淺析張河灣電站3號機(jī)機(jī)械制動(dòng)器頻繁故障的原因及處理

王國柱，李永紅，陳 超

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

淺析張河灣電站3號機(jī)機(jī)械制動(dòng)器頻繁故障的原因及處理

王國柱，李永紅，陳 超

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

主要是結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際分析水泵水輪發(fā)電機(jī)機(jī)械制動(dòng)器在工作中頻繁出現(xiàn)故障的原因，并針對發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)處理，通過不同的方法及手段確保閘板不會(huì)脫落和制動(dòng)器投退信號正常。

水泵水輪發(fā)電機(jī)；制動(dòng)器；閘板；脫落；信號異常

1 電廠概況

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測魚鎮(zhèn)附近的甘陶河干流上，距石家莊市公路里程77 km。該電站總裝機(jī)容量為1 000 MW，安裝4臺(tái)單機(jī)容量250 MW的單級混流可逆式水泵水輪機(jī)組。電站額定水頭305 m，電站綜合效率系數(shù)為0.76。電站建成后接入冀南電網(wǎng)，在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用任務(wù)。

該廠制動(dòng)系統(tǒng)由6臺(tái)何氏制動(dòng)器（天津市發(fā)電技術(shù)設(shè)備公司生產(chǎn)）組成，機(jī)組機(jī)械制動(dòng)時(shí)使用氣壓操作（頂起轉(zhuǎn)子時(shí)油壓操作）。正常情況下機(jī)械制動(dòng)在機(jī)組轉(zhuǎn)速小于5%Vn時(shí)投入，當(dāng)電氣制動(dòng)被閉鎖時(shí)機(jī)械制動(dòng)在機(jī)組轉(zhuǎn)速小于20%Vn時(shí)投入。

2 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

制動(dòng)器為油氣混合，拉簧復(fù)位形式。采用導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，保證活塞靈活動(dòng)作，無漏氣、漏油及活塞憋卡等故障?；钊睆綖?80 mm，最大行程為40 mm。正常工作氣壓為0.5～0.7MPa，頂轉(zhuǎn)子油壓為14.6MPa。包括制動(dòng)塊、制動(dòng)板、導(dǎo)向鍵、上活塞、拉簧、村套、蝶形彈簧、下活塞、缸體、手柄、大螺母、導(dǎo)向活塞等結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

從制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和結(jié)合實(shí)際來看，制動(dòng)板與制動(dòng)塊之間就是通過2個(gè)高約10 mm的定位銷連接，所以制動(dòng)塊與制動(dòng)板會(huì)出現(xiàn)分離的情況。制動(dòng)板是通過4個(gè)定位螺栓固定在上活塞上的。但是與上活塞大約有4 mm的間隙，制動(dòng)板與上活塞是通過導(dǎo)向活塞相互作用。上活塞只是起到一個(gè)導(dǎo)向作用，低壓氣不會(huì)進(jìn)入上活塞腔，上下活塞之間也是通過蝶形彈簧相互作用。

圖1 機(jī)械制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 制動(dòng)器作用

該廠每臺(tái)機(jī)組有6臺(tái)何氏制動(dòng)器，安裝于每臺(tái)機(jī)組下風(fēng)洞內(nèi)，其有兩個(gè)作用，一是制動(dòng)，二是頂轉(zhuǎn)子。

（1）制動(dòng)作用。依靠制動(dòng)器的制動(dòng)塊與轉(zhuǎn)子磁軛下部制動(dòng)環(huán)之間的摩擦力矩使機(jī)組停機(jī)。在停機(jī)過程中，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降低至額定轉(zhuǎn)速的5%（電氣制動(dòng)被閉鎖時(shí)為20%）時(shí)，制動(dòng)器即對發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行連續(xù)制動(dòng)，從而可以避免推力軸承因低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)油膜破壞而使瓦面燒損。

