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

倪 平，范華峰，曾建華，趙悅涵

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

0 引言

蒸汽調(diào)節(jié)閥是汽輪機的重要設備之一，其功能是否正常直接影響汽輪機的運行是否安全穩(wěn)定[1-3]。某型汽輪機蒸汽調(diào)節(jié)閥為機械液壓式，具有手動調(diào)節(jié)與自動調(diào)節(jié)功能，通過設計一個轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)手動與自動狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。該裝置結(jié)構(gòu)設計巧妙、操作靈活，可在汽輪機使用初期極好地滿足操作人員對轉(zhuǎn)換過程快速到位的需求，但經(jīng)過一段時間的使用后，將會逐漸出現(xiàn)無法順利轉(zhuǎn)換的故障，影響汽輪機的使用。

主要故障現(xiàn)象表現(xiàn)為：調(diào)節(jié)閥手自動轉(zhuǎn)換略有卡澀不順暢；轉(zhuǎn)換不到位；調(diào)節(jié)閥關到最底部時，繼續(xù)轉(zhuǎn)動手輪關閉閥門產(chǎn)生滑脫現(xiàn)象。為解決故障，技術(shù)人員開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)示意見圖1。

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

給水機組蒸汽調(diào)節(jié)閥的手自動轉(zhuǎn)換功能是利用了螺帽兩半的松開和合并來實現(xiàn)的，螺帽見圖2。手自動切換時，大小手輪相互逆向旋轉(zhuǎn)，大手輪可以帶動螺母殼體轉(zhuǎn)動，螺帽隨螺母殼體做無軸向位移的轉(zhuǎn)動，螺母殼體見圖 3，小手輪帶動套筒做逆向轉(zhuǎn)動，與套筒相連的螺栓沿螺母殼體上的軌跡槽運動，同時帶動轉(zhuǎn)換襯套轉(zhuǎn)動，通過轉(zhuǎn)換襯套的轉(zhuǎn)動使螺帽合并或分開，轉(zhuǎn)換襯套見圖4。

圖2 螺帽

圖3 螺母殼體

圖4 轉(zhuǎn)換襯套

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

圖5 手動、自動狀態(tài)示意

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

圖6 螺帽磨損現(xiàn)象

通過對調(diào)節(jié)閥手動狀態(tài)、自動狀態(tài)以及手自動轉(zhuǎn)換過程的分析可知，自動狀態(tài)下螺帽頂腳并不受力，只有在手動狀態(tài)或者轉(zhuǎn)換過程中才會受到碰撞或擠壓。

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，見圖7。

通過分析螺帽的工作狀態(tài)可知，在螺帽頂腳處主要受到通過螺紋嚙合傳遞而來的向外推力F1、被轉(zhuǎn)換襯套撞擊擠壓的力F2以及螺帽被手輪轉(zhuǎn)動帶動的力F3，三者相互平衡，見圖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，見圖9。

圖7 手自動轉(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)動力半徑，mm。

下面分幾種情況對螺帽頂腳做變形情況計算，螺帽材料為QAl9：

1）調(diào)節(jié)閥處于手動狀態(tài)，通過手輪轉(zhuǎn)動正常調(diào)節(jié)閥門開度的情況，此時閥桿因受到蒸汽力作用產(chǎn)生軸向力，手輪轉(zhuǎn)動螺帽需克服閥桿軸向力移動閥桿，因此F4與蒸汽力相同，根據(jù)實際蒸汽參數(shù)與調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)尺寸即可計算得到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)此仿真計算結(jié)果如圖10所示。從圖10可知，此時螺帽頂腳受力變形非常小。

圖10 螺帽頂腳變形（手動正常調(diào)節(jié)時）

2）汽輪機未經(jīng)過暖機，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)動手輪才能打開調(diào)節(jié)閥，通過對調(diào)節(jié)閥手輪轉(zhuǎn)矩的估算可得T，由式（3）得到F1，據(jù)此仿真計算結(jié)果如圖11所示。從圖11可知，此時螺帽頂腳受力變形明顯增大。

