蒸汽調(diào)節(jié)閥手自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置優(yōu)化及試驗(yàn)

倪 平，范華峰，曾建華，趙悅涵

（1.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031；2.大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧大連 116000）

0 引言

蒸汽調(diào)節(jié)閥是汽輪機(jī)的重要設(shè)備之一，其功能是否正常直接影響汽輪機(jī)的運(yùn)行是否安全穩(wěn)定[1-3]。某型汽輪機(jī)蒸汽調(diào)節(jié)閥為機(jī)械液壓式，具有手動(dòng)調(diào)節(jié)與自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙、操作靈活，可在汽輪機(jī)使用初期極好地滿足操作人員對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)程快速到位的需求，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，將會(huì)逐漸出現(xiàn)無(wú)法順利轉(zhuǎn)換的故障，影響汽輪機(jī)的使用。

主要故障現(xiàn)象表現(xiàn)為：調(diào)節(jié)閥手自動(dòng)轉(zhuǎn)換略有卡澀不順暢；轉(zhuǎn)換不到位；調(diào)節(jié)閥關(guān)到最底部時(shí)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪關(guān)閉閥門(mén)產(chǎn)生滑脫現(xiàn)象。為解決故障，技術(shù)人員開(kāi)展了故障分析與處理工作。

1 故障分析

蒸汽調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 蒸汽調(diào)節(jié)閥手自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)示意

給水機(jī)組蒸汽調(diào)節(jié)閥的手自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能是利用了螺帽兩半的松開(kāi)和合并來(lái)實(shí)現(xiàn)的，螺帽見(jiàn)圖2。手自動(dòng)切換時(shí)，大小手輪相互逆向旋轉(zhuǎn)，大手輪可以帶動(dòng)螺母殼體轉(zhuǎn)動(dòng)，螺帽隨螺母殼體做無(wú)軸向位移的轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母殼體見(jiàn)圖 3，小手輪帶動(dòng)套筒做逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，與套筒相連的螺栓沿螺母殼體上的軌跡槽運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)換襯套轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)換襯套的轉(zhuǎn)動(dòng)使螺帽合并或分開(kāi)，轉(zhuǎn)換襯套見(jiàn)圖4。

圖2 螺帽

圖3 螺母殼體

圖4 轉(zhuǎn)換襯套

當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，螺帽兩半合并，此時(shí)調(diào)節(jié)閥桿上的螺紋與螺帽內(nèi)的螺紋嚙合。轉(zhuǎn)動(dòng)大手輪，帶動(dòng)螺母殼體轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)使螺帽隨螺母殼體做無(wú)軸向位移的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得閥桿產(chǎn)生軸向位移，即可開(kāi)大或關(guān)小蒸汽調(diào)節(jié)閥門(mén)，調(diào)節(jié)蒸汽流量，如圖5a)所示。當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，螺帽兩半松開(kāi)，此時(shí)閥桿與螺帽不接觸，閥桿不受手輪控制，閥桿可自由移動(dòng)，如圖5b)所示。

圖5 手動(dòng)、自動(dòng)狀態(tài)示意

對(duì)故障的調(diào)節(jié)閥拆檢可發(fā)現(xiàn)螺帽頂腳出現(xiàn)磨損情況，見(jiàn)圖6中方框圈出地方。

圖6 螺帽磨損現(xiàn)象

通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)閥手動(dòng)狀態(tài)、自動(dòng)狀態(tài)以及手自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程的分析可知，自動(dòng)狀態(tài)下螺帽頂腳并不受力，只有在手動(dòng)狀態(tài)或者轉(zhuǎn)換過(guò)程中才會(huì)受到碰撞或擠壓。

為分析螺帽頂腳受力變形情況，將閥桿、螺帽、螺栓、轉(zhuǎn)換襯套以及螺母殼體模型裝配，見(jiàn)圖7。

通過(guò)分析螺帽的工作狀態(tài)可知，在螺帽頂腳處主要受到通過(guò)螺紋嚙合傳遞而來(lái)的向外推力F1、被轉(zhuǎn)換襯套撞擊擠壓的力F2以及螺帽被手輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)的力F3，三者相互平衡，見(jiàn)圖8。

