鼓風(fēng)機導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)的缺陷及改進

蔣宇紅

（上海華誼(集團)公司)

0 概述

6000 t/a丙烯酸氧化反應(yīng)工業(yè)試驗裝置中，選用了杭州杭氧透平機械有限公司制造的ITYC43型離心式鼓風(fēng)機機組，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

鼓風(fēng)機導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表1 ITYC43型鼓風(fēng)機參數(shù)

表2 導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)參數(shù)

鼓風(fēng)機組的用途是將空氣輸送至氧化反應(yīng)器。在氧化反應(yīng)器中，空氣與丙烯在高溫和催化劑的作用下，生成丙烯酸。進入氧化反應(yīng)器的空氣和丙烯，其摩爾比是嚴格控制的。如果摩爾比失調(diào)，將可能導(dǎo)致丙烯進入爆炸極限范圍，甚至產(chǎn)生嚴重的后果。因此，精確地控制進氧化反應(yīng)器的空氣量是至關(guān)重要的。

在試車時，鼓風(fēng)機組的導(dǎo)葉剛開啟和將關(guān)閉時，導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)出現(xiàn)嚴重的滯后現(xiàn)象，特別是葉片旋轉(zhuǎn)到 0°～20°或 90°～70°時，導(dǎo)葉開度在這兩個區(qū)域出現(xiàn) “死區(qū)”。在該 “死區(qū)”，DCS儀表顯示的開度與機組導(dǎo)葉實際的開度相差甚大，并出現(xiàn)了空氣量猛增或猛減的突變。這樣就不能準(zhǔn)確控制空氣流量，給正常操作帶來極大困難，并將直接威脅裝置的安全生產(chǎn)。

本文對導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)在導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)區(qū)域出現(xiàn)“死區(qū)”和調(diào)節(jié)滯后問題進行了分析，并提出了改造方案，以確保試驗裝置如期安全開車。

1 導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)的運動與受力分析

1.1 導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)

鼓風(fēng)機導(dǎo)葉是根據(jù)氣流預(yù)旋原理設(shè)計的，當(dāng)葉輪進口前氣流順或逆葉輪旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)時，可相應(yīng)地使壓力減小或增大，從而使工況范圍擴大，以適應(yīng)一定范圍內(nèi)變工況的需要。當(dāng)導(dǎo)葉處于全關(guān)時，可實現(xiàn)空載起動，以減小鼓風(fēng)機起動阻力矩。導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)可對導(dǎo)葉的開度進行調(diào)整，以達到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。該導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)由長執(zhí)行機構(gòu)（活塞桿組件）、柱銷、轉(zhuǎn)柄、轉(zhuǎn)環(huán)、球鉸鏈和導(dǎo)向葉片等部件組成，導(dǎo)葉裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 導(dǎo)葉裝置結(jié)構(gòu)

該導(dǎo)葉裝置裝有11片可同步轉(zhuǎn)動的導(dǎo)向葉片，每個導(dǎo)向葉片的小軸由軸承套支承，通過球鉸鏈與轉(zhuǎn)環(huán)相連接。長執(zhí)行機構(gòu)通過轉(zhuǎn)柄帶動轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)動，從而使所有的導(dǎo)向葉片同步旋轉(zhuǎn)，達到調(diào)節(jié)氣量的目的。球鉸鏈連接導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 球鉸鏈連接導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)

在理論上，導(dǎo)葉開度α與長執(zhí)行機構(gòu)位移L應(yīng)符合表3中的數(shù)值關(guān)系。

將表3中α與L的對應(yīng)數(shù)值關(guān)系轉(zhuǎn)化為曲線（見圖3）就可以看出，導(dǎo)葉開度α與長執(zhí)行機構(gòu)位移L呈線性關(guān)系，即沒有突變，只有這樣才能保證導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)的連續(xù)性。

