某蓄能電廠尾閘掛鉤鎖錠裝置分析及改造

陳 嘉，張松偉，張小宇

（南方電網調峰調頻發電有限公司檢修試驗分公司，廣東 廣州511400）

0 引言

抽水蓄能機組尾水緊急事故閘門（下稱尾閘）掛鉤液壓鎖錠錠裝置是避免尾閘意外下落的液壓安全裝置；尾水閘門全開到位時投入掛鉤鎖錠裝置，閘門下落時，尾閘掛鉤退出。掛鉤液壓鎖錠裝置能否準確順利退出直接影響了尾水閘門能否順利關閉，從而影響機組的安全穩定運行。

某電廠4臺尾閘于1993年2月1日投入運行，至今已26年。自2010年以來，陸續出現多臺機組尾閘掛鉤裝置在尾閘下落時必須在外力輔助下才可完全退出的情況。2018年10月至2019年1月尾閘系統大修期間對尾閘掛鉤裝置進行檢查維護，更換了尾閘掛鉤裝置銷軸軸套及掛鉤退出彈簧后，尾閘掛鉤能順暢退出。經分析掛鉤無法順利退出時因為掛鉤裝置軸套長時間使用后，掛鉤裝置退出彈簧無法提供足夠的力克服掛鉤銷軸與軸套間摩擦力。考慮到該裝置在長時間使用后可靠性降低，威脅機組安全穩定運行，因此需要對掛鉤裝置進行改造以確保掛鉤裝置動作正常。

1 尾閘掛鉤裝置工作原理

某蓄能電廠機組尾閘配備兩套尾閘掛鉤裝置，尾閘掛鉤裝置主要由1個液壓接力器、1對復位彈簧、掛鉤機構與液壓回路組成。掛鉤裝置安裝于尾閘頂蓋上部，掛鉤機構穿過頂蓋與尾閘門葉上部勾爪配合，具體見圖1。尾閘液壓系統正常運行時，油泵啟動，壓力油經引導閥進入尾閘接力器下部環形油腔，閘門逐步開啟；閘門開啟完成時，控制閥接通尾閘掛鉤接力器油路，使掛鉤在液壓油作用下投入并保持。閘門關閉時，保持電磁閥失磁，掛鉤投入腔壓力油排回集油箱，掛鉤在彈簧的作用下退出，掛鉤完全退出后閘門在自重作用下緩慢下落直至全關位置。

圖1 尾閘掛鉤裝置結構圖

圖2 尾閘掛鉤裝置實物圖

2 尾閘掛鉤裝置彈簧性能分析

經分析，尾閘掛鉤彈簧及掛鉤銷軸軸套性能對掛鉤功能起到決定性的作用，因軸套改造難度較大，故暫不考慮改造軸套。此次尾閘系統大修后更換了新彈簧備品，新彈簧彈性系數大于舊彈簧。為確定新彈簧對掛鉤裝置投退的影響，決定對新、舊兩種彈簧進行了彈性性能試驗。

分別測量新舊兩種彈簧在懸掛不同重物的情況下彈簧的長度，由此計算出兩種彈簧的彈性系數。

表1 尾閘掛鉤裝置退出彈簧彈性性能試驗數據

通過回歸分析計算可得出彈簧長度與所受力的關系。如圖3所示。

圖3 尾閘掛鉤接力器舊彈簧彈性系數曲線

舊彈簧彈力與長度關系：

新彈簧彈力與長度關系：

圖4 尾閘掛鉤接力器新彈簧彈性系數曲線

再對尾閘掛鉤投入和退出狀態時彈簧的實際尺寸進行測量得出：

表2 尾閘掛鉤裝置投入退出時彈簧長度數據

尾閘掛鉤投入狀態時

舊彈簧所受力：

新彈簧所受力：

尾閘掛鉤退出狀態時

舊彈簧所受力：

新彈簧所受力：

由此可知更換新彈簧后，在掛鉤投入狀態時，彈簧所提供彈力由488 N增大到560 N；在掛鉤退出狀態時，彈簧所提供彈力由368 N增大到393 N。

3 尾閘掛鉤裝置改造設計

尾閘掛鉤裝置復位彈簧為單線彈簧，增加彈簧彈性系數可以增大彈力保證掛鉤裝置可正常退出。不過受尺寸限制，彈簧彈性系數收到材料、安裝位置限制無法大幅度增加，很難徹底解決掛鉤無法退出問題，因此決定對尾閘掛鉤裝置進行改造。

