液控式平衡阀在三峡船闸液压控制系统中的应用

    章鹏

    

    

    摘 要：三峡船闸作为世界上最大的船闸，其人字门和反弧门等设备均采用液压技术进行驱动，如何保证水平布置的人字门油缸运行的平稳和可靠是三峡船闸安全运行的重要因素。本文就液控式平衡阀在三峡船闸人字门油缸液压系统所起的作用、运行初期出现的问题及解决的方案进行了初步研究。

    关键词：三峡船闸 液压系统 液控式平衡阀

    三峡船闸作为举世瞩目的长江三峡水利枢纽工程的重要组成部分，确保其在运行过程中的安全性和稳定性是非常重要的。三峡船闸人字门和反弧门都是通过液压系统启闭的，液压控制系统的安全性和稳定性直接影响到船闸的正常运行。因此在设计和制造过程中采用了大量的进口液压元件：如采用了力士乐的比例变量泵和恒压变量泵；Parker公司的二通插装阀和Hydac公司的压力传感器等。其中Beringer公司的LBc40系列平衡阀在人字门液压控制系统中对于人字门油缸运行的平稳性起着非常关键的作用。

    以下通过对人字门液压系统的分析，谈谈LBc40系列平衡阀在三峡船闸人字门液压系统中的应用，人字门油缸及平衡阀原理图如下：

    1、人字门关门过程

    根据船闸人字门运行特点，关门过程为水平关门，整个人字门运行所阻力较小。目前液压系统配制双平衡阀回路，在三峡船闸的多次有水调试过程中可知系统运行压力仅为70bar左右，此时回油平衡阀的压降损失为20bar左右。当负载压力为和运行方向一致的正向负载时，此时油缸有杆腔压力将会升高。从而系统压力也会有所提高，系统压力的提高使回油平衡阀控制油压力上升，平衡阀开口变大对系统进行自动补偿，液压系统达到新的平衡点，此时回油平衡阀压降降低。由测试曲线可知LBC平衡阀控制压力的敏感性，可使平衡阀控制压力点基本维持在空载运行压力附近，即系统运行压力基本稳定。

    当负载压力为和运行方向相反的负向负载时，由于系统压力克服负载压力而上升，此时回油平衡阀控制压力升高，其开口变大对系统进行自动补偿，液压系统达到新的平衡点，此时回油平衡阀压降降低，其阀口压降补偿由于负载力产生的影响。

    2、人字门关门过程

    人字门开门过程相对复杂，不仅受门枢阻力、动水阻力和风浪影响，还受到闸室水位超灌超泄影响。

    在三峡船闸的运行过程中，可知系统运行压力仅为60bar左右，回油平衡阀压力损失为20bar左右，人字门运行负载阻力影响和动水阻力影响，均可通过平衡阀的自动补偿性能进行补偿。在系统低速运行时，系统运行压力为60bar左右，回油平衡阀压力损失为20bar左右，亦可通过平衡阀进行自动补偿。

    当超灌超泄现象反向水头达到200mm时，人字门液压系统自动进行退让，使下游超灌水头低于200mm。此过程后，人字门转入开门运行工况，此时负载产生一定的压力作用在无杆腔，负载力方向与运行方向一致，为正向负载。人字门运行可以认为是匀速低速运行，根据油缸力平衡原理，可知此时液压系统运行压力有提高趋势，又因LBC平衡阀的负载敏感性，液压系统压力提高使回油平衡阀控制压力上升，其平衡阀阀口压降降低，液压系统在原系统运行压力附近达到平衡点。

    但根据三峡船闸电气控制方面水平信号的设置情况和现在有水调试的情况看来，人字门有时会处于正向水头开门状态。如果此时人字门进入开门工况，此时负载产生一个很大的压力作用在有杆腔，负载方向和运行方向相反，此时系统压力升高将会无杆腔平衡阀达到一个很大的开口或处于全开位置，无杆腔平衡阀的反向压力损失很小。油缸会加速运行一小段距离。当油缸有杆腔压力降低，有杆腔和无杆腔重新回到压力平衡状态时。此时回油平衡阀控制压力降低，其开口变小对系统进行自动补偿，此时回油压降升高，液压系统达到新的平衡点。

    3、平衡阀部分性能测试数据

    由LBC40型平衡阀正向压降损失数据不难看出，LBC40型平衡阀的正向压力损失比较大，但如果在平衡阀旁并联一个单向阀，其正向压力损失在通过500L/min流量时，其压损也仅为10bar左右。当油缸运行，特别是开门运行时，有杆腔工作压力比较高，如果平衡阀的压损过大，将会导致液压系统发热和系统工作压力过高甚至超过系统的最高设定压力值，这对液压元件的使用寿命影响非常大甚至有可能在运行过程中产生超压报警，影响船闸的正常运行。因此并联一个平衡阀来减小平衡阀的正向压力损失。

    平衡阀啸叫声产生的原因及其解决办法

    在三峡船闸初期的无水和有水调试过程中，都存在人字门油缸在伸出过程中即有杆腔平衡阀在回油过程中产生比较大的啸叫声，经现场判断分析可知这都是由于液压脉动现象造成的，即是在不改变阀的压差的情况下，流量会出现时大时小的情况。这种现象一般多出现在节流阀口处于小开口状态或进出压差较大的情况下。结合三峡液压系统具体工作情况分析其产生的原因，可能为以下几个方面：

    在关门过程中，由于无杆腔工作压力较小，那即是有杆腔平衡阀控制压力比较小，平衡阀工作在小开口的情况下。此时就容易产生液压脉动。

    由于油液受到挤压后产生带电的极性分子，而节流缝隙的金属表面上存在电位差，故极性分子被吸附到缝隙表面，形成牢固的边界吸附层，吸附层厚度一般为5～8μm，因而影响节流缝隙的大小。以上堆积、吸附物增长到一定厚度时，就会被液流冲刷掉，随后又重新吸附在阀口上。这样周而复始，就形成了液压脉动。

    阀口压损过大时，将会使阀口温度升高，液体受挤压程度增强，金属表面也更易受摩擦作用而形成电位差，也就容易产生形成了液压脉动。

    油液中的机械杂质或因氧化析出的胶质、沥青等污物堆积在节流缝隙口，减小了节流缝隙口的大小，从而产生液压脉动。

    解决人字门有杆腔平衡阀啸叫声的方法

    在满足平衡阀工作性能的情况下加大平衡阀中R1 和R2的阻尼大小，这样就加大了平衡阀控制活塞的两端压力差，这能在控制压力不变的情况下增加平衡阀的开口大小，从而减轻或消除脉动现象，也就减小了平衡阀的啸叫声。

    对液压油进行定期过滤，保证油液的清洁度，清除了油液中的胶质杂质，减小了它们在节流缝隙口堆积的可能性，也能够减小平衡阀的啸叫声。

    （作者单位：长江三峡通航管理局）