溧陽球閥接力器開啟時間過長問題研究與試驗

張璽琛

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150040)

1 工程概況

溧陽抽水蓄能電站地處江蘇省西南部的溧陽市境內(nèi)，下水庫區(qū)經(jīng)天目湖鎮(zhèn)平橋至溧陽市公路里程為32km。為地下廠房，廠房內(nèi)安裝了6 臺單機(jī)容量為250MW 的混流可逆式水泵水輪電動發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 500 MW。

每臺機(jī)從上游側(cè)沿壓力鋼管中心線距蝸殼+X軸約15.00m 處至與蝸殼進(jìn)口段相連接的伸縮節(jié)為止，安裝有水泵水輪機(jī)進(jìn)水閥(即球閥)及其附屬設(shè)備。球閥通過操作機(jī)構(gòu)和油壓裝置實現(xiàn)開啟和關(guān)閉功能。其中，操作機(jī)構(gòu)包含基礎(chǔ)板、地腳螺釘、液壓操作的接力器和鎖定裝置等。

2 球閥接力器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

球閥接力器的操作壓力可以是油壓也可以是水壓。通常情況下，接力器采用油壓操作，既排除了水中含有的雜質(zhì)破壞接力器活塞密封的問題，也避免了接力器管道元件與水接觸產(chǎn)生銹蝕的問題，同時對接力器各元件也起到潤滑保護(hù)的作用。

球閥接力器的結(jié)構(gòu)形式為搖擺式，主要由接力器缸體、活塞、活塞桿、接力器缸蓋、接力器底座及連接銷組成。接力器缸體上的進(jìn)出高壓油管與球閥液壓操作系統(tǒng)相連接，通過球閥控制柜電路元件控制液壓操作系統(tǒng)上電磁配壓閥等，使接力器在短時間內(nèi)來回動作，并通過轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)球閥，從而達(dá)到開啟和關(guān)閉球閥的目的。

在球閥接力器開啟和關(guān)閉的過程中，因活塞運動過快會對缸蓋產(chǎn)生較大的沖擊力，產(chǎn)生撞缸現(xiàn)象。為了避免撞缸現(xiàn)象對接力器的損害，在結(jié)構(gòu)上需要在接力器上通過增加緩沖裝置，以節(jié)流的方式，使活塞逼近全開或全關(guān)的位置時迅速降低運動速度，達(dá)到對接力器的保護(hù)作用。

圖1 球閥接力器結(jié)構(gòu)圖

3 現(xiàn)場球閥接力器開關(guān)調(diào)試及問題描述

球閥現(xiàn)場調(diào)試的目的是將球閥活門的開啟和關(guān)閉時間調(diào)整到滿足50±5S 的要求。為此，現(xiàn)場使用遠(yuǎn)程模擬監(jiān)控信號系統(tǒng)，通過在接力器缸上使用的拉繩式傳感器和壓力變送器，分別監(jiān)測接力器開關(guān)過程中的行程和開關(guān)腔的壓力變化。

通過現(xiàn)場初步對6#機(jī)球閥接力器開啟關(guān)閉時間的調(diào)整，決定將接力器上的節(jié)流塞調(diào)整到設(shè)計理論值15 mm，以滿足球閥開關(guān)時間的要求。在節(jié)流塞擴(kuò)孔后，接力器在額定油壓6.3 MPa下，全開時間(緩沖時間25 s，緩沖行程37 mm)70 s，開啟過程開腔與關(guān)腔壓差為0 MPa，緩沖過程壓差為1.2 MPa;全關(guān)時間(緩沖時間2.4 s，緩沖行程30 mm)52 s，開啟過程開腔與關(guān)腔壓差為0.9 MPa，緩沖過程壓差為0.93MPa?，F(xiàn)場球閥接力器開關(guān)調(diào)試波形圖見圖2～3。

圖2 接力器開啟波形圖

圖3 接力器關(guān)閉波形圖

(橫坐標(biāo)為時間:s;右側(cè)縱坐標(biāo)為行程坐標(biāo):mm;左側(cè)縱坐標(biāo)為壓力坐標(biāo):MPa)