表3 導(dǎo)葉開度α與長執(zhí)行機構(gòu)位移L的關(guān)系

圖3 導(dǎo)葉開度與長執(zhí)行機構(gòu)位移的對應(yīng)關(guān)系

由表3數(shù)據(jù)可以計算出導(dǎo)葉開度變化量（Δα）與長執(zhí)行機構(gòu)位移變化量(ΔL)的對應(yīng)關(guān)系，見表4。

從表4可以看出，當(dāng)DCS發(fā)出指令導(dǎo)葉從全關(guān)位置開啟時，長執(zhí)行機構(gòu)開始位移，即當(dāng)位移量達到6.27 mm時，導(dǎo)葉應(yīng)該從0°旋轉(zhuǎn)到10°。同理，長執(zhí)行機構(gòu)繼續(xù)位移，當(dāng)位移量再增加8.27 mm時，導(dǎo)葉應(yīng)該從10°旋轉(zhuǎn)到20°。但實際上，在DCS發(fā)出指令后，導(dǎo)葉的旋轉(zhuǎn)角度并未達到指令的要求，相應(yīng)地轉(zhuǎn)到10°和20°位置，而是出現(xiàn)了嚴重的滯后現(xiàn)象。DCS儀表顯示的導(dǎo)葉開度與機組導(dǎo)葉實際的開度相差甚大，其原因主要是長執(zhí)行機構(gòu)的運動出現(xiàn)了問題。

表4 導(dǎo)葉開度變化量與長執(zhí)行機構(gòu)位移變化量的對應(yīng)關(guān)系

1.2 長執(zhí)行機構(gòu)理想運動軌跡

DCS輸出信號后，長執(zhí)行機構(gòu)開始工作，即活塞在缸體內(nèi)運動，同時帶動活塞桿運動，活塞桿帶動轉(zhuǎn)柄轉(zhuǎn)動。圖4是長執(zhí)行機構(gòu)中活塞、活塞桿的行程示意圖。

圖4 活塞和活塞桿的行程

活塞桿、柱銷、轉(zhuǎn)柄的運動和幾何關(guān)系如圖5所示。由圖5可見，轉(zhuǎn)柄的左右極限位置為oa、oc，轉(zhuǎn)柄軸線與垂直線間的夾角α為轉(zhuǎn)柄的擺動角，在極限位置擺動角最大。取三個特殊點：點a、點b、點c?；钊麠U的運動軌跡變化為aa′→bb′→cc′，其最大行程是 ac=a′c′=100 mm。 當(dāng)活塞桿運動從aa′→bb′→cc′時，轉(zhuǎn)柄作擺動，其位置變化從oa→ob→oc，最大擺動幅度是2α=100°；同時，柱銷中心點位置變化從點a→點b→點c，柱銷位移，柱銷的水平方向移動距離是ac=2Rsinα，式中R為轉(zhuǎn)動中心O到柱銷極限位置中心距離。

上述運動軌跡與幾何變化都是理想狀態(tài)，即在活塞桿的往復(fù)直線運動中，各零部件運動副間的摩擦忽略不計，同時，活塞桿有足夠的剛度，不產(chǎn)生彎曲變形。

圖5 活塞桿、柱銷、轉(zhuǎn)柄的運動和幾何關(guān)系

1.3 長執(zhí)行機構(gòu)實際運動與受力分析

（1）導(dǎo)葉開度由全關(guān)慢慢開啟時，活塞桿推力P由零增加到某一數(shù)值，推力P通過活塞桿傳遞給柱銷后，作用在柱銷上的力P被分解為兩個力Pn、Pr，如圖6所示。其中

圖6 柱銷受力圖

切向力Pr作用在柱銷中心所在的圓周的切線方向，通過柱銷推動轉(zhuǎn)柄轉(zhuǎn)動。Pr作用所產(chǎn)生的力矩Pr×R為有效力矩，只有當(dāng)Pr×R大于阻力矩M0時，才能使轉(zhuǎn)柄轉(zhuǎn)動。θ為壓力角，隨著轉(zhuǎn)柄的轉(zhuǎn)動，壓力角θ是不斷變化的。

