引言

　　大口徑伸縮式液控緩閉蝶閥采用機械、液壓、電控、計算機一體化形式，可替代閘閥、止回閥、調節閥，節材、節能、節耗、節省占地空間;該閥門具有分階段開閥與關閥功能，因此，在開閥過程中能有效控制水擊，在關閉過程中能有效地消除停泵關閉水錘，保護管路與設備安全，同時在管路上安裝時因其具有伸縮功能安裝時非常便利。但傳統的閥門只具有單一的功能，閘閥只起閘閥的作用，止回閥只起止回閥的作用，在管路上開啟與關閉時不能夠有效控制水擊，因此液控緩閉蝶閥被電廠、水廠廣泛采用。

　　1 設計原理

　　1.1 閥門工況分析

　　液控緩閉蝶閥分重錘式和蓄能式兩種，使用工況主要有離心泵工況和水輪機工況等。

　　開閥離心泵工況(包括離心式混流泵)：先啟動泵，延遲預定時間后開閥。開閥水輪機工況：先開啟旁通閥平衡壓力，再開閥，后開啟水輪機。各種工況均要求在停機或停電的同時關閉閥門。

　　1.2 閥門類型

　　(1)重錘式。開閥時，電磁閥換向，油泵啟動，液壓油經流量控制閥、高壓膠管進入油缸，推動活塞將閥門開啟。開閥到位后自動保壓系統啟動，電機繼續給保壓蓄能充壓，壓力達高壓力設定點后停機。旋轉流量控制閥手輪可以調整開閥時間。

　　關閥時，電磁閥換向，油缸內的壓力油經快、慢關節流閥、高壓膠管、電磁閥回到油箱，重錘落下，蝶板旋轉關閥，迅速切斷前約70%行程的大部分水流，后30%行程則緩慢關閉?？炻P角度及各階段時間可以根據管道實際工況進行調節，有效消除管道水錘。

　　(2)蓄能式。開閥時，電磁閥換向，蓄能器釋放能量，液壓油經調速閥，單向閥及高壓膠管進入油缸，推動活塞運動，閥門按調定的程序開啟，蝶板開至機械限位調定全開位置。

　　關閥時，電磁閥換向，蓄能器釋放能量，推動油缸反向動作帶動蝶板按調定程序關閉閥門至全關位置。

　　啟閉過程中，當系統油壓低于壓力控制器調定下限值時，油泵自動開啟，給蓄能器蓄能，當蓄能器能量貯存至壓力控制器調定上限值時，油泵停止運轉。

　　電器與液壓部分組成控制系統，可實現泵閥聯動、遠距離控制、PLC編程控制操作，提供DCS觸點接口，供計算機管理。

　　2 設計主要技術性能參數(見表1)

　　表1 技術性能參數

　　3 結構設計

　　液控緩閉蝶閥由閥門主體、液壓驅動裝置和電器控制系統三大部分組成;按關閉動力分重錘式和蓄能器式兩種。圖1為重錘式液控緩閉蝶閥結構，圖2為蓄能器式液控緩閉蝶閥結構。

　　1-閥體;2-碟板;3-閥桿;4-重錘;5-行程開關;

　　6-液壓站;7-電控柜;8-液壓缸

　　圖1 重錘式液控緩閉蝶閥

　　1-閥體;2-碟板;3-閥桿;4-行程開關;5-電控柜;

　　6-液壓站;7-蓄能器;8-液壓缸

　　圖2 蓄能式液控緩閉蝶閥

　　重錘式為早期傳動結構，其特點為平時靠舉起的重錘積蓄勢能，在緊急關閉時刻，重錘快速落下，勢能釋放，動能增加，帶動蝶板快速關閉，優點是能量積蓄可靠，關閉速度可靠穩定，缺點是占用空間大(重錘回轉半徑)，重錘重量重，運行期間，如傳動鏈有松動會導致振動大。

