阀门快速液压启闭机动态特性仿真与试验

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.08.003

摘要/Abstract

摘要：

平陆运河工程采用多梯级省水船闸，具备省水、适应高水头等优点，同时灌泄水步骤较普通船闸显著增加，为保证过闸效率，须大幅提高阀门启闭速度（启门速度不低于8 m/min，闭门速度不低于16 m/min，达到常规速度的2～4倍）。基于该运河工程液压启闭机实际快速启闭需求，建立启闭机运动学数学模型，分析工作阀门的负载特性，建立启闭机液压系统仿真模型，综合对比分析蓄能器补油、高位油箱补油、启泵补油三种闭门快速补油方案，并进行样机试验验证。结果表明：综合考虑补油动态性能、技术成熟度、结构稳定可靠性等，采用高位油箱补油方案最为合理；样机试验测试与仿真结果趋势基本保持一致，其最大相对误差约4.1%，最大启门速度约8.2 m/min，最大闭门速度约16.1 m/min。所设计的快速液压启闭机具有良好的动态控制性能。

关键词: 液压启闭机, 液压系统设计, 快速补油, 快速启闭, 液压仿真分析

Abstract:

The Pinglu Canal project adopts a multi-tiered water-saving ship lock， which offers advantages in water conservation and adaptability to high water heads. However， the filling and emptying operations are substantially more frequent than those of conventional ship locks. To ensure lockage efficiency， the valve opening and closing speeds must be significantly increased—specifically， the opening speed should be no less than 8 m/min and the closing speed no less than 16 m/min， which are two to four times the conventional rates. This study focuses on the actual fast-acting requirements of the hydraulic hoist in the canal project. A kinematic mathematical model of the hoist is established， and the load characteristics of the working valve are analyzed. A simulation model of the hydraulic system is developed， and three rapid closing oil-filling schemes—accumulator oil filling， high-level tank oil filling， and pump-direct oil filling—are comprehensively compared and evaluated. Prototype tests are conducted to validate the simulation results. The results indicate that， considering dynamic refueling performance， technological maturity， structural stability， and reliability， the high-level tank scheme is the most reasonable. The prototype test results are generally consistent with the simulation predictions， with a maximum relative error of approximately 4.1%. The measured maximum opening speed is about 8.2 m/min， and the maximum closing speed is about 16.1 m/min. The designed fast hydraulic hoist exhibits good dynamic control performance.

Key words: hydraulic hoist, hydraulic system design, rapid oil replenishment, quick opening and closing, hydraulic simulation analysis

中图分类号:

TH137.52

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图/表 16

图1 快速启闭机液压系统原理

Fig.1 Schematic of hydraulic system for quick opening and closing machine

图2 阀门结构及其受力分析

Fig.2 Valve structure and force analysis

图3 阀门启闭过程速度曲线

Fig.3 Speed curve of valve opening and closing process

表1 液压缸关键设计参数

Tab. 1 Key design parameters of hydraulic cylinder

参数	值
液压缸缸径/mm	480
液压缸杆径/mm	250
有杆腔的有效作用面积/m²	0.132
无杆腔的有效作用面积/m²	0.181
最大启门速度/（m·min $- 1$ ）	8
最大闭门速度/（m·min $- 1$ ）	16
工作行程/m	6.7
最大行程/m	6.9
启门力/kN	3000
启门压力/MPa	23
启门有杆腔流量/（L·min $- 1$ ）	1070
启门无杆腔回油量/（L·min $- 1$ ）	1466.1
闭门有杆腔回油量/（L·min^-1）	2125.2
闭门无杆腔流量/（L·min^-1）	2914.1
闭门补油量（差动）/（L·min^-1）	942.3

表1 液压缸关键设计参数

Tab. 1 Key design parameters of hydraulic cylinder

参数	值
液压缸缸径/mm	480
液压缸杆径/mm	250
有杆腔的有效作用面积/m²	0.132
无杆腔的有效作用面积/m²	0.181
最大启门速度/（m·min $- 1$ ）	8
最大闭门速度/（m·min $- 1$ ）	16
工作行程/m	6.7
最大行程/m	6.9
启门力/kN	3000
启门压力/MPa	23
启门有杆腔流量/（L·min $- 1$ ）	1070
启门无杆腔回油量/（L·min $- 1$ ）	1466.1
闭门有杆腔回油量/（L·min^-1）	2125.2
闭门无杆腔流量/（L·min^-1）	2914.1
闭门补油量（差动）/（L·min^-1）	942.3