（2）在安裝、檢修后啟動(dòng)前頂起轉(zhuǎn)子。當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)間較長，留存在推力軸承瓦面間的剩余油膜可能消失，這時(shí)可在制動(dòng)器中通入高壓油，將轉(zhuǎn)子略微頂起，使軸瓦面與鏡板之間進(jìn)入潤滑油，建立新的油膜。

該廠制動(dòng)器為單缸單活塞，只有一個(gè)氣缸，即管路系統(tǒng)是油、氣不分開結(jié)構(gòu)，管道既進(jìn)氣進(jìn)油，也排氣排油。

2.3 制動(dòng)器制動(dòng)原理

我廠機(jī)械制動(dòng)是當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降到額定轉(zhuǎn)速的5%（電氣制動(dòng)被閉鎖時(shí)為20%）時(shí)，投入機(jī)械制動(dòng)，此時(shí)低壓氣從制動(dòng)器的進(jìn)氣孔進(jìn)入后頂起下活塞，通過蝶形彈簧的作用把力傳到上活塞后活塞在導(dǎo)向鍵的約束下垂直向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到限位開關(guān)動(dòng)作后停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)閘板與固定在發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛下端的制動(dòng)環(huán)相接觸，產(chǎn)生摩擦力矩，形成摩擦制動(dòng)，是一種比較傳統(tǒng)的制動(dòng)方法。

此種機(jī)械制動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是由于制動(dòng)過程中制動(dòng)塊磨損會(huì)產(chǎn)生粉塵污染定轉(zhuǎn)子絕緣，故在制動(dòng)器上加裝了密封罩和抽粉塵裝置。

導(dǎo)向活塞。在制動(dòng)過程中由于機(jī)組的擺動(dòng)、制動(dòng)環(huán)不水平等因素，會(huì)使制動(dòng)塊的摩擦面產(chǎn)生受力不均勻，這時(shí)制動(dòng)器的導(dǎo)向活塞會(huì)根據(jù)制動(dòng)環(huán)的不平行面使制動(dòng)塊產(chǎn)生傾斜角度，消除徑向剪切力，增大制動(dòng)塊與制動(dòng)環(huán)的有效接觸面，起到很好的制動(dòng)效果。

蝶形彈簧?？梢韵C(jī)時(shí)瞬間力過大產(chǎn)生的影響，既起到很好的制動(dòng)效果，又可以避免制動(dòng)器的上下活塞剛性撞擊。

大螺母。當(dāng)制動(dòng)器投入后，假如氣缸泄壓后需要保持制動(dòng)器在投入狀態(tài)，此時(shí)可以通過手柄轉(zhuǎn)動(dòng)大螺母向上旋轉(zhuǎn)，直到大螺母與制動(dòng)板相接觸，即使泄壓也不會(huì)使制動(dòng)器退出，起到鎖定作用。在正常工作時(shí)大螺母完全落下，保證不影響制動(dòng)器行程。

拉簧。主要是起到復(fù)位作用，當(dāng)制動(dòng)器退出時(shí)，會(huì)先泄壓，然后在活塞的自重和彈簧的拉力作用下使活塞復(fù)位。

3 故障情況

2012年1月30日，3號機(jī)在停機(jī)過程中出現(xiàn)機(jī)械制動(dòng)退出時(shí)間超長的報(bào)警，查歷史記錄發(fā)現(xiàn)，1號制動(dòng)爪從發(fā)令到實(shí)際退出時(shí)間為16 s，報(bào)警整定值為15 s。在之后的3號機(jī)運(yùn)行過程中時(shí)有1號爪退出時(shí)間偏長記錄，但未到達(dá)報(bào)警值。清掃供氣管路后，對制動(dòng)進(jìn)行投退，動(dòng)作速度稍有提高，但仍比其他爪慢。在制動(dòng)退出的狀態(tài)下進(jìn)行測量，1號爪閘板與制動(dòng)環(huán)之間的間隙為內(nèi)側(cè)2.8 mm，外側(cè)3.5 mm。通過檢查發(fā)現(xiàn)拉簧老化，隨即檢修人員對1號制動(dòng)爪的拉簧進(jìn)行了更換，并調(diào)整了拉簧預(yù)緊力進(jìn)行投退試驗(yàn)，1號制動(dòng)爪退出時(shí)間明顯縮短。同時(shí)出現(xiàn)未收到6號爪投入信號，檢查6號爪投入正常，調(diào)整位置開關(guān)后信號正常。

