Simulation and Experimental Study on Dynamic Characteristics of Rapid Hydraulic Hoist

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

Abstract

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

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

CLC Number:

TH137.52

WANG Jieyun, HE Junhui, WEI Dejian, CHEN Yun, HAN Mingxing, HU Kaixiong, ZHONG Linbin. Simulation and Experimental Study on Dynamic Characteristics of Rapid Hydraulic Hoist[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(8): 1832-1839.

王劼耘, 何俊辉, 韦德鉴, 陈云, 韩明兴, 胡楷雄, 钟林斌. 阀门快速液压启闭机动态特性仿真与试验[J]. 中国机械工程, 2026, 37(8): 1832-1839.

Figures/Tables 16

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

Fig.2 Valve structure and force analysis

Fig.3 Speed curve of valve opening and closing process

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fig.9 Movement characteristics of oil cylinder during accumulator refueling

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

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

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

Fig.11 In situ vertical testing device for hoist machine

Fig.12 Experimental testing site

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

References 22

[1]	杨海超. 双吊点启闭机液压系统动态特性研究［D］. 兰州：兰州理工大学， 2017.
	YANG Haichao. Study on Dynamic Characteristics of Hydraulic System of Double Hoist［D］. Lanzhou： Lanzhou University of Technology， 2017.
[2]	苑清敏. 内河船闸控制系统的设计与实现［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2018.
	YUAN Qingmin. Design and Implementation of Control System for the Inland River Lock［D］. Harbin： Harbin Engineering University， 2018.
[3]	王希强，丁海港，景军清，等. 变速泵控型船闸启闭机系统设计与试验研究［J］. 机床与液压， 2025， 53（5）： 204-209.
	WANG Xiqiang， DING Haigang， JING Junqing， et al. Design and Experimental Research of Variable Speed Pump-controlled Ship Lock Hoist Systems［J］. Machine Tool & Hydraulics， 2025， 53（5）： 204-209.
[4]	范庆，赵勇，何延，等. 一种水电站快速门液压启闭机回油箱智能净化装置［J］. 机床与液压， 2025， 53（12）： 217-223.
	FAN Qing， ZHAO Yong， HE Yan， et al. A Hydropower Station Rapid Gate Hydraulic Hoist Return Oil Tank Intelligent Purification Device［J］. Machine Tool & Hydraulics， 2025， 53（12）： 217-223.
[5]	刘伟林. 三峡枢纽工程中的液压启闭机关键技术研究［D］. 太原：太原理工大学， 2003.
	LIU Weilin. Research on Key Technologies of Hydraulic Hoisting Machine in Three Gorges Project［D］. Taiyuan： Taiyuan University of Technology， 2003.
[6]	詹磊. 新型双吊点液压启闭机的设计与研究［D］. 昆明：昆明理工大学， 2011.
	ZHAN Lei. Design and Research of a New Hydraulic Hoist with Double Lifting Points［D］. Kunming： Kunming University of Science and Technology， 2011.
[7]	李珺. 液压启闭机电液比例控制系统的设计研究［D］. 昆明：昆明理工大学， 2008.
	LI Jun. Design and Research of Electro Hydraulic Proportional Control System for Hydraulic Hoist［D］. Kunming： Kunming University of Science and Technology， 2008.
[8]	李泽. 基于同步驱动技术的双吊点液压启闭机控制系统研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2019.
	LI Ze. Research on Control System of Double Hanging Point Hydraulic Hoist Based on Synchronous Drive Technology［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2019.
[9]	段惠玲，常庆玉. 平衡阀在液压启闭机液压系统中的设计研究［J］. 液压气动与密封， 2021， 41（5）： 57-60.
