液压启闭机设计及有限元分析共33页
液压启闭机设计方案
题目液压启闭机设计姓名余楠学号授课教师龚国芳魏建华专业机械电子专业(混合班)1.（1（2）本机操作闸门至上、下极限位置或设定的任一开度位置时，液压泵电动机应自动切断电源，特别是当闸门到达下极限位置时，应确保安全运行。
（3）闸门在全开或设定的任一局部开启位置时，启闭机的液压系统中的保压锁锭回路能可靠地将闸门固定在上极限或设定的位置处。
（4）闸门自全开位置或局部开启预置位置下滑150mm时，或双缸同步偏差超过20mm时，液压泵电动机自动投入运行，将闸门提升恢复原位。
若继续下滑至160mm，液压泵电动机尚未投入运行时，应自动接通另一组液压泵电动机，将闸门提升恢复原位；若继续下沉至200mm时，在集控室及现场均应有声光报警信号。
2.液压系统原理图该设计原理图由Eplan-fluent软件设计，如下图所示。
根据该图可以看出，本液压设计原理图可分为八部分，分别为，动力模块，总控模块，分流机构，阀门A启闭机构，阀门A锁紧机构，阀门B启闭机构，阀门B锁紧机构与极限位置保护机构。
3.设计功能说明首先对各模块依次说明，从左下角的动力模块开始，此模块包括主泵组，备用泵组，溢流阀，过滤器。
在正常运行时，主泵组的两个45KW电机运转，输出90KW功率，若压力表检测到系统失压，会通过电控模块开启备用泵组，并发出检修信号，提示检修主泵组。
动力模块提供的流量进入下面的总控模块，总控模块包括保护阀，总控制阀与节流分流机构。
保护阀供能在最后的极限位置保护机构部分会着重解释，总控阀实现油缸A、B的同步运行或异步运行。
总控模块后接分流机构，分流机构在此处着重说明，在初步设计时我查阅了相关的论文与设计，了解到了现今主流的同步回路主要有下面三种实现方法： 1、油路并联，且每路各接一个节流阀，实现各路流量一致。
2、利用伺服阀、传感器与电控系统，通过电控系统的控制算法实现精确分流。
3、使用分流集流阀，利用其机械结构按比例分流集流，实现同步。
对比上面三种方法，利用多节流阀的方法是最简单的方法，但是在实际应用中会遇到一定问题，多个节流阀之间往往很难保证一致性，故调试与安装较为复杂，且稳定性不高。
液压启闭机设计方案
题目液压启闭机设计姓名余楠学号 10 授课教师龚国芳魏建华专业机械电子专业(混合班)1.设计题目及要求设计题目：1600KN液压启闭机主要技术参数：型式：活塞式双缸液压启闭机最大启门力：2×1600kN工作行程：最大行程：液压缸计算压力：≥15MPa且≤20MPa液压缸内径：Φ400mm（推荐值）活塞杆直径：Φ180mm（推荐值）启闭速度：≥min液压泵电动机组单机功率：≤45kW液压泵电动机组应不少于两套，互为备用。
操作要求:（1）液压系统应有双缸同步及单缸动作回路（安装工况），双缸同步偏差≤20mm。
（2）本机操作闸门至上、下极限位置或设定的任一开度位置时，液压泵电动机应自动切断电源，特别是当闸门到达下极限位置时，应确保安全运行。
（3）闸门在全开或设定的任一局部开启位置时，启闭机的液压系统中的保压锁锭回路能可靠地将闸门固定在上极限或设定的位置处。
（4）闸门自全开位置或局部开启预置位置下滑150mm时，或双缸同步偏差超过20mm时，液压泵电动机自动投入运行，将闸门提升恢复原位。
若继续下滑至160mm，液压泵电动机尚未投入运行时，应自动接通另一组液压泵电动机，将闸门提升恢复原位；若继续下沉至200mm时，在集控室及现场均应有声光报警信号。
2.液压系统原理图该设计原理图由Eplan-fluent软件设计，如下图所示。
根据该图可以看出，本液压设计原理图可分为八部分，分别为，动力模块，总控模块，分流机构，阀门A启闭机构，阀门A锁紧机构，阀门B启闭机构，阀门B锁紧机构与极限位置保护机构。
