭机主要有液压缸、液压泵站、管路、埋件和备品备件。液压启闭机液压缸包装时必须选好支点，一般用2个支点，选在离两端1/4-1/3的位置，重量基本平衡，再做支承架，并且在液压缸和支架之间衬垫橡皮，在支架上设计有钢丝绳起吊位置，支架必须有足够的强度。液压缸在厂内试验完毕，封堵油口，再次检查防腐质量，最后装支承架，液压泵站、电气控制设备在厂内试验完毕后，用木箱包装，防水、防潮包装，备品备件防水、防潮包装，所有包装箱上都必须说明体积、重量和吊点位置，泵站和电气设备箱上还必须注明防震和方向标志。
液压启闭机重量比较大，在吊装、搬运时必须选用足够强度的钢丝绳，严格按吊装点吊装，慢慢放下，减少震动。泵站设备、备品备件必须室内存放，液压缸、控制阀组自出厂日期起一年内可直接进入安装，如超过一年，必须进行解体清洗、检查、重新安装试压合格后才能进行工地安装。备品备件中的密封件必须密封避光保存，在今后使用前还必须检查其自然老化情况。
平面图
全套图
液压启闭机泵站布置图
液压启闭机原理图
设计说明