　　蓄能式為新式驅動機構，其開啟關閉均靠蓄能罐中集蓄的能量釋放，優點是體積小，重量輕，液壓系統保壓使用十分可靠;缺點是造價較高，對液壓系統要求較嚴格。閥門主體、液壓驅動裝置，整體緊密安裝稱為連體式，二者分離安裝稱為分體式，連體式結構位置緊湊，輸出油管距離短，流阻小，緊急關閉時間短，缺點是液壓站承受的振動大，維修拆裝不方便，分體式將液壓站置于閥門主體之外，避免液壓站零件在持續振動中工作，同時維修閥門主體不必拆裝龐大的液壓站，但其缺點是占用空間大，輸送管道較長，流阻大，易影響開關的速度。

　　4 閥門啟閉力矩的計算

　　閥門主體結構及閥體二端支承密封結構確定后，可以計算***大動水作用力，***大動水力矩和合成力矩均發生在閥門接近關閉時，閥門啟閉力矩計算如下(重錘式液控蝶閥)：

　　(1)以離心泵為例，閥后有水，先開泵后開閥，待泵達到額定壓力后開啟閥門，這時閥前壓力為水泵零流量時壓力，閥后壓力為泵站幾何揚程壓力，閥門開啟力矩為：

　　式中：

　　MC——閥軸二端軸承處摩擦力矩，N?m;

　　MT——閥軸與密封填料摩擦力矩，N?m;

　　MM——閥體通徑密封面摩擦力矩，N?m;

　　MH——閥門液壓系統阻力矩，N?m;

　　MG——重錘力矩，N?m;

　　θ——閥門全關時重錘連桿與管道軸線之間夾角。

　　(2)閥后無水，先開泵后開閥，此時閥前壓力為水泵零流量時壓力，閥后壓力為零，此時操作力矩***小，其值為：

　　以上計算可知

　　(1)設計液壓工作力矩應大于***大操作力矩并考慮安全系數，才能可靠地開啟閥門。

　　(2)閥門開啟程序為先開泵后開閥，而為防止管道水錘升壓和控制水泵葉輪倒轉，關閉程序為先關閥后停泵。

　　5 閥門的液壓控制系統

　　(1)閥門的液壓系統包括擺動油缸、蓄能器和電磁閥等液壓元件。

　　(2)擺動油缸是開啟閥門的驅動機構和關閥時的制動阻尼機構，角度調節閥和調速閥調節和控制蝶閥的啟閉速度、快慢關角度。

　　(3)蓄能器是啟閉蝶閥的動力源，蓄能器的能量靠電機和油泵提供，同時，蓄能器、數顯示壓力控制器與油泵組成自動保壓蓄能閉環系統，可穩定系統壓力，保證蝶閥正常啟閉，若系統壓力降到調定值以下，油泵自動啟動，向蓄能器補壓。

　　6 閥門電氣控制系統

　　電氣控制系統分為普通繼電控制型和PLC智能控制型兩種類型。

　　普通繼電控制型邏輯運算用繼電器來實現：它不僅可以就地操作，也可以接入DCS系統來實現遠程控制與就地狀態用萬能轉換開關切換?？梢越邮盏倪h程信號有：開閥、關閥、停止、水泵狀態、管道壓力等;輸出供遠程DCS監控的信號有：閥門開度位置信號、狀態信號、油泵狀態信號、鎖定狀態信號、故障信號、4～20mA模擬信號等，除了閥門狀態4～20mA信號外，其余信號均為無源干接點開關量信號。

　　PLC智能控制型邏輯運算用可編程控制器PLC來實現，這不僅提高了系統邏輯運算的可靠性，而且簡單，便于維護，同時因為其功能的擴展、加工文本顯示器、觸能屏等人機界面的使用，使其在智能化方面得到了充分體現。

　　7 結束語

　　本文設計的液控緩閉蝶閥是一種管路控制設備，主要安裝于水電站水輪機進口，用作水輪機閥;或安裝于水利、電力、給排水等各類泵站的水泵出口，代替止回閥、閘閥的作用。工作時，該閥通過預設的啟閉程序快關、慢關、慢開、快開，實現管路的可靠截止，有效消除管路水錘，對于節能、節水及環保均有很大好處。