基于液压技术的地铁防淹门系统方案.doc

基于液压技术的地铁防淹门系统方案燕期;0蓥哥液压丝朱的沾钦淹系饶方案倪士浩(中铁第一勘察设计院集团有限公司,710043,西安高级工程师)摘要地铁防淹门系统是一种防灾设备.国内使用的防淹门有升降式和平开式两种.通过对两种地铁防淹门系统的功能和现状的分析,提出了采用液压启闭机形式的升降式防淹门系统的新设计思路.介绍了该方案的系统构成和性能特点,并通过对启闭机液压原理,控制特性以及液压技术发展情况的描述论证了方案具备可实施性.关键词地铁;防淹f-j;启闭机;液压技术中图分类号U231.92;U453.61OnMetroFloodGateSystembasedonHydraulicTechnologyNiShihaoAbstractThemetrofloodgatesystemisadisasterpreventionequipment.Sincethemetrooperationisfacedwithaseriesofnewproblems,thedesignoffloodgatesystembyusingthehydraulicoperationliftingisintroducedinthispa-per,thefunctionsandstatusofmetrofloodgatesystem,thesystemstructureandperformancecharacteristicsarean-alyzed.Additionally,thefeasibilityofthisschemeisdemon-stratedbydescribingthehoisthydraulicprinciples,thecon-trolcharacteristicsandthehydraulictechnologydevelop-ment.Keywordsmetro;floodgate;hoist;hydraulictechnologyAuthorsaddressChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstituteGroupLtd.,710043,Xian,China根据地铁设计规范的要求,穿越河流或湖泊等水域的地铁工程,应在进出水域的两端适当位置设置防淹门或采取其他防淹措施.防淹门系统是一种防灾设备,是在区间隧道突发事故时阻止江河水涌人地铁车站的有效屏障.目前,在我国的上海,广州,武汉等地的地铁工程中,设置防淹门系统的应用实例较多.1国内地铁工程中既有防淹门系统的现状分析调研资料显示,目前国内地铁防淹门系统有两种形式.一种形式为升降式平面钢制闸门(也称下落式闸门),其启闭设备为电动葫芦.闸门的开启和闭合(Ja提或下落)是通过电动葫芦的升降完成.闸门在固定门槽内垂直运动,依靠自重关闭.此种形式普遍应用在国内地铁工程的防淹门系统设计中.其优点是:结构简单,机械系统仅由一扇滑动门和门槽,门槛,以及一套启闭装置和二个辅助锁定装置构成;启闭设备为电动葫芦,尺寸紧凑,控制简易;与轨道之间的密封性能好.其缺点是:在门洞上方需要设置一个大于门洞尺寸的设备机房,以便安装防淹门的闸门及启闭装置;由于受电动葫芦吊钩尺寸与起升极限制约,机房净空相对较高;另外,在紧急情况(如无电状态)下需要手动控制闸门关闭时,解锁复杂,闸门下落无缓冲,容易损伤钢轨和道床,造成维修成本增加.另一种形式是平开式平面钢制闸门.其闸门绕门轴旋转,分一扇门(也称平开式一字门)和两扇门(也称平开式人字门)两种结构.一扇门结构作防淹门时,一般由人防门兼作防淹门用,启闭设备可采用液压油缸或螺杆传动启闭;两扇门结构则为防淹门所专用.广州地铁1号线的防淹门结构就是采用液压油缸启闭的平开式人字闸门.