3.设计功能说明首先对各模块依次说明，从左下角的动力模块开始，此模块包括主泵组，备用泵组，溢流阀，过滤器。
在正常运行时，主泵组的两个45KW电机运转，输出90KW功率，若压力表检测到系统失压，会通过电控模块开启备用泵组，并发出检修信号，提示检修主泵组。
动力模块提供的流量进入下面的总控模块，总控模块包括保护阀，总控制阀与节流分流机构。
关于液压启闭机的性能分析
科技创新岗南水库位于河北省平山县岗南镇附近的滹沱河干流上，是海河流域子牙河水系滹沱河中下游重要的大（Ⅰ）型水利枢纽工程，水库以防洪、灌溉和城市供水为主，岗南水库防洪启闭设备主要布设在二坝、进出口、新增溢洪道、正常溢洪道四个工程部位，共有各式闸门30扇，其中有14扇为通过液压系统控制的闸门。
结合平时对液压系统的维护与操作实际，下面对液压启闭机的性能作简单分析。
1.液压启闭机的结构与工作原理液压启闭机主要包括液压传动系统和电气控制系统，由液压泵组、液压阀组、液压缸、油箱及附件组成。
液压泵是动力输出元件，它为整个系统提供最初始的动力；液压阀包括节流阀、换向阀、溢流阀等，其作用是对液压油的压力、方向、流量等进行调节，以实现对液压系统各种性能的要求；液压缸是整个系统的执行元件，液压油带来的液压能最终将在液压缸内转化为闸门启闭的机械能；油箱用于储油及散热并将液压油中的杂质进行沉淀，分离油中的空气和水分；附件包括油管、接头、压力表、滤油器等。
当电动机启动后，液压泵抽动液压油，将机械能转化为液压能，液压油通过油管到达油缸，经换向阀的调节后，液压油可进入有杆腔或无杆腔。
进入有杆腔后，液压油推动活塞上升，液压能转化为机械能，闸门随之上升；同理，液压油进入无杆腔，活塞下降，闸门闭合。
2.液压启闭机的应用特点液压启闭机几乎适用于所有规模的闸门，小到进水闸、退水闸，大到溢洪道，都有液压启闭机的用武之地。
对于水头低，门体小，启闭行程短的地方，可采用平板闸门加液压启闭机来控制水流；对于水头高，门体大，所需启门力大，启闭行程长的地方，可采用弧形闸门加液压启闭机来控制水流。
液压启闭机相对应传统的螺杆启闭机或卷扬启闭机来说，有两个明显优势，一是不用设立启闭机房。
这对于一些地势条件复杂的地方，如岗南水库引岗渠、泄洪洞出口，现场条件根本不允许建立大型启闭机房，但一间能够容纳液压基站和控制柜的房间就能满足液压启闭机的要求。
二是自动化控制程度高。
液压启闭机设计方法
精心整理题目液压启闭机设计姓名余楠学号授课教师龚国芳魏建华专业机械电子专业(混合班)1.操作要求（1）液压系统应有双缸同步及单缸动作回路（安装工况），双缸同步偏差≤20mm。
（2）本机操作闸门至上、下极限位置或设定的任一开度位置时，液压泵电动机应自动切断电源，特别是当闸门到达下极限位置时，应确保安全运行。
（3）闸门在全开或设定的任一局部开启位置时，启闭机的液压系统中的保压锁锭回路能可靠地将闸门固定在上极限或设定的位置处。
（4）闸门自全开位置或局部开启预置位置下滑150mm时，或双缸同步偏差超过20mm时，液压泵电动机自动投入运行，将闸门提升恢复原位。
若继续下滑至160mm，液压泵电动机尚未投入运行时，应自动接通另一组液压泵电动机，将闸门提升恢复原位；若继续下沉至200mm时，在集控室及现场均应有声光报警信号。
2.液压系统原理图该设计原理图由Eplan-fluent软件设计，如下图所示。
根据该图可以看出，本液压设计原理图可分为八部分，分别为，动力模块，总控模块，分流机构，阀门A启闭机构，阀门A锁紧机构，阀门B启闭机构，阀门B锁紧机构与极限位置保护机构。
3.设计功能说明首先对各模块依次说明，从左下角的动力模块开始，此模块包括主泵组，备用泵组，溢流阀，过滤器。