在起始位置oa，當(dāng)Pr×R不足以克服阻力矩M0時，長執(zhí)行機構(gòu)未使轉(zhuǎn)柄發(fā)生轉(zhuǎn)動，但推力P在不斷地增大。由于活塞桿不具有足夠的剛度，隨著推力P的增加，活塞桿喪失其原有直線平衡狀態(tài)，發(fā)生變形，成為不穩(wěn)定的撓曲線狀態(tài)，即活塞桿直線狀態(tài)變?yōu)槲潬顟B(tài)。這時在Pn作用下，柱銷和活塞桿端部沿著轉(zhuǎn)柄內(nèi)滑槽向上滑移，其垂直方向的位移為Δy，如圖7所示。

圖7 活塞桿微變形

這一位移量Δy可通過活塞桿的撓曲線方程進行求解 （本文從略）。

（2）隨著活塞桿推力P的增加，轉(zhuǎn)柄從起始位置oa開始轉(zhuǎn)動，擺動角α從極限位置50°逐漸變小，到達點b時，擺動角為0°。此過程中cosθ不斷變大，即作用于轉(zhuǎn)柄上的力Pr也不斷變大。Pr愈大，則有效力矩愈大，即可克服轉(zhuǎn)環(huán)、導(dǎo)葉機構(gòu)所產(chǎn)生的阻力矩M0，使轉(zhuǎn)柄轉(zhuǎn)動；同時sinθ不斷變小，即作用于柱銷、使之上移的力Pn不斷變小，相應(yīng)地活塞桿 （右端）也逐漸減小了上移的幅度。隨著過程的進行，活塞桿和柱銷緩緩地下滑，長執(zhí)行機構(gòu)的運動越過了 “死區(qū)”——導(dǎo)葉開度的0°～20°區(qū)域。之后，活塞桿彎曲變形越來越小，即活塞桿逐漸趨于水平方向運動。當(dāng)活塞桿推動轉(zhuǎn)柄抵達點b時，活塞桿與轉(zhuǎn)柄垂直，活塞桿處于直線平衡狀態(tài)，壓力角θ為零，有效力矩最大，長執(zhí)行機構(gòu)處于左右運行的平衡（中間）位置。

（3）過了點b后，在接近另一個 “死區(qū)”——導(dǎo)葉開度的70°～90°區(qū)域時，隨著角度θ的不斷增大，sinθ不斷變大，即作用于柱銷、使之下移的力Pn不斷變大，同時力Pr不斷減小。當(dāng)Pn足以克服柱銷與轉(zhuǎn)柄間的摩擦力時，柱銷開始沿轉(zhuǎn)柄內(nèi)滑槽向下滑移，同時也產(chǎn)生了位移Δy的問題。其運動過程和受力情況與上述點a→點b的情況相似，不再詳述。

由點c回到點a的狀況與由點a至點c的狀況類似，即在導(dǎo)葉開度的 90°～70°和 20°～0°區(qū)域容易產(chǎn)生 “死區(qū)”。此時柱銷與轉(zhuǎn)柄內(nèi)滑槽接觸面由A面改為B面，其運動過程和受力情況分別類似于從點a向點b移動、從點b向點c移動的階段。

2 存在問題及改進方法

2.1 存在問題

綜上所述，導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)出現(xiàn)滯后的主要原因是長執(zhí)行機構(gòu)推動轉(zhuǎn)柄旋轉(zhuǎn)的活塞桿水平推力與轉(zhuǎn)柄形成θ角,水平推動力被分解了。壓力角θ愈大，Pr就愈小，有效力矩也就愈小?；钊麠U隨著作用力的增加產(chǎn)生微量的彎曲變形，不能始終保持直線運動，而是作上移下滑的彎曲運動。特別是在0°～20°和90°～70°區(qū)域?qū)~開度調(diào)節(jié)出現(xiàn)滯后，也就是DCS中控室發(fā)出調(diào)整導(dǎo)葉開度的指令后，不能迅速執(zhí)行要求的進氣量，所調(diào)節(jié)的導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)角度未能同步。這是導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計上的嚴重缺陷。在設(shè)計制造過程中，對長執(zhí)行機構(gòu)活塞桿的剛度及運動、靜力、動力特性沒仔細校核，沒有就剛度不夠如何進行彌補、改進或優(yōu)化作深入分析和研究。