螺帽的螺紋為梯形螺紋，牙型角為a，螺紋受到軸向力為F4，見(jiàn)圖9。

圖7 手自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置裝配模型

圖8 螺帽頂腳受力分析

圖9 螺帽螺紋軸向力示意

可知：

螺紋擰緊力矩計(jì)算公式：

式中：T為調(diào)節(jié)閥手輪力矩，N·mm；K為擰緊力矩系數(shù)；d為螺紋公稱直徑，mm。

由式（1）和式（2）可得

F3則可以根據(jù)力矩平衡得到

式中：R為調(diào)節(jié)閥手輪半徑，mm；r為螺帽受轉(zhuǎn)動(dòng)力半徑，mm。

下面分幾種情況對(duì)螺帽頂腳做變形情況計(jì)算，螺帽材料為QAl9：

1）調(diào)節(jié)閥處于手動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)正常調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度的情況，此時(shí)閥桿因受到蒸汽力作用產(chǎn)生軸向力，手輪轉(zhuǎn)動(dòng)螺帽需克服閥桿軸向力移動(dòng)閥桿，因此F4與蒸汽力相同，根據(jù)實(shí)際蒸汽參數(shù)與調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)尺寸即可計(jì)算得到F4，由式（1）可得F1，式（3）可得F3，由圖 8根據(jù)螺帽頂腳受力平衡可得F2。據(jù)此仿真計(jì)算結(jié)果如圖10所示。從圖10可知，此時(shí)螺帽頂腳受力變形非常小。

圖10 螺帽頂腳變形（手動(dòng)正常調(diào)節(jié)時(shí)）

2）汽輪機(jī)未經(jīng)過(guò)暖機(jī)，由于熱膨脹的原因?qū)е抡{(diào)節(jié)閥出現(xiàn)一定程度的卡澀，操作人員需要使用較大的力轉(zhuǎn)動(dòng)手輪才能打開(kāi)調(diào)節(jié)閥，通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)閥手輪轉(zhuǎn)矩的估算可得T，由式（3）得到F1，據(jù)此仿真計(jì)算結(jié)果如圖11所示。從圖11可知，此時(shí)螺帽頂腳受力變形明顯增大。

3）調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉后，操作人員習(xí)慣性的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，導(dǎo)致螺帽頂腳受力增加，仿真計(jì)算結(jié)果如圖12所示。從圖12可知，此時(shí)變形較正常調(diào)節(jié)情況下稍微增大。

4）調(diào)節(jié)閥手自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程螺帽頂腳受到撞擊時(shí)變形情況，此時(shí)根據(jù)動(dòng)量計(jì)算公式為

式中：m為螺帽質(zhì)量，kg；v為螺帽轉(zhuǎn)動(dòng)線速度速度，m/s；F為螺帽頂腳受到的撞擊力，N；t為螺帽轉(zhuǎn)動(dòng)受到撞擊的時(shí)間，s。

據(jù)此仿真計(jì)算結(jié)果如圖13所示，可以看到此時(shí)變形最為嚴(yán)重。

圖11 螺帽頂腳變形（未暖機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)）

圖12 螺帽頂腳變形（關(guān)閉時(shí)）

圖13 螺帽頂腳變形（手自動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)）

通過(guò)上述分析可知，螺帽頂腳磨損的主要原因是在手自動(dòng)轉(zhuǎn)換情況下受到撞擊造成。

2 優(yōu)化改進(jìn)

為避免螺帽頂腳在手自動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)撞擊現(xiàn)象，增加螺帽使用壽命，對(duì)轉(zhuǎn)換裝置開(kāi)展了進(jìn)一步的研究工作并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)程分析可知，圖1中螺栓除了帶動(dòng)轉(zhuǎn)換襯套轉(zhuǎn)動(dòng)的作用之外，還與螺母殼體的軌跡槽相配合，具有手動(dòng)自動(dòng)位置的限位作用。圖14為正常情況下螺帽頂腳與轉(zhuǎn)換襯套的相對(duì)位置，由于螺栓的限位作用，此時(shí)螺帽頂腳與轉(zhuǎn)換襯套之間有一定的間隙C，從圖14可看出，轉(zhuǎn)換襯套中型線B不同的位置也會(huì)造成C值的變化。如果螺母殼體的軌跡槽尺寸或型線B的位置設(shè)計(jì)不當(dāng)都將導(dǎo)致螺帽頂腳受到嚴(yán)重的撞擊。