在正常运行时，主泵组的两个45KW电机运转，输出90KW功率，若压力表检测到系统失压，会通过电控模块开启备用泵组，并发出检修信号，提示检修主泵组。
动力模块提供的流量进入下面的总控模块，总控模块包括保护阀，总控制阀与节流分流机构。
保护阀供能在最后的极限位置保护机构部分会着重解释，总控阀实现油缸A、B的同步运行或异步运行。
总控模块后接分流机构，分流机构在此处着重说明，在初步设计时我查阅了相关的论文与设计，了解到了现今主流的同步回路主要有下面三种实现方法： 1、油路并联，且每路各接一个节流阀，实现各路流量一致。
2、利用伺服阀、传感器与电控系统，通过电控系统的控制算法实现精确分流。
液压启闭机缸体有限元分析计算
2003年3月JOU RNAL O F HOHA IUN I V ERSITY CHAN GZHOU M ar.2003 文章编号:100921130(2003)0120066203液压启闭机缸体有限元分析计算胡友安(河海大学机电工程学院,江苏常州 213022)摘要:分别采用常规方法和有限元方法对三峡深孔弧门液压启闭机缸体进行强度计算,并对计算结果作了分析.关键词:缸壁强度;有限元计算;液压启闭机中图分类号:TB115 文献标识码:A 在水利工程中,液压启闭机的使用越来越广泛,它已逐步取代了机械式启闭机.例如三峡水利枢纽工程中各类液压启闭机,总计达120多台,总重在9700t以上,其中最大启门力为4500kN,闭门力为500kN[1].液压启闭机大都安装在水利枢纽工程的泄洪、发电、通航等重要关键部位.它们的安全可靠性和稳定性至关重要,将直接影响工程质量和各种效益的发挥.液压启闭机缸壁强度的计算结果,对液压启闭机的设计和制造有较大的影响,关系到它运行的安全性、可靠性和制造的经济效益.目前常规设计计算一般按《水利水电工程启闭机设计规范SL41293》(以下简称《规范》)进行,对于大型的和重要的液压启闭机则还需进行有限元分析计算,且两种计算结果都应满足《规范》中规定的强度要求.1 液压启闭机的主要设计参数三峡水利枢纽溢洪坝深孔弧形工作门液压启闭机有23台套,每扇闸门重为240t,孔口尺寸H×B=7.0m×9.0m;弧门支铰高程103.00m,位于坝轴线下游29.233m;弧门面板半径R=16m,其底缘高程为0.09m.油缸吊头与弧门吊耳铰接,单吊点.弧门吊耳中心高程100.80m(全关位),弧门支铰中心至弧门吊点中心(半径)距离为15.40m,弧门检修全开度时的门底缘高程为100.10m,工作全开度时的门底缘高程为99.35m.液压启闭机采用双向双作用油缸,缸筒结构如图1所示.额定启门力为4000kN,额定闭门力为1000kN,工作行程为10.70m,检修行程为11.293m,启门速度为0.8m m in,闭门速度为0.5m m in,油缸内径为650mm,活塞杆直径为380mm.根据液压启闭机在工作时的危险工况,取计算工况为缸体有杆腔端部承受总拉力4500kN,缸体内部油压p=20.3M Pa.缸体材料采用德国曼内斯曼公司制造的大口径无缝钢管,材料牌号为ST65.材料的力学性能为:强度极限Ρb=703M Pa;屈服极限Ρs=325M Pa;弹性模量E=210GPa;泊松比Λ=收稿日期:2002205210作者简介:胡友安(1963-),男,湖北黄陂人,副教授,机电控制及自动化专业.0.3.该材料是塑性材料,根据《规范》要求,取[Ρ]=0.4Ρs =130M Pa ,[Ρzh ]=1.1[Ρ]=143M Pa.