	DUAN Huiling， CHANG Qingyu. Design and Research of Balance Valve for Hydraulic Hoist Hydraulic System［J］. Hydraulics Pneumatics & Seals， 2021， 41（5）： 57-60.
[10]	段惠玲. 水利水电工程中液压缸补油方式设计研究［J］. 液压气动与密封， 2021， 41（6）： 10-13.
	DUAN Huiling. Design and Research on Oil Replenishment Mode of Hydraulic Cylinder for Water Conservancy and Hydropower Engineering［J］. Hydraulics Pneumatics & Seals， 2021， 41（6）： 10-13.
[11]	毛武荣，张国贤，黄人豪，等. 启闭机液压系统的动态特性研究［J］. 机电设备， 2004， 21（3）： 15-19.
	MAO Wurong， ZHANG Guoxian， HUANG Renhao， et al. Study on the Dynamic Characteristics of the Hydraulic System for Headstock Gear［J］. Mechanical and Electrical Equipment， 2004， 21（3）： 15-19.
[12]	王聪. 双吊点闸门启闭机液压系统仿真及同步控制策略研究［D］. 秦皇岛：燕山大学， 2022.
	WANG Cong. Research on Hydraulic System Simulation and Synchronous Control Strategy of Double Lifting Point Gate Hoist［D］. Qinhuangdao： Yanshan University， 2022.
[13]	侯庆宏，周伟. 液压启闭机带多拉杆启闭平面闸门的设计［J］. 水科学与工程技术， 2018（4）： 59-61.
	HOU Qinghong， ZHOU Wei. Design and Research of Operation Plane Gate for Hydraulic Hoist with Multi Pull Rod［J］. Water Sciences and Engineering Technology， 2018（4）： 59-61.
[14]	杜超，李聪，谭勇. 闸阀门启闭机液压系统多通道运行状态检测装置研发应用［J］. 中国水运， 2025（19）： 105-107.
	DU Chao， LI Cong， TAN Yong. Development and Application of Multi-channel Running State Detection Device for Hydraulic System of Gate Valve Hoist［J］. China Water Transport， 2025（19）： 105-107.
[15]	周兵. 船闸人字闸门液压启闭机设计研究［J］. 水电与抽水蓄能， 2022， 8（5）： 112-115.
	ZHOU Bing. Design and Research of Hydraulic Hoist for Miter Gate of Ship Lock［J］. Hydropower and Pumped Storage， 2022， 8（5）： 112-115.
[16]	夏小迪，汤建宏. 省水船闸的布置方案与结构设计［J］. 水运工程， 2022（）： 124-129.
	XIA Xiaodi， TANG Jianhong. Layout Scheme and Structure Design of Water-saving Ship Lock［J］. Port & Waterway Engineering， 2022（S1）： 124-129.
[17]	陈明，吕森鹏，刘原，等. 省水船闸输水系统水力学研究综述［J］. 水运工程， 2021（9）： 106-112.
	CHEN Ming， Senpeng LÜ， LIU Yuan， et al. Review of Hydraulics Investigations of Filling and Emptying System in Ship Locks with Water-saving Basins［J］. Port & Waterway Engineering， 2021（9）： 106-112.
[18]	潘海涛，吴澎，袁和平，等. 西部陆海新通道（平陆）运河工程规划设计方案综述［J］. 水运工程， 2024（11）： 1-7.
	PAN Haitao， WU Peng， YUAN Heping， et al. Overview of Planning and Design Scheme for Western Land-sea New Corridor（Pinglu） Canal Project［J］. Port & Waterway Engineering， 2024（11）： 1-7.
[19]	刘宁. 平陆运河工程建设关键问题研究与思考［J］. 水运工程， 2024（6）： 1-11.
	LIU Ning. Research and Contemplation on Key Issues in Construction of Pinglu Canal Project［J］. Port & Waterway Engineering， 2024（6）： 1-11.
[20]	穆森，吕小龙. 平陆运河船闸通过能力研究［J］. 水运工程， 2021（3）： 145-150.
	MU Sen， Xiaolong LÜ. Lock Capacity of the Pinglu Canal［J］. Port & Waterway Engineering， 2021（3）： 145-150.
[21]	陈云，苏华，胡楷雄，等. 平面阀门启门初期与闭门末期数值水动力及负载特性模拟研究［J］. 起重运输机械， 2024（22）： 49-56.
	CHEN Yun， SU Hua， HU Kaixiong， et al. Simulation Study on Numerical Hydrodynamic and Load Characteristics of Plane Valve at the Initial Stage of Door Opening and the Final Stage of Door Closing［J］. Hoisting and Conveying Machinery， 2024（22）： 49-56.
[22]	刘昉，谷欣玉，李文胜，等. 动水关闭的平面事故闸门体型优化试验研究［J］. 农业工程学报， 2019， 35（12）： 142-149.
	LIU Fang， GU Xinyu， LI Wensheng， et al. Structural Optimization of Emergency Plate Gate for Closure in Moving Water［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2019， 35（12）： 142-149.