平开式门的优点是:闸门设置在平行于列车运行方向的隧道两侧的小洞室内,启闭机机房设在隧道两侧的空间位置,因此不受隧道高度的限制;门槽结构简单.缺点是:防淹门处的隧道尺寸相对较大,工程造价高;门体重,要求较大的启闭持住力;门体结构相对复杂,门周密封性不易保证(此问题尤其是人字门显得更加突出),止水效果差.若系统防水性能要求高,势必提高这种平开式闸门的设备造价,设备的检修和维护成本也会相应增高.鉴于此,在西安地铁1号线的设计中,结合上海,广州类似地铁工程防淹门的实际运用经验,提出了采用液压启闭机的升降式防淹门系统方案.本文将依据防淹门的功能要求,对液压启闭机升降式防?47?淹门系统的设计方案作一探讨.2液压启闭机升降式防淹门系统设计方案2.1液压启闭机的工作原理液压启闭机是指:利用液体的压力能来传递能量,依靠液压缸活塞杆的伸缩控制闸门的开启或关闭的一种启闭机.其工作原理是:液压泵把原动机输出的机械能变为液体压力能,经过液压管道,液压阀进入液压缸,通过液压缸及活塞杆把液体的压力能转变为工作机的机械能,从而驱使闸门完成开启或关闭等动作.2.2液压启闭机防淹门系统的功能及构成2.2.1系统的功能液压启闭机升降式防淹门系统(以下简称防淹门系统)的功能要求是:当穿越江河,湖泊水域的地下区间隧道因突发事故造成隧道破裂,河水将涌进地铁车站时,能紧急,安全,可靠地关闭闸门,封闭过江隧道,保护地铁车站人员和滞留旅客的人身安全,保护地铁设施的财产安全.防淹门系统的功能设计应体现集中控制,独立动作的理念.也就是设置在江河一侧的左,右线防淹门系统或两侧的全部防淹门系统的主机控制能够统一,而各个门体操作设备相对独立(既可以同时动作,也可以独立动作,即一机多门),以尽可能地减少信号系统的数据采集和传输.在地铁正常运行状态下,防淹闸门处于开启状态.为防止闸门意外下落,应增设闸门辅助锁闭装置(即将闸门锁定在其机房的检修平台上).该装置应具备自动和手动控制的功能.防淹门的机房设计优先布置在车站站厅层端部,以尽最大可能减小机房占地面积.2.2.2系统的构成防淹门系统采用升降式闸门(见图1),由机械系统和控制系统两大部分组成.机械系统由闸门门体,门槽,液压启闭机及闸门自动辅助锁闭装置等组成.控制系统分为水位监视系统及水位分析处理报警系统,以及闸门启闭控制盘.其中水位监视系统为三级设置,即中央级,车站级和现场级;水位分析处理报警和闸门启闭控制为两级设置,即车站监控室和现场两级.液压启闭机包括液压传动系统,执行元件,电气控制系统,即由液压泵站,液压缸,电气控制系统三大部分组成.其中:液压泵站内有液压泵,液压阀?48?组,油箱及管路附件等;电气控制系统由电器控制柜和操作台等组成.现场的闸门启闭控制设在操作台上.控制系统的现场水位监视系统和水位分析处理报警系统可与电器控制柜共柜.液压缸安装在防淹闸门门槽的外侧,固定连接在防淹门室的地基上(见图2).液压缸活塞杆端部连接动滑轮.动滑轮在机架滑槽内上下运动,必要时可将动滑轮锁定在机架上.钢丝绳通过动滑轮和机房顶梁上的定滑轮,一端与闸门吊点相连,一端固定在顶梁上.这样,液压缸的升缩行程只需闸门行程的一半,利于在设计中选择缸体较短的液压缸,以方便安装和维修,并使机房净空可适当降低(如图2所示).llJ懈lIllfIJ.Ijffi煅梯形圆A.A断面图1升降式平面钢制闸门.;.?机房】.:.pI,定滑轮,钢丝绳l匡盔滑轮_,/_-,./譬:-.:.-._:二8ltt.-.J.蠢.0_.二0?:.一?.0?