图1 缸体工程图F i g.1 Eng i n eer i n g draf t of hydraul i c cyl i n der 2 液压启闭机缸体分析计算2.1 按《规范》设计计算根据《规范》设计计算缸筒缸壁强度的结果如下:(a )距法兰和支承凸缘足够远的断面处(D ∆≥10),缸壁应力为:纵向应力[Ρ]z1=34.69M Pa ,环向应力[Ρ]h1=124.7M Pa ,折算应力[Ρ]zh1=111.7M Pa ;(b )缸体与法兰接头断面处,缸壁应力为:纵向应力[Ρ]z1=119.26M Pa ,环向应力[Ρ]h1=150.27M Pa ,折算应力[Ρ]zh1=137.4M Pa .2.2 按有限元设计计算图2 缸体的力学模型、载荷和约束F i g .2 The m echan i cs m odel ,loads and con stra i n ts of hydraul i c cyl i n der根据液压启闭机的工作情况,缸体中部为固定铰支座,如图1所示,右部为缸体有杆腔,左部为缸体无杆腔.取右半段缸体有杆腔4.553m 部分进行分析.由于在1m 长度处缸体固定于混凝土基础上,所以该处简化为固定约束.内压力20.3M Pa 加于缸体内表面上,总拉力4500kN 加于24个螺栓所在位置,平均每个螺栓拉力为187.5kN .其力学模型、载荷和约束如图2所示. 这是一个轴对称问题.由于计算机的硬件和软件的处理能力都很强,可直接对三维实体进行网格划分.采用八节点块单元,共计将缸体剖分为58676个单元,17096个节点,这些工作全部由计算机软件自动完成.76第17卷第1期 胡友安 液压启闭机缸体有限元分析计算该八节点块单元的位移函数为:u =a 1+a 2x +a 3y +a 4z +a 5x y +a 6x z +a 7y z +a 8x y z应变分量:{Ε}={Εx Εy Εz Χx y Χy z Χx z }T ={5u 5x 5v 5y 5w 5z 5u 5y +5v 5x 5v 5z +5w 5y 5u 5z +5w 5x}T 应力分量:{Ρ}={Ρx Ρy Ρz Σx y Σy z Σzx }T用A n sys 5.7软件对其进行计算,计算结果自动列出各节点处的3个主应力值和按第四强度理论(von M ises 理论)得出各节点的相当力值Ρrd4,即《规范》中的折算应力Ρzh .z =0平面(水平面)内部分节点的应力分布如图3所示.3图3 z =0平面内部分节点的应力值(单位:M Pa )F i g .3 The node nu m ber and stress of z =0plane a .从图3可以看出:最大应力值为143M Pa ,发生在距法兰支承凸缘较远处的缸体截面环形区.满足强度条件Ρrd4≤[Ρzh ]=143M Pa ,与用《规范》设计计算缸筒缸壁折算应力111.7M Pa 相比,增加约30%.这是由于在有限元计算中,考虑了法兰上螺栓拉力对缸壁的弯曲应力的影响.b.缸体与法兰接头断面处,缸壁的内表面环形区的应力值为114M Pa .满足强度条件Ρrd4≤[Ρzh ]=143M Pa ,与用《规范》设计计算应力Ρzh1=137.4M Pa 相当.c .从计算结果可知,在截面尺寸改变处,即法兰与筒体联接处,由于过渡平滑,其最大应力值为Ρrd4=106M Pa ,未出现应力集中,所以该结构设计得较合理.参考文献:[1] S L 41293水利水电工程启闭机设计规范[S ]The F i n ite Ele m en t Ana lysis of Hydraul i c Cyl i n derStrength of Hydraul i c Ho istHU Y ou -an(Co llege of M echan ical &E lectrical Engineering ,HohaiU n iv .,Changzhou 213022,Ch ina )Abstract :Generally the calculati on of hydraulic cylinder