第2章 水利工程液壓啟閉機系統設計和技術原理

2.1 液壓系統基礎知識及原理

液壓啟閉機在水利工程中多用于閘門啟閉，它是指利用液體的壓力能來傳遞能量，從而控制閘門的開啟或關閉的一種啟閉機。圖2.1和圖2.2為露頂式弧形閘門液壓啟閉機QHLY。液壓啟閉機一般由液壓系統和液壓缸組成。在液壓系統的控制下，液壓缸內的活塞沿缸體內壁做軸向往復運動，從而帶動連接在活塞上的連桿和閘門做直線運動，以達到開啟、關閉閘門的目的。

液壓啟閉機的基本工作原理是：液壓泵把原動機輸出的機械能變為液體壓力能，經過油管道及液壓閥進入液壓缸，通過液壓缸及活塞桿把液體的壓力能轉變為工作機的機械能，從而驅使閘門完成開啟或關閉等動作。

2.1.1 液壓技術基礎知識

1.液體黏度

本質是實際流體的內摩擦力。

（1）動力黏度：工程學中，按牛頓液體內摩擦定律用式（2.1）計算，牛頓內摩擦定律又稱黏性定律。

式中：τ為單位面積上的摩擦應力，也叫做剪應力或者切應力，Pa或N/m²；F為相鄰流體層間內摩擦力，N；A為流體層接觸面積，m²；μ為與流體性質相關的比例系數，通常稱為動力黏性系數，或稱動力黏度，Pa·s或kg/（m·s）；du/dy為速度梯度，1/s。

（2）運動黏度：運動黏度為動力黏度與密度的比值，在溫度t℃時，運動黏度用符號υ表示，在國際單位制中，運動黏度單位為斯，即平方米每秒（m²/s），實際測定中常用厘斯，表示厘斯的單位為平方毫米每秒（即 1cst=1mm²/s）。運動黏度廣泛用于測定噴氣燃料油、柴油、潤滑油等液體石油產品、深色石油產品、使用后的潤滑油、原油等的黏度，運動黏度的測定采用逆流法。運動黏度υ用式（2.2）計算：

式中：μ為與流體性質相關的比例系數，通常稱為動力黏性系數，或稱動力黏度，Pa·s或kg/（m·s）；ρ為液體密度，kg/m³。

2.液壓靜壓力學

液體靜壓力有兩個重要特性：①液體靜壓力的方向總是沿著作用面的法線方向。這一特性可直接用液體的性質來說明。液體只能保持一定的體積，不能保持固定的方向，不能承受拉力和剪切力。所以只能承受法向壓力。②靜止液體中任何一點所受到各個方向壓力都相等。如果液體中某一點所受到的各個方向的壓力不相等，那么在不平衡力作用下，液體就要流動，這樣就破壞了液體靜止的條件，因此在靜止液體中作用于任一點的各個方向壓力必然相等。

液壓靜壓力學定律，嚴格意義上僅適用于理想液體，即無質量和內摩擦，且不可壓縮的液體。

3.壓力

不同外形的容器，如表面積相同（A₁=A₂=A₃），且所盛液體的高度h相等，則作用在此表面積上的壓力相等（p₁=p₂=p₃）。由于壓力和面積均相等，因而作用力亦相等（F₁=F₂=F₃），見圖2.3。

單位面積上所受的作用力p用式（2.3）計算：

式中：A為液體作用面積，m²；F為作用面積上的法向作用力，N；p為單位面積上所受的作用力，Pa （N/m²）、MPa （10⁶ Pa）、bar （10^-1 MPa）。

4.帕斯卡定律

在密閉容器內的平衡液體中，任意一點的壓力如有變化，該壓力變化值將傳遞給液體中的所有各點，且其值不變。液壓靜壓力學的基本原理是帕斯卡定律，即作用于靜止流體中的作用力，在流體中會沿各個方向傳遞。流體產生的壓力，數值上等于單位面積上的重力大小。壓力總是作用在容器的約束面上，并沿其法線方向。而且，壓力在各個方向的作用相等。如忽略重力因素，則壓力在各點上均相等，見圖2.4。

注：液體不能抵抗切力，故液體的壓力垂直于受壓表面。

5.力的傳遞

由于壓力沿著各個方向的作用相等，因此和容器的形狀無關。下面的例子（圖2.5）表明靜壓力是如何被利用的。

當力F₁ 作用于面積A₁ 時，產生壓力p=F₁/A₁，壓力p作用于系統的每一點上，也包括面積 A₂，可得到的作用力 F₂（等于需要抬升的負載）為F₂=pA₂；因此F₁/A₁=F₂/A₂，活塞1所做功 W₁等于活塞2所做功 W₂（理想狀態）：W₁=F₁s₁，W₂=F₂s₂。

2.1.2 液壓啟閉機系統組成概述

液壓系統包括動力裝置、控制調節裝置、輔助裝置等（圖2.6和圖2.7）。動力裝置一般為液壓泵，它把機械能轉化為液壓能。液壓泵一般采用容積式泵，如葉片泵和柱塞泵。葉片泵和柱塞泵有結構緊湊，運轉平穩，噪聲較小，使用壽命長等優點。柱塞泵雖然價格較高，但可以得到高壓、大流量，且流量可調。近年來，國內液壓啟閉機普遍采用中高壓，所以大多數采用柱塞泵。多套啟閉機可共用一個液壓系統，另外，因其重要性，液壓啟閉機的液壓系統一般設置兩套液壓泵，互為備用。

控制調節裝置是指液壓控制閥組，包括節流閥、換向閥、溢流閥等閥組，其作用是對液壓油的流量、方向、壓力等方面各自起控制調節作用，以實現對液壓系統的各種性能要求。啟閉機上液壓控制閥大多數是標準元件，并普遍采用插裝技術。插裝閥具有組合機能強，集成度高，噪聲低，密封性好，機構緊湊等優點。選擇不同結構及形式的先導控制閥、控制蓋及集成塊與插裝件組合，便可獲得具有換向、調壓、調速等功能的插裝閥組。雙吊點的液壓啟閉機因不能像卷揚式啟閉機一樣采用機械同步，故控制閥組需考慮同步措施。

輔助裝置包括油箱、油管、管接頭、壓力表、濾油器等（圖2.8和圖2.9）。油箱的用途是儲油和散熱，并能沉淀油中雜質，分離油中的空氣和水分等。油管、管接頭把動力裝置、調節控制裝置、液壓缸連接起來，組成一個完整的液壓回路，液壓油中雜質會使運動零件磨損，增加泄漏和減少元件的壽命，甚至堵塞閥組等，影響液壓系統的使用，設置濾油器對液壓油進行過濾是十分必要的。

液壓缸是液壓傳動中的執行元件，把液壓油的液壓能轉化為機械能。液壓缸由缸體、端蓋、活塞、活塞桿、吊頭等零件組成（圖2.10和圖2.11）。根據液壓缸內壓力油的作用方向可分為單作用液壓缸和雙作用液壓缸兩類。單作用液壓缸常是柱塞式或者套筒，也可以是活塞式。雙作用液壓缸形成兩個油腔，兩個油腔都可以進出壓力油。