-0.0图2液压启闭机升降式防淹门系统简图2.3防淹门系统的主要技术参数防淹门系统的主要技术参数如下:1)孔口尺寸:3.8m(宽)X4.5m(高);2)闸门门体尺寸:4.3m(宽)X4.8m(高);3)闸门自重:100120kN;簸期,婆4)最大启门力:2100kN;5)最大闭门力:自重闭力;6)工作行程:2500mm;7)油泵型号:63SCY141B型,流量63L/rain8)电动机型号:Y180L一6型,功率15kW;9)有杆腔压力:20MPa;10)闸门关闭时间:约1.07min11)闸门开启时间:约1.45min12)系统压力等级:25MPa.2.4防淹门系统的特点液压启闭机形式与卷扬及电动葫芦启闭机形式比较见表1.表1几种启闭机的技术特性比较表由表中比较可见,液压启闭机有着如下明显的优点:1)有较高的功率重量比,系统结构轻巧简单,布置紧凑,体积小,质量轻;2)承载能力大,可一站多门,能够远距离传递动力;3)缓冲性能好,传动平稳,调速和换向方便;4)有着优异的控制性能和稳定可靠的持住力,液压传动与电气控制相结合,便于实现自动化;5)有利于实现闸门的远方集控和自动化控制;6)液压元件已经系列化,标准化,设计简单,制造周期短;7)液压元件可以自行润滑,经久耐用,使用寿命长;8)易于防止过载,工作安全可靠;9)机房占地面积小,易于布置.液压启闭机的主要缺点是:液压缸与活塞杆配合精度要求高,加工成本较高;另外,密封元件质量较差时液压油容易渗漏.3液压系统回路分析和设计防淹门系统的主要执行机构是启闭设备(液压缸).本系统由一套液压泵站控制处在同一车站左右线的闸门动作.闸门的启闭原理如图3所示.每个防淹门配置两个工作油缸(即液压缸)构成一组工作油缸,并由一个工作油泵启动;每个液压防淹门系统由两个防淹门组成,即含两组工作油缸,两个工作油泵.液压启闭机的液压系统主要由液压缸,液压控制系统,动力部分和辅助系统所组成.而液压控制系统主要由基本控制回路和同步控制回路两大部分组成.3.1液压系统的基本控制回路必要时,可在液压缸上部给基本控制回路增设一套手动,电动两用的三位四通阀,油管接通回油箱.这主要是在特殊情况(无电源时需关闭闸门)下控制执行机构动作.一般情况下不使用手动操作,因此需加锁.3.1.1空载启动和压力调节本液压控制系统由两台泵组供油,在通常情况下互为备用.同时启动两台油泵可以同时开启两道闸门.在设备初次调试前,应检查液压系统的各溢流阀,各安全阀,各减压阀的调压手柄,确定是否都处于开启状态.再按照以下步骤进行检查:检查油箱内是否已加满液压油;拆开主油泵泄油胶管,从油泵泄油口加入清洁的液压油,直至充满壳体,装上主油泵泄油胶管;拆下电机的防护罩,按顺时针方向手动盘车2030圈,排尽油泵吸油区的空气,装上防护罩;点动主油泵电机,确定电机旋转方向正确.然后按原理图要求连接好缸旁锁紧块,工作油缸,启动任意一台电机,空载运行5rain.压力调节步骤如下:电机油泵运行正常后,使电磁铁YV1得电;调节溢流阀,当压力表1显示压力为1MPa后,使电磁换向阀电磁铁YV3得电;调节回油背压溢流阀(件号19),控制压力表2显示压力为0.3MPa,锁紧调节螺母,电磁溢流阀(件号11)和溢流阀配合调压,使溢流阀工作压力为7MPa(由压力表1显示);使电磁铁YV1及YV2得电,?49?簦:葵YV3失电,逐级调电磁溢流阀(件号11)并锁紧阀块上安全阀,使安全阀溢流压力为19MPa(注意:调整左油缸锁紧块时必需将右缸压力油入口处的球阀关紧,调整右油缸锁紧块时必需将左缸压力油入口处的球阀关紧,两处压力调好后打开球阀);最后先松开电磁溢流阀(件号11)手柄,使电磁铁YV2及YV3失电,YV1得电,逐级调节电磁溢流阀(件号11),溢流阀控制压力为18MPa;配合调节工作油泵手动变量,使工作油泵输出的压力和流量符合工况要求,锁紧所有压力阀上调节螺母.