2012年2月19日凌晨，3號機(jī)抽水啟動(dòng)及停機(jī)過程中機(jī)械制動(dòng)5號爪退出時(shí)間稍長，但在正常范圍內(nèi)。20日下午3號機(jī)發(fā)電停機(jī)過程中再次出現(xiàn)1號爪退出時(shí)間超長報(bào)警，較最先退出的3號爪晚17s之久，并且6號爪一直保持退出信號，隨即運(yùn)行人員進(jìn)行投退試驗(yàn)2次，1號爪正確動(dòng)作，但再次發(fā)現(xiàn)5號爪退出時(shí)間超長，較最先退出的4號爪晚28 s之久。

2012年2月22日，3號機(jī)組退備，對5號爪的拉簧進(jìn)行了更換，并增加了彈簧的預(yù)緊力，投退試驗(yàn)動(dòng)作正常，退出時(shí)間明顯縮短，比最先退出的制動(dòng)器僅慢6～7s，在正常范圍內(nèi)。同時(shí)在退出狀態(tài)下對各爪的間隙進(jìn)行了測量，其中2號、3號、4號、5號爪內(nèi)外側(cè)的間隙均較大，約10mm，1號爪外側(cè)約6mm，內(nèi)側(cè)間隙約2.25 mm，6號爪的間隙較小，內(nèi)側(cè)0.1～0.75 mm，外側(cè)0.05～0.3 mm，行程開關(guān)結(jié)點(diǎn)頂在退出位置，投退制動(dòng)時(shí)6號爪能上下動(dòng)作，但因間隙小動(dòng)作行程很短，不足以使行程開關(guān)結(jié)點(diǎn)離開退出位置，故制動(dòng)信號一直未收到。投入機(jī)組交流主油泵后再次測量，內(nèi)側(cè)間隙為0.25～2.15 mm，外側(cè)0.1～0.75 mm。

2012年2月24日，在進(jìn)3號機(jī)風(fēng)洞進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)6號制動(dòng)爪閘板脫落，而且制動(dòng)環(huán)上有明顯的劃痕，制動(dòng)托板的定位螺栓松動(dòng)且高出托板水平面。閘板脫落給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來了很大的風(fēng)險(xiǎn)。

2012年3月1日，在進(jìn)3號機(jī)風(fēng)洞進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)1號風(fēng)閘閘板間隙很小。拆開閘板槽后發(fā)現(xiàn)定位螺栓已經(jīng)松動(dòng)頂起，并發(fā)現(xiàn)閘板有頂裂的跡象。隨后加固鎖定螺栓并更換新的閘板，更換后動(dòng)作正常，信號正確。

4 故障原因及處理

4.1 閘板脫落的原因

針對3號機(jī)組機(jī)械制動(dòng)裝置頻繁出現(xiàn)的故障，該廠組織相關(guān)技術(shù)人員對機(jī)械制動(dòng)裝置進(jìn)行分析，通過對機(jī)械制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，閘板放置在制動(dòng)托板上面，只有在水平方向通過定位螺栓固定，在垂直方向上沒有任何的固定裝置，所以閘板在垂直方向上是可以自由活動(dòng)的。當(dāng)未投入制動(dòng)時(shí)制動(dòng)器閘板處于水平狀態(tài)，如圖2；當(dāng)投入制動(dòng)時(shí)，由于制動(dòng)環(huán)的不水平因素會(huì)使閘板的受力不均勻，會(huì)出現(xiàn)一邊高一邊低的現(xiàn)象，所以在導(dǎo)向活塞的作用下制動(dòng)托板會(huì)出現(xiàn)傾斜，如圖3；此時(shí)制動(dòng)托板下降側(cè)的定位螺栓就會(huì)失去預(yù)緊力，在機(jī)組的振動(dòng)作用下螺栓會(huì)慢慢松動(dòng)并上竄，長期就會(huì)出現(xiàn)定位螺栓頂出導(dǎo)致閘板與制動(dòng)環(huán)間隙偏小且不均勻，如圖4；最后閘板被制動(dòng)環(huán)從制動(dòng)器內(nèi)帶出而脫落。

