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启闭机在水工闸门上性能分析
摘 要：启闭机功能在于控制水工闸门的起闭,如速度控制异常,或产生其他故障,启闭机的性能将无法实现.本文简要介绍了常见的启闭机类型,基于此,重点以液压启闭机为例,分析了机械的缺陷.并从液压系统子回路、液压元件参数等方面,阐述了启闭机的优化设计方案.通过对仿真结果的观察,证实了优化后的启闭机,在性能方面的优势.
关键词：液压启闭机 水工闸门 平衡保压 速度控制
1.前言
闸门为水利工程所需应用的主要装置,通过对闸门开启与关闭状态的调整,可使水力资源的分布及应用情况得到控制.启闭机的功能,在于开启与关闭阀门.如机械出现故障,将对水利工程造成严重的影响.根据启闭机类型的不同,其常见缺陷以及优化方案同样不同.因此,有必要就某一类型的启闭机性能优化方案进行分析,使其性能得以增强.
2.常见水工闸门启闭机类型及其性能
水利工程中常用的启闭机,以固定卷扬式启闭机、螺杆启闭机,及液压启闭机为主,不同启闭机的优势各不相同：（1）固定卷扬式启闭机：该类型的启闭机出现时间较早,具有同步化强、运行平稳性与可靠性高的优势.加之设备构造较为简单,因此后期维修相对方便.利用固定卷扬式启闭机控制水工闸门的过程,需借助钢丝绳的带动而实现.闸门需与钢丝绳连接,而启闭机则可通过使钢丝绳执行“收”与“放”指令的方式,对闸门动作进行控制.（2）螺杆启闭机：该类型启闭机由传动机构、螺栓等构成.启闭机启动后,螺母可随之转动.而闸门则可随螺母的转动以及升降,执行开启与关闭的动作.（3）液压启闭机：液压启闭机为较为先进的启闭机类型,要求利用液体,使压力得以传递.通过油缸,带动闸门开启或关闭.与固定卷扬式启闭机与螺杆启闭机相比,液压启闭机的数字化水平更高,优势显著.
3.液压启闭机在水工闸门上的性能缺陷分析
本部分主要以液压启闭机为例,对启闭机的使用缺陷进行了分析：
3.1 两液压缸不同步
液压启闭机虽优势显著,但如设计存在缺陷,使用性能同样会受到一定的影响.以液压缸为例,两液压缸不同步,为启闭机的主要应用缺陷之一,多由系统性能不达标所导致.启闭机中,液压泵需分别对两个液压缸供油.液压缸排量,是决定其需油量的主要因素.因此,如排量不同,则两者对油量的需求同样不同.在同一液压泵的作用下,液压缸常难以同步运行.为解决上述问题,优化系统子回路,提高回路运行的平稳性是关键.
3.2平衡及速度回路缺陷
液压系统中,平衡回路存在的目的,在于确保系统能够稳定运行,确保液压缸活塞可随时停止.通常情况下,平衡回路的运行状态,主要包括上升、静止、下降三种.如状态调整频率过高,导致平衡系统处于不断开关的过程中,平衡保压的问题则会产生.就速度控制问题而言,启闭机中,速度回路的功能,在于实现对液压系统进出油量的控制.如调速回路,与同步回路同时被系统控制,关闭速度不平稳等现象,既可随之产生.
4.水工闸门启闭机的使用性能优化设计方法及效果
为增强启闭机性能,弥补现有的缺陷.本部分主要从液压系统子回路及液压元件方面,对启闭机的性能优化方法进行了探讨：
4.1启闭机的优化设计
（1）液压系统子回路优化设计
本课题所设计的液压系统子回路,由液压源回路、压力控制回路、滤油回路构成,不同回路的优化设计方法如下：①液压源回路：液压启闭机管路复杂,两液压缸不同步的风险发生率较高.对此,设计人员可将两套电机油泵,应用到液压源回路的设计中.通过将两者对称布置的形式,实现冗余设计,使液压缸不同步的问题得到解决.②压力控制回路：本课题所设计的液压系统子回路中,压力控制回路需依靠电液比例溢流阀而实现.该回路的应用,可确保启闭机所控制的闸门的压力以及启动、关闭的平稳性得以提升.③滤油回路构成：滤油回路中,过滤器为主要设备.如过滤器表面磨损过于严重,则回路的性能必然受到影响.此时,可将过滤器安装在液压泵的出口,减少污染与磨损,确保滤油回路性能无异常.