借鑒其他蓄能電廠尾閘掛鉤結構，此次改造在掛鉤執行機構上焊接支撐力臂并加裝重錘來輔助彈簧，通過調整重錘重量來調節掛鉤退出力矩以保證掛鉤順利退出。

增加重錘應考慮以下要點：

（1）掛鉤裝置靠上游側需有足夠空間安裝重錘及重錘支架，重錘安裝后，不影響尾閘門槽蓋板及液壓管路維護工作。

圖5 尾閘掛鉤裝置加裝重錘力臂結構圖

（2）為保證尾閘掛鉤在投入過程中不會因阻力過大退出，重錘提供的掛鉤退出力矩與彈簧提供的掛鉤退出力矩之和應小于掛鉤接力器投入腔提供的液壓力矩。

（3）重錘支架選擇碳鋼材質，強度滿足使用要求。

為此在現場對尾閘掛鉤裝置相關尺寸進行測量取值，如表3所示。

表3 尾閘掛鉤裝置相關尺寸及運行數據

通過現場空間位置測量設計掛鉤重錘支架，采用碳鋼材質，得出重錘支架設計圖及數據如圖6、表4所示。

圖6 尾閘掛鉤裝置重錘力臂設計及受力分析圖

表4 尾閘掛鉤裝置重錘支架數據

4 尾閘掛鉤裝置操作機構力學性能分析

4.1 尾閘掛鉤接力器液壓操作力計算

尾閘掛鉤動作油壓與尾閘接力器下腔壓力相同，尾閘液壓系統最低動作壓力為P1=2.5 MPa，此時掛鉤接力器投入腔活塞頭所受最小壓力：

4.2 尾閘掛鉤投退瞬間受力分析

以此次更換的新彈簧為計算依據，掛鉤投入瞬間：

掛鉤退出瞬間，新彈簧提供的掛鉤退出力為：

4.3 重錘裝置提供的掛鉤退出力與重錘質量關系計算

重錘支架焊接在掛鉤裝置操作結構后，支架本身質量：

重錘所提供給掛鉤退出的力矩為：

為保證掛鉤在機組正常運行期間不會退出，重錘提供的掛鉤退出力矩與彈簧提供的掛鉤退出力矩的合力再加上掛鉤軸套的摩擦力應小于掛鉤接力器投入腔所受液壓力矩。隨著時間推移掛鉤軸套摩擦力越來越大，假設軸套摩擦力增大到與舊彈簧彈力持平，此時：

由此可得出重錘質量最多可增加到741 N。

5 小結

尾閘掛鉤液壓鎖錠裝置能否順利地退出，直接影響蓄能機組尾水閘門能否順利關閉，影響機組的安全穩定運行。為該電廠的尾閘掛鉤裝置選取新的復位彈簧后，取得了預期的效果，后續計劃增加重錘質量，可以節省維護成本，提高機組的可靠性。該改造實施后，將會大幅度提高尾閘掛鉤裝置的可靠性，徹底解決掛鉤無法退出的歷史缺陷。

通過對尾閘掛鉤液壓鎖錠裝置的改造研究及分析，為其他蓄能電廠提供了經驗，并得到以下結論：

（1）通過調節重錘質量的方式提高掛鉤裝置退出力矩，該方案成本較低、可靠性好，在同類型彈簧復位連桿裝置上有一定推廣價值。

（2）通過彈簧彈力和重錘質量提供的掛鉤退出力，可克服掛鉤銷軸軸套摩擦力過大導致的掛鉤卡死缺陷，有效恢復了掛鉤裝置功能，提高了機組的可靠性。