strength used to T he w ater conservancy and hy d rop o w er eng ineering hy d rau lic hoist to d esig n the stand ard SL 41293,but it needs to p ro 2ceed the F in ite E le m en t A nalysis (FEA )at i m po rtan t engineering .T h is paper in troduces the cal 2culati on results of the hydraulic cylinder strength of the deep 2ho le radial gate hydraulic ho ist bym ean s of the o rdinary m ethod and the FEA m ethod res pectively ,then analyzes the results.Key words :cylinder w all strength ;FEA ;hydraulic ho ist 86 河 海 大 学 常 州 分 校 学 报 2003年3月。
溪洛渡大坝深孔液压启闭机摇摆机架结构设计及有限元计算分析
【］ ａ ｃ ＭＰ ｒ ／ ２０ ２ ２５ ０
ｌＯ ９
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横 梁！ 二
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Ｑ４Ｂ ３５
８３（ ３ ＝Ｏ 第 组）
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Ｚ ３０６０ Ｇ ４－４
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・ 十 书
ｔ ｎｏ ｅ ｔ ｎ ｎ ｐ ｒｓ Ｔ ｅ ｔ ｒ ｅ ｄ ｍｅ ｓｏ ａ ｉ ｉ ｌｍｅ ｔｍｅ ｈ ｄ ｗａ ｄ ｐ ｅ ｅ ｅ ｔ ｈ ｃ ｎ ｎ ｌｓ ｅ ｓｒ ｃ ｕ ａ ｉ ｆ ｈ ｅ ｏ ａ ｔ． ｈ ｈ ｅ － ｉ ｎ ｉ ｎ ｌｆ ｔ ｅｅ ｎ ｔ ｏ ｓ ａ ｏ ｔｄ ｈ ｒ ｏ ｃ ｅ ｋ ａ ｄ ａ ａｙ ｅ ｔ ｔ ｔ ｒ ｌ ｏ ｔ ｎｅ ｈ ｕ
３机 架支承横梁为铸钢件 ， 榫卯结构的 局 部受 力 复 杂 ， 统 的力 学模 型简 化计 算存 在 较 大 传 的困难 。为验证该机架的结构强度 ， 现采用三维有 限 元方 法进 行验 算分 析 。
两 两榫 卯 并 辅 以高强 螺 栓联 接 组 成 ， 梁 ｌ 横 上设 有
推 力 最 大 ， 大 机 架 相 对 不 利 。 综 合 上 述 分 析 可 对 知 ， 门瞬 间工 况 为该 摇摆 机 架结 构 强度 校 核 的计 启 算工 况 。 ３２强度理 论 与 允许应 力 ． 支 铰 应 力 分 布 为 三 向应 力 状 态 ， 常 温 、 载 在 静 受力 状 况下 ， 属 材料 应按 第 四强度 理论 验 算结 构 金 强度 。第 四强度 理论 为 ：
动 ， 而适应 油 缸在 垂直水 流 平 面 内的摆 动 。 从
液压启闭机PPT培训教材
1.7 确认控制柜内各断路器是否处于液压启闭 机工作前的状态； 1.8 确认液压站油位、温度等各个数据显示是 否正常；闸门控制柜各报警指示灯不亮； 控 制柜内PLC工作正常，无报警； 1.9 操作过程中，设专人进行监护； 1.9.1 检查设备管路、胶管、接头等部位无泄 漏； 1.9.2 确认液压设备的进油阀、回油阀、各压 力阀手柄处于正确的开启位置； 1.9.3 闸门启闭前必须严格听从调度指令，按 规定程序，由专职人员进行操作