（2）液压元件参数计算与选择
为确保液压元件性能无异常,应将启门与闭门速度,以及压力等指标,纳入到元件参数的计算过程中.在提高参数计算结果精确度的同时,提高元件选择的合理性.各元件中,液压缸内径的计算公式如下：
P1（π/4）（D2-d2）φm等于F/2
公式中,P1代表闸门启动所需的压力,D代表内径参数,d代表液压缸中活塞的直径,F代表启动闸门时启闭机所需的最大力,φ为常数.根据计算多得到的数值,选择液压元件,既可有效满足液压系统的运行需求.除液压缸外,电动机同样为液压系统的重要组成部分,本课题所选择的电动机参数如下：①型号：Y315M-6型.② 额定功率：9 0kW.③ 转速：980r/min.④质量：1.08kg.
（3）速度控制系统的优化设计启闭机中液压系统的运行,需满足动态循环与静态特性两大条件.除此之外,必须确保系统处于平稳的状态,方可使速度控制系统初始化.在此过程中,如系统负载存在异常,且液压系统稳定性差,速度控制系统的性能,同样会出现异常,导致启闭机的性能下降.为确保速度控制系统性能正常,可将油管的直径、长度,应用到液压缸容积的计算过程中.通过提高液压缸合理性的途径,确保供油稳定,避免液压系统出现异常.如采用V达标液压缸的容积,则有公式如下：
V等于（π×402×10-6）/4
将计算后所得到的数据,进行进一步计算,既可得到最终的液压缸两腔容积,进而使供油稳定性得以提升.考虑到响应精确度问题,本课题将传感器应用到了速度控制系统中,将液压缸的位移偏差,控制在了2mm以下,使得速度控制系统得到了优化,提高了启闭机的性能.
4.2优化设计效果观察
为评估本课题所设计的液压启闭机的性能,本部分应用MATLAB仿真软件,设计了仿真实验,并对仿真效果进行了观察：
（1）仿真设计
本课题中,仿真实验所使用的仿真软件,以M AT L A B软件为主,核心模块为Simulink.该软件可将相应参数及启闭机回路系统,以三维模型的形式呈现.进而在运行模型的基础上,得到仿真结果,以供判断启闭机性能是否存在异常.频率特性,指正弦信号下,稳态输出与输入之间的关系.将该特性纳入到仿真设计中,可提高仿真结果的准确度.对此,设计人员可采用以下关系式,确定时频特性与传递函数之间的关系.关系式如下：
G（jw）等于X0（jw）/X1（jw）等于A（w）e上述关系式中,G代表时频特性,X0及X1代表传递函数,A代表实数.利用上述函数,求得时频特性功能与函数之间的关系,既可得到最终的参数.将参数输入至MATLAB软件中,Bode图则可显示.
（2）仿真结果
通过对仿真结果的观察发现,优化设计前的启闭机,运行参数稳定性较差.为判断优化设计后的机械性能是否达标,本课题将PID校正理念,纳入到了仿真过程中.分别设置了三个采样序号,提高了采样数据的代表性.假设系统最大速度为30mm/s,最大干扰力为5 0 0k N,系统稳定度为0.05.当采样信号中的微分信号为0.7、积分信号为0.05时,随着偏差信号的增大,系统的调整时间显著减少.当偏差信号为0.7时,系统的动态性能明显增强.当采样信号中的偏差信号为0.7、微分信号为0时,随着微分信号的增大,系统的调整时间显著减少.当积分信号为1.5时,系统的动态性能明显增强.以此类推,当偏差信号为0.15时,系统的动态性能明显增强.可见,当偏差信号为0.7、微分信号为0、积分信号为0.15时,启闭机性能可达到最强.
5.结论
综上所述,本课题所设计的液压启闭机,各系统的性能均能够满足水工闸门的控制需求.与优化设计前相比,启闭机性能显著提升.机械及水利工程领域,可根据自身所使用的启闭机类型,对其在运行过程中存在的缺陷进行分析.在此基础上,详细计算启闭机不同元件的不同运行参数.并通过仿真实验,验证设计方案,以使启闭机的整体性能得以提升.
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