3）調(diào)節(jié)閥完全關閉后，操作人員習慣性的繼續(xù)轉(zhuǎn)動手輪，導致螺帽頂腳受力增加，仿真計算結(jié)果如圖12所示。從圖12可知，此時變形較正常調(diào)節(jié)情況下稍微增大。

4）調(diào)節(jié)閥手自動轉(zhuǎn)換過程螺帽頂腳受到撞擊時變形情況，此時根據(jù)動量計算公式為

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

據(jù)此仿真計算結(jié)果如圖13所示，可以看到此時變形最為嚴重。

圖11 螺帽頂腳變形（未暖機開機時）

圖12 螺帽頂腳變形（關閉時）

圖13 螺帽頂腳變形（手自動轉(zhuǎn)換時）

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

2 優(yōu)化改進

為避免螺帽頂腳在手自動轉(zhuǎn)換時出現(xiàn)撞擊現(xiàn)象，增加螺帽使用壽命，對轉(zhuǎn)換裝置開展了進一步的研究工作并進行優(yōu)化改進。

通過對轉(zhuǎn)換過程分析可知，圖1中螺栓除了帶動轉(zhuǎn)換襯套轉(zhuǎn)動的作用之外，還與螺母殼體的軌跡槽相配合，具有手動自動位置的限位作用。圖14為正常情況下螺帽頂腳與轉(zhuǎn)換襯套的相對位置，由于螺栓的限位作用，此時螺帽頂腳與轉(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的位置設計不當都將導致螺帽頂腳受到嚴重的撞擊。

圖14 螺帽頂腳與轉(zhuǎn)換襯套相對位置（正常情況下）

根據(jù)上述分析，對轉(zhuǎn)換襯套型線進行優(yōu)化改進，使螺帽頂腳移動軌跡與轉(zhuǎn)換襯套型線更加配合，見圖15。圖中通過改變型線與螺栓槽的相對位置、修改圓角半徑都便于螺帽頂腳更順暢的進入，避免撞擊。

同時修改螺母殼體軌跡槽轉(zhuǎn)動角度，利用螺栓配合螺母殼體軌跡槽對螺帽頂腳轉(zhuǎn)動角度進行限制，從73°減少到64°，見圖16，完全避免了螺帽頂腳在調(diào)節(jié)閥手自動轉(zhuǎn)換時受到撞擊的情況。

3 試驗研究

為進一步驗證優(yōu)化改進的效果，對轉(zhuǎn)換裝置開展試驗研究，試驗采用自動裝置完成，原理如圖17所示。

圖15 螺帽型線優(yōu)化

圖16 螺母殼體轉(zhuǎn)動角度優(yōu)化

圖17 試驗原理

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

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

圖18 試驗裝置照片

試驗方法：固定大手輪，通過電機帶動連桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動小手輪模擬手自動轉(zhuǎn)換過程。通過使用不同材料的螺栓（2Cr13，35CrMoA）、改變手輪轉(zhuǎn)動角度、不同的轉(zhuǎn)換襯套（新型線與舊新型）進行對比試驗，驗證上述因素對手自動轉(zhuǎn)換裝置的影響，試驗使用的螺帽為改進后新加工。

試驗結(jié)果匯總見表1。

表1 試驗結(jié)果匯總

試驗結(jié)果表明：

1）轉(zhuǎn)動角度的增加對螺帽頂腳和螺栓的損害明顯。由于在使用過程中人工進行手自動轉(zhuǎn)換操作時無法避免的發(fā)生轉(zhuǎn)動角度增加，因此需要在操作時必須注意：進行轉(zhuǎn)換時不可用力過大；當調(diào)節(jié)閥發(fā)生卡澀或已經(jīng)關閉時不可用過大的力量進行轉(zhuǎn)動手輪，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)動角度增加對螺栓的損害，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

本文通過調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)受力分析和仿真計算，對其開展優(yōu)化改進設計，并經(jīng)過試驗研究驗證了設計結(jié)果，試驗表明改進操作方式及螺栓材料可有效解決易故障問題，通過本次研究提高了轉(zhuǎn)換裝置的使用壽命以及汽輪機運行安全性和可靠性，并對正確的操作使用具有重要的指導意義。