可编程逻辑控制器，采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻 辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令。接收设备的各 种信号并进行程序控制
对来自油缸位移传感器反馈到PLC的位移差的微弱信号进行放大，以驱动比 例阀按比例随之变化，控制进入油缸的油量大小
温 湿 度 控 制 器
高 压 过 滤 器
对油泵输出的液压油进行过滤，已净化油箱及油泵的油液
回 油 过 滤 器
对工作工程中产生的被污染液压油油液回到油箱前进行过滤
对进入油箱的潮湿的空气及污染物颗粒进行过滤， 确保油箱油液清洁度
输出模拟信号或是数字信号，供给信号处理器，以 显示及记录获得的温度值
可以对输出的温度开关量进行调节，当设定的温度 达到时，开关即动作，以控制外部的器件
可以对输出的压力开关量进行调节，当设定的压力 达到时，开关即动作，以控制外部的器件
可以对输出的液位开关量进行调节，当设定的液位 达到时，开关即动作，以控制外部的器件
实时直观显示液压站的油箱液位高度及温度
液 位 液 温 计
对油箱液压油进行加热
油水指示器：当油箱中的液压油中的水分超标时及时报警
1）动力部分-液压泵站
液压泵站组成部分
• • • • • • • • 油泵电机组 高压过滤器 溢流阀 换向阀 手动调速阀 比例阀 回油过滤器 空气过滤器
液压启闭机的组成和工作原理
液压启闭机的组成和工作原理液压启闭机一般由液压系统和液压缸组成.在液压系统的控制下,液压缸内的活塞体内壁做轴向往复运动,从而带动连接在活塞上的连杆和闸门做直线运动,以达到开启、关闭孔口的上的. 液压系统包括动力装置、控制调节装置、辅助装置等.多套启闭机可共用一个液压系统.动力装置一般为液压泵,它把机械能转化为液压能.液压泵一般采用容积式泵,如叶片泵和柱塞泵.叶片泵和柱塞泵有结构紧凑,运转平稳,噪音较小,使用寿命长等优点.柱塞泵虽然价格较高,但可以得到高压、大流量,且流量可调.近年来国内液压启闭机普通采用中高压,所以大多数采用柱塞泵.另外,因其重要性,液压启闭机的液压系统一般设置两套液压泵,互为备用.控制调节装置是指液压控制阀组,包括节流阀、换向阀、溢流阀等阀组,其作用是对液压油的流量、方向、压力等方面各自起控制调节作用,以实现对液压系统的各种性能要求.启闭机上液压控制阀大多数是标准元件,并普通采用插装技术.插装阀具有组合机能强,集成度高,噪音低,密封性好,机构紧凑,全球维护等优点.选择不同结构及形式的先导控制阀、控制盖及集成块与插装件组合,便可获得具有换向、调压、调速等功能的插装阀组.双吊点的液压启闭机因不能像卷扬式启闭机一样采用机械同步,故控制阀组需考虑同步措施.辅助装置包括油箱、油管、管接头、压力表、滤油器等.油箱的用途是储油和散热,并能沉淀油中杂质,分离油中的空气和水分等.油管、管接头把动力装置、调节控制装置、液压缸连接起来,组成一个完整的液压回路,液压油中杂质会使运动零件磨损,增加泄露和减少元件的寿命,甚至堵塞阀组等,影响液压系统的使用,设置滤油器对液压油进行过滤是十分必要的.液压缸是液压传动中的执行元件,把液压油的液压能转化为机械.液压缸由缸体、端盖、活塞、活塞杆、吊头等零件组成.根据液压缸内压力油的作用方向可分为单作用液压缸和双作用液压缸两类.单作用液压缸常是柱塞式或者套筒,也可以是活塞式.双作用液压缸形成两个油腔,两个油腔都可以进出压力油.液压启闭机也称之为闸门液压启闭机,它是指利用液体的压力能来传递能量，从而控制闸门的开启或关闭的一种启闭机。