表2 液压缸参数设置

Tab. 2 Simulation parameter settings

元件名称	参数	值
液压缸	活塞杆位移/m	6.9
	活塞直径/mm	480
	活塞杆直径/mm	250
	行程长度/m	$6.9$
	端口1死区体积/cm³	50
	端口2死区体积/cm³	50
	液压缸总质量/kg	59 063
插装阀	内孔直径/mm	60
	最大孔径/mm	30
	杆径/mm	0
	活塞直径/mm	70
	活塞杆直径/mm	60
	黏性摩擦因数/（N·m $- 1$ ·s）	10
	最小运动位移/m	0
	最大运动位移/m	0.015
	活塞直径/mm	70
	活塞杆直径/mm	0
	零压缩时弹簧力/N	100
	零压缩时弹簧长度/mm	10
	弹簧刚度/（N·mm $- 1$ ）	10

表2 液压缸参数设置

Tab. 2 Simulation parameter settings

元件名称	参数	值
液压缸	活塞杆位移/m	6.9
	活塞直径/mm	480
	活塞杆直径/mm	250
	行程长度/m	$6.9$
	端口1死区体积/cm³	50
	端口2死区体积/cm³	50
	液压缸总质量/kg	59 063
插装阀	内孔直径/mm	60
	最大孔径/mm	30
	杆径/mm	0
	活塞直径/mm	70
	活塞杆直径/mm	60
	黏性摩擦因数/（N·m $- 1$ ·s）	10
	最小运动位移/m	0
	最大运动位移/m	0.015
	活塞直径/mm	70
	活塞杆直径/mm	0
	零压缩时弹簧力/N	100
	零压缩时弹簧长度/mm	10
	弹簧刚度/（N·mm $- 1$ ）	10

图4 快速液压启闭机仿真模型

Fig.4 Simulation model of fast hydraulic opening and closing machine

图5 高位油箱补油时液压缸运动特性

Fig.5 The motion characteristics of the oil cylinder when refilling the high-level oil tank

图6 高位油箱补油时液压缸有杆腔压力变化

Fig.6 Changes in pressure in the rod chamber of the oil cylinder when refilling the high-level oil tank

图7 液压泵主动补油时液压缸运动特性

Fig.7 Motion characteristics of hydraulic cylinder during active oil replenishment of hydraulic pump

图8 液压泵主动补油时液压缸有杆腔压力变化

Fig. 8 A pressure change in the rod chamber of the oil cylinder when the pressure pump actively replenishes oil

图9 蓄能器补油时液压缸运动特性

Fig.9 Movement characteristics of oil cylinder during accumulator refueling

图10 蓄能器补油时液压缸有杆腔压力变化

Fig.10 When the accumulator is refilled， there is a pressure change in the rod chamber of the oil cylinder

表3 不同补油方案性能与能耗对比

Tab. 3 Comparison of performance and energy consumption of different oil replenishment schemes

补油方案

最大闭门

速度/（m·s $- 1$ ）

补油流量/（L·min

- 1

）

压力冲击

峰值/MPa

单次补油

消耗能量/kJ

高位油箱

补油

表3 不同补油方案性能与能耗对比

Tab. 3 Comparison of performance and energy consumption of different oil replenishment schemes

补油方案

最大闭门

速度/（m·s $- 1$ ）

补油流量/（L·min

- 1

）

压力冲击

峰值/MPa

单次补油

消耗能量/kJ

高位油箱

补油

0.32

942.3

26.9

液压泵补油

0.33

1130.1

489.7

蓄能器补油

0.32

942.3

510.4

图11 启闭机原位立式试验装置

Fig.11 In situ vertical testing device for hoist machine

图12 试验测试现场

Fig.12 Experimental testing site

图14 启闭机启闭过程仿真与试验结果对比

Fig.14 Comparison between simulation and experiment result of the opening and closing process of the hoist

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