圖14 螺帽頂腳與轉(zhuǎn)換襯套相對(duì)位置（正常情況下）

根據(jù)上述分析，對(duì)轉(zhuǎn)換襯套型線進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使螺帽頂腳移動(dòng)軌跡與轉(zhuǎn)換襯套型線更加配合，見(jiàn)圖15。圖中通過(guò)改變型線與螺栓槽的相對(duì)位置、修改圓角半徑都便于螺帽頂腳更順暢的進(jìn)入，避免撞擊。

同時(shí)修改螺母殼體軌跡槽轉(zhuǎn)動(dòng)角度，利用螺栓配合螺母殼體軌跡槽對(duì)螺帽頂腳轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行限制，從73°減少到64°，見(jiàn)圖16，完全避免了螺帽頂腳在調(diào)節(jié)閥手自動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)受到撞擊的情況。

3 試驗(yàn)研究

為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化改進(jìn)的效果，對(duì)轉(zhuǎn)換裝置開(kāi)展試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用自動(dòng)裝置完成，原理如圖17所示。

圖15 螺帽型線優(yōu)化

圖16 螺母殼體轉(zhuǎn)動(dòng)角度優(yōu)化

圖17 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)裝置照片如圖18所示。試驗(yàn)裝置主要由手自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置、電控箱、電機(jī)、支架、連桿機(jī)構(gòu)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)、數(shù)顯百分表等組成，百分表用于顯示手自動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)螺帽位置的變化范圍，當(dāng)螺帽頂腳發(fā)生損壞，百分表變化范圍將發(fā)生較大變化，便于試驗(yàn)人員觀察。

改進(jìn)方案利用螺栓起限位作用，必須充分考慮螺栓強(qiáng)度，避免螺栓受到撞擊變形甚至斷裂，因此試驗(yàn)中對(duì)螺栓采用了兩種材料開(kāi)展試驗(yàn)，材料為：2Cr13和35CrMoA。

圖18 試驗(yàn)裝置照片

試驗(yàn)方法：固定大手輪，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)小手輪模擬手自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程。通過(guò)使用不同材料的螺栓（2Cr13，35CrMoA）、改變手輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度、不同的轉(zhuǎn)換襯套（新型線與舊新型）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證上述因素對(duì)手自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置的影響，試驗(yàn)使用的螺帽為改進(jìn)后新加工。

試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果匯總

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）轉(zhuǎn)動(dòng)角度的增加對(duì)螺帽頂腳和螺栓的損害明顯。由于在使用過(guò)程中人工進(jìn)行手自動(dòng)轉(zhuǎn)換操作時(shí)無(wú)法避免的發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)角度增加，因此需要在操作時(shí)必須注意：進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)不可用力過(guò)大；當(dāng)調(diào)節(jié)閥發(fā)生卡澀或已經(jīng)關(guān)閉時(shí)不可用過(guò)大的力量進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，否則易造成螺帽頂腳因擠壓受損。

2）比較2和3可知：螺栓材料改為35CrMoA可以有效抑制轉(zhuǎn)動(dòng)角度增加對(duì)螺栓的損害，從而減輕螺帽頂腳受損。即修改螺栓材料是有效的措施。

4 結(jié)論

本文通過(guò)調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)受力分析和仿真計(jì)算，對(duì)其開(kāi)展優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果，試驗(yàn)表明改進(jìn)操作方式及螺栓材料可有效解決易故障問(wèn)題，通過(guò)本次研究提高了轉(zhuǎn)換裝置的使用壽命以及汽輪機(jī)運(yùn)行安全性和可靠性，并對(duì)正確的操作使用具有重要的指導(dǎo)意義。