2.2 改進方法

針對導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)存在的問題，提出了如下幾種改進方法。

方法一：保持原有結(jié)構(gòu)，增大活塞桿直徑，使其橫截面慣性矩增加，確?；钊麠U有足夠的剛度，從而使活塞桿始終處于直線狀態(tài)而不彎曲。

方法二：保持原有結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)柄一側(cè)水平方向設(shè)置固定滑槽塊，使活塞桿只能沿著滑槽作直線運動，限制其上、下移動的空間。

方法三：采用齒輪和齒條傳動結(jié)構(gòu)，由長執(zhí)行機構(gòu)帶動齒條作水平運動，齒條帶動齒輪運動，從而使轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度。

方法四：保持原有結(jié)構(gòu)，同時采用鉸鏈結(jié)構(gòu)連接長執(zhí)行機構(gòu)和轉(zhuǎn)柄。

上述方法都能解決長執(zhí)行機構(gòu)存在的缺陷，且各有特點?，F(xiàn)將這些方法作一比較，如表5所示。

在現(xiàn)場實際生產(chǎn)條件下，選擇方法二和方法三進行改進，其實際使用效果方法二優(yōu)于方法三。方法二的執(zhí)行機構(gòu)對導(dǎo)葉控制精度高，誤差在1%以下，滿足調(diào)控要求，且調(diào)控時能保持連續(xù)性。經(jīng)多年運行表明，方法二的改造方案是成功的，解決了氣量微調(diào)困擾的問題。

3 對長執(zhí)行機構(gòu)中零部件改進建議

（1）材料的選擇要合理。長執(zhí)行機構(gòu)中各零件包括活塞桿、柱銷、轉(zhuǎn)柄等材料一般選擇35號鋼或45號鋼，表面進行熱處理或鍍鉻，以提高其耐磨性，并保證長執(zhí)行機構(gòu)的尺寸精度。

表5 導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)幾種改進方法的比較

（2）提高柱銷與轉(zhuǎn)柄的連接尺寸精度。零件的幾何尺寸要準(zhǔn)確，才能使柱銷和轉(zhuǎn)柄在運行時保持良好的連續(xù)性，不產(chǎn)生間斷。

（3）提高摩擦面光潔度。提高活塞桿、柱銷、轉(zhuǎn)柄摩擦面的光潔度，減小摩擦阻力，消除阻尼現(xiàn)象，使長執(zhí)行機構(gòu)的連接摩擦部位處于靈活狀態(tài)。

（4）增加轉(zhuǎn)柄和活塞桿的長度。增加轉(zhuǎn)柄的長度，即增加轉(zhuǎn)柄的轉(zhuǎn)動半徑；增加活塞桿長度，即增加氣缸的行程。這樣有利于優(yōu)化長執(zhí)行機構(gòu)的運動、靜力和動力性能，提高調(diào)節(jié)精度，使控制更細化、更精確，有利于生產(chǎn)負荷變化時的調(diào)整，也有利于解決進氣量微調(diào)困難的問題。

4 結(jié)束語

目前對鼓風(fēng)機導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)還需進一步優(yōu)化和完善，使之更趨向合理、科學(xué)。要切上自控，使導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)更細化，使操作更方便和準(zhǔn)確，以確保安全生產(chǎn)。要使DCS儀表顯示的導(dǎo)葉開度與現(xiàn)場機組導(dǎo)葉的實際開度同步，提高調(diào)節(jié)精度，把進氣量控制得更準(zhǔn)確，這是對導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)改進的最終目標(biāo)。

參考資料

[1] 南京工學(xué)院，西安交通大學(xué).理論力學(xué) [M].北京：人民教育出版社，1979.

[2] 陳心爽，袁光良.材料力學(xué) [M].上海：同濟大學(xué)出版社，1996.