從調(diào)試結(jié)果上看，接力器開啟時間無法滿足50±5S 的要求。

4 問題原因分析及處理過程

從調(diào)試試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)上看，接力器的緩沖時間為25 s，除去緩沖段接力器的開啟時間為45 s。一般情況下，接力器的緩沖時間只需2 ～3 s即可實現(xiàn)緩沖效果。因此，緩沖時間過長是導(dǎo)致接力器開啟時間過長的根本原因。

在對比了開啟腔和關(guān)閉腔的設(shè)計參數(shù)后，發(fā)現(xiàn)開啟腔的截面積＞關(guān)閉腔的截面積，且上缸蓋緩沖板與活塞桿截面積＞下缸蓋緩沖板與活塞桿的截面積。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，認(rèn)為此時開啟過程比關(guān)閉過程的緩沖效果要好，但實際上卻不是這樣。

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊第5 卷》第37 篇液壓傳動第2 章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)4.2.2 環(huán)形縫隙中的流體流動，了解到流體在環(huán)形縫隙中的流動不但與縫隙的間隙值有關(guān)，而且還會受到流體的運動黏度、流道形狀以及環(huán)形縫隙兩端壓差的影響。柱塞與緩沖板孔相對靜止時環(huán)形縫隙中的壓差流量(即內(nèi)部泄漏量)的公式為:

式中:Q 為間隙流量;D 為柱塞直徑;δ 為柱塞緩沖板孔單邊間隙;Δp 為縫隙兩端壓差;l 為緩沖板縫隙長度;μ 為流體的動力黏性系數(shù)。

當(dāng)柱塞與緩沖板產(chǎn)生相對運動的時候，環(huán)形縫隙的泄漏量計算公式為:

式中:V 為柱塞與緩沖板相對運動速度。

由于接力器活塞桿的運動方向與緩沖板兩端壓差方向相反，因此式(2)中為“－”號。

從先前的試驗結(jié)果可以看出，接力器關(guān)閉時的緩沖行程及緩沖時間比較理想，因此，為了能讓接力器開啟時的緩沖效果與關(guān)閉時的緩沖效果接近一致，則需保證開啟時的緩沖板(上緩沖板)縫隙內(nèi)的泄漏量與關(guān)閉時的緩沖板(下緩沖板)縫隙內(nèi)的泄漏量保持一致，才能達(dá)到相同的緩沖效果。于是將緩沖行程30 mm和緩沖時間2.4 s，以及壓差0.93 MPa帶入運動中的環(huán)形縫隙的流量公式，通過調(diào)整開啟過程緩沖板的間隙值，可得出以下計算結(jié)果。

表1 緩沖板間隙值計算結(jié)果

根據(jù)表1 中得到的緩沖板間隙的計算結(jié)果，將原先的上緩沖板取出并加工后，再次回裝并進(jìn)行了球閥接力器的開啟時間的調(diào)試試驗，試驗結(jié)果全開時間(緩沖時間2.3 s，緩沖行程30 mm)46 s，開啟過程開腔與關(guān)腔壓差為0.91 MPa，緩沖過程壓差為0.9 MPa。

圖4 緩沖板調(diào)整后接力器開啟波形圖

(橫坐標(biāo)為時間:s;右側(cè)縱坐標(biāo)為行程坐標(biāo):mm;左側(cè)縱坐標(biāo)為壓力坐標(biāo):MPa)

從波形圖上可以看出，試驗結(jié)果滿足50±5S 的要求。

5 結(jié) 論

溧陽抽水蓄能電站球閥接力器是哈爾濱電機(jī)廠通過與日立合作技術(shù)引進(jìn)，自行消化并生產(chǎn)的直徑最大的球閥單作用固定式緩沖接力器，其接力器的緩沖裝置為固定緩沖，后期無法進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，這就需要在設(shè)計階段有很好的理論基礎(chǔ)和計算。經(jīng)過現(xiàn)場的實際調(diào)試試驗和對調(diào)試后出現(xiàn)開啟時間過長的問題的分析，對液體在環(huán)形縫隙中的流動狀態(tài)有了深刻的認(rèn)識和理解，為今后的球閥單作用固定式緩沖結(jié)構(gòu)的接力器的設(shè)計奠定了緩沖間隙的理論基礎(chǔ)。

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