引言
大口徑伸縮式液控緩閉蝶閥采用機(jī)械、液壓、電控、計(jì)算機(jī)一體化形式,可替代閘閥、止回閥、調(diào)節(jié)閥,節(jié)材、節(jié)能、節(jié)耗、節(jié)省占地空間;該閥門(mén)具有分階段開(kāi)閥與關(guān)閥功能,因此,在開(kāi)閥過(guò)程中能有效控制水擊,在關(guān)閉過(guò)程中能有效地消除停泵關(guān)閉水錘,保護(hù)管路與設(shè)備安全,同時(shí)在管路上安裝時(shí)因其具有伸縮功能安裝時(shí)非常便利。但傳統(tǒng)的閥門(mén)只具有單一的功能,閘閥只起閘閥的作用,止回閥只起止回閥的作用,在管路上開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)不能夠有效控制水擊,因此液控緩閉蝶閥被電廠、水廠廣泛采用。
1 設(shè)計(jì)原理
1.1 閥門(mén)工況分析
液控緩閉蝶閥分重錘式和蓄能式兩種,使用工況主要有離心泵工況和水輪機(jī)工況等。
開(kāi)閥離心泵工況(包括離心式混流泵):先啟動(dòng)泵,延遲預(yù)定時(shí)間后開(kāi)閥。開(kāi)閥水輪機(jī)工況:先開(kāi)啟旁通閥平衡壓力,再開(kāi)閥,后開(kāi)啟水輪機(jī)。各種工況均要求在停機(jī)或停電的同時(shí)關(guān)閉閥門(mén)。
1.2 閥門(mén)類(lèi)型
(1)重錘式。開(kāi)閥時(shí),電磁閥換向,油泵啟動(dòng),液壓油經(jīng)流量控制閥、高壓膠管進(jìn)入油缸,推動(dòng)活塞將閥門(mén)開(kāi)啟。開(kāi)閥到位后自動(dòng)保壓系統(tǒng)啟動(dòng),電機(jī)繼續(xù)給保壓蓄能充壓,壓力達(dá)高壓力設(shè)定點(diǎn)后停機(jī)。旋轉(zhuǎn)流量控制閥手輪可以調(diào)整開(kāi)閥時(shí)間。
關(guān)閥時(shí),電磁閥換向,油缸內(nèi)的壓力油經(jīng)快、慢關(guān)節(jié)流閥、高壓膠管、電磁閥回到油箱,重錘落下,蝶板旋轉(zhuǎn)關(guān)閥,迅速切斷前約70%行程的大部分水流,后30%行程則緩慢關(guān)閉??炻P(guān)角度及各階段時(shí)間可以根據(jù)管道實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)節(jié),有效消除管道水錘。
(2)蓄能式。開(kāi)閥時(shí),電磁閥換向,蓄能器釋放能量,液壓油經(jīng)調(diào)速閥,單向閥及高壓膠管進(jìn)入油缸,推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng),閥門(mén)按調(diào)定的程序開(kāi)啟,蝶板開(kāi)至機(jī)械限位調(diào)定全開(kāi)位置。
關(guān)閥時(shí),電磁閥換向,蓄能器釋放能量,推動(dòng)油缸反向動(dòng)作帶動(dòng)蝶板按調(diào)定程序關(guān)閉閥門(mén)至全關(guān)位置。
啟閉過(guò)程中,當(dāng)系統(tǒng)油壓低于壓力控制器調(diào)定下限值時(shí),油泵自動(dòng)開(kāi)啟,給蓄能器蓄能,當(dāng)蓄能器能量貯存至壓力控制器調(diào)定上限值時(shí),油泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
電器與液壓部分組成控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)泵閥聯(lián)動(dòng)、遠(yuǎn)距離控制、PLC編程控制操作,提供DCS觸點(diǎn)接口,供計(jì)算機(jī)管理。
2 設(shè)計(jì)主要技術(shù)性能參數(shù)(見(jiàn)表1)
表1 技術(shù)性能參數(shù)
3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
液控緩閉蝶閥由閥門(mén)主體、液壓驅(qū)動(dòng)裝置和電器控制系統(tǒng)三大部分組成;按關(guān)閉動(dòng)力分重錘式和蓄能器式兩種。圖1為重錘式液控緩閉蝶閥結(jié)構(gòu),圖2為蓄能器式液控緩閉蝶閥結(jié)構(gòu)。
1-閥體;2-碟板;3-閥桿;4-重錘;5-行程開(kāi)關(guān);
6-液壓站;7-電控柜;8-液壓缸
圖1 重錘式液控緩閉蝶閥
1-閥體;2-碟板;3-閥桿;4-行程開(kāi)關(guān);5-電控柜;
6-液壓站;7-蓄能器;8-液壓缸
圖2 蓄能式液控緩閉蝶閥
重錘式為早期傳動(dòng)結(jié)構(gòu),其特點(diǎn)為平時(shí)靠舉起的重錘積蓄勢(shì)能,在緊急關(guān)閉時(shí)刻,重錘快速落下,勢(shì)能釋放,動(dòng)能增加,帶動(dòng)蝶板快速關(guān)閉,優(yōu)點(diǎn)是能量積蓄可靠,關(guān)閉速度可靠穩(wěn)定,缺點(diǎn)是占用空間大(重錘回轉(zhuǎn)半徑),重錘重量重,運(yùn)行期間,如傳動(dòng)鏈有松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)大。