至此,完成1工作油泵和1油缸组的压力调试.0l一不锈钢油箱1600L02球阀0o3轴向柱塞泵32inL/1-O电舵kw)1440r/min磁铁块O6一回油滤器(DcI4)湿空气滤清器08液位液温器lo_液位控制器Dc24V1l一电磁溢流阀DN20l2一单向阀23一调速阀DNl034一油缸(带防水行程开关)l3一钡0压排气接头O10x1)24一压力表35一电加热器3kWAC220Vl4一测压软管25一电磁阀DN636球阀DN20l5一高压软管L=I.5二件,L=I.2一件26_-叠加式双单向节流阀37球阀DN32l6一耐震压力表27一单向节流阀DN638一可曲挠橡胶接头D12l7一压力控制器28球阀DN1639一高压软管l力控制器29球阀DN64O一高压软管l9溢流阀DN203O溢流阀DN104l一内齿形弹性联轴器2电磁阀DN1031一液控单向阀DN1042一高压软管2l一溢流阀DN1032一高压软管43一吸油滤油器22一整流板33一高压胶管44一加油滤油器图3液压控制系统原理图用同样的方法启动2油泵电机,调节2油缸阀组压力控制元件.可按图3要求调节好每个压力控制元件的发信点.当所处点压力降低或升高至压力控制器的调定压力时,压力控制器会发出报警信号,实现系统各点压力控制.缸旁锁紧阀块在液压系统中同时起保压和安全作用.当液控单向阀的控制油被切断时,阀门可实现任意位置停;当有杆腔压力出现事故压力?50?时,安全阀便迅速打开溢流,从而保护整个系统免受损害.3.1.2闸门启闭本液压防淹门系统含两组工作油缸,其工作原理一样.下面以1油缸组为例作动作说明.液压防淹门系统压力流量输出正常后,使电磁换向阀的电磁铁YV2得电,YV3失电,压力油经过电磁换向阀,分两股进入两个调速整流装置(件号簸接r嚣:叠嚣;22,23组合),通过截止阀,锁紧块进入油缸有杆腔两处无杆腔油液经截止阀后合成一股,通过回油背压阀19,回油滤油器返回油箱,这样便实现闸门提升动作;使电磁换向阀电磁铁YV3得电,YV2失电,压力油经换向阀分两路经单向节流阀进入油缸锁紧块,成为控制油打开锁紧块上液控单向阀,有杆腔油液经锁紧块,截止阀,调速整流阀,电磁换向阀,截止阀进入油缸无杆腔(如果无杆腔出现负压,无杆腔可通过单向阀从油箱补油),闸门靠自重下行,从而实现关门动作.3.2液压系统的同步控制回路两组油缸控制方法一样.下面以1油缸组为例来说明.在闸门启闭过程中,调节左,右两路调速整流装置上的调速阀,可调节活塞杆的退回,伸出速度(即开关阀门速度).调速阀可无级调节活塞杆运动速度,使闸门两侧油缸基本同步.在闸门启闭过程中,同孔闸门两只油缸要求同步,闸门开度方向不同步误差1mm.在闸门开启过程中,闸门开度及行程控制装置全程实行自动检测.当左油缸运动速度快于右油缸运动速度时,自动纠偏仪发信,电磁换向阀的电磁铁YV5得电,进入左油缸的压力油会经过单向节流阀,电磁换向阀进行分流而降低运动速度,调节节流阀左端可控制分流量大小;当右油缸运动速度快于左油缸运动速度时,自动纠偏仪发信,电磁铁YV4得电,进入右油缸的压力油会经过单向节流阀,电磁换向阀进行分流而降低运动速度,调节节流阀右端可控制分流量大小.同样,在闸门关闭过程中,通过电磁换向阀得失电,可实现工作油缸同步的自动微调整.单孔闸门系统具有闸门下滑自动提升功能.由于系统正常的内泄漏,闸门长时间保压会出现闸门自动下滑现象:当闸门下滑50mm时,通过电器控制自动启动系统进行补压,实现提升,闸门提升至原位后发出报警;如继续下滑至100mm,启动备用电机油泵,将闸门提升至原来位置并发出报警.本系统能实现液压工作油泵与备用泵的启动,停止及切换控制等功能.3.3油箱辅助设施3.3.1油箱内液体清洁度控制当回油过滤器进出口压力差上升到0.35MPa时(显示过滤器的滤芯已堵塞),滤油器报警装置触点闭合并发信启动声光报警,提醒更换或清洗滤芯.3.3,2油箱内液位控制按油箱的实际使用情况,合理地安装面板式液位控制器(与电气控制柜共柜).