圖2 正常狀態(tài)

圖3 手里不均勻狀態(tài)

圖4 頂出狀態(tài)

4.2 信號異常的原因

結(jié)合以上的分析也找到了3號機(jī)組的制動(dòng)器會(huì)頻繁出現(xiàn)收到退出信號超時(shí)和無法收到投入信號的原因。即：只有當(dāng)制動(dòng)器退出時(shí)傳感器觸點(diǎn)才能被壓緊，顯示制動(dòng)器在退出狀態(tài)，當(dāng)制動(dòng)器投入時(shí)活塞在低壓氣的作用下向上運(yùn)動(dòng)，傳感器觸頭完全松開，顯示制動(dòng)器在投入狀態(tài)。但是傳感器也有一定的行程，只有達(dá)到其運(yùn)動(dòng)行程傳感器才會(huì)有相應(yīng)的信號發(fā)出，所以當(dāng)彈簧老化，再加上機(jī)械卡塞等原因，就會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)器退出緩慢，導(dǎo)致收到退出信號時(shí)間較長。當(dāng)固定螺栓松動(dòng)向上頂起時(shí)，會(huì)導(dǎo)致閘板與制動(dòng)環(huán)的間隙變小，投入機(jī)械制動(dòng)器，閘板向上運(yùn)動(dòng)的行程也會(huì)變小，當(dāng)小于傳感器釋放的行程時(shí)傳感器的信號就會(huì)不發(fā)生變化，仍然顯示在退出狀態(tài)，但是剎車已經(jīng)在投入狀態(tài)。

4.3 閘板脫落處理

（1）在定位螺栓處打中強(qiáng)度螺紋膠或者在螺栓上加裝彈簧墊片和具有自鎖功能的墊圈；

（2）對閘板加裝垂直方向的固定裝置，確保閘板不能垂直方向運(yùn)動(dòng)；

（3）定期對拉簧的預(yù)緊力進(jìn)行檢查，確保拉簧拉力正常。

（4）根據(jù)目前出現(xiàn)的情況更換機(jī)械制動(dòng)裝置，避免類似的事故再次發(fā)生。

5 結(jié)束語

通過對張河灣抽水蓄能電站3號機(jī)組機(jī)械制動(dòng)器頻繁出現(xiàn)的故障進(jìn)行不斷地分析和處理，經(jīng)過不同處試驗(yàn)和處理方法的嘗試，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。上述處理方法可以保證在一定時(shí)間內(nèi)閘板不會(huì)脫落，但是機(jī)組長期運(yùn)行，產(chǎn)生的制動(dòng)力較大，還會(huì)出現(xiàn)閘板被頂起的現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)拉簧老化的問題，所以最終建議選擇質(zhì)量較好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的機(jī)械制動(dòng)裝置進(jìn)行更換。積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)可以為使用該型號機(jī)械制動(dòng)裝置的其他單位提供借鑒和幫助，為更換機(jī)械制動(dòng)裝置爭取更多的準(zhǔn)備時(shí)間，同時(shí)又能確保機(jī)組可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]于蘭階.水輪發(fā)電機(jī)組的安裝與檢修[M].北京：水利電力出版社，1986.

[2]姜政權(quán).水輪發(fā)電機(jī)及其檢修（機(jī)械部分）[M].北京：工人出版社，1987.

[3]梅祖彥.抽水蓄能發(fā)電技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.06.

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1672-5387（2016）12-0063-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.12.023

2016-08-29

王國柱（1981-），男，高級工程師，從事抽水蓄能電站運(yùn)維管理工作。