蓄能式為新式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),其開(kāi)啟關(guān)閉均靠蓄能罐中集蓄的能量釋放,優(yōu)點(diǎn)是體積小,重量輕,液壓系統(tǒng)保壓使用十分可靠;缺點(diǎn)是造價(jià)較高,對(duì)液壓系統(tǒng)要求較嚴(yán)格。閥門(mén)主體、液壓驅(qū)動(dòng)裝置,整體緊密安裝稱(chēng)為連體式,二者分離安裝稱(chēng)為分體式,連體式結(jié)構(gòu)位置緊湊,輸出油管距離短,流阻小,緊急關(guān)閉時(shí)間短,缺點(diǎn)是液壓站承受的振動(dòng)大,維修拆裝不方便,分體式將液壓站置于閥門(mén)主體之外,避免液壓站零件在持續(xù)振動(dòng)中工作,同時(shí)維修閥門(mén)主體不必拆裝龐大的液壓站,但其缺點(diǎn)是占用空間大,輸送管道較長(zhǎng),流阻大,易影響開(kāi)關(guān)的速度。
4 閥門(mén)啟閉力矩的計(jì)算
閥門(mén)主體結(jié)構(gòu)及閥體二端支承密封結(jié)構(gòu)確定后,可以計(jì)算***大動(dòng)水作用力,***大動(dòng)水力矩和合成力矩均發(fā)生在閥門(mén)接近關(guān)閉時(shí),閥門(mén)啟閉力矩計(jì)算如下(重錘式液控蝶閥):
(1)以離心泵為例,閥后有水,先開(kāi)泵后開(kāi)閥,待泵達(dá)到額定壓力后開(kāi)啟閥門(mén),這時(shí)閥前壓力為水泵零流量時(shí)壓力,閥后壓力為泵站幾何揚(yáng)程壓力,閥門(mén)開(kāi)啟力矩為:
式中:
MC——閥軸二端軸承處摩擦力矩,N?m;
MT——閥軸與密封填料摩擦力矩,N?m;
MM——閥體通徑密封面摩擦力矩,N?m;
MH——閥門(mén)液壓系統(tǒng)阻力矩,N?m;
MG——重錘力矩,N?m;
θ——閥門(mén)全關(guān)時(shí)重錘連桿與管道軸線之間夾角。
(2)閥后無(wú)水,先開(kāi)泵后開(kāi)閥,此時(shí)閥前壓力為水泵零流量時(shí)壓力,閥后壓力為零,此時(shí)操作力矩***小,其值為:
以上計(jì)算可知
(1)設(shè)計(jì)液壓工作力矩應(yīng)大于***大操作力矩并考慮安全系數(shù),才能可靠地開(kāi)啟閥門(mén)。
(2)閥門(mén)開(kāi)啟程序?yàn)橄乳_(kāi)泵后開(kāi)閥,而為防止管道水錘升壓和控制水泵葉輪倒轉(zhuǎn),關(guān)閉程序?yàn)橄汝P(guān)閥后停泵。
5 閥門(mén)的液壓控制系統(tǒng)
(1)閥門(mén)的液壓系統(tǒng)包括擺動(dòng)油缸、蓄能器和電磁閥等液壓元件。
(2)擺動(dòng)油缸是開(kāi)啟閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和關(guān)閥時(shí)的制動(dòng)阻尼機(jī)構(gòu),角度調(diào)節(jié)閥和調(diào)速閥調(diào)節(jié)和控制蝶閥的啟閉速度、快慢關(guān)角度。
(3)蓄能器是啟閉蝶閥的動(dòng)力源,蓄能器的能量靠電機(jī)和油泵提供,同時(shí),蓄能器、數(shù)顯示壓力控制器與油泵組成自動(dòng)保壓蓄能閉環(huán)系統(tǒng),可穩(wěn)定系統(tǒng)壓力,保證蝶閥正常啟閉,若系統(tǒng)壓力降到調(diào)定值以下,油泵自動(dòng)啟動(dòng),向蓄能器補(bǔ)壓。
6 閥門(mén)電氣控制系統(tǒng)
電氣控制系統(tǒng)分為普通繼電控制型和PLC智能控制型兩種類(lèi)型。
普通繼電控制型邏輯運(yùn)算用繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn):它不僅可以就地操作,也可以接入DCS系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與就地狀態(tài)用萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換??梢越邮盏倪h(yuǎn)程信號(hào)有:開(kāi)閥、關(guān)閥、停止、水泵狀態(tài)、管道壓力等;輸出供遠(yuǎn)程DCS監(jiān)控的信號(hào)有:閥門(mén)開(kāi)度位置信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)、油泵狀態(tài)信號(hào)、鎖定狀態(tài)信號(hào)、故障信號(hào)、4~20mA模擬信號(hào)等,除了閥門(mén)狀態(tài)4~20mA信號(hào)外,其余信號(hào)均為無(wú)源干接點(diǎn)開(kāi)關(guān)量信號(hào)。
PLC智能控制型邏輯運(yùn)算用可編程控制器PLC來(lái)實(shí)現(xiàn),這不僅提高了系統(tǒng)邏輯運(yùn)算的可靠性,而且簡(jiǎn)單,便于維護(hù),同時(shí)因?yàn)槠涔δ艿臄U(kuò)展、加工文本顯示器、觸能屏等人機(jī)界面的使用,使其在智能化方面得到了充分體現(xiàn)。
7 結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的液控緩閉蝶閥是一種管路控制設(shè)備,主要安裝于水電站水輪機(jī)進(jìn)口,用作水輪機(jī)閥;或安裝于水利、電力、給排水等各類(lèi)泵站的水泵出口,代替止回閥、閘閥的作用。工作時(shí),該閥通過(guò)預(yù)設(shè)的啟閉程序快關(guān)、慢關(guān)、慢開(kāi)、快開(kāi),實(shí)現(xiàn)管路的可靠截止,有效消除管路水錘,對(duì)于節(jié)能、節(jié)水及環(huán)保均有很大好處。