当液位超过上限时,液位数据判别仪发信点LVS1发出声光报警信号,停止往油箱内加液压油;当液位低于下限液面时,液位数据判别仪发信点LVS2发出声光报警信号,停泵检查液面下降原因,人工往油箱内加油.3.3.3油箱内油温控制油箱内安装有2个电接点温度计,共设有4个发信点.当液温低于10时,温度计发信点TS1发出低温报警,不能起动电机;当温度高于60时,温度计发信点TS2发出高温报警,延时5s停泵检查;当油温低于20时,温度计发信点TS3发信接通电加热器;当油温达到40时,温度计发信点TS4发信断开电加热器.3.4采用的新型液压元件3.4.1二通插装阀二通插装阀是采用先导控制,座阀机构主级和插装式连接的新型液压元件.它是一种液压单向阀.其一个基本单元由插装件,控制盖板,先导阀三部分组成;方向控制和压力控制都用二通插装阀.3.4.2液压安全锁定块液压安全锁定块采用了无泄漏结构,用液压先导控制单向阀的开启,并带有安全阀,是防止闸门下滑的专用锁定装置,并具有平衡功能.3.5液压控制系统的特性分析由以上分析可见,该系统是以液压二通插装阀集成控制技术为先导的液压控制装置.系统的主油路是通过液控回路控制液压插装阀的开关而实现其功能的.由于插装阀的内阻小,适宜大流量高压力工作;阀口采用锥面密封,用液压先导控制,并带有阻尼孔,因而使该液压系统运行平稳,工作可靠,冲击小,泄漏少.由于闸门在制造,安装和启闭过程中的多种因素而造成负载与阻力的不均,以及液压和机构阻力的本质不对称,因此偏载是不可避免的.在系统中虽然配置了两个带桥式单向阀的调速阀,对两侧油缸的速度进行控制,但调速阀自身不具有自动平衡功能.为此,在带桥式单向阀的调速阀与油缸有杆腔中间,增加了三位四通电磁阀旁通纠偏回路,使闸门在启闭过程中通过开度检测仪检测闸门两侧的运行速度;并经可编程逻辑控制器(PLC)控制三位四通电磁换向阀的动作,不断地对闸门两侧的运行速?1?r;,.母凑集度进行调整,以消除累积误差,达到闸门平稳同步的运行要求.系统采用了独立的油缸安全锁定块,直接安装在油缸下腔的进油口上.阀块上的安全控制阀可调节油缸下腔最大持住力.持住力设定后能有效地保护油缸下腔压力超载和闸门的安全运行.另外,该液压启闭机配置了性能较好的电控柜,利用PLC和电动机软起动器来直接控制电磁阀和电动机;并通过压力,电器检测装置对液压启闭机和系统进行自动保护.在其上设有远控接口,可实现远控和计算机自动控制.4结语近十几年以来,我国液压传动技术快速发展,密封元件(新型密封材料聚四氟乙烯组合式密封圈已成功运用)的质量已经得到了质的飞跃,液压新技术(如同步技术,插装技术,比例控制技术等)也得到了成功应用,特别是国内在液压传动的关键技术负荷传感技术上的突破,国产的泵控和阀控的负荷传感调节系统产品已得到广泛的应用.目前,在水利水工机械领域,液压启闭机已经成为启闭设备的主导产品.值得一提的是,以液压二通插装阀集成控制技术为先导的液压控制装置,在液压启闭机的成功应用上标志着我国水电工程液控技术达到了一个新的水平.从国内一些工程的实际运行情况看,近几年生产的液压启闭机的质量有了很大的提高,而生产成本却有所降低,工程效益愈来愈显着.因此,液压启闭机形式的防淹门系统具有较为可靠的实用价值.参考文献1雷天觉.新编液压工程手册M.北京:北京理工大学出版社,1998.2徐灏.机械设计手册(第5卷)M.北京:机械工业出版社,2002,I-s倪士浩,许敬辉,袁宏丽.西安地铁一号线防淹门系统设计方案R.西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2008.4GB50157-2003地铁设计规范I-s.IsDL/T5167-2